二向色镜及偏振分光棱镜作为常用的光学器件，近年来在大气探测偏振激光雷达中得到了广泛使用。但两种光学元件性能上的非理想特性与安装时存在的偏振误差夹角等问题在一定程度上会对大气探测后向散射光的退偏比造成影响。针对偏振激光雷达标定中通常只考虑偏振分光棱镜影响的问题，通过仿真模拟分别分析了二向色镜、偏振分光棱镜以及二者级联下对大气中气溶胶的退偏比影响，并给出了误差分析。以532 nm和1064 nm两种波长下的沙尘粒子与卷云的后向散射光作为输入进行模拟计算，结果显示，常用的长波通二向色镜对模拟输入光源在1064 nm透射通道下有7.111%的退偏比变化，在532 nm反射通道下有3.012%的退偏比变化。对偏振分光棱镜而言，输入为532 nm及1064 nm处探测的沙尘粒子退偏比会分别产生21.333%和27.3%的相对误差变化，532 nm处探测的卷云退偏比会产生14.2%的相对误差变化。两种光学元件在存在偏振误差夹角时均会带来额外的退偏比误差增量，在两种光学元件级联条件下，对模拟光源的退偏比也表现出累加性的误差增大。

针对过冷云分布的探测, 设计了一种近红外机载偏振同轴微脉冲激光雷达系统。该系统采用波长 1550 nm 激光激励, 可有效减少云中小尺度气溶胶粒子的消光, 从而提高大尺度云粒子的探测距离和效率。通过非球形粒子的退偏比来甄别云粒子相态, 同时提出了云含水量的激光雷达反演算法, 并结合机载温度数据和对流层特征, 反演过冷云的空间分布。基于标准大气模型和机载仪器的云粒子谱数据, 仿真分析了不同激励波长偏振微脉冲激光雷达在两种对流层云中的探测性能, 结果表明下层云中的探测距离约为 1.1 km, 而上层云中的探测距离可达 1.5 km。

利用国控站点的 PM2.5 和 PM10 含量, 分析了一次蒙古地区沙尘的远距离传输事件; 并结合 532 nm 偏振激光雷达的观测结果, 研究了沙尘在武汉地区的混合过程。研究表明, 在这次沙尘事件中, 边界层顶的夹卷过程和边界层内的对流混合对沙尘在局地的分布起到重要的作用。在沙尘输入初始时期, 沙尘高度约为 1 km, 主沙尘层经过边界层顶的夹卷过程进入边界层内, 并在对流混合作用下在边界层内最终呈现近似均匀的高度分布。在沙尘事件末期, 北方污染的输入带来约 4300 t 城市气溶胶, 约为军运会期间武汉地区城市气溶胶总含量的十倍。

针对现有普通偏振分光棱镜（PBS）消光比低、偏振串扰等不足，提出一种由PBS和偏振片构成的高精度偏振分光系统。在PBS的反射通道和透射通道插入偏振片，并调整偏振片的透光轴方向，以便最大程度地抑制偏振串扰。理论计算和数值仿真一致表明，该偏振分光系统能够实现更高精度的偏振分光。实验测得，当入射光强度比为-47.5 dB时，普通PBS的偏振分光误差为57.3%，添加了偏振片的偏振分光系统的偏振分光误差为14.3%；而当入射光强度比为47.8 dB时，普通PBS的偏振分光误差为15.5%, 添加了偏振片的偏振分光系统的偏振分光误差为8.6%。提出的偏振分光系统简单实用，可广泛应用于偏振光学系统中。

云和气溶胶偏振激光雷达(CALIPSO)卫星数据是探测大气气溶胶特征的有效工具。采用CALIPSO 数据对37.1°N，113.3°E ~ 38.6°N，117°E 之间地理区域的强霾天气、沙尘天气、生物质燃烧污染天气和清洁天气的气溶胶消光系数、退偏比、色比以及温度廓线进行对比分析，结果表明：1) 强霾天气主要是球形度较高的水溶性细粒子污染，集中在地表1 km 以内，常伴有逆温无风或弱风现象出现；2) 沙尘天气垂直分布广，可存留在高空，非球形度高，粒子尺度不均匀，风速偏大；3) 生物质燃烧污染天气主要是集中在中低空的细粒子污染，黑碳成分高，消光系数大，常伴有污染性沙尘共同存在。三种污染天气廓线有很大不同，说明不同污染天气的气溶胶垂直分布的差异很大。

2013年12月21～26日对一次霾污染过程中PM2.5、含碳气溶胶、气态污染物(O3、NOx、SO2)进行 测量,利用微脉冲偏振激光雷达获得气溶胶消光和退偏振度参数,分析了霾过程大气污染物的特征。结果 显示:本次霾污染过程持续3.4天,以细粒子污染为主。采样期间, PM2.5的质量浓度小时平均 值为131.04 μg·m-3,霾天气下为183.75 μg·m-3,是非霾天气的2.98倍。 碳质气溶胶(TC)占PM2.5的24.18%,并且与PM2.5之间存在较好的相关性(R2=0.790)。在霾天气 下TC在PM2.5中所占的比例(TC%, 16.65)要比非霾天气(TC%,34.38)小,二次水溶性无机盐粒子的快速 增长可能是造成霾天气PM2.5质量浓度较高的重要原因之一。霾天气和非霾天气对比: O3浓度无明 显变化,受太阳辐射影响较大; NOx和SO2的体积分数在霾天气下分别是非霾天气下 的1.66和1.68倍；SO2浓度的增加不仅与本地SO2的累积有关,还有可能是受外来输入的粒子 中存在含硫化合物、抑制了SO2的非均相反应造成的。

以单脉冲能量2 μJ, 重复频率1 kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统, 可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域, 实现近地表80~1 000 m范围内的精确探测, 系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000 m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测, 并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明, 探测期间无明显沙尘事件发生, 探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右, 在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域, 受地面状况影响退偏比偏高, 并获得了退偏比值与天气过程的初步关系, 同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.

介绍了双通道偏振激光雷达的特征及主要参数和数据处理方法，并利用该系统对上海世博会开幕式前后的沙尘暴污染过程展开研究，对测量结果进行了分析。结果表明，沙尘暴污染是由西北方向输送，由后向轨迹分析其来源是蒙古地区，并有间歇期，形成了二次沙尘输入过程；沙尘暴后5月份主要风向转为东北风，有利于沙尘污染颗粒物消除。此外将偏振激光雷达测量颗粒物消光系数与地面PM10空气污染指数（API） 对比分析，结果显示两者有很好的一致性。