大气气溶胶是重要的大气污染物之一，气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响，对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪，根据均方差选取最优参数，建立基于消光系数的温湿融合PM_2.5质量浓度反演模型，并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM_2.5质量浓度小时均值为基准，对模拟结果进行了验证分析。结果显示：模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好，相关系数受模拟高度、相对湿度影响，并进行了晴天、多云天气下的比对，深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68，平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88 μg/m³和18.56 μg/m³。比较4个季节的模拟效果发现，冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析，结合地面温度、相对湿度、风场和气压场，分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。

星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而，大气气溶胶类型多样，通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验，从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线，但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此，提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比），并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系，得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束，实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制，该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演，利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场，对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比，所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外，还将该方法应用在CALIOP数据中，进一步验证了该反演模型的应用潜力。

针对激光雷达信号中含有的噪声，提出一种将数据分区使用小波包变换分解和重构算法的信号降噪方法，该方法能为下一级消光系数反演提供高质量数据。为了验证该方法的有效性，比较雷达原始数据、小波包处理后反演的消光系数、分区小波包处理后反演的消光系数的差异，并进一步使用Bump、Block测试信号进行数值模拟，定量分析了分区小波包算法的去噪效果。分区小波包算法处理的Bump、Block测试信号评价函数的均方误差（MSE）和R值均优于一般小波包结果。结果表明，分区小波包降噪方法能通过降噪改善下一级反演消光系数结果，有效保护低空的激光雷达消光廓线的细节结构并抑制高空的信号噪声。空气气溶胶消光系数随时间和空间变化的伪彩图表明了所提方法的可行性和实用性。

激光雷达近场信号的重叠因子校正和盲区问题一直制约着激光雷达的实用化进程，在假设水平大气均匀的情况下，提出了Mie散射激光雷达的近场信号垂直扫描校正方法和多角度反演算法，实现了大气状态自适应控制遥感。从散射型激光雷达方程出发，构建了激光雷达近场的重叠因子和盲区的模型，结合研制的二维扫描激光雷达参数，仿真分析了重叠因子和盲区的特征。利用Fernald气溶胶反演算法，提出了基于信噪比的多仰角扫描控制与校正方案，以实现不同大气状态的自适应扫描控制。融合多角度扫描遥感数据，并以水平探测的Collis法反演的结果作为地面消光系数，获得了大气气溶胶消光系数无盲区廓线，验证了方案的有效性。数据分析结果表明，在静稳天气时水平能见度优于18 km的情况下，以信噪比20为阈值，通过7个仰角约15 min观测，可实现激光雷达重叠因子的自适应校正，获得的重叠因子校正曲线与水平校正法的平均相对偏差约20%，两组扫描校正的重叠因子的平均相对误差为4.2%，可实现大气气溶胶的无盲区反演。

大气激光雷达已广泛应用于大气污染源水平扫描测量，而水平扫描测量激光雷达信号的消光系数边界值求解及廓线反演是其定量化应用的关键。针对这一问题，提出了一种基于改进的道格拉斯-普克（DP）算法确定消光系数边界值的新方法，并结合经典Klett方法实现水平扫描测量时的大气消光系数稳健反演。系统性地研究了经典DP算法在消光系数边界值求解时的性能及潜在的问题。在此基础上，提出将对数激光雷达信号与对应直线线段的偏离方差作为阈值控制手段，以替代经典DP算法中的最远距离阈值，从而更加准确地获取对数激光雷达曲线的线性区间，进而利用斜率法求解消光系数边界值。通过消光系数反演结果的对比分析，验证了改进DP算法的有效性。利用该方法反演的消光系数与周围空气污染监测站的PM₁₀颗粒物浓度具有较高的相关性（>0.88）。研究结果表明，提出的改进DP算法可为水平扫描激光雷达信号的消光系数边界值求解和廓线反演提供有效的方法。

为解决光谱反演法确定物质光学常数的一些问题, 基于传统的双厚度透射率模型, 建立厚度分别为 L和 2L的光谱透射率方程, 通过代数运算获得与衰减系数有关的八次多项式方程, 求解并选择其大于 0小于 1的实数根来计算衰减系数和消光系数; 再求解关于界面反射率的一元二次方程, 选择其大于 0小于 1的根来计算折射率。在确定光学常数的过程中, 新方法没有反演误差和迭代计算耗时问题。利用已知文献中庚烷的光学常数验证新方法的可靠性, 并分析了双厚度不满足 2倍关系时对计算结果的影响, 结论是第二厚度 2L的相对误差不超过 1%时, 消光系数的计算误差不超过 2.03%, 不考虑 3个强吸收点时, 折射率的计算误差不超过 1%。