微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段, 当使用紫外激光光源时, 可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型, 并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达, 通过对系统进行几何重叠因子标定, 减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验, 实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m, 实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验, 对比结果显示, 两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性, 相关系数达82%以上。在相同的累加时间下, MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%, 具有更好的抗干扰性能, 能够实现对有机气溶胶准确探测, 验证了系统有效性和实用性。

吸收式激光雷达在大气环境探测领域中发挥着重要作用, 其数据的准确性、复现性以及不同系统测量结果的可比性都直接影响到系统测量数据对环境治理工作的价值。基于气体分子对光波的差分吸收原理, 设计了一体化吸收式激光雷达校准系统, 采用与多种不同标准浓度气体对比的方法实现对雷达系统的精确校准。通过对雷达校准系统的核心部件--多程反射腔进行了仿真模拟, 确定了系统中反射腔镜片的相关参数。最后利用甲烷气体对这一标定系统进行了测试。实验表明, 该校准系统可以在一个大气压内实现对激光雷达的快速校准。

利用西安地区太阳光度计(POM-02)的观测数据,根据比尔-朗伯-布格定律计算了西安地区的大气气溶胶光学厚度(AODs),将其作为真值与NASA Terra卫星的MODIS C061产品中气溶胶光学厚度的三种反演结果进行了对比,探讨了三种反演算法在西安地区的精确度及适用性,并结合MODIS气溶胶产品统计分析了西安及周边地区气溶胶光学厚度的空间分布和季节变化特征。结果表明: Terra卫星MODIS三种反演算法中DT&DB产品与太阳光度计反演的气溶胶光学厚度相关系数最高(0.92),故MODIS中的DT&DB产品最适用于西安地区,可用于西安地区气候变化以及大气污染等研究。分析关中地区AOD的时空分布特征及其可能原因可知:关中地区气溶胶主要包括人类活动产生的气溶胶和沙尘气溶胶,关中地区气溶胶光学厚度整体呈东高西低的分布趋势,高值中心主要分布在西安、渭南和咸阳等地区;气溶胶光学厚度在西安、咸阳地区春季最大、秋季最小,而在关中其他地区整体呈现春夏高、秋冬低的季节变化趋势。

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd…YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60~70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。

大气颗粒物中的重金属对人体健康具有巨大危害,对其中的重金属元素进行快速检测具有重要意义。利用激光诱导击穿光谱技术对大气颗粒物样品中的重金属元素进行快速分析,结果显示在大气颗粒物样品中含有Na、Al、Si、Cu、Mg、Fe等元素。以Ca元素为参考元素,采用内标法对大气颗粒物中的Pb元素进行定量分析,通过拟合得到定标曲线,计算出Pb元素的检出限为34.3×10 ^-6。分析了Pb元素的等离子体温度、电子数密度等相关特性。实验结果验证了LIBS技术用于大气颗粒物中重金属元素定性与定量分析的可行性,为监测大气颗粒物重金属污染提供了实验依据。

根据美国标准大气模型进行了蒙特卡诺模拟,仿真研究了大气温度的不确定性对大气压力探测带来的随机误差和系统偏差,发现在氧气的A带中选择764.765 nm和765.094 nm为探测波长online,选择位于两者之间的764.948 nm为参考波长offline,是获得较小探测误差的一种方案；优化的探测波长既不在A带的吸收线上,亦不在某两吸收线之间的凹槽中间,而是位于A带吸收线p13和p14线的侧翼,这一结果对于建立积分路径差分吸收激光雷达探测地表大气压力的遥感仪器,起到参考作用.

以主动差分吸收光谱遥感技术为基础，在干净大气环境条件下，结合参考光路设计技术，开展了获取近地面气溶胶颗粒物的光谱新方法研究.针对以宽带氙弧灯为光源的主动差分吸收光谱系统固有宽波段特性，建立了解析颗粒物光学厚度模型，获取了大气颗粒物光学特性.最后通过外场实验，获得测量期间气溶胶颗粒物光学厚度，然后采用对数线性回归获取Angstrom波长指数和混浊系数，以及大气能见度数据.主动差分吸收光谱系统用测量光程范围内的大气总的吸收特性，获得监测区域的颗粒物平均水平，更具有代表性和进一步应用价值.

为了解气溶胶空间非均匀性对近红外辐射传输过程的影响, 构造了典型非均匀气溶胶场, 采用辐射传输模式球谐离散坐标法(SHDOM)模拟了对应情形下的漫射光强、偏振特性以及辐射通量密度, 定量分析了将非均匀气溶胶场等效为均匀场造成的模拟误差。研究结果表明, 气溶胶非均匀场对辐射传输过程影响显著, 且它对漫射光偏振辐亮度的影响大于它对辐亮度的影响, 其中气溶胶空间非均匀性造成的辐亮度及偏振辐亮度模拟误差分别可达9.8%和80%。气溶胶水平非均匀性主要影响漫射光辐亮度及偏振辐亮度模拟误差的空间分布特征, 垂直不均匀性基本不改变漫射光模拟误差的空间分布特征, 但它对辐射传输过程的影响明显大于水平不均匀性。随着气溶胶浓度的增加, 气溶胶非均匀性造成的模拟误差整体降低。从量级上, 气溶胶空间非均匀性对辐射通量密度的影响明显弱于漫射光辐亮度和偏振辐亮度, 多数情形下, 其模拟误差小于5%, 且该误差随高度的变化呈特定分布特征。可为平面平行大气辐射传输模式适用范围的确定, 气溶胶空间非均匀性导致的遥感误差的评估提供一定参考。