为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布, 本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统, 该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法, 通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法, 使得浓度计算结果得到明显提升。然后, 分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号, 采集的衰荡信号信噪比达62 dB, 并在实验室使用标准气体进行了标定试验, 标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9, 测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后, 系统进行了实际试验, 在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体, 进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。

在流场诊断技术中, 可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一, 其可实现非接触、 原位检测。 波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法, 在目标含量很低或者极端流场环境下, 波长调制技术呈现出更多的优势, 检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。 在近红外波长调制技术应用领域, 分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一, 无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合, 还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数, 吸收模型的准确建立均十分重要。 在模型建立时, 激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。 为解决吸收模型准确建立问题, 提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法, 通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性, 研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度, 调制频率以及工作温度的变化。 根据该方法得到的调制参数, 建立吸收模型, 测得常温下空气中水汽浓度为197%, 直接吸收方法测得浓度为199%, 验证了该测量方法的准确性。 研究表明, 调制深度随调制幅度的增加线性增加, 随调制频率的增加非线性单调减小, 随工作温度的升高线性增加; 激光器的出光强度和频率同时被调制, 强度变化超前频率变化的相位, 随调制幅度的变化不明显, 随调制频率的增加单调增加, 随工作温度的升高单调减小; 归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加, 随调制频率的增加而减小, 随工作温度的变化不明显。 在吸收光谱应用领域, 波长调制技术发挥的作用愈加重要, 调制系数与谐波信号的峰值息息相关, 在波长调制技术应用时, 选取适当的调制参数, 有利于得到合适的谐波信号, 可通过改变调制幅度、 调制频率、 工作温度得到最优调制系数。 研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性, 该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究, 利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。

基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H₂O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm ^-1和6807.83 cm ^-1两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。

为了解决三线阵CCD空间目标位姿测量的精度问题,提出一种高精度位姿解算方法。该算法将所有线阵CCD相机的坐标系进行统一化处理。通过建立一个新的误差评价函数,运用改进的正交迭代算法求解位姿参数,并进行非线性优化。仿真和实际测量结果表明,该算法有效避免了因数据恶化或初值选取等因素造成的不收敛或收敛差的问题。与传统算法相比,该算法测量精度和抗噪特性均得到有效改善,计算效率提高了4.6倍,实际测量的6个自由度的最大相对误差为0.71%。该测量系统可实现对空间目标的高精度实时测量,且具有安装方便、应用范围广等优点。

介绍了波长调制光谱技术的检测原理，分析了传统的基于现场可编程门阵列（FPGA）的波长调制解调算法的优缺点，进而提出了一种基于坐标旋转数字计算机（CORDIC）原理的FPGA波长调制解调算法。介绍了该算法的原理和基于FPGA的实现过程，总结其相对于传统算法在精度、资源占用、耗时等方面的优势。最后给出该算法的综合和仿真结果，通过和理论对比验证了该算法的准确性，并且比较了两种算法的计算精度和综合后的资源占用情况。

针对在姿态测量中摄像机成像的复杂畸变问题，提出了一种新型的摄像机校准方法。该方法不需要高精度的标定参照物，只需要利用标定靶标间的相互约束关系建立摄像机内参数与靶标特征的约束方程，从而线性求解摄像机内参数。通过非线性优化方法优化摄像机内参数，完成摄像机的标定。仿真和实验结果表明，所提出的算法对图像噪声不敏感。测量精度和可靠性都得到有效的改善，精度可达0.03 pixel，说明该算法在合作目标的姿态测量中具有方法易于实现、测量精度高、可靠的优点。

为了精确测量悬浮试验场内姿态快速变换的空间物体的姿态角参数，提出了一种采用3个线阵CCD相机同时测量多个点合作目标的姿态测量方法，以解决传统的线阵CCD姿态测量系统中相机位置间的约束条件过多造成的非线性系统误差及校准参数多的问题。该方法采用柱面透镜和线阵CCD组成的3个一维相机，对被测物体上的多个点合作目标同时进行测量；并针对测量原理对姿态角限制的问题，采用模拟计算的方法进行姿态角测量范围的计算。由神经网络校准线阵CCD相机，直接给出点合作目标的空间三维坐标，并通过建立基于Rodrigues参数姿态解算模型求解被测物体的姿态角。实验结果表明，本文方法得到的空间点位置测量精度及空间姿态解算精度高于原线阵CCD姿态测量方法，验证了该姿态测量方法进行姿态测量的可行性和有效性。

针对双目视觉测量系统存在误差因素繁多、分析困难等问题, 提出了一种基于灰色关联技术的误差分析方法。考虑视觉系统的灰色属性, 将灰色系统理论及其相关技术运用于视觉测量系统的误差分析。以镜头畸变、质心定位误差及双目视觉系统内、外参数等9项因素或参数为自变量, 通过基于单项因素变化的实验, 获取了误差分析的数据样本; 采用灰色数据处理方法及灰色关联分析技术, 从无明显规律的数据样本中明确了视觉系统各项误差因素对最终测量精度的影响。分析结果证明了灰色理论用于定量分析视觉系统误差的正确性和有效性; 在灰色理论意义下, 镜头径向畸变、切向畸变、摄像机夹角及特征点质心定位误差4项因素对测量精度的关联度均大于等于0.859, 高于其余误差因素。

提出了一种以Rodrigues参数作为姿态描述参数的线阵CCD外姿态解算算法用于多线阵CCD空间目标外姿态测量系统，以解决传统姿态解算算法约束条件多、计算量大、实时性差等缺点。利用Rodrigues参数简洁高效的特点，根据多点合作目标组成的线段间的相交矢量关系推导出了一种新的基于Rodrigues参数的多线阵CCD外姿态解算模型。算法结合Rodrigues参数集切换理论避免了奇异性的发生，并给出了这种姿态解算方法的流程。仿真结果表明，与四元数算法相比，该算法在未损失计算精度的前提下，计算消耗时间减少了37.6%，实时性优于四元数法，并且避免了奇异性问题。

针对传统的激光测距仪测量速度慢、抗干扰能力低以及实时性差等问题，提出了基于并行数字信号处理器 (DSP)的多通道发射和接收的测距系统。在系统中实现了多个调制频率激光的同时发射和同时接收，压缩了测量时间，避免了因目标运动造成的测量数据无法正确融合的问题；根据全相位快速傅里叶变换(FFT)获得的频谱信息，提出了一种将信号幅度谱按泰勒级数展开以求取频率泄露值进行频谱校正的方法。蒙特卡罗(Monte-Carlo)仿真实验证明，该方法较双谱线(Rife)法和能量重心法有较高的精度和良好的稳定性。系统中，AD转换器采样频率为937.5 kHz、进行全相位FFT变换的点数1024时，相位测量精度为0.003°，频率测量精度为0.033 Hz。实验证明，该系统能满足相位法测距系统对实时动态目标测距的需要。