在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上, 对空间垂直方向的气溶胶消光特性进行了研究。文章利用Mie散射理论计算讨论了气溶胶的消光、散射、吸收系数随各参数的变化, 并在MATLAB中对变化情况进行了仿真。结果表明, 粒子半径与入射波长大小相近时气溶胶的消光最强, 并且随着能见度的增大, 气溶胶衰减系数减小。这些结论可以为红外辐射的大气衰减计算和分析提供依据。

弹光调制干涉具中光程差的非线性带来了干涉信号的非均匀变化,在光谱复原过程中,如不对干涉数据修正直接采用快速傅里叶变换(FFT)复原光谱会导致光谱严重失真,难以满足实时处理要求。首先提出采用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)实现光谱复原,其次设计了一种基于高性能DSP芯片OMAP-L138的干涉数据处理系统,它将高速数据采集卡PCI-5122采集到的671.1 nm激光干涉数据进行存储并完成其实时光谱复原。研究结果表明:这套干涉数据实时处理系统操作简单,运行可靠。复原671.1 nm激光的波长误差小于1 nm,谱线位置误差小于0.1％,为后期采用高性能DSP的弹光调制傅里叶变换光谱仪提供了很好的前提基础。

针对大光程差弹光调制干涉仪工作中的温漂问题, 提出了一种包含电压和相位补偿的温度补偿控制策略。 首先, 根据相似与模化理论, 建立了弹光调制干涉仪机械特性的等效电路模型, 分析了温度对弹光调制干涉仪谐振频率的影响, 建立了驱动电压、 频率和谐振频率之间的数理模型, 确定了大光程差条件下达到稳定状态的控制方法; 然后, 将数字锁相环技术与电压和相位补偿程序相结合, 给出了包含电压和相位补偿的光程差偏移数字式控制设计方法; 最后, 将包含电压和相位补偿的数字式驱动控制系统与传统的模拟驱动控制系统进行对比测试, 采用激光多普勒测振仪记录3小时内光程差偏移量。 结果表明, 该方法将长时间工作中温漂造成的光程差偏移率降低了约50%。

为了获得弹光调制干涉具干涉信号的频谱, 需进行光谱反演, 但因其相位是非线性的, 直接采用快速傅里叶变换反演光谱会导致光谱严重失真, 因此提出采用非均匀快速傅里叶变换算法对干涉数据进行光谱反演的方法。首先采用基于高速数据采集卡PCI-5122设计的虚拟示波器获取652.6nm激光经弹光调制干涉具的干涉数据, 然后在MATLAB环境中对干涉数据进行光谱反演, 得到了相应的频谱信息。结果表明, 对采集的652.6nm激光波长测量误差小于1nm, 谱线位置误差小于0.1%, 验证了该算法在弹光调制非均匀干涉数据光谱反演的可行性, 这对弹光调制高性能傅里叶变换光谱仪的设计有借鉴应用价值。

基线校正是对傅里叶变换红外光谱仪光谱数据后续处理前重要的预处理步骤, 多项式迭代拟合是基线校正的一种方法。为了进一步提高基线校正的速率, 采用一种改进多项式迭代拟合算法, 并以CO2光谱为例进行了理论分析和实验验证, 取得了与多项式迭代拟合相同的校正效果。结果表明, 该算法自动识别谱峰范围, 仅对谱峰范围的光谱进行基线校正, 减少了基线校正过程中的迭代次数, 迭代次数从39次降到了11次, 耗用时间从4.78s降至1.12s。这一结果对实现实时气体监测系统具有重要意义。

为了实现红外光谱被动测距技术的准确测距以及透过率的精确计算, 采用插值法进行了基线拟合算法研究。以氧气A带为例, 利用逐线积分计算出A吸收带两边的带外数据, 采用多种插值拟合方法来拟合, 进行了详细的理论分析和仿真验证。通过几种拟合结果的对比, 多项式插值拟合取得了比较好的结果, 拟合精度最高。结果表明, 多项式插值拟合基线算法为建立透过率和距离等条件的数据库提供了方法, 为被动测距的实时测量提供了坚实的基础。

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上, 对近红外波段的气溶胶衰减特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化, 并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明, 三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子, 水溶性粒子, 烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大, 并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。

为了有效抑制周围环境背景光对光谱型非成像类脉冲激光告警器的干扰, 在采取滤光、滤波、比较器阈值限制等方式进行背景光噪声消除后, 针对近距离、大能量的背景闪光干扰情况, 根据背景闪光与脉冲激光在时间长度上的相异性, 采用高速可编程逻辑器件对告警器的入射光时间进行了计时并判断, 对背景闪光干扰进行了消除。经过实际测试, 应用该方法后, 告警装置12h内由太阳光引起的虚警次数为0, 采用多种方式模拟近距离、大能量背景闪光干扰, 告警装置均无虚警情况出现。结果表明, 该方案可为由背景光引起的激光告警装置虚警问题的解决提供较好的实例和实验方案, 其时长判断方法仅通过一片复杂可编程逻辑器件即可实现, 硬件电路集成度高、程序编写简单, 具有较好的应用价值。

为了克服Kemp型弹光调制器调制效率低、加工工艺困难及体积大等缺点，提出了采用铌酸锂(LiNbO3)晶体压电弹光双效应的单晶体弹光调制器的设计思想；根据压电振动理论和晶体光学原理，分析了晶体各物理量随空间变换的特性，推导了调制电压相位差振幅之间的关系，并对晶体切型和通光方向进行了优化，所设计的晶体尺寸为41 mm×7.7 mm×17.1 mm（x×y×z），切割角为0°（x切），通光方向z轴（光轴），通过在x-z面施加与晶体谐振基频一致的周期性电压，产生沿x方向，频率为73.71 kHz的伸缩振动, 最后通过实验对所设计单晶体弹光调制器进行了验证；实验结果表明，对633 nm激光进行半波调制时，该弹光调制器所需调制电压为1.6 V；与基于钽酸锂(LiTaO3)且未进行切型优化的单晶体弹光调制器相比，调制电压下降了约4倍。

基于傅里叶变换红外光谱仪干涉图的单边过零采样和非对称性, 对相位校正技术进行研究和改进。 针对Mertz乘积法对切趾函数的匹配性要求高, 干涉图非对称切趾旁瓣抑制效果差、 光谱分辨率低的缺点, 综合Mertz法和Forman法的特点提出一种改进的相位校正方法。 采用对称化方法将单边干涉图变换为双边干涉图、 对称切趾、 傅里叶变换重建功率谱, 并采用对称化的双边干涉图傅里叶变换求取高分辨率的相位谱, 提高相位校正的精度。 通过仿真分析了非对称窗函数较对称窗函数有比较宽的主瓣宽度、 高的旁瓣幅值, 分辨率降低; 实验验证该改进的相位校正方法功率谱误差小、 计算量少, 且光谱分辨率比较高, 达到2 cm-1。