大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。 激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、 高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等。分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、 发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。

为实现对大气气溶胶时空变化信息的全天时实时监测,设计了一种B/S架构的Mie散射 大气激光雷达数据采集及远程监控系统。利用ARM-Linux平台搭建的嵌入式系统实现了对大 气回波信号的实时采集。用Fernald方法即时处理回波信号,实时显示消光系数曲线与时间 高度回波强度显示图(THI)。提出的设计基于B/S架构的远程监控系统,具有监控平台无关 和监控地点无关等特性,可以更加直观地了解Mie散射大气激光雷达全天时连续探测得到的 大气气溶胶时空变化信息。实验表明所设计系统能实时显示消光系数曲线与THI图,具有良好的远程控制能力。

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法，对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正，选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差，对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正，实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法，求解卷云有效激光雷达比，选用半解析Monte Carlo方法，计算总散射信号与一次散射信号的比值，并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子，实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明，该改进方法具有较高的精度，更具应用价值。

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品, 用于高密度气溶胶聚集地区的 大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。 利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明:在激光脉冲能量为50 μJ, 重复率1 kHz,望远镜接收孔径为254 mm, 信号平均时间40 s及距离分辨率为7.5 m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可 达到白天3~5 km左右,夜晚15 km。系统可以为研究大气变化,特别是颗粒污染物的产生、 传输和扩散的特性提供科学的测量数据。

介绍了采用米散射激光雷达测量湍流信息的理论原理,分析了现有AML-2米散射激光雷达 进行实验探测的可行性,并于2009年3月15日在水平方向上开展了初步实验。从回波信号曲线及 数据分析结果来看, AML-2激光雷达探测湍流的有效距离为300～820 m;归一化光强起伏 方差即闪烁指数数值在0.001～0.1之间,且随距离增加而不断增大,闪烁饱和现象不太明显; 大气折射率结构常数数值基本在1.0×10-15m-2/3左右,在水平方向上基本 保持均匀性。总体上,闪烁指数和折射率结构常数随路径的变化趋势多数符合理论结果。

针对机载激光雷达信号Fernald前向反演方法要求准确得到标定值的问题, 提出了一种新的定标方法：在机载激光雷达探测得到的各条大气回波信号廓线中, 使用一条已知其大气气溶胶后向散射系数垂直分布的廓线, 通过机载激光雷达方程来确定出其他各条回波信号廓线上的大气气溶胶后向散射系数标定值。模拟分析和实验验证了这种定标方法的可行性, 用其标定值反演出的大气气溶胶后向散射系数垂直廓线是较为合理准确的; 误差分析表明由该定标方法反演的大气气溶胶后向散射系数相对误差在20%以内。这种定标方法是可以运用于机载激光雷达信号Fernald前向反演的。

研制的偏振－米散射激光雷达(PML)，可用于探测卷云和沙尘气溶胶的后向散射光退偏振比以及研究流层大气气溶胶的消光特性。采用窄带滤光片和光阑，将接收到的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离出来，以提高系统的白天探测能力。介绍了偏振－米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。对偏振－米散射激光雷达的性能参数进行了测定，并对测定结果进行了分析与讨论，给出了偏振－米散射激光雷达对合肥市地区(117．16°E，31．90°N)上空大气气溶胶的消光特性和卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果，对这些结果进行了分析和讨论。结果表明：研制的偏振－米散射激光雷达性能可靠，能对大气气溶胶和卷云的物理和光学特性进行有效的探测。

为了研究大气米散射激光雷达系统的光学结构参数对探测结果的影响，采用模拟计算方法得到各种参数条件下相对接收信号强度随距离的分布图，并对相应的校准与调试方法做出探讨。结果表明，为达到设计要求，100m处激光束的光斑须调整到不超过25mm；对1000m处的硬目标校准时，发射与接收轴间夹角误差为2．2μrad，此时激光束发散角包含于望远镜的接收视场范围内。

为了研究卷云的特征，我们利用L300米散射激光雷达对安徽省合肥地区(31．90°N，117．16°E)的高层卷云进行探测。这些卷云是在晴朗夜晚激光雷达进行对流层气溶胶常规测量的同时探测到的。分析讨论了卷云的结构、光学性质及其它们的时间变化特征。结果表明：该地区卷云的云峰主要分布在8～11 km范围之内，卷云的结构呈现一定的季节变化特征。

卷云的消光后向散射比是研究卷云光学特性的一个重要参量，我们的工作就是利用米散射激光雷达探测的大气和卷云的后向散射信号来获得间断出现的高层薄卷云的消光后向散射比。在无大的天气系统过境的情况下，通过对定点观测到的雷达上空有卷云和无卷云的大气回波信号的对比求解，得出间歇性卷云的消光后向散射比，并与其他方法进行了对比分析，指明了该方法的可靠性和局限性。