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大气边界层具有明显的湍流特性,温度脉动作为湍流参数中最主要的物理量,可以用短时间内的大气温度平均值叠加微小温度变化量表示。由于湍流的产生与发展都具有高度无序性和随机性,导致不论采用早期的慢响应仪器,还是近期的探空气球搭载超声波温差风速仪和白金丝温度脉快速响应动仪,想要获得1周探测的大气边界层温度脉动廓线上的测量数据都很困难。因此,论文提出了光子相关光谱技术(Photon Correlation Spectroscopy,简称PCS)结合雷达工作机制的动态光散射高光谱激光雷达进行大气边界层内温度脉动廓线探测的新方法:广泛采用高光谱分辨率的PCS技术分辨率可达到10-14,其主要设备光子计数器和相关仪的响应时间均可达到几十皮秒;以法布里-珀罗标准具(Fabry-Perot etalon,简称FPE)和碘分子吸收池作为分光器件的高光谱激光雷达光谱分辨率可达百MHz量级。光子相关仪是PCS技术的核心装置,它的作用是获取雷达回波信号的相关函数。论文详细地分析与对比了光子相关仪的现有实现方式,调研了市场上商品化的光子相关仪的性能参数,最终拟采用LSI相关仪实现动态光散射高光谱激光雷达系统中大气分子散射光相关光谱的获取。LSI相关仪先进的硬件设计能够实现多延时和线性延时的相关计算,通过322个通道覆盖从12.5 ns到3436 s的延迟时间轴,可以跨越当今最大的延时范围。由于LSI相关仪相应的软件由用户自行设计,论文基于其硬件逻辑进行了延时可调的多通道线性光子自相关仪的软件设计与实现,并利用可编程逻辑器件(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA)验证了延时可调的多通道光子自相关软件的可行性。延时可调的多通道光子自相关软件在设计中采用16种可供选择的延时结合322个物理通道,动态范围可达25.5ms至2550ms,避免了线性相关仪动态范围小以及指数型多延时相关仪由于延时增长速度过快导致的计算精度低等缺点。延时可调的多通道光子自相关软件的总设计思想为自顶向下,模块化分层。具体的模块化设计分为:延迟时间生成模块、双计数器模块、自相关运算模块与通信模块等,各模块可独立工作,软件的整体运行由时序逻辑约束。软件通过Modelsim软件进行仿真,验证了其时序逻辑的正确性;通过Matlab自带的自相关函数验证了其自相关运算结果的准确性。光子自相关软件的硬件验证使用Cyclone V的5CSEBA6U2317芯片,并利用Tektronix AFG3252信号发生器模拟激光雷达回波信号(瑞利-布里渊(Rayleigh-Brillouin)散射信号)送入FPGA进行整体测试。最终得到的数据能够相对正确地反演出输入信号的谱宽,证明光子自相关软件是可行的,PCS技术结合雷达工作机制获取大气分子特征参量是可行的。