分别利用He-Ne激光632.8 nm、O₂（0-1）867.7 nm和O （¹S）557.7 nm谱线作为光源，研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数，给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上，部分视场MTF高于0.6；对557.7 nm和867.7 nm波长的气辉，理论计算的MTF分别为0.508和0.510；由室内外实验拍摄获取的GBAII成像干涉图得出的MTF值分别大于0.84、0.58、0.24，与国际著名的星载风成像干涉仪WINDII的0.35 MTF值相当。

热液释放的高温甲烷气体经扩散作用先后进入海洋和大气, 并对地球物理、 化学和生物方面产生深刻影响。 由于海洋溶解甲烷数据的缺乏, 导致人们对深海热液释放甲烷的活动机制和环境效应还缺乏足够的认识。 我们前期提出一种光学被动成像干涉系统OPIIS用于热液甲烷浓度、 温度和压强的实时探测和长期观测。 为了从OPIIS的干涉光谱中精确、 稳定、 快速的获取热液甲烷信息, 采用将干涉光谱与偏最小二乘法相结合的方法处理OPIIS数据。 首先分别建立三个甲烷浓度、 温度和压强的单因变量预测模型, 再利用干涉条纹与辐射光谱的关系, 间接建立干涉光谱与甲烷浓度、 温度和压强的PLS预测模型, 提高了预测模型在实际应用中的抗干扰能力和稳定性。 基于洛仑兹线型建立了不同于大气环境的深海气体辐射模型, 并利用HITRAN2016分子光谱数据库的光谱参数, 建立了深海甲烷在任意浓度、 任意温度和任意压强下的辐射光谱数据库。 挑选热液其他气体对甲烷探测干扰较小的甲烷泛频带1.64～1.66 μm内的六条谱线建立甲烷辐射光谱与浓度、 温度和压强的偏最小二乘回归模型。 另外, 分析了训练集取样个数、 取样间隔和主成分个数对提高预测模型综合性能的作用。 利用不同训练集样本数, 不同训练集取样间隔和不同的主成分数, 分别建立96个浓度、 温度和压强预测模型, 并分别利用25组预测集样本对预测模型进行交叉验证。 不同模型预测均方根误差和决定系数的对比表明, 训练集取样个数、 取样间隔和主成分个数等单一因素的改变并不能同时提高预测模型的预测精度、 稳定性、 适用范围和运算量等综合性能。 经过平衡选取各项指标确定的最优回归模型的参数为: 浓度、 温度和压强的适用范围分别为5～375 mmol·L-1, 580～678 K, 10～34.5 MPa, 浓度、 温度和压强的训练集取样个数分别为50组, 25组, 25组, 采样间隔分别为5 mmol·L-1, 2 K, 0.5 MPa, 浓度、 温度和压强预测模型的主成分数分别为2, 2, 5。 浓度、 温度和压强预测模型的预测均方根误差分别为3.082×10-6, 0.977 0, 5.052×10-3, 决定系数分别为0.999 9, 0.998 9, 0.999 9。 浓度、 温度和压强的预测误差分别为±1.21×10-7, ±3.63×10-3, ±9.49×10-4, 对应的预测精度分别为±45.4 nmol·L-1, ±2.5 K, ±3.3×10-2 MPa。 结果表明, 干涉光谱结合偏最小二乘法的反演算法可以精确、 稳定、 快速的获取热液甲烷气体的浓度、 温度和压强信息。

本文提出利用光学成像干涉技术主动遥感探测可燃冰的温度、压强、浓度物理量。通过光纤将海面上波长为1.65 μm的激光传输到海底, 激发海底可燃冰, 将CH4发射的1.65 μm附近相距很近的10条谱线用光纤收集传回到海面上, 经过成像干涉系统, 在CCD相机上得到5条成像干涉条纹, 选择两条相邻干涉条纹的灰度值, 利用“转动谱线测温法”和洛伦兹线型即可获得海底可燃冰CH4的温度、压强、浓度等参量。实验得出CH4的正演成像干涉图, 并得到CCD上的电子计数1.68×105远远大于拟用CCD噪声400e, 系统的最大信噪比为291, 窄带干涉滤光片可在16°视场内区分CH4的10条目标谱线, CH4的温度和浓度探测精度分别为1 K和3%。研究表明, 该成像干涉系统可用于遥感探测海底可燃冰。

为了实现对热液甲烷浓度、温度和压强信息的实时、长期探测, 提出一种新颖的光学被动成像干涉系统(Optical Passive Imaging Interference System, OPIIS), 并建立了该系统的正演模型和反演模型。首先利用IDL语言建立了包括深海气体辐射模型、海水传输模型和仪器响应模型的OPIIS正演模型, 并模拟其正演干涉图。正演干涉图信噪比总体处于50~70, 浓度探测灵敏度为0.1 mmol/L, 温度灵敏度为2 K, 压强灵敏度为0.1 MPa。其次采用成像干涉技术结合偏最小二乘法的方法进行OPIIS数据的精确、快速反演。利用25个建模样本建立了甲烷多因变量PLS回归模型, 并利用25个预测样本对回归模型进行交叉检验。该最优回归模型的浓度预测最大误差为1.9%, 温度预测最大误差为0.38%, 压强预测最大误差为1.0%。

为便于环保部门实时准确监测水体油污染情况, 研制了一套基于紫外荧光和物联网技术在线监测水中矿物油浓度的系统。该系统采用非对称Czemy-Turner光路的高精度单色器, 提高了分辨率;光路增加了一束参考光, 用于修正光源波动对探测结果的影响;光路增添光纤传输激发光和荧光, 减小系统因仪器振动造成的光路偏差;探头采用特殊设计光纤束, 大幅提高光纤耦合效率和信号输出;系统集成了控制模块和无线通讯模块, 实现系统的实时测量、数据处理和远程控制。该系统集成度高、探测精度高、稳定性好。利用化学计量学方法中的平行因子算法和化学校正分析理论, 降低矿物油不同成分差异带来的计算误差, 精确计算出未知样品的浓度。使用该系统测定了柴油、机油、原油三种样品溶液在10, 25, 50和100 mg·L-1的荧光光谱。用光栅光谱仪测得这三种油的最佳吸收波长分别为256, 365和397 nm;用荧光分光光度计测量了上述三种油的吸光度分别为0.028, 0.036和0.041;它们的最佳发射波长分别为355, 419和457 nm。利用该装置测得柴油、机油和原油的检出限分别为0.03, 0.04和0.06 mg·L-1, 相对误差分别为2.1%, 1.0%和2.8%。

为了实现景物在强光照射下能够分辨图像的细节, 在液晶的光强局部选通成像器中, 使用光锥将TFT-LCD液晶耦合到CCD相机上以实现图像的实时传递。通过理论分析和计算, 采用光锥耦合获得的耦合效率为14.24%, 而透镜耦合则只有1.83%, 由前者耦合后构成的局部选通系统, 其调制传递函数曲线中奈奎斯特频率为0.518, 极限分辨率为34 lp/mm, 由此制作的器件, 在对高照度下图像的细节分辨, 明显高于透镜耦合的器件。分析了造成该系统MTF下降的因素, 并提出了进一步改善MTF的技术措施。

基于三代近贴式像增强器，设计了磁镜阵列装置的结构，从理论上计算了该装置的调制传递函数以及将其引入像增强器后整体的调制传递函数，以此来分析对成像质量的影响.通过对实际参量绘制的调制传递函数曲线分析，得出磁镜阵列装置在X、Y方向的极限分辨率分别为117 lp/mm、121 lp/mm，奈奎斯特频率处的调制传递函数值分别为0.55、0.59，同时磁镜阵列像增强器的极限分辨率也分别达到了87 lp/mm、89 lp/mm，相应的奈奎斯特频率处的调制传递函数值为0.49和0.52.结果表明X和Y方向的调制传递函数曲线之间差异较之磁镜阵列装置变小，这对保证成像质量起到了积极的作用.文章为进一步深入研究磁镜阵列像增强器提供了重要的理论依据.

为了更好地将液晶器件应用于选通成像系统中,从理论上推导出了液晶器件透过率与波长、折射率、电压之间的关系。从双折射率与光强的关系定量分析了扭曲向列相液晶的色散效应。用光栅光谱仪选择380-1 100 nm波段,以SONY公司LCX023CMT型号的TFT-LCD为样品,测试了液晶器件在不同灰度级和波长下的透射率。研究结果表明:液晶器件在可见光波段色散较小,随着灰度值的增加,色散增大;通过自制的光强局部选通成像系统对同一物体进行了对比拍摄,选通后的照片表明液晶器件的色散对成像质量影响不大;该液晶器件对红外光线有近12%的透过率,证明其可以实现近红外波段的强光局部选通成像。

为了提高改型超广角Sagnac成像干涉仪的成像质量,研究其调制传递函数(MTF)fMTF。计算出改型Sagnac成像干涉仪入射光线的5个边界条件后,给出其光瞳函数。根据傅里叶变换,得到改型Sagnac成像干涉仪的调制传递函数的表达式。根据前期研究所优化出来的改型Sagnac成像干涉仪的相关参数,绘制出MTF曲线,得到奈奎斯特频率处的fMTF=0.62。而上层大气风场探测的风成像干涉仪(WINDII)中的迈克耳孙成像干涉仪的fMTF=0.35,说明改型Sagnac成像干涉仪的成像质量更好。

鉴于CCD相机在强光照射时会产生光晕，CCD敏感面像素之间互相影响，进而导致成像模糊不清，提出一种克服光晕现象的像质增强算法。利用HTPS（高温聚硅）液晶具有可实时控制各像素光透过率的特性，使液晶和主CCD由光纤光锥进行像素一对一耦合。用Cyclone II芯片作为图像处理单元，测光CCD采集图像信息，控制液晶改善图像质量。实验结果表明，该系统能够精确控制HTPS液晶上每个像素的透过率，使CCD相机能在强光下正常成像，其灰度分辨能力提高了1倍，从而提高了图像的清晰度。