对流层中的温度是随高度上升而下降的，这是因为地面是热源的缘故。平流层中的温度随高度升高而升高，这是因为平流层中的臭氧对太阳辐射能吸收的缘故。从中间层顶约85km以上，由于氧原子等气体对太阳紫外线的吸收特别强，故气温又随高度增加而增加，直至热成层顶。热成层的温度，还随太阳活动的强、弱而变化，其温度可从500K变至2000K。中间层顶大气上部冷、下部暖，致使空气产生对流运动，这是中间层顶的一个特征。但由于该层空气稀薄，空气的对流运动不能与对流层相比。中间层顶向下连接着低层大气，向上连接着高层大气。是一片十分重要的过渡区域，也是当前人们了解最少的区域。中间层顶是地球上温度最冷的区域，其温度结构对于大气的稳定性，能量传输、大气化学过程以及动力学行为等具有重要的影响。中高层大气温度和风场是描述中高层大气特性的重要参数，对研究中高层大气潮汐波、重力波、行星尺度波以及波与波之间的相互作用，中高层大气环流和温度结构具有非常重要的意义。而且，大量的碱金属原子存在中间层顶层（如Na、K、Li、Ca等），其中的钠是外来的流星陨石快速进入地球大气时，汽化消失，留下许多钠原子在中间层，主要分布在70~120km处，在90km高度处为峰值。[ ]利用激光与中间层存在的钠原子或者钾原子等碱金属原子相互作用，可以探测这片人类所知甚少的领域。

2 激光雷达大气探测的工作原理

目前国际上利用中间层顶区域的钠、钾、铁、钙等粒子的荧光，研制出了钠荧光激光雷达、钾荧光激光雷达、铁玻尔兹曼激光雷达、钾荧光激光雷达、铁玻尔兹曼激光雷达、钙荧光激光雷达等进行中高层大气探测。钠原子具有较大的共振荧光散射截面、较高的浓度和较长的生命周期等特点，可谓是用来表现大气特性的极佳的示踪物。论文网

2.1 钠测风雷达基本方程

激光雷达大气探测技术是大气遥感探测技术的主要探测技术之一。激光雷达系统有很多，也有很多的不同，各种类型的激光雷达在结构上都具有各种特点，且有时存在较大差异，但归纳总结起来，激光雷达的基本结构仍然与微波雷达相类似，分为发射系统、接收系统、控制与采集系统三大模块。从激光雷达探测的原理来讲，用来表示系统接收的后向散射光子的表达式没有不同。激光雷达方程将激光雷达参数、回波功率以及所探测的对象的光学特性参数定量地联系起来

一般情况下，忽略激光在大气传输过程中的多次散射，激光雷达方程[ ]可以表示为：

      （2.1）

其中， ：z处的回波功率（W）； ：接收望远镜的有效面积（m2）； :发射激光的单脉冲能量（J）； :接收光学系统的光学透过率； ：z处目标物体后向散射系数（m-1sr-1）； ：重叠系数； ：被探测对象消光系数（m-1）。

对于模拟采集来说，大气回拨信号用电压V表示，方程为：

      （2.2）

      （2.3）

上式中， 为系统参数； 为光电探测器的灵敏度和电子系统放大倍数的乘积； 为光电探测器的负载电阻。

将2.1式除以激光发射波长的光子能量就可以得到单位时间内激光雷达所接收距离为R出大气介质的后向散射光子数，再乘以采样时间 （ ：空间分辨率），就可以获得接收距离为z和z+ 范围内的后向散射光子数N（R）所满足的方程。

      （2.4）

      （2.5）

上式中， 为系统常数； 为激光单个脉冲所含的光子数； 为光电探测器的量子效率。