开发了一种基于太阳跟踪方法用于测量大气污染气体成分的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱系统, 该系统由太阳跟踪器、光路传输部分、光谱仪组成。设计了一种正交反射镜系统用于收集太阳光, 利用小孔成像原理实现太阳跟踪, 保证跟踪光路与测量光路同轴。推导了跟踪旋转时位置探测器 (PSD) 上光斑轨迹的理论计算公式, 用于指导 PSD 算法。该系统的工作波段为 600 ～ 5000 cm－1, 分辨率为 0.5 cm－1。利用光学软件 Zemax 分析了用于汇聚干涉光束的抛物镜焦距对干涉条纹的影响, 确定抛物镜焦距值为 52.5 mm, 满足系统指标的入射光的最大倾斜角为 0.118°, 给出了 PSD 的测量精度和系统跟踪精度的技术指标。并利用搭建的实验平台进行了初步户外实验, 验证了系统的合理性。

将变量选择方法中 SFS、LASSO 和 Elastic Net 三种不同方法与广义交互验证准则相结合, 实现对 FTIR 光谱气体成分变量的初步筛选, 再采用循环迭代 CLS 方法对初步筛选的变量中浓度小于 0 的成分进行循环剔除, 然后根据变量在测量向量中的方向占比对选择的变量进行精选, 最终得到目标气体成分。为了验证各识别算法的识别性能, 分别进行了 CH4 和 SF6 外场排放实验, 两组实验结果表明建立的识别算法应用于气体目标识别的效率高、识别准确率高, 且能够识别出干扰成分 H2O。此算法为被动 FTIR 技术在危险气体泄露预警监测中的应用提供了方法基础。

傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)在水泥生料成分的在线分析上具有巨大的潜力。 但因现场环境复杂, 空气湿度不稳定, 会对生料样品中Fe2O3, SiO2, CaO和Al2O3四种关键成分的在线FTIR定量分析形成一定干扰。 使用生料在线FTIR分析仪对不同湿度条件下的水泥生料样品进行了近红外光谱采集, 分析了不同湿度对近红外光谱定量分析的影响, 并提出一种消除背景水分吸收的方法。 具体研究内容为: (1) 通过对两种不同湿度条件下的各50个样品的光谱分析得到: 高湿度的样品光谱与低湿度的样品光谱比较, 形状类似, 但吸光度整体降低, 基线倾斜。 表明背景水分影响了样品的近红外光谱。 (2) 分别建立高湿度、 低湿度条件下的样品的定量分析模型, 预测另一湿度条件下的预测集中8个样品的四种成分含量。 得到: ①高湿度模型预测样品中4种成分含量与标准值之间的相关系数(r)为83.74%～92.74%, 均方根误差(RMSE)为0.12～0.83; ②低湿度模型预测的r为67.32%～82.41%, RMSE为0.12～0.84。 表明背景水分影响了水泥生料成分的FTIR定量分析。 (3) 为了消除背景水分造成的影响, 从实测光谱中消除背景水分的特征吸收后, 分别建立了高湿度、 低湿度条件下的样品的FTIR定量分析模型, 并对预测集样品的四种成分含量进行预测。 得到: ①高湿度条件下, 消除背景水分后的模型较未消除前的模型预测的准确度提高, 预测的r为90.73%～97.76%, RMSE为0.12～0.82; ②低湿度条件下, 消除背景水分后的模型较未消除前的模型预测的准确度提高, 预测的r为94.07%～98.69%, RMSE为0.12～0.82; ③高湿度、 低湿度条件下, 消除背景水分后的2个模型预测的r均达到90%以上。 表明了该方法可有效消除背景水分对水泥生料成分定量分析模型预测的影响, 为实现基于FTIR的水泥生料成分的在线分析提供了理论基础和技术支持。

及时获取水泥原料中的关键成分的含量, 对水泥产品的品质控制至关重要。 而当前的主流分析方法需要现场人工采样和样品制备, 存在时效性问题。 利用傅里叶变换红外光谱技术对水泥生料样品中的Fe2O3, SiO2, CaO, Al2O3四种关键氧化物成分的漫反射光谱进行了快速定量分析。 首先探讨了傅里叶变换红外光谱技术检测水泥原料成分的理论基础。 水泥原料是一种复杂混合体系, 主要由铁质原料（如褐铁矿）, 硅质原料（如石英）, 钙质原料（如方解石）及铝质原料（如绿柱石）等矿物岩石组成。 而这些矿物岩石在可见近红外光谱波段的特征谱带较宽, 强度较低, 且存在重叠的部分。 因此, 使用了多元校正进行定量分析。 其次, 设计并搭建了对应的实验系统进行水泥生料样品的成分含量分析。 样品选用水泥厂家提供的60种关键成分含量各异的磨匀的水泥生料样品, 成分覆盖了 Fe2O3, SiO2, CaO, Al2O3四种关键氧化物。 使用搭建的实验平台采集样品的漫反射光谱。 并使用了X射线荧光分析法方法测定样品中各氧化物成分含量作为参考值。 之后, 结合了偏最小二乘法建立了Fe2O3, SiO2, CaO, Al2O3四种成分的定量分析模型。 使用了Kennard-Stone算法将样品集按7∶3的比例分为校正集和预测集。 PLS建模波段选择了4 000～5 000 cm-1波数范围, 总计包含520个谱元。 建立了校正集中42个样品光谱与其Fe2O3, SiO2, CaO, Al2O3成分含量的回归模型。 依据交叉有效性因子Q2h≥0.009 75的条件, 选择了7个因子来建立最终的定量分析模型。 在建立的Fe2O3, SiO2, CaO, Al2O3四种氧化物的FTIR定量分析模型中, 其校正的4种氧化物含量与X射线荧光分析法测量的含量之间的相关系数分别为98.49%, 98.03%, 98.18%, 99.24%, 均方根误差分别为0.04, 0.22, 0.26, 0.08。 模型的校正准确度比较高。 最后使用该定量分析模型对预测集样品中的Fe2O3, SiO2, CaO, Al2O3的含量进行预测, 并与X射线荧光分析法测量的参考值进行比较。 最终模型预测的相关系数分别为91.35%, 91.50%, 91.57%, 94.67%, 预测的均方根误差分别为0.08, 0.45, 0.54, 0.26, 表明了模型预测准确度较高。 所建基于傅里叶变换红外光谱的定量分析模型为实现水泥生产控制中水泥原料成分的快速定量分析建立了基础。

为了防止傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪在车载运动过程中产生的振动对光谱仪造成 不良影响,保证光谱仪的信噪比及测量精度,采用角镜式干涉仪结构与单自由度减振系统相结合的FTIR光谱仪系统来提高仪 器抗振性能。对FTIR光谱仪系统进行了几组桌面振动测试实验,验证了角镜式结构具有一定抗振性能,其中单自由度减振系 统对系统抗振性能有明显提高。最后,进行了FTIR光谱仪系统车载实验,结果表明运动中测量的光谱平均信噪比达到静止过 程中平均信噪比的94%,整机系统能够在移动平台上平稳运行,具有良好的抗振性,为FTIR光谱仪的车载运行 检测提供了应用条件。

为实现星载多角度偏振成像仪在环境模拟测试、装星测试等场合的检测要求,设计了一种具有多角度、 多光谱和偏振性能的测试光源。依据多角度偏振成像仪的工作原理及测试需求,开展了检校光源的设计, 完成的光源方案由29个多波段LED平行光管米字型排布构成。通过光学建模,分析了平行光管口径、 发散角及安装视场,并在辐亮度计算基础上,完成了LED选型及驱动设计,以及匀光扩散片、衰减片、 偏振片及退偏器等组件设计,实现了满足仪器多波段不同动态范围要求的均匀光斑照明及标 准偏振度源输出。最终检测结果表明,光源满足多视场点、多光谱、偏振特性测试要求,稳定 性优于99.2%,偏振度优于1%,重复安装精度优于1个像元；满足载荷辐射5%、偏振2%、 几何1像元的性能检测需求,以及通道切换功能监视等要求。

相对辐射校正是实现多角度偏振探测仪全视场高精度辐射定标的关键技术之一。提出了一种高精度自动化的相对辐射校正方法, 采用15×15个分视场扫描测量的方式,通过高精度大型二维转台和大口径积分球参考光源实现全视场的辐射响应测量; 模拟在轨工作模式,规范了数据采集流程,编写数据采集软件实现了辐射响应图像数据获取;设计数据图像拼接算法和相关 的数据处理方法,完成了相对辐射校正的数据处理和精度分析。数据比对分析和精度分析结果表明相对辐射校正精度在0.5%～0.8%之内。

带外响应(带外泄漏)是影响多光谱遥感器(multi-spectral remote sensor, MsRS)辐射定标不确定度的重要因素。以多光 谱成像仪的443 nm通道为例,介绍了一种MsRS带外响应的测量、校正和精度验证方法。该方法主要利用一种新型大孔径光谱 可调积分球参考光源(spectrum-tunable integrating spheres reference light source, STIS)的分立波段和连续光谱 输出功能开展多光谱成像仪带外响应测量、校正及其精度验证实验,借助带外响应校正模型修正带内权重辐亮度,并与光谱 辐亮度计的测量参考值进行对比。结果表明,带外响应校正前后的带内WRL与光谱辐亮度计的测量参考值的差异由8.8%降 低到2.9%,初步验证了STIS在MsRS带外响应校正中的应用可行性。

空间调制型全偏振成像系统利用 Savart偏光镜能够将被探测目标的4个 Stokes参数 S0~S3调制在同一幅干涉图像中, 从而通过单次采集便可获得完整的偏振信息。在该系统中, 半波片和检偏器的角度误差对 Stokes参数的测量精度有着不可忽略的影响。文中首先给出了包含上述两种角度误差的干涉强度调制方程, 根据实际系统参数, 在角度误差模型的基础上分析了当入射光为自然光、 0°/90°线偏振光、 45°/135°线偏振光和左/右旋圆偏振光时, 角度误差对空间调制型全偏振成像系统的 Stokes参数测量精度的影响。利用这四种基态偏振光的偏振测量误差, 给出了任意偏振态和偏振度的入射光偏振测量误差的表征方法 , 最后, 文中以系统测量矩阵条件数为优化目标函数, 经仿真计算得出当 Savart板厚度为 23 mm时系统测量矩阵条件取得最小值为 2.06, 半波片和检偏器耦合角度误差对系统偏振测量精度的影响程度最小。

为保证大气同步校正仪的偏振测量精度, 在研制的过程中需要对滤光片进行检测和筛选。设计了校正仪的偏振测量模型和滤光片的筛选条件, 分析了影响校正仪的偏振度测量精度的主要因素。以490 nm通道为例, 采用滤光片的光谱透射率和典型目标的光谱辐亮度数据, 分析了偏振通道间的相对透射率和带外响应相对于总响应的比值随目标光谱辐亮度形状的变化情况, 并对滤光片进行了筛选, 对校正仪进行了偏振度测量精度的验证。结果表明, 在大气目标偏振度0~0.4范围内、在偏振通道间的相对透射率的相对变化和带外响应的相对变化对偏振度产生的变化均不大于0.4%且二者合成不确定度应小于0.5%的筛选条件下, 可保证校正仪的偏振度测量精度。选用最佳效果筛选滤光片的校正仪的测量不确定度明显小于未经筛选滤光片的校正仪的测量不确定度, 证明了筛选方法的有效性。