生物气溶胶极易在大气中传播并引发大范围疾病感染，利用生物荧光特异性的激光诱导荧光（LIF）雷达技术是实现生物气溶胶防区外侦测的有力手段。LIF激光雷达是一种宽光谱系统，受大气能见度和背景辐射的影响与窄光谱系统（如米散射激光雷达）有明显差异。为了评估LIF激光雷达在不同大气条件下的探测性能，利用Modtran5对几种典型的大气能见度和背景辐射（或工作时段）的水平路径上的宽光谱背景辐射与大气传输透过率进行了仿真，进而对不同大气条件下LIF激光雷达的探测性能进行了定量分析。仿真结果表明：在相同的大气能见度条件下，夜间的可探测距离要比白天高出2~4倍，且能见度越好，探测性能差异越大；在相同的工作时段，大气能见度良好时的可探测距离要比大气能见度较差时的高出2~5倍，且夜间探测性能差异比白天大；气溶胶生物性识别的可探测距离要比生物成分识别的可探测距离高出1~2倍，且受大气条件的影响明显。

生物气溶胶是指含有细菌、 真菌、 花粉等生物性粒子的气溶胶。 生物气溶胶的传播会造成严重的危害, 对人体健康、 大气环境等有着潜在的影响。 此外, 在**活动中, 生物气溶胶还可作为生物战剂的释放方式。 因此, 对空气中生物气溶胶进行实时检测, 快速识别气溶胶种类, 判断生物气溶胶浓度、 危险程度等, 是降低致病性生物气溶胶暴露, 保护人员及环境安全, 以及防范生物恐怖袭击的重要手段。 基于荧光法的生物气溶胶实时检测系统利用生物粒子含有色氨酸、 酪氨酸、 核黄素等典型荧光基团, 通过激光诱导生物荧光基团产生特定的荧光光谱, 从而完成对生物气溶胶的检测和识别, 具有甄别气溶胶颗粒生物特性的同时, 获取其粒径尺寸及形态等物理特征的技术优势。 简要介绍了生物气溶胶及其实时检测的基本原理, 概述了生物气溶胶实时检测系统在三个方面的研究, 包括荧光激发光源的触发方式、 荧光激发光源类型以及信号采集系统。 最后, 对生物气溶胶实时检测系统的发展方向进行了探讨, 为后续生物气溶胶实时检测系统的研究开发提供了参考。

通过建立具有丰富结构细节的生物颗粒形态模型，利用Kramers-Kronig算法、离散偶极子近似方法和蒙特卡罗算法计算了冷冻干燥和热风烘干两种干燥方法对BB0819生物气溶胶消光性能的影响，并通过傅里叶变换和红外光谱方法分析了由两种干燥方法所得孢子形成的生物气溶胶内部组成和蛋白质结构的差异，进一步解释了消光性能变化的原因。通过气溶胶室实验证明了仿真结果的可靠性，实验结果显示：在中红外波段，选用冷冻干燥孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从11.95%降至9.14%；在远红外波段，选用热风烘干孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从34.38%降至26.03%。研究结果阐明了干燥方法对人工制备生物气溶胶消光性能的影响，为在制备过程中提升生物气溶胶消光性能提供了有效参考。

微生物气溶胶作为大气气溶胶的重要组成部分，可以通过吸收或散射影响大气辐射特性。当前对于微生物气溶胶光学特性的研究，多局限于单波段或单种质，无法归纳出微生物气溶胶光学特性的一般性和特殊性，不利于全面分析微生物气溶胶对大气辐射特性的影响。测量了三种真核孢子微生物和三种原核杆菌微生物材料在0.25~15 μm波段的光谱反射率，结合K-K算法计算复折射率m，并对微生物FTIR光谱进行分析，比较了真核与原核微生物0.25~15 μm波段光学特性的相同与相异之处。研究结果可以帮助全面理解和定量计算大气辐射特性，为微生物气溶胶遥感探测和类型鉴别提供理论支撑，为开发新型功能性材料提供了新思路。

基于非球形粒子偏振特性,设计并试制了近场偏振激光雷达。该系统包含二个激光光源和退偏组件,激光束的线偏振度为1/500,偏振和 弹性散射信号由孔径200 mm的卡塞格林望远镜接收。在一个半封闭的生物气溶胶腔里,对10种生物气溶胶,按355, 532, 1064 nm的顺次 进行线偏振测量。数据分析结果表明,退偏比表现出较强的波长依赖性; 利用欧氏相关度和马哈拉诺比斯距离,可以确定多波长线偏数据的差异,并对生物气溶胶进行分辨。

基于激光诱导生物荧光技术, 分别采用紫外355 nm和266 nm激光作为激发光源, 构建生物气溶胶荧光雷达监测系统模型.综合考虑不同激发波段, 臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响, 对系统性能进行数值仿真分析.仿真结果表明, 在四倍频266 nm紫外波段的激光激发下, 系统受地表臭氧的影响, 白天的有效探测距离非常有限; 在系统信噪比为10(SNR=10), 臭氧浓度为50 μg/L时, 最大探测距离仅为300 m; 而夜间情况下, 太阳背景光影响减弱, 探测距离约为450 m.三倍频355 nm激发时, 臭氧对系统的探测性能影响较小, 夜间探测距离可达750 m; 白天太阳背景光对355 nm的系统影响较大, 在相同0.5 mrad接收视场角下, 其有效探测距离约为330 m.为减少白天背景光的影响, 将望远镜接收视场角压缩到0.3 mrad, 同时选用50 nm带宽的滤光片, 此时系统的探测距离为480 m.由于355 nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大, 在进行夜间探测时才可获得较好的效果; 而266 nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响, 能够实现对生物气溶胶的白天有效探测.

建立了满足激光辐照人眼安全要求的便携式生物气溶胶短程遥测系统, 用于实现有人员活动区域生物战剂气溶胶的实时预警监测。以高频调制的405 nm半导体激光器为激发光源, 200 mm口径的卡塞格林望远系统为信号光收集系统, 搭建了基于伪随机调制的便携型生物气溶胶激光雷达短程遥测系统。该系统具备平行偏振散射、垂直偏振散射光探测, 以及450 nm和530 nm两个波段荧光探测等四个同步探测通道。以枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌为样本对该激光雷达系统进行了初步测试。外场试验表明, 该生物气溶胶遥测系统的空间分辨率为1.5 m, 荧光通道的探测距离为100 m; 3种被测生物气溶胶种类识别的回代误报率分别为9%、11.5%和14.5%, 交叉误报率为11.3%。该遥测系统的激光能量低于激光辐照人眼安全标准的要求, 基本实现了生物气溶胶的甄别。

为了评估激光诱导荧光雷达对生物气溶胶粒子的有效探测距离及随生物气溶胶浓度变化的敏感性，在阐述生物气溶胶探测原理的基础上，设计了一台激光诱导荧光雷达。该雷达选用波长为355 nm 的二极管抽运的Nd：YAG 固体激光器作为激励光源，基于脉冲能量、脉冲数量、滤光片带宽、望远镜口径、接收视场角以及生物气溶胶粒子荧光非弹性散射截面积等主要参数，对生物气溶胶荧光回波信号的信噪比进行数值仿真。仿真结果表明，生物气溶胶粒子的质量分数为10-12时，在探测误差小于10%的情况下，系统在白天和夜晚的有效探测距离分别可达1.0 km和7.8 km；而在探测距离定义为0.5 km 时，系统对生物气溶胶质量分数的最小分辨能力，白天和夜间分别为1.8×10-13和1.0×10-14。仿真结果有利于了解激光诱导荧光雷达系统的最优参数设定和最佳的实验环境，进而实现对生物气溶胶的有效探测。

亚微米虚拟冲击器是实现高灵敏度生物气溶胶光学在线监测的前提，是当前的研究热点之一。基于空气动力学理论与相关研究基础，设计了一种切割粒径为0.4 μm的亚微米级粒子虚拟冲击器，利用计算流体动力学(CFD)分析软件Fluent以及离散相模型对虚拟冲击器结构的入口喷嘴与收集孔间距、收集孔径和流量比等各种设计参数进行模拟与分析，得到了一组优化设计参数并制作了虚拟冲击器实物。测试结果表明，该虚拟冲击器具有良好的浓缩效果，对0.37、0.5、0.7 μm聚苯乙烯乳胶球(PSL)粒子的收集效率等参数与仿真结果基本吻合，验证了流体动力学分析方法的可行性。该虚拟冲击器切割粒径的实验测试结果达到0.4 μm，满足实际应用需求。

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型, 采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性, 计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论, 研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性, 基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程, 并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明, 生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感, 因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时, 利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。