针对已有的可调谐二极管激光吸收光谱-波长调制光谱（TDLAS-WMS）中所需的谐波检测二倍频信号产生往往需要复杂的“倍频-比较-移相”电路，提出一种新型的TDLAS-WMS控制信号产生方法：利用现场可编程门阵列（FPGA）控制高速数字/模拟（D/A）产生锯齿波扫描信号和正弦波调制信号，叠加后控制激光器实现波长调制扫描；同时，FPGA依据相位信号同步输出一个正弦波调制信号的二倍频方波信号，加入延时补偿环节后，与探测器模块接收到的吸收信号中的正弦波调制信号的相位差为零，解调经过气体吸收后的调制扫描信号。设计了基于该方法的TDLAS-WMS系统方案、高速D/A转换电路、延时电路及FPGA控制流程，实验验证了正弦信号与其二倍频方波延时信号的同步性，将该方法用于某气体检测系统，成功地检出了与浓度相关的二倍频吸收信号，检出幅值得到一定提升，从而验证了该方法的有效性。

为了更好地研究叶绿素荧光特性和分析植物生长状况, 提出了从植物叶片微观结构的特点出发分析影响叶绿素荧光测量的一种研究方法。采用波长为460nm的LED作为光源激发叶绿素荧光, 经滤光片后, 通过CCD分别获取宏观叶绿素荧光和微观叶绿素荧光, 对荧光图像进行预处理并获得叶绿素荧光比率Rfd均值; 在显微镜下用CMOS获取叶片的显微图像, 测量上表皮厚度、栅栏组织厚度和叶片厚度等微观结构几何参数; 统计分析了叶片微观结构对宏观荧光测量的影响情况。结果表明, 对于像植物这种复杂的活体被测对象, 测量时应该考虑植物叶片微观结构对植物叶绿素荧光测量的影响。

生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病, 也是生物**投放的主要形式, 实现生物气溶胶实时、 远距离的探测显得尤为重要。 构建了一台双波长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别。 该雷达系统采用Nd∶YAG固体激光器作为激励光源, 基频1 064 nm、 四倍频266 nm作为工作波长。 基于激光诱导荧光雷达探测原理, 对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数值分析。 结果显示, 在探测误差小于10%的情况下, 距离为1.0 km时, 单激光脉冲测量得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15 100个颗粒·L-1和8 386个颗粒·L-1; 当脉冲数累加到10 000时, 白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善, 分别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1。 分析结果还表明, 通过红外波段确定细菌孢子云团位置后, 为了提高系统对细菌孢子的探测性能, 可增加紫外激光脉冲数量, 延长荧光信号采集时间。

激光诱导荧光技术是一种应用广泛的新型遥测技术, 为了指导实际激光诱导荧光探测系统的搭建, 介绍了荧光检测原理, 设计了激光诱导荧光雷达探测系统。以测量水面石油类污染物为例, 通过分析激光诱导荧光雷达探测系统中发射系统及接收系统主要参数对系统信噪比的影响, 可根据测量条件选择合适的系统参数。在实验室条件下, 选用单脉冲能量为50 μJ的Nd: YAG激光器, 接收视场角0.1 mrad, 滤光片带宽60 nm的接收系统, 可以检验浓度为10个/L的粒子。

活体植物叶片叶绿素含量SPAD值易受叶片厚度、 水分等影响, 提出了基于多参数神经网络建模的叶绿素含量精细反演方法。 通过测量叶片在中心波长分别为650, 940和1 450 nm光照射下的透过率, 获得叶片的SPAD值和水分指数WI(water index), 同时用数字螺旋测微仪测量相应的叶片厚度并用分光光度法测得其叶绿素含量。 利用建模集样本分别建立SPAD值与实测叶绿素含量之间的单参数模型和基于BP神经网络的WI、 厚度及SPAD值与实测叶绿素含量之间的非线性模型。 利用这两种模型分别计算获得验证集样本的叶绿素含量预测值, 对预测值和实测值进行了相关分析和相对误差的分析。 实验以340个三种不同植物叶片为样本, 用以上方法进行了分析。 结果表明, 利用BP神经网络建模后, 每种植物样本的叶绿素含量预测精度都有不同程度的提高, 尤其对于叶片厚度值较大的样本, 效果更为明显。 数据显示所有混合样本平均相对误差绝对值由单参数模型的7.55%降低到5.22%, 实测值与预测值的拟合决定系数由0.83提高到0.93。 验证了利用多参数BP神经网络模型可以有效地提高活体植物叶绿素含量预测精度的可行性。

为了评估激光诱导荧光雷达对生物气溶胶粒子的有效探测距离及随生物气溶胶浓度变化的敏感性，在阐述生物气溶胶探测原理的基础上，设计了一台激光诱导荧光雷达。该雷达选用波长为355 nm 的二极管抽运的Nd：YAG 固体激光器作为激励光源，基于脉冲能量、脉冲数量、滤光片带宽、望远镜口径、接收视场角以及生物气溶胶粒子荧光非弹性散射截面积等主要参数，对生物气溶胶荧光回波信号的信噪比进行数值仿真。仿真结果表明，生物气溶胶粒子的质量分数为10-12时，在探测误差小于10%的情况下，系统在白天和夜晚的有效探测距离分别可达1.0 km和7.8 km；而在探测距离定义为0.5 km 时，系统对生物气溶胶质量分数的最小分辨能力，白天和夜间分别为1.8×10-13和1.0×10-14。仿真结果有利于了解激光诱导荧光雷达系统的最优参数设定和最佳的实验环境，进而实现对生物气溶胶的有效探测。

提出了一种基于显微图像拼接技术的视觉坐标测量方法, 也就是利用图像自身的空间坐标信息实现坐标测量的方法。针对测量显微镜获取微小零件图像所具有较精细的纹理特征, 提出了一种基于点映射互相关配准算法, 对局部重叠的序列图像进行拼接。借助于玻璃标准尺对系统进行了严格的标定, 重点对不同放大倍数下的拼接误差进行了计算与分析。并通过微小零件尺寸测量的实例说明了该算法的有效性。多种实验研究表明, 该测量方法的相对误差可优于 1%, 分辨力可小于 1 μm。

针对具有镜面反射特性的光滑球面,提出了一种利用反光带的镜像变形来对表面缺陷进行快速检测的新方法.这种方法通过漫反射反光带增强图像上的缺陷信息,克服了背景噪声在图像处理中会造成较大误差的缺点,也降低了照明系统的设计难度.根据缺陷引起的反光带镜像变形获取缺陷特征,使图像处理软件的工作量大大减少.通过实验,给出了缺陷尺寸和扫描间隔等因素对检测结果影响的分布曲线,为合理提取缺陷尺寸提供了参考.实验表明,该方法的鲁棒性好、效率高,能识别0.5mm以上的全部缺陷,定位误差在+-1°之内.