针对线激光视觉传感的焊缝跟踪系统在焊接过程中易受弧光、飞溅等噪声干扰而出现焊缝位置识别精度不高的问题，本研究团队提出了一种基于核相关/卡尔曼滤波算法的焊缝路径识别方法。利用图像处理方法提取焊缝中心区域，在焊接过程中利用核相关滤波(KCF)算法实时定位焊缝中心，根据响应图峰值旁瓣比(PSR)对焊缝目标模板进行自适应更新，以提高模板的抗干扰能力。采用状态扩增法建立带有色观测噪声的焊缝中心位置的卡尔曼滤波模型，对焊缝中心进行最优估计，进一步提高系统在强噪声环境下的焊缝路径识别精度。分别进行对接焊缝和搭接焊缝路径识别试验，试验结果表明：所提算法能在有强烈弧光和飞溅的工况下实现焊缝路径的准确识别，识别误差能分别控制在0.137 mm和0.105 mm以内。

短波紫外拉曼光谱仪具有拉曼散射强度高、荧光噪声和背景光噪声低等优点。为了实现短波紫外拉曼光谱仪的小型化并扩展其应用领域,开展了全固态266 nm激光拉曼光谱仪关键技术的研究。为了有效减小系统体积并提高系统的鲁棒性,采用激光二极管泵浦266 nm全固态激光器作为激发光源,设计了基于Littrow结构的固态光谱仪以获取短波紫外拉曼光谱信号。其中,准直/会聚物镜采用一片离轴抛物面反射镜,衍射元件采用高刻线密度的平面反射光栅,配合50 μm宽度的入射狭缝,在269~293.5 nm波段内光谱的分辨率优于0.07 nm,满足10 cm ^-1的拉曼光谱分辨率要求。构建了完整的拉曼光谱系统,实现了质量分数为99.8%的乙醇的拉曼特征峰的测试,验证了系统的可行性与合理性。

细胞微环境的稳定是保持细胞正常增殖、 代谢和功能活动的重要条件, 微环境成分的异常变化可使细胞发生病变。 采用荧光光谱技术研究离体白细胞在多糖微环境中荧光发射特性的变化规律和发光机制, 并进一步的分析了多糖对白细胞的生物活性的影响。 实验结果表明: 当白细胞受波长为407 nm的激光照射时, 发射位于450 nm的荧光。 在加入脂多糖或葡聚糖时, 白细胞的荧光发射峰的位置不会变化, 峰值受到影响。 脂多糖的加入会减弱白细胞荧光峰强度, 且荧光强度随脂多糖浓度（0～500 μg·mL-1范围内）的增加而持续减弱。 而葡聚糖可以一定程度增加白细胞的荧光强度, 浓度越高, 荧光强度越大。 分析认为白细胞发射的450 nm荧光来自发射物质烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)。 白细胞内NADH随着离体时间的增长, 被氧化成不发荧光的烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸（NAD+）, 导致细胞荧光峰值下降, 从而引起细胞凋亡。 加入脂多糖产生的羟自由基（·OH）会与NADH发生氧化反应, 因此脂多糖加速了NADH的消耗, 导致白细胞荧光减弱, 加快细胞凋亡。 而葡聚糖主要是由葡萄糖单体组成, 葡聚糖的加入会将NAD+还原成NADH, 因此延缓了白细胞的凋亡。 分析认为脂多糖可以加速白细胞的凋亡, 提高细胞发生炎症甚至是肿瘤的机率, 而葡聚糖对白细胞有保护作用。 该研究为研究肿瘤的发生和发展过程以及治疗提供有价值的参考。

离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法, 这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。 通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中, 以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声, 同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响, 进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。 首先, 详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响, 并对吸收谱的线宽进行了分析, 计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。 随后, 研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。 结果表明, 随着扰动噪声功率的增加, 基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。 对几组2f信号的信噪比进行分析, 确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。 最后, 研究了0.05~2.2×10-6浓度范围内, 甲烷浓度与2f信号之间的对应关系, 结果表明: 在甲烷浓度小于1.0×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6; 在甲烷浓度为0.1~2.2×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系, 二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。 此外, 对浓度为2.2×10-6的甲烷气体进行了长时间的测量, 并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析, 分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s, 系统的可探测极限约为1.2×10-9。 最后, 使用建立的甲烷气体探测系统, 对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测, 结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升, 浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10-6范围内, 平均浓度为2.14×10-6。 本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考, 对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。

可燃冰是一种清洁无污染的新型能源。为了对可燃冰资源进行深海连续走航勘探,膜分离-离轴积分腔输出光谱联用技术(M-ICOS)被应用于海水溶解CH4和CO2气体的探测。M-ICOS系统由膜分离单元、腔内温度压力控制单元、光腔、光谱测量单元和工业计算机等组成。实验研究发现,该系统的温度和压力控制精度分别为0.0003733 ℃和0.6799 Pa,CH4检测极限为0.56×10 -9,CO2检测极限为0.62×10 -6。利用M-ICOS系统在南海神狐海域进行了实地测量实验,实验发现,在海面下500~700 m处,水中溶解的CH4和CO2浓度有剧烈的波动,这可能是由于此处海流携带了海底可燃冰富集区域释放的高浓度溶解气体。M-ICOS系统具有良好的灵敏度和稳定性,能够在深海恶劣条件下对海水溶解CH4和CO2进行探测,从而实现对可燃冰资源的连续走航勘探。

H2O和CH4在气候变化过程中起着关键作用, 实时在线测量H2O和CH4浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。 利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源, 结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置, 开展了H2O和CH4的高灵敏度测量研究。 离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定, 吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证, 确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。 结果表明, 基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。 当谐振腔内压力为5.06 kPa时, 利用7组不同浓度的CH4标准气体(0.2～1.4 μmol·mol-1)对系统进行了线性响应标定测试, 得到了CH4吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。 系统的稳定性、 可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析, 结果表明系统对探测CH4的最佳平均时间为100 s, 最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1; 系统对探测H2O的最佳平均时间为200 s, 最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。 对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究, 结果表明相比于多次平均方法, Kalman滤波能显著的提高测量精度, 而且缩短了系统的响应时间。 最后, 利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH4和H2O浓度进行了连续两天的测量, CH4每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1, H2O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1, 由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH4和H2O的测量, 另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH4和H2O监测。

以1,8-萘酰亚胺、壳聚糖、盐酸吗啉胍为原料，通过酰亚胺化、席夫碱等反应，设计合成了一种萘酰亚胺接枝壳聚糖类增强型荧光探针(NCFP)。采用红外、核磁共振等技术对其结构进行表征，利用荧光光谱研究了其光谱性能及对金属离子的识别作用。研究结果表明，合成的荧光探针对Al3+具有较高的选择识别性能，且受常见离子的干扰较小。探针的荧光强度与Al3+浓度(29.90～253.41 μmol/L)有良好的线性关系，线性相关系数 R2=0.997 9，Al3+的最低检出限达4.279 μmol/L，Jobs曲线表明，荧光探针与Al3+的络合比为1∶1。

在传统荧光光谱技术的基础上, 结合金属纳米颗粒的增强荧光技术, 探索提高荧光光谱技术检测人全血溶液中胆固醇含量的精度和分辨率的方法。 实验研究方面, 采用波长为407 nm的激光作为激发光, 照射加入一定量银纳米颗粒作为荧光增强剂的人全血溶液, 研究了银纳米颗粒对人全血溶液在可见光波段的荧光增强作用。 结果表明, 胶体状态的银纳米颗粒可以显著增强低浓度的人全血溶液荧光光谱的强度, 且不同位置荧光发射峰的荧光增强效率随银胶加入量的增加均呈现先增后减的趋势, 但不同峰位置的最强增强效率对应的银胶加入量不同。 理论分析方面, 根据实验结果及胆固醇分子和银纳米颗粒在溶液中的分布情况, 建立了分子间距模型, 并根据模型计算得出胆固醇分子和银纳米粒子之间的最佳增强荧光效果间距在12.19～25 nm范围内, 这个结果和其他文献中的理论值吻合较好。 综上所述, 使用银纳米颗粒可实现全血溶液荧光的增强, 研究结果为提高检测血液中多种物质的灵敏度和精度提供了有价值的参考作用。

采用波长为407 nm 的激光照射以银纳米颗粒作为荧光增强剂的成人全血溶液，研究其对血液中锌卟啉(ZPP)的荧光增强作用。实验结果表明，胶体状态的银纳米颗粒可以显著增强锌卟啉的荧光强度，增强效果最大可以达到5.2倍，且荧光增强效率随银胶加入量的增加呈现先增后减的趋势。分析认为，当溶液中锌卟啉分子和银纳米颗粒之间的距离满足荧光增强条件时，引起荧光强度的增加。加入大量的银胶颗粒时，分子之间作用距离逐渐减小，增强效果发生变化。研究结果表明使用银纳米颗粒可以实现低浓度血样中锌卟啉荧光的增强效应，为提高锌卟啉检测的灵敏度和精度提供有价值的参考。