为了满足我国先进中高层大气测风温激光雷达的高精度探测需求, 介绍了一种基于高精度波长计和高性能数模转换器等器件, 结合自主编写软件搭建的一套主动反馈稳频系统, 实现了对 1319nm种子激光器的稳频控制。经过波长稳定度测试实验, 结果表明该系统能够使种子激光的波长连续 12h锁定在 1318.81999±0.00006nm范围内(稳频精度小于 20.7MHz), 波长稳定度提高 5个量级, 波长的 Allan方差单调递减趋近于 10-6, 实现了对种子激光波长的长期精确锁定。该结果将为其他同类激光雷达的高精度探测提供技术保障。

基于子午工程激光雷达的大气Rayleigh散射实验观测数据，开展了中层（30~65 km）大气温度结构反演计算和大气重力波事件识别的研究工作。在Chanin-Hauchecorne大气温度反演方法的基础上，采用SABER/TIMED、COSMIC卫星测量数据的对照分析方法，提高了中层大气温度结构反演的准确性；采用小波分析方法提取温度扰动的主要波动成分，并计算重力波活动的垂直波数谱Fam和时间频率谱Faω，增强了重力波事件识别以及特征参数提取的可靠性。基于设计的数据分析流程，完成了2011—2013年海南激光雷达站观测数据的分析工作，提取202个中层大气重力波事件的特征垂直波长λz*和特征周期Tob*。统计分析结果显示，海口上空中层大气常见重力波的特征垂直波长为5~9 km， 特征周期为5~13 h。该数据分析方法能满足Rayleigh激光雷达对中层大气温度结构精确探测以及重力波活动特性观测研究的需要，可为子午工程激光雷达观测数据的广泛应用提供服务。

中层顶区域（80~110 km）的大气探测具有重要的科研和应用价值。长期以来，由于传统探测手段的限制，该区域一直是人类了解相对较少的大气层区域，存在着由流星注入产生的大气金属层。由于金属原子、离子共振荧光散射的散射截面比瑞利散射、拉曼散射大得多，其可以被激光雷达探测到。半个世纪以来，利用原子、离子特定波长的跃迁光谱，向高空大气发射特定波长的激光，并结合遥感技术，开展了大气金属层探测，这些金属原子、离子是大气波动极好的示踪物，可获得大气原子数密度、温度、风场等参量。近年来，随着热层金属层不断被发现，大气金属层的高度范围逐渐拓展，金属层研究又受到人们的极大关注。本文以作者团队及合作者的工作为基础，以大气金属层激光雷达采用的激光器发展历程为主线，介绍了地基激光雷达对大气金属层探测研究的发展过程以及国内外研究现状与发展趋势。

环境天气的突然变化会对观测中的中高层大气激光雷达造成严重危害，为了确保中高层大气激光雷达的安全运行，需要实时监测激光雷达台站的天气状况。基于夜空图像分析仪和本地气象站，结合数字图像处理技术，开发一套自动化天气判别系统。该系统能够实时判断当前天气状况是否满足激光雷达的观测条件，并对未来2小时内可能出现的恶劣天气做出及时预警。依据试运行一年的连续观测结果，该系统能够正确地判断当前天气状况，可以满足中高层大气激光雷达自动化运行的需求，具有较高的稳定性和实用性。

脉冲激光由于具有峰值功率高、脉冲宽度窄等特点，在激光致声、激光焊接等领域中得到了广泛应用。使用特殊波形的脉冲激光，可获得比单脉冲高斯激光更加优异的应用效果，因此脉冲激光波形调节方法具有重要的应用价值。针对这一需求，提出并实验验证了一种基于分光延时的脉冲激光波形调节方法。首先对脉冲激光分光延时叠加原理进行了理论分析，设计出基于两次分光的四脉冲分光延时叠加光路，确定了产生矩形、三角形、驼峰形和双峰形脉冲激光所需的分光比与延时。然后搭建了一套基于Nd∶YAG脉冲激光器的二倍频532 nm激光的四脉冲分光延时叠加实验装置，成功获得了矩形、三角形、驼峰形和双峰形等特殊波形的脉冲激光。

临近空间风温遥感技术是研究大气动力学、热力学特性的重要手段，也是提高空间天气数值预报准确性的必要途径。针对临近空间大气风温遥感探测需求，通过分析临近空间风场和温度的探测原理和方法，并比较现有星载被动风温探测方式，提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的近红外星载风温成像干涉仪，其工作波长为O2分子在1.27 μm的谱线，探测范围覆盖整个临近空间。论述了系统工作原理和设计过程，其中，重点阐述了兼具视场展宽、色差矫正、温度补偿功能的Michelson干涉仪和用于对O2分子谱线鉴频的F-P干涉仪的设计，并进行了模拟仿真实验。仿真结果表明风速测量误差为18.98%，可满足临近空间大气风场和温度场探测要求。

提出一种多通道单脉冲激光能量变化的监测方法,用于实时监测脉冲激光的状态。首先采用多合一光纤束,对待测激光进行取样;再经过消色差透镜将光纤合束端面成像到CMOS图像传感器的感光面,通过软件获取光斑图像并提取不同光斑的灰度值,以表征脉冲激光能量;最后根据各待测激光总能量大小对灰度值进行标定,即可实现不同位置处激光能量变化的同时在线监测。利用该方法,对全高程全天时大气探测激光雷达系统中1064,532,589nm激光以及脉冲染料激光器中自发辐射 (ASE) 荧光的单脉冲能量变化进行了长时间同时在线监测,得到了激光雷达运行过程中这4束光单脉冲能量的变化情况,并根据监测结果计算了倍频晶体的倍频效率、脉冲染料激光器的转换效率及ASE比例系数。该研究为需要对多路激光单脉冲能量变化进行同时在线监测的光电系统提供了一种有效的解决方法。

大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用来主动遥感测量大气参数, 在大气科学研究、环境监测、气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。大气密度随高度呈指数下降, 对流层以上的高层大气密度稀薄, 探测难度较高, 探测手段较少, 探测数据也较少。随着激光雷达技术的发展, 激光雷达对高层大气密度、温度、风场等参数的探测能力逐步提高, 获得了较为丰富的高时间、空间分辨的观测数 据, 并应用于中高层大气模式发展、临近空间环境保障等领域。系统地介绍了高层大气激光雷达探测机制、国内相关激光雷达的探测能力及台站建设情况, 并对高层激光雷达的发展趋势和应用前景进行了展望。