为满足氦(He)激光雷达系统的探测指标, 实现200～1000 km大气中He原子密度的测量, 对He密度探测激光雷达系统的参数和性能进行设计(主要包括激光发射部分、光学接收部分、数据采集和控制部分), 对比在不同亚稳态He密度、不同积分时间、不同距离分辨条件下系统接收光子数与距离的关系, 其中亚稳态He的密度对信号强度的影响最大。用较低高度的瑞利散射信号标定共振荧光信号, 获得相对数密度曲线和信噪比(SNR)曲线。仿真结果显示, 在积分时间为30 min, 距离分辨为50 km, 亚稳态He原子［He(23S)］密度最低的情况下, 在250～530 km高度范围内, 相对误差小于2%, SNR大于40。结果证明系统设计的参数可以满足高层大气He原子密度的探测要求, 对将来系统的实现有一定参考价值。

临近空间风场的探测, 在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性, 以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm, 探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据, 于2014年下半年进行了外场实验, 并与当地的探空气球数据进行对比, 结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。

基于法布里-珀罗干涉仪的多普勒测风激光雷达可以实现从对流层到中层大气的高时空分辨率风场探测。然而，实际风场观测时，反演出的径向风速总会存在一个偏差，需要外部的参考风场来消除。从理论出发，分析了出现偏差的原因，得出主要影响因素是法布里-珀罗干涉仪和种子激光器的环境温度。随后对该温度的影响进行了实验研究。通过分别对种子激光器和法布里-珀罗干涉仪环境温度的精确控制，测量激光通过已标定的法布里-珀罗干涉仪的透过率来监测相对频率的漂移与温度之间的关系。实验结果表明，环境温度会影响频率漂移，理论上，对于355 nm 测风激光雷达系统，控制1 m/s 的径向风速漂移，种子激光器环境温度引起的频率漂移系数为1650 MHz/K，温度控制的精度须小于0.004 K；法布里-珀罗干涉仪环境的温度引起的频率漂移系数为799 MHz/K，温度控制的精度须小于0.007 K。

目前我国尚缺乏25~60 km大气风场实时探测手段，为此研制了60 km车载瑞利测风激光雷达。介绍了系统总体结构，对分系统的研制做了详细描述。为提高风场反演的精度，设计了标准具通过率函数校准系统。提出了标准具通过率函数校准方法，并开展实验对标准具通过率函数进行了校准。校准结果表明，接收机性能稳定，各参数测量标准差均小于0.06。该系统在德令哈地区对15~60 km大气风场进行了观测，获得了水平风场的测量结果，并与当地探空气球的探测结果进行了比对，30 km以下一致性较好。对风速、风向测量误差进行了计算，40 km以下，风速测量误差≤4 ｍ/ｓ，风向测量误差≤6°，40 km以上，风速测量误差≤8 ｍ/ｓ，风向测量误差≤18°。该系统设计合理，性能稳定，能够实时探测10~60 km大气风场。

：一台用于观测对流层和平流层风场的车载瑞利测风激光雷达于安徽合肥建成，该雷达使用双边缘技术，设计探测高度10~40 km，距离分辨率分别为100 m(20 km高度以下)和500 m(20 km高度以上)。在2011年夏季该雷达于新疆乌鲁木齐地区(42.1°N，87.1°E)进行了风场观测实验并成功观测到了平流层准零风层大气结构，给出了几组夜间典型的风场数据，根据观测结果得出：准零风层底部高度稳定在17~18 km高度而不随时间变化，而准零风层厚度则随时间有一个先增大后减小的趋势，并在北京时间凌晨0点~3点期间达到最大值。在观测中出现的准零风层厚度最大值超过15 km，最小值则仅有约2~3 km。分析认为：准零风层厚度的变化与夜间平流层接收到的紫外线辐射强度变化有关，同一时刻不同纬度上的平流层接收的紫外线辐射强度变化程度不同，导致平流层温度梯度继而大气环流的速度发生变化，从而引起准零风层厚度变化。

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而, 光纤激光器中放大自发辐射噪声(ASE)严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中, 首先对高峰值功率的激光脉冲衰减, 然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6 A, 7 A和8 A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中, 通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长, 使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时, 由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性, 从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性, 提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时, 在数据反演时补偿该频率偏差；若相对频率漂移大于100 MHz时, 将F-P标准具先退回预设腔长以下, 通过逐步增加电压的方式, 重新实现频率锁定, 保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段, 避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中, 在15～30 km高度, 风速最大偏差6.22 m/s, 平均偏差1.12 m/s。

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术。通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布。对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布。为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿。由时间分辨率2000 s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30 km以下的探测误差小于1.9 K,50 km以下的探测误差小于9.8 K。在对比实验中,在18～36 km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7 K;在27～34 km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7 K。在15～27 km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8 K。

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。 简要介绍中国科学技术大学钠测温测 风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域 (80~105 km)大气温度和风场。 给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、 接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。 温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中，考虑到工作平台的随机性，测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系，这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式，并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外，在光束扫描过程中，由于二维扫描仪加工精度等的限制，光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差，结果表明，当水平风速为100 m/s时，1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712 m/s，方向误差为0.704°，与理论计算结果一致。理论分析结果还表明：当水平风速为100 m/s时，1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16 m/s，方向最大偏差为1°。