机场、发射场的气象观测是航空器、航天器安全升空的重要前提。用激光进行气象观测,尤其是进行云的观测,比较直观、高效、准确。分析云层的激光反射特性是利用激光雷达进行气象观测的理论基础。 本文首先论述了激光测云的基础理论知识,包括大气物理理论、光的散射理论、激光雷达工作原理等。其次,依据大气光学中的Mie散射理论,对探测云层的激光波长进行了定量的分析,并给出了最优的激光波长;推导了雾、霾、云、大气的衰减随高度变化的规律,给出了云层激光回波特性的计算公式。最后,运用激光雷达方程,对一些不同的气象条件下的云层激光反射特性进行了计算机仿真。通过仿真,可以得出以下四点结论。一是由于云的回波信号比正常大气的回波信号要强得多,所以能够比较直观、比较准确地识别出正常云层的高度,甚至是非常稀薄的云层的高度。若激光能穿透多层云,还可以直观地判断出云的厚度和层数。二是由于不同种类的云的回波信号特征可以完全相同,所以凭一次回波信号分析可以判断出云底的高度和云层的厚度,不能准确判断云层的种类。三是若想判断云层的种类,需要对云层所在的空间进行分层精细扫描,得到所要观测云层的三维立体图,然后对照不同云层的特征进行识别。四是可以识别出雾和固体障碍物。 本文的理论研究,为激光云高仪的设计和研制提供了理论依据和技术要求。