近红外光谱涵盖了有机分子中C—H, N—H和O—H等含氢基团的倍频和合频产生的光谱, 提供了分子的结构、 组成、 状态等信息, 是研究有机物含氢基团振动的重要方法, 常用于食品、 农作物等的定性定量分析。 生化领域内所研究对象也都含有氢基团, 这些含氢基团吸收频率特征性强, 受分子内外环境影响小, 近红外光谱特性更稳定, 故可用于化学战剂和危险化学品检测。 沙林是一种神经性化学毒剂, 研究其结构、 化学特性及光谱性质时, 为保证安全, 实验中常用模拟剂样品代替测试, 但目前尚无公允的沙林毒剂近红外模拟剂。 采用密度泛函理论(DFT), 基于Gaussian程序包, 利用B3LYP/def2-SVP对沙林分子进行基态结构优化, 计算了沙林分子的精细结构和分子基频振动模式, 引入广义二阶微扰理论(GVPT2)建立了模拟生化毒剂近红外光谱的理论模型, 得到近红外振动峰与主要振动模式, 由倍频(Overtones)和合频(Combination Bands)振动绘制得到近红外光谱。 对沙林在近红外区域内的含氢基团进行解析, 对其特征峰进行指认, 得到沙林分子在1 150、 1 362和1 500 nm处的三个特征峰及其振动模式, 其中1 150 nm峰是由多个倍频和合频的组合振动贡献产生; 1 362 nm是一个较宽的吸收振动峰, 主要由分子中与C原子相连的原子合频和其他的非C, H原子产生的倍频或合频引起的; 1 500 nm位置的近红外振动峰主要由C8相关的振动模式贡献产生。 通过密度泛函理论建立沙林的近红外光谱理论模型, 通过实验验证了其理论模型的可行性, 为寻找其近红外光谱模拟剂提供理论支撑。

为提高液晶可调谐滤波器(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)的光谱采集效率, 提出了一种适用于 LCTF光谱成像系统的快速采集方法, 设计构建了更加完善的观测矩阵, 在压缩感知理论框架内实现了光谱超分辨率重建, 并通过实验验证了该方法的可行性。实验结果表明, 在采样率为 18.08%(采样步长 30 nm)时, 重建得到的 4.81 nm分辨率光谱与传统全采样光谱的相关系数为 0.91, 超分辨率重建峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR)为 99.63 dB, 采集速度是传统方式的 5.53倍。该方法在保证光谱分辨率和光谱识别准确率的前提下, 实现了光谱数据的快速和轻量化采集, 为动态目标测量和快速检测提供了可行的技术途径, 拓展了 LCTF光谱成像技术的应用场景。

离子迁移谱（IMS）是一种常压下快速、 高灵敏度的痕量化学物质检测方法, 广泛应用于化学战剂、 爆炸物和毒品等检测领域。 在离子迁移谱定性和定量分析中, 采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外, 还包含了电噪声、 背景干扰等噪声, 特别是当分析物浓度低时, 噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。 为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率, 需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。 本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。 通过建立优化目标函数, 采用l1范数作为线性惩罚项, λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。 为了求解优化目标函数, 首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形, 采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解, 当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。 为了验证提出的方法性能, 分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯（DMMP）样本数据进行验证, 其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。 与此同时, 我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、 小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。 采用均方根误差（RMSE）和信噪比（SNR）作为评价指标, 实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取, 预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升, 为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。

为了实现对甲烷体积分数场的2维分布重建, 基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)检测技术, 以甲烷为目标气体, 采用直接吸收的测量方式, 探测了甲烷氮气混合气的吸收光谱信号, 通过代数重建算法对甲烷体积分数进行了模拟重建和实验研究, 模拟重建采用了6×6共36个方格的正方形重建区域, 假定一个方形区域内具有空穴的体积分数分布, 模拟24条光束从4个方向穿过重建区域, 获取了模拟光线下的投影值。结果表明, 经过重复实验统计均方根误差在2.58%, 对模拟投影信号加入不同信噪比(5%, 10%, 20%)的高斯白噪声之后再进行重建, 均方根误差分别在4.17%~9.30%之间; 实验研究采取面源泄露式扩散方式, 并通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造体积分数空穴, 形成非均匀体积分数场, 通过对放置障碍物前后的重建结果对比, 能够看到在空穴位置有明显的体积分数下降。TDLAS技术与计算机断层重建技术在气体体积分数场的局部分布检测上有可行性, 具备作为有毒有害气体云团体积分数分布检测手段的潜力。

为了实现对气体浓度场二维分布重建，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术，以甲烷作为目标气体，选取1653.72 nm 的吸收峰位，采用直接吸收的测量手段，探测了浓度为2.97%的甲烷近红外光谱信息，通过断层重建算法对甲烷浓度场进行了模拟重建和实验研究。模拟重建采用了12×12 共144个方格的正方形重建区域，假定了一个方形区域内的具有多个空穴的浓度分布，模拟72 条光束从4个方向穿过重建区域，获取模拟光线下的投影值，经过实验统计代数重建算法均方根误差为5.58%，模拟退火算法均方根误差为8.38%；对模拟投影信号加入不同信噪比的高斯白噪声之后再进行重建，均方根误差在9.17%～15.30%之间。实验装置采用面源泄露扩散方法，通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造浓度空穴，形成非均匀浓度场。通过对代数重建算法和模拟退火算法的重建结果对比，能够看到模拟退火算法在近红外吸收光谱层析重建方法中的应用可行性。