气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一, 其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。 故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法, 通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、 温度解耦的目的。 分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理, 建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型, 通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式, 建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、 温度解耦的数学模型。 实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统, 采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪, 气室长度为24.8 cm, 将CO2作为研究对象, 并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值, 以真空为背景信号, 在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值, 进而解算得到气体压力和温度值。 实验结果显示: 压力测量结果最大相对误差为3.61%, 最小相对误差为0.5%, 测量平均相对误差为1.99%; 在以开尔文温度为前提下, 温度解算结果最大绝对误差为7.66 K, 最小绝对误差为0.78 K, 测量平均绝对误差为3.29 K, 测量结果与参考结果具有较高的吻合度, 该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。

利用气体折射率与压力之间的关系，可采用激光干涉仪对气体动态压力进行非接触测量，研究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。通过量子力学角度对气体状态方程进行维里展开，建立气体压力与折射率的模型，基于Edlen经验公式进行最新修正，探究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。结果表明，在低压范围内静态压力一定时，-20~80℃范围内温度变化与气体折射率成反比，折射率的改变量约为10-6/℃，每1℃的温度变化相当于产生311.47Pa压力，温度改变对气体低压测量影响较大，应保证测量范围内温度控制优于±0.05℃，才能满足激光干涉法测量气体动态压力的要求。

使用TDLAS技术进行动态压力测量已经成为压力测量领域的研究热点。波长调制法实验装置较为复杂,需要对多个参数进行设置,选择出最优的预设参数能够取得更好的实验效果,获得更高的测量精度。目前波长调制法的实验参数设置基本凭借个人经验,使用Matlab程序仿真结合波长调制法的TDLAS测量技术,能够对实验中需要进行预设的重要参数进行了分析。通过计算4990cm-1波段和6330cm-1波段附近的多条吸收峰,发现4990.09cm-1波段处的吸收峰更适合作为波长调制法的测量波段。以4990.09cm-1处的吸收峰为研究对象,进行了波长调制法压力测量仿真建模,计算了调制度、调谐频率和调制频率对二次谐波幅值和对称性的影响并深入地分析了影响因素,总结了其变化规律。在综合考虑抗噪性能和测量精度的情况下,选择了调制度为2.5,调谐频率30Hz,调制频率5kHz为最佳实验参数。基于Matlab的仿真模型能够快速计算大量参数点,更加直观地分析出对参数的影响趋势,为实验仪器和预设参数的选择提供依据。

设计了速调管的单间隙和双间隙圆柱同轴腔高阶TM310模式输出回路。为降低外输出腔的外观品质因数和增加腔内工作模式电磁场的均匀性，采用了在输出孔处腔内侧位置设置轴向短路金属线的措施。由等效电路理论分别计算了它们加载空矩形波导TE10基模时，腔内漂移管中心位置处的等效间隙阻抗及对应的输出带宽。计算模拟发现，与单间隙腔相比，双间隙腔具有较大的间隙阻抗及带宽。

采用高次模同轴输出腔结构和双间隙耦合谐振腔电路结构是提高速调管频率、功率和带宽的两个重要方式。将这两种电路形式相结合，利用等效电路法推导了滤波器加载双间隙耦合输出回路的间隙阻抗实部计算公式。通过等效电路分析和3维电磁场计算软件模拟，研究了降低高次模式双间隙耦合输出回路外观品质因数的方法。最终设计加载滤波器使得输出回路模型带宽达到9.7%。

以微波传输线理论和谐振腔等效电路理论为基础, 分别对速调管滤波器加载谐振腔输出回路的间隙阻抗实部和端口群时延公式进行了推导, 通过简化两公式的比值因子, 得到了利用端口群时延特性来分析输出腔间隙阻抗-频率特性的原理和方法。利用3维电磁计算软件CST分别对X波段和Ku波段两个滤波器加载输出回路进行模拟计算, 结果表明:群时延时间法与其他已有方法计算结果一致, 验证了此方法的正确性。基于模拟计算软件强大的后处理功能, 群时延时间法使速调管输出回路的计算步骤更加简捷直观。

根据空间电荷波小信号基础理论, 建立了多间隙耦合腔中单个间隙电子电导的计算模型与模式稳定性分析模型。以3间隙耦合腔为例, 推导出了各个间隙电子电导的计算公式。通过理论计算与仿真模拟, 研究了3间隙耦合腔中各个模式的电子电导特性, 并进行了间隙中注波互作用研究与模式稳定性分析。模型计算发现：各个间隙不同模式的电子电导不同, 第3间隙内电子电导受注电压及间隙距离影响最大, 对整个间隙内的注波互作用及电路稳定性的影响也最大。该模型还可以用于分布作用速调管注波互作用的计算模拟。