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在大功率孔径积激光雷达探测中，强烈大气后向散射信号引起的探测器脉冲累积效应(Pulse Pile-up)和强光感生噪声(Signal-Induced Noise)是导致激光雷达回波信号非线性失真，干扰原始数据反演大气参数准确性的主要因素。尤其对于高空金属层荧光激光雷达，为研究金属层(80～130km)的变化特性和精细结构，往往采用高量子效率、光子计数模式的光电倍增管(PMT)以保证金属层探测的高性噪比，这就使得Pulse Pile-up和SIN造成的非线性失真更为明显，与反演需要的大动态范围线性信号相矛盾。目前国际上的解决方案主要有多通道信号接收技术，安装机械斩波器等等。为了克服高空强烈钠荧光信号的非线性失真问题，本文提出了一个比上述方法更有效、系统更为简洁的方法:设计了一套全新的模块化高精度光电探测器响应特征检测系统，确保实验数据运用到实际激光雷达数据修正的可移植性;提出了一套修正脉冲累积效应的新方法，并建立了SIN精细结构扣除模型，首次详细评估了子午工程激光雷达SIN和Pulse Pile-up效应各自对雷达信号的扰动量。校正后的数据将瑞利原始信号有限的线性范围(65-80km)扩展到20-80km。将修正数据反演的大气密度、温度廓线与TIMED卫星和大气模式相比较，得到了很好的吻合:平流层大气密度误差小于5％，30km至65km温度误差小于±10K。值得注意的是，修正后的钠层数密度峰值有大概30％的增加。采用光子计数的PMT首次在单通道内实现覆盖平流层到低热层(20-110km)的大范围线性信号，并能从中提取到可靠的大气参数。 借助这套实验设计和方法还原出未被探测系统扭曲的大气真实回波信号，作者在确保大动态线性范围(20-110km)和保证钠层信号的高信噪比之间，达到了一个不用降低PMT量子效率的全新切入点:即使在一个探测通道内，研究者也可以尽可能的选择更高效率更敏感的PMT，将探测高度进一步上探，为研究金属层更精细特征、发现更多未知现象提供了可能，而不用再担心低空-中层信号的非线性失真无法挽回。 子午工程大功率孔径积中高层大气探测激光雷达在2009年11月被安装在延庆(40.3°N，116.2°E)，用来研究中层和低热层区域的中高层大气特性。基于这台双波长双波长三通道激光雷达实际观测的经验基础，我们将上述单通道内修正回波信号非线性失真的新方法同多通道信号接收技术相结合，改进了这台双波长三通道激光雷达数据的反演方法，实现了大气信号的全高层连通探测，进一步保证温度探测的精度和准确度。反演的大气温度廓线与TIMED卫星结果相比较，得到了很好的吻合:在35～85km高度范围内二者反映了较一致的温度分布特征，30km至55km温度误差小于±5K,55km至75km温度误差小于±10K。 利用2012年5月至2013年4月一年的大气温度修正数据，我们研究了北京地区35-85km的温度季节特性，发现北京地区上空平流层顶高度冬季位置比夏季高，平流层顶温度则呈现出夏季比冬季高的趋势。从北京上空一年的温度观测结果来看，低中间层逆温层(MIL)的最大值一般出现在冬季，但是高纬地区出现的频度明显少于中低纬度地区MIL的报道。报道了2012年冬季出现的一次典型的平流层突然增温(SSW)伴随低中间层逆温层(MIL)的现象，推断其产生机制主要是行星波的异常发展与平流层基本流相互作用，行星波破碎释放能量，导致平流层增温和西风气流减速、反向，允许更多的东向重力波传播并将能量注入到MLT(Mesosphere and Lower Thermosphere)区域，改变了中间层的经向环流和平均剩余环流方向，导致了中间层冷却和中间层顶-低热层增温。