通过对角化364×364完全能量矩阵的理论方法, 对掺杂在Bi4Ge3O12晶体中的Er3+的Stark能级和EPR参数进行了研究, 同时, 定量分析了高阶晶体场混合效应和J-J混合效应对EPR g因子的影响。研究结果表明: 对Er3+来说, 最主要的J-J混合效应来源于多重态谱项2K15/2, 其对EPR g因子的贡献约占2.5%, 而最主要的高阶晶体场混合效应来源于第一激发多重态4I13/2和基态多重态4I15/2之间的晶体场混合, 其对各向异性g因子中g⊥的贡献大致是g//的两倍(即g⊥约占 0.21%, g//约占0.092%), 其他更高阶的晶体场混合和J-J混合效应可以忽略不计。因此, 对于Er3+掺杂的络合物系统来说, 只考虑基态多重态4I15/2对EPR g因子的贡献应该是一个很好的近似。

浓相煤粉浓度是煤粉锅炉运行的关键指标之一。将太赫兹时域光谱技术应用到煤粉浓度的定量分析中,为提高对具有复杂化学成分的煤粉混合物太赫兹光谱定量分析的稳定性和准确性,将遗传算法(GA)和偏最小二乘回归(PLS-R)引入浓相煤粉-高密度聚乙烯材料(HDPE)混合物太赫兹时域光谱定量分析中。通过GA构建最优光谱变量集合,利用偏最小二乘建立煤粉浓度的定量分析模型。实验结果表明,GA和PLS-R得到的样本预测集相关系数和均方根误差分别为0.9568和1.0345,与传统的区间偏最小二乘法(iPLS-R和biPLS-R)建立的定量分析模型相比具有更高的准确度和稳定性,为太赫兹时域光谱在浓相煤粉浓度定量分析中的应用提供了参考依据。

煤粉气力输送的细度检测对磨煤机工作状态的最优控制具有重要的意义。 传统的检测方法多采用抽检取样法, 通过分样筛等设备检测样品的细度, 耗时长且操作复杂。 国内外对细度地快速检测也有部分研究成果, 但所测粉体浓度须较低, 且设备稳定性还有待提高。 太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的无损检测技术, 其低能性、 选择透过性、 相干性等特点使它具备其他光谱测量方法没有的优势。 国内外对太赫兹辐射与颗粒介质相互作用的研究表明, 太赫兹波对颗粒介质的细度具有显著敏感性, 因此通过太赫兹波检测煤粉细度具有可行性。 太赫兹波在高浓度颗粒介质的传播可以被看成是一个非线性动力过程, 这个过程包含了复杂的非线性动力学效应, 导致光谱测量结果具有混沌特征。 将非线性动力系统的概念应用到太赫兹时域光谱信号的分析中, 将太赫兹时域光谱信号视为由复杂非线性动力系统产生的时间序列进行特征分析。 实验中将煤样研磨并筛分为<38.5, 55~74, 74~88, 88~105和105~200 μm六种细度, 并将煤粉与HDPE混合后压制成样品片。 分别提取了的煤粉样品太赫兹时域光谱信号的功率谱熵、 小波能量熵、 盒维数、 关联维数、 偏度和峭度作为太赫兹时域光谱的混沌特征, 通过比较发现这些混沌特征与细度变化具有一定的相关性, 从视觉上可以大致区分出细度范围, 但无法进行定量分析。 支持向量机常用来解决小样本和非线性的分类问题, 但是需要选择合适的参数才能建立较为准确的预测模型。 文中引入粒子群算法来优化支持向量机建模参数选择。 将上述提取的混沌特征向量作为粒子群算法优化的支持向量机的输入变量, 以分样筛筛孔作为回归目标, 对所测量煤粉细度建立回归模型。 实验结果表明利用混沌特征建立的回归模型对<38.5和38.5~55 μm样品的预测结果要逊色于消光谱建模的回归结果, 认为这是因为煤粉细度小, 太赫兹波在样品中传播时与煤粉颗粒相互作用也比较弱, 时域信号的混沌特征表现不明显所导致。 对55~74, 74~88, 88~105和105~200 μm煤粉样品细度的预测结果要明显优于频域消光谱建立的模型, 特别是74~88和105~200 μm样品, 校正集均方根误差相对于消光谱分别下降了29.48%和26.14%, 预测集误差分别下降了88.62%和56.86%。 从预测结果整体上来看, 采用混沌特征建模的预测结果与目标细度的相关系数为0.9618, 消光谱建模的预测结果相关系数仅为0.78。 混沌特征建模的均方根预测误差仅为9.52, 消光谱建模的均方根预测误差为24.48。 同时采用混沌特征的建模时间相对于消光谱的建模时间下降了43.19%。 研究结果为太赫兹时域光谱技术在高浓度煤粉气力输送细度检测上的应用提供了科学依据和参考。

在利用太赫兹光谱系统对煤质进行定量分析的过程中, 样品压片内部煤粉颗粒和高密度聚乙烯颗粒之间的空气孔隙使太赫兹波产生散射进而导致所测煤样本征吸收光谱产生误差。 针对样品压片中煤粉颗粒和空气孔隙存在形式的不同建立了压片等效结构, 采用Foldy-Twersky EFA理论和迭代Waterman-Truell EFA理论在2~3.5 THz频率区间内对压片内部的散射情况进行了数值研究, 建立了煤样本征吸收谱提取模型, 并利用该模型分别对六种不同粒径范围的煤粉-高密度聚乙烯颗粒混合物压片样品进行了太赫兹域消光光谱的散射校正处理。 实验结果表明当煤粉颗粒直径小于38.5 μm时, 高密度聚乙烯颗粒间空气孔隙对所测样品消光光谱的影响处于主导地位, 当煤粉颗粒粒径处于38.5~55 μm时, 煤粉颗粒散射与空气孔隙散射导致的消光在数值上较为接近, 随着颗粒直径进一步增加, 煤粉自身散射对吸收光谱的影响也逐步增强并处于主导地位。 散射校正前后煤样吸收谱的相关系数和均方根误差表明文中所述模型能够有效减小105 μm以下粒径范围内散射对煤粉-高密度聚乙烯混合物压片样品太赫兹吸收光谱的影响, 为太赫兹域煤质吸收光谱的定量分析提供了理论基础。

传统超声回波时延估计算法是在高斯噪声背景下展开研究的, 而实际工况中超声回波不仅含有高斯噪声, 还含有脉冲冲击噪声(α稳定分布噪声)等, 这导致传统算法失效。为了解决上述问题, 本文提出了一种针对混合噪声特别是包含噪声背景下的超声回波时延估计算法: 归一化循环相关时延估计算法。首先, 对归一化循环相关算法理论进行了简要的介绍。接着, 对归一化循环相关时延估计算法进行了理论推导分析。然后, 结合仿真分析, 在相同α混合噪声情况下对传统循环相关和归一化循环相关时延估计进行比较。最后, 在不同信噪比下, 对归一化循环相关时延估计算法的估计性能进行了分析。通过对比实验发现, 在噪声特征指数趋于1时, 循环相关算法已不能估计出时延, 而归一化循环相关算法的误差仍能保持在0.4 μs; 且在-10dB信噪比下, 归一化循环相关算法时延估计也能保持在10 μs误差范围内。本文所提归一化循环相关算法在混合噪声特别是包含α噪声情况下能够对超声回波时延进行精确估计, 具有传统算法所不能比拟的优势。

为了证明微波光子倍频系统可以构成光载无线通信系统的一部分, 采用不受光纤色散影响的基于偏振调制器的倍频系数可调的微波光子系统, 理论论证和分析了基于偏振调制器的二倍频、四倍频和六倍频的系统原理和特性。针对于不同的倍频系数, 构建了相应的实验方案, 进行了实验验证、数据分析和实验结果讨论, 在不断进行实验系统优化的基础上实现了良好的倍频输出结果。结果表明, 倍频输出的微波/毫米波信号在仪器测量允许的范围内最大可达到42GHz, 且此系统具有受光纤色散影响小的优点。

为了设计出具有特殊光学特性的晶体, 在不考虑色散的基础上, 采用传输矩阵法对缺陷层为增益介质的1维三元光子晶体的光学特性进行了理论分析和数值模拟, 主要研究了在0.242μm处能获得最大光放大时所对应的增益介质的厚度及光学常数, 并讨论了当中心波长变化时的光放大特点。结果表明, 当中心波长为0.3μm时, 中心波长两侧存在着对应的禁带, 改变缺陷层厚度及光学常数对该带隙结构的影响很小; 但通带边0.242μm波长处获得很强的光放大。这一结果为今后获得具有所需特征缺陷的光子晶体提供了理论指导。

为了研究含缺陷层为增益介质的三元1维光子晶体的光学特性，采用光学传输矩阵的方法进行了理论分析。结果表明，增益缺陷层厚度及光学常数的变化对于红外区的禁带结构影响不大，增益介质层主要对中心波长为1.8μm所处的透射带带边波长的放大效应特别明显。还研究了增益介质缺陷层的厚度、光学常数的变化对于红外区透射带边(2.1869μm)波长的光放大效应；当增益介质厚度为0.0101μm，n= 5.03+0.124i时，可以获得在波长2.1869μm 处透射系数为428的光放大。在红外区，光放大波长随着中心波长的变化而变化，但该波长都是在中心波长所处透射带的带边处。该结果可为以光子晶体作为激光增益介质的研究提供理论指导。