大气中的云和气溶胶在地球大气系统中扮演着重要角色。气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射及地球长波辐射影响地球大气系统辐射收支,同时还作为凝结核参与云的形成并改变大气的循环模式;而云的形成和运动又影响全球的气候和降水,使人类的生活环境产生变化[1]。另外,长期悬浮在大气中的气溶胶粒子会通过呼吸进入肺部,影响人类的健康[2]。因此,云和气溶胶的探测和研究对气候、环境及人类健康都是至关重要的。目前大气云及气溶胶的探测方式很多,且大部分为地基监测系统。由于大气气溶胶时空分布的复杂性及探测地域的限制等诸多问题,地基监测网无法得到全球大气气溶胶的空间分布情况[2]。星载激光雷达监测系统可以实现对全球范围内云和气溶胶空间分布的长时间连续探测,并能够获得云和气溶胶的垂直廓线信息。进而能够准确地确定云层和气溶胶层的高度、覆盖率以及成分种类等,使全球辐射强迫的精细化定量分析成为可能[3]。因此,星载激光雷达的种种优势使之成为目前研究全球气候的有效工具。从2006年美国国家航天局(NASA)与法国国家航天中心(CNES)合作成功发射了星载激光雷达Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization(CALIOP)开始,至今CALIOP已经准连续观测了近十年,为研究全球气候和环境变化提供了大量的第一手数据资料[3]。鉴于激光雷达的优势,为了观测的连续性,欧美等国家都计划在最近几年发射新的星载激光雷达。欧洲航天局(ESA)与日本宇航局(JAXA)合作计划于2018年左右发射的Earth Clouds-Aerosol and Radiation Explorer(Earth CARE)卫星,将激光雷达作为观测云-气溶胶的重要手段,可提供全球云及气溶胶的廓线[4];美国NASA计划在2020年前后实施的Aerosol/Cloud/Ecosystems(ACE)任务,也将搭载新的激光雷达系统作为云-气溶胶性质观测的载荷[5]。最近,中国也启动了星载激光雷达的研发计划,预计在2019年左右择机发射自主知识产权的星载激光雷达[6]。本文根据星载激光雷达回波信号的特征,在传统激光雷达反演算法[7-10]的基础上,提出了以下星载激光雷达云及气溶胶消光特性反演的方法:1.基于衰减散射比的阈值法和选择性边界迭代定位法,实现不同水平分辨率下的层次识别;2.基于云和气溶胶对激光雷达回波信号的不同物理和光学特征,采用统计模式识别算法实现云和气溶胶的准确分类;3.基于云-气溶胶分类特性,采用相应的气溶胶模型实现云和气溶胶层次消光特性反演。为验证所提算法的合理性和可行性,将算法模块应用到CALIOP系统Level 1B Version3.03数据的处理中,获得了精度较高的云及气溶胶层次产品和消光特性产品。本文的研究内容对我国星载激光雷达的数据产品开发有着重要的参考意义。