在自主研制的便携式双视场米散射气溶胶激光雷达（DFOV激光雷达）基础上, 探索双视场激光雷达信号拼接思路, 利用“斜率-Fernald”方法反演了气溶胶水平消光系数, 进而获取了DFOV激光雷达对气溶胶水平消光系数的扫描分布。 首先, 对雷达回波信号分段运用斜率法, 求解最优的气溶胶消光系数、 后向散射系数以及相对应的参考距离, 然后将该参考点处的后向散射系数代入“Fernald方法”的前后向积分解中, 进而得到整条廓线的消光系数。 该方法有效避免了“斜率法”中大气均匀的前提假设和消光系数负值的问题, 也有效避免了“Fernald方法”对参考点的限制和要求。 在获取水平消光系数后, 通过拟合近地面空气质量监测点位过顶时刻DFOV激光雷达测量的气溶胶消光系数与PM10质量浓度ρ(PM10)之间的关系, 相关性达到091。 将此定量关系传递至激光雷达扫描的消光系数结果中, 可得到气溶胶质量浓度的水平分布, 定量反演大气中颗粒物的分布, 用于研究近地面大气污染成因、 机理和污染来源分析, 为DFOV激光雷达进一步应用于城市区域大气污染定量评价和区域空气质量三维模式同化分析研究提供定量的数据支撑。

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。

针对同轴米散射激光雷达，提出了判断出射激光束光轴和望远镜光轴是否同轴的准直判据。以判据最大化为控制目标，以二维电动镜架为执行机构，采用变步长调节算法，设计了同轴米散射激光雷达自准直系统。实验结果表明该系统可实现高精度快速自准直调节，调节精度可达0.05 mrad，验证了准直判据和调节算法的有效性。这有利于实现激光雷达系统的自动化和无人值守。

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。

差分吸收激光雷达发射光束与接收视场的重叠区域用几何因子函数来描述, 几何因子是差分吸收激光雷达的重要参数。 提出了一种实验方法,实验使用米散射激光雷达和差分吸收激光雷达同时测量信号,通过对比分析两台激光雷达 采集信号计算得到的气溶胶散射比廓线,获得差分吸收激光雷达的几何因子。该方法的优点在于不需要预先得到 精确度高的激光雷达参数,比如望远镜直径,光束发散角,望远镜接收视场角等。该方法的应用有利于减少近 地面差分吸收激光雷达测量臭氧廓线的误差,提高差分吸收激光雷达的探测性能,有助于研究近地面层的臭氧时空分布特征。

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。

半导体激光器以其体积小、重量轻、成本低、驱动方便等明显优势，应用领域已经推广到激光探测，尤其是基于米散射理论的大气探测。根据小型化激光测云雷达大气探测的应用需求，选择了相应技术指标的半导体激光器模块，并为其设计了驱动电路(主要包括由同步计数器等构成的触发脉冲形成电路和由电压跟随器构成的激光脉宽/功率调节控制电路)，解决了窄脉冲形成电路中常见的毛刺问题。在5kHz的重复频率下，对激光发射机的性能做了验证。结果表明，触发脉冲成型良好、频率稳定，激光发射脉冲半高宽度35～100ns线性可调、平均功率0～110mW线性可调，发射电路工作情况良好。

研制了一台偏振-米散射激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理,叙述了偏振-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。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、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。初步探测结果表明,合肥西郊上空高度在6～10 km的卷云的退偏振比在0.2～0.5之间,该激光雷达可以对卷云进行有效的探测,能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。

为了提高喇曼－米散射激光雷达探测大气气溶胶波长指数的精确度，利用不确定度传递公式对其不确定性进行了详细的理论分析，并结合喇曼－米散射激光雷达在合肥西郊的实际探测例子进行了实验研究，计算了信号、大气透过率比值和散射比参考值的相对不确定度，在高度6km以下信号相对不确定度一般小于30%，透过率比的相对不确定度一般小于4%，散射比参考值相对不确定度大小则由参考值与实际值差异而定。结果表明，适当增大激光脉冲能量和延长信号采集累计时间、准确标定散射比参考值可有效减小喇曼－米散射激光雷达探测大气气溶胶波长指数的不确定性。

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。