被动式大气遥感是利用大气本身发射的辐射或其他自然辐射源发射的辐射同大气相互作用的物理效应，进行大气探测的方法和技术。这些辐射源是：星光以及太阳的紫外、可见光和红外辐射信号。锋面、台风、冰雹云、龙卷等天气系统中大气运动和雷电等所激发的重力波、次声波和声波辐射信号，其频率范围为10～100赫。大气本身发射的热辐射信号，主要是大气中二氧化碳在4.3微米和1.5微米吸收带的红外辐射；水汽在6.3微米和大于18微米吸收带的红外辐射，以及在0.164厘米和1.35厘米吸收带的微波辐射；臭氧在9.6微米吸收带的红外辐射和氧在0.5厘米吸收带的微波辐射等。大气中闪电过程以及云中带电水滴运动、碰并、破碎和冰晶化过程所激发的无线电波信号，其频率范围为10～100赫。被动式大气遥感探测系统主要由信号接收、分析和结果显示等三部分所组成。由于这种遥感不需要信号发射设备，探测系统的体积、重量和功耗都大为减小。被动式大气遥感技术从20世纪60年代开始即用于气象卫星探测，获得了大气温度、水汽、臭氧、云和降水、雷电、地—气系统辐射收支等全球观测资料。但是，被动式大气遥感系统探测器所接收到的，是探测器视野内整层大气的大气信号的积分总效应，要从中足够精确地反演出某层大气成分或气象要素铅直分布（廓线）的精细结构还很困难。比较成功的方法有两种：一种是频谱法，即观测分析大气信号的频谱，以反演大气成分和气象要素廓线；另一种是扫角法，即观测大气信号某一物理特征在沿探测器不同方位视野上的分布，以反演大气成分和气象要素的廓线。
2.主动式大气遥感
主动式大气遥感是指采用多种手段向大气发射各种频率的高功率的波信号，然后接收、分析并显示被大气反射回来的回波信号，从中提取大气成分和气象要素信息的方法和技术。主动式大气遥感有声雷达、气象激光雷达、微波气象雷达和甚高频和超高频多普勒雷达等。这些雷达都能发射很窄的脉冲信号。激光气象雷达发射的光脉冲宽度只有10纳秒左右，利用它探测大气，空间分辨率可高达1米左右。此外，雷达脉冲信号发射的重复频率，已经高达10赫以上，应用信号检测理论和技术，可以有效地提高探测精度和距离。在量子无线电物理和技术发展以后，雷达能够发射频率十分单一、稳定且时空相干性非常好的波信号。由此产生的大气信号回波的多普勒频谱结构非常精细，从中可以精确地分析出风、湍流、温度等气象信息。这些都是主动式大气遥感的突出优点，但由于增加了高功率的信号发射设备，探测系统的体积、重量和功耗比被动式大气遥感要增加几十倍以上，因此较多地应用于地面大气探测和飞机探测。它可提供从几公里到几百公里范围内大气的温度、湿度、气压、风、云和降水、雷电、大气水平和斜视能见度、大气湍流、大气微量气体的成分等分布的探测资料，是研究中小尺度天气系统结构和环境监测的有效手段。随着空间实验室、航天飞机等空间技术的发展，主动式大气遥感应用于空间大气探测的现实性也愈来愈大。
二、声波大气遥感
声波大气遥感是利用声波信号探测大气的方法和技术。大气既是声波的发射源（台风、强风暴、极光扰动等大气物理现象，可以激发声波），又是声波的传播介质。声波在大气中的传播规律同大气的动力学和热力学特性有关。因此，可利用声波信号的特征来反演大气的动力和热力特性，以获取大气温度、湿度和风的信息。（一）种类声波大气遥感分成两类：被动式声波大气遥感和主动式声波大气遥感。
1.被动式声波大气遥感
被动式声波大气遥感是利用自然声源，接收这些声源的声波信号来探测大气。大气中声波激发源很多，强天气系统（如强风暴、台风等）是大气次声波激发源。这类次声波可传播到电离层。通过地面声波接收阵或电离层的探测，可研究并确定强天气系统的位置和移动路径，这对短期天气预报很有意义。此外，雷雨云中的闪电、海洋波、极光的超声速运动和山区背风波等，也是不同频率的声波发射源，但它们在大气遥感中还很少应用。
2.主动式声波大气遥感
主动式声波大气遥感是利用人工声源，接收它们被大气散射的回波信号来探测大气。主动式声波大气遥感主要用声雷达。它是从20世纪60年代末才发展起来的边界层大气遥感技术。
（二）声雷达
1.声雷达工作原理首先由信号器产生窄频带的音频脉冲信号，经功率放大器放大，通过转换开关从天线发射出去（这时接收机是关闭的）。当脉冲信号发射后，转换开关立即接通天线和接收系统，天线收到的大气对声波散射的回波信号，经前置放大器放大，再通过接收机、显示器，信号就在显示器上显示出来了。2.声雷达使用由于温度、湿度、风速等气象要素的不均匀性引起的声波散射，其强度约比电磁波散射大100万倍，所以用声波来探测大气是很灵敏的。但声波在大气中传输时能量耗散很大，使得声雷达的探测高度受到一定限制，而且，在有降雨或强风天气时无法使用。目前声雷达的探测高度一般为1～2公里，高功率声雷达可达4～5公里。如果在接收系统中，加入分析声回波信号的多普勒频移的设备，则可以计算沿声波方向的径向风速，这样的声雷达即称为多普勒声雷达。多点声雷达，可以探测边界层大气风和温度随高度的分布、温度脉动结构系数、风速脉动结构系数和重力波等。
三、光学大气遥感
光学大气遥感是利用光波信号探测大气的方法和技术。光波信号既可以来自自然光源（如太阳光、星光、大气散射的太阳光、自然目标漫反射的太阳光），也可以来自人造光源（如激光和其他的宽带光源）。因此，光学大气遥感可以是被动式的，也可以是主动式的。（一）原理光波在传播过程中，受到大气中的气体分子、气溶胶和云雾降水粒子的吸收和散射；而且由于大气湍流特性所造成的大气折射率的起伏，也使光波发生散射。这些物理过程，引起光波的振幅、相位、频率和偏振度等参数发生变化，所以可以根据这些变化，反演大气的特性。20世纪60年代出现了激光这种新的相干光源，提出了电磁波在湍流大气中传播的统计理论。这些使光学大气遥感无论在原理方法和探测技术上，或在探测内容上，都有了很大的进展，综合各种形式的光学大气遥感技术，可以获得大气温度、湿度、气体成分、气溶胶、风场以及大气湍流的资料，为研究大气使用。（二）探测内容除了利用气体分子、气溶胶对激光的各种散射效应进行大气遥感以外，光学大气遥感还有：
1.臭氧的遥感
大气臭氧对2200～3200埃（哈特莱吸收带，1埃＝10-10米）的太阳紫外辐射有强烈的吸收，利用这种性质可以在地面或卫星上测量太阳紫外辐射，从而间接推算臭氧的含量。在地面进行大气臭氧测量的仪器主要是多布森臭氧仪。从卫星上测量臭氧的方法有后向散射法和掩星法两种。后向散射法的原理是测量大气对太阳紫外辐射的后向散射光，利用大气对哈特莱带紫外辐射最强散射层的高度随入射波长变化的特点，可以得到臭氧随高度的分布。掩星法的原理是测量卫星在进入地球阴影前和飞出阴影后的太阳直接紫外辐射，从而得到太阳辐射穿过臭氧层路径上的臭氧总量。
2.气溶胶的遥感
大气气溶胶对太阳可见光有很强的散射和吸收作用，它引起太阳光的衰减。衰减的大小与气溶胶粒子的谱分布和气溶胶粒子对光波的散射和吸收的特性有关。根据这种关系，在地面或高空气球上，测量大气对直接来自太阳的不同波长的可见光的衰减（光谱消光法），或者测量太阳光的小角散射光强（华盖法），在扣除了大气分子对光波衰减的贡献以后，可以得到气溶胶粒子的平均谱分布。
3.风和大气湍流的遥感
在湍流大气中，大气折射率起伏引起光波振幅和相位的随机起伏，产生一定强度闪烁的图像。当湍流不规则结构随平均风场运动时，闪烁图像随时间而变化，因此光波闪烁信号中同时包含了平均风场和大气湍流的信息。根据电磁波在湍流大气中的传播理论，可以求得光波闪烁的统计特征量与传播路径上大气折射率结构常数和风廓线之间的关系，再通过实验方法测出闪烁统计特征量，即可得到大气湍流和风的资料。
四、激光大气遥感
激光大气遥感是利用激光探测大气的技术和方法，是主动式大气遥感的一种类型。激光具有很好的相干性、单色性和方向性，在大气遥感中有独特的优点。1962年意大利G.菲奥科等人研制了第一台探测高层大气的激光雷达，1963年美国斯坦福研究所研制了第一台探测对流层的激光雷达。我国第一台对流层气象激光雷达于1966年研制成功。
（一）方法和原理
1.散射法
主要有瑞利散射法、米散射法和拉曼散射法三种。激光在大气中的散射，主要是瑞利散射和米散射，它们均属弹性散射。由这种散射波的强度、角分布和偏振特性以及它们对波长的依赖关系，可以反演大气气溶胶特性及其时空分布，并进而由气溶胶的不均匀结构或散射波的多普勒频移，测量大气湍流和平均风场。另一种散射是拉曼散射，其散射截面比分子的瑞利散射弱3个量级，比气溶胶的米散射弱3～21个量级。拉曼散射的散射波长和入射波长不同，两者的光子能量之差和气体分子的固有能级相对应，因而分析拉曼散射光谱，可以判定大气中多种气体的成分及其混合比。
2.吸收法
选择某种气体成分的一条特定吸收线，发射在吸收线上和线外的两种波长的激光，由这两种波长的激光在同一光路中大气衰减的差异，测出该种气体的绝对含量，这种方法称为差分吸收法。用这种方法测气体含量，灵敏度比拉曼散射法高4～5个数量级，可以遥感极微量的大气成分。由于气体吸收光谱的特性依赖于温度和气压，用差分吸收法还可以遥感温度铅直分布和地面气压。
3.荧光法
大气分子或原子吸收激光后被激发到高能态，其中一部分由高能态回到低能态时，能量以自送发射（荧光）方式释放出来。荧光光谱决定于分子结构和原子结构，而荧光量子效率在稀薄气体中较高，因而发射波长处于某种成分吸收线（带）上的激光，测定共振荧光光谱的方法，适用于高层大气中钠和钾等成分的探测。
（二）仪器
根据以上原理，已研制成多种气象激光雷达。除激光气象雷达外，还有用可调谐激光器作为本振源的、具有极高光谱分辨率的外差式辐射计，用激光拉曼散射法和共振荧光法测大气成分，用全息照相法测云滴谱等就地测量的仪器。
五、红外大气遥感