为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究.弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关.因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿.经试验验证,采用670.8 nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471 μm的检测,其测量误差小于0.167 nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2 nm.

为了提高弹光调制器在高压驱动下的工作效率，以提高傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率，在建立弹光调制器的损耗模型和振动方程的基础上，描述了包含损耗因数的弹光调制器幅频特性，并推导了谐振和反谐振频率下弹光调制器的品质因数。结合压电材料的电致伸缩效应及其损耗，分析了高压驱动下各损耗因数之间的关系，提出了一种较谐振驱动具有更高品质因数和调制深度的反谐振驱动方法。实验验证，当驱动电压在500~1200 VP-P范围内，反谐振驱动方法较传统的谐振驱动方式，品质因数和调制深度均提高了43%，有效地提高了弹光调制器的工作效率。

为进一步提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率, 提出了一种折返式弹光调制干涉仪结构, 该结构通过在弹光晶体前后表面镀制相互交错的的全反射膜, 并让入射光线以约10°的倾斜角入射, 使得被测光束在晶体内部产生多次反射, 增大光在干涉仪中的传播距离并提高了调制光程差。 建立了折返式弹光调制傅里叶变换光谱仪干涉-光谱反演数学模型, 并在此基础上设计搭建了相应的前置收集光系统, 并进行了激光光源和氙灯光源的遥测实验, 实验所得干涉条纹清晰、 稳定, 结果表明, 所设计的多次反射式弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率达到13 cm-1, 且该方案使得光线在晶体内部产生反射, 降低了光能损失, 保证了系统性噪比。 最后的光谱反演结果表明, 所设计光谱系统的技术可行, 为后续的样机研制以及光谱、 辐射标定等工作奠定了基础。

为了提高激光探测的方位分辨率, 实现对来袭激光的准确定位, 选用了FPA-320x256-C型InGaAs焦平面阵列探测器作为光栅衍射型激光告警装置的核心元件。 介绍了基于光栅衍射的激光波长和方向探测原理, 在分析了探测器性能及参数的基础上设计了驱动电路。 探测器在FPGA时序的控制下, 输出模拟量通过高速AD进行采集, 数据经缓存后存储在FPGA外扩的SRAM中, 然后通过USB传送至PC机。 上位机Labview采集原始数据, 处理并显示。 利用上述方法, 完成了成像实验, 采用波长为1 550和980 nm的激光器从不同角度进行入射, 对探测得到的衍射图像进行分析, 判断出零级和一级的位置, 根据光栅衍射理论, 计算出相应波长和二维方向入射角, 结果显示波长误差小于10 nm, 入射角误差小于1°。

弹光调制干涉具调制的干涉光被探测器接收后输出高速变化的微弱电信号，能否将该电信号提取并放大输出对弹光调制-傅里叶变换光谱仪的研制至关重要。通过对调制干涉光进行理论分析，设计一种具有高信噪比和较高带宽的光电转换放大电路，主要由电源电路、光电转换电路、放大电路、理论通频带为100 kHz~3.5 MHz的带通滤波电路组成。实验结果表明：设计的电路能够将探测器输出的最大频率为1.6 MHz的信号放大至670 mV左右，实现了将探测器输出的微弱速变电信号从背景噪声中有效提取与放大，为后续傅里叶变换提供可靠数据。

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%。

为了解决弹光调制干涉具中因高频振动产生的热量引起的谐振频率漂移问题, 根据相似与模化理论, 建立了弹光调制干涉具热动态模型, 得到了弹光调制干涉具中干涉具谐振频率、干涉具温度和外界驱动信号之间的非线性函数关系, 并最终推导出了反馈电流和反馈电流相对于驱动电压的相位的关系、干涉具中温度随时间的变化率和谐振频率随时间的变化率方程, 以及得出了干涉具热动态模型的频率稳定状态方程。结果表明, 根据热反馈机制, 必须采用锁相跟踪原理, 时刻保持驱动频率与干涉具谐振频率一致, 才能保证干涉具工作的稳定性。

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。

为了实现激光告警系统的抗干扰性及宽视场，文章提出应用锥形光纤进行光学探头的设计。该方法是采用端面有锥角的光纤并与光电二极管直接耦合连接实现光电转换，通过测量电压值来表示入射光的能量。文章根据激光告警系统设计要求对锥形光纤角度选择及光纤能量接收进行了分析和实验，实验数据表明，该方法可以增大告警系统的探测视场。