采用自主研制的CCD光谱辐射计, 对CCD探测器的积分时间和光强灰阶2个关键参数的非线性参数依赖特性进行实验与建模, 给出CCD的微分非线性量化表征函数, 并以此为基础实现CCD在多级尺度下自动积分时间调整测量的非线性修正.以激光作为输入光源进行双参数调节响应特性测试, 并对CCD光电转换非线性特性进行分析.根据数据集曲线族的结构特征重构数据表征空间, 在新的表征坐标下进行CCD的参数依赖非线性变化关系的拟合建模.结果表明, 在多级尺度范围内, 该模型能够通过2个参量描述CCD光谱辐射计产生的非线性偏差变化的精确函数关系, 即实现了相关双参数在CCD光电转换过程中产生非线性偏差现象的精准量化表征.采用该模型进行非线性校正后与监测功率计进行比较, 发现该模型能够有效地将非线性偏差降低至±2%以内.

目前, 气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、 数据差异大的观测瓶颈, 已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求, 具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。 在此背景下, 为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题, 开展了深入的科学研究与技术开发工作。 重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法, 首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。 光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构, 具有低杂散光、 高收光效率和高可靠性的特点, 尤其适用于长期无人值守的户外观测。 系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适, 在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小, 不同波长通道的带宽基本一致, 使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm, 像素采样间隔小于0.5 nm。 对于太阳辐射观测来讲, 这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。 其次, 在观测数据的基础上, 阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。 太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集, 将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI), 法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量, 阐述了基于GHI, DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。 其中, GHI是地表实际辐照度水平, 适用于太阳能资源评估; DHI反映大气和云态; DNI作为直接透射形式, 可用于计算日照时数和分析大气参量。 并且, 进一步分析了观测形式、 光谱特征与地理(经度、 纬度、 海拔高度、 大气质量)及气象参数(云量、 大气吸收)之间的互易演算关系。 与传统的波长积分式辐射观测相比, 太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。 从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出, 不同波长之间的辐射能量变化显著, 而这些变化与大气变化密切相关。 因此, 太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息, 更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道, 利用特征波长维度的辐射信息, 可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、 臭氧、 水汽等大气参数。 通过精密太阳光谱辐射计, 可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据, 提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、 光伏资源评估与生态环境等研究; 同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、 农业、 生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器, 对于其宽谱段和大动态范围的测量特点, 准确完整地表征分光性能是十分重要的。 研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法, 给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。 因此, 重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。 线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响, 而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到, 并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。 而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征, 通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM), 带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标, 可以很好地对分光系统的性能进行定量表征, 是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。

使用光纤激光加工设备, 采用单因素分析法, 在Cr12mov模具钢试样上进行系统的激光毛化工艺实验研究, 以获得不同种类特征的毛化形貌和优化的工艺参数, 并对加工区域表层材料的机械力学性能进行检测。实验结果表明: 在不同的工艺参数下, 分别获得了球冠状、凹顶球冠状和火山口状三种毛化形貌; 不同的工艺参量对毛化形貌有着显著的影响, 毛化形貌的直径和高度, 随激光功率和脉冲宽度的增大而呈增大趋势, 也随辅助气体氮气压力的增大, 呈先减小而后迅速增大。毛化点熔凝区组织高度细化, 主要为隐晶马氏体, 具有较高的显微硬度, 最大硬度可达647.6 HV, 大约是基体的2.2倍。

高峰值功率以及高光束质量的激光光源在激光加工等领域具有重要的应用价值。利用重复频率为50 kHz、脉宽为3.9 ps、平均功率为10.9 mW的光纤种子光源, 经过两级固体双通放大, 最终得到平均功率为27.65 W, 峰值功率达到65 MW的激光输出。第一级放大器为端面抽运Nd∶YVO4放大级, 第二级放大器为侧面抽运Nd∶YAG放大级。通过利用球差补偿理论设计的双通放大结构以及调节放大级中的填充因子, 控制最终激光输出的光束质量, 得到输出激光的光束质量因子M2=1.30。

为了替代主控振荡功率放大结构中的多级光纤预放结构, 对小信号高增益的掠入射板条放大器进行了模拟和实验研究。利用板条内线性温度梯度引起的轴棱镜结构, 测量了板条晶体的热转换系数。结果表明:0.1 mW和1 W种子光提取时, 热转换系数分别为0.37和0.28;抽运光功率为55 W时, 两种情况下板条最大温升相差16 K;小信号提取时, 板条晶体内的温升是制约增益提高的主要因素;采用0.1 mW种子光注入且抽运光功率为50 W时, 可获得1.8 W的激光输出, 增益高达43 dB, 水平方向光束质量因子M2x=1.30, 垂直方向光束质量因子M2y=1.28。

作为二次分析方法, 近红外光谱分析的重现性和可靠性非常依赖于建模过程。 以近红外光谱小麦蛋白质定量分析模型为例, 研究了多变量定标建模过程中异常样本问题, 旨在讨论复杂样本建模中的样本对模型的影响和作用。 以PLSR算法建模中校正方差与验证方差的解释百分比曲线的背离特性作为异常样本存在的判据, 当两个百分比曲线显著偏离时, 则认为样本集中存在异常样本, 并对建模产生了显著影响。 异常样本的识别和处理, 以及影响分析是本文主要的创新性工作, 采用了基于样本删除的子模型遍历统计方法, 能够渐次识别并提取出异常样本。 在剔除异常样本后的模型预测结果中, 以模型的预测残差标准差作为参考距离对异常样本进行了离群程度分级, 可分为显著离群样本, 相对离群样本以及潜在离群样本, 数据集中显著离群样本约占7.8%, 相对离群样本约占15.6%。 异常样本对模型的影响表现在对正常样本的预测残差上, 使预测值偏离理想拟合直线, 分散性增加。 剔除异常样本或以样本权重建模可有效抑制异常样本的影响, 使模型的解释性更偏向于多数样本数据, 降低模型的经验风险误差。

中温黑体是红外谱段常用的高精度辐射标尺设备, 而近红外是处于其有效辐射范围边缘的谱段, 所以该谱段的定标研究相对较少。 研究了基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标方法, 主旨是探讨定标精度如何受定标模型的结构参数选择的影响, 进而为近红外光谱辐射计量溯源提供技术参考。 采用50～1 050 ℃的可调中温黑体对近红外光纤光谱仪(950～1 700 nm)进行辐射定标。 针对定标的关键环节重点讨论了两个内容, 首先是辐射传输模型的几何因子匹配问题, 比较分析了传统的双圆盘辐射传输模型和光纤直接耦合模型。 对于光纤光谱仪的辐射定标来讲, 采用光纤直接耦合形式的辐射传输模型, 结构上更简单, 耦合效率更高。 其次重点分析了辐射定标中模型的结构参数对定标精度的影响, 其影响的原因是定标数据本身属性中的尺度结构特征, 即通常所说的非线性问题。 因此对于定标精度要求较高时, 需要采用非线性定标模型进行校正, 并尽可能保证测试点采样的尺度均衡, 这是小样本数据解释非线性结构关系时无法回避的样本选择问题。 数据分析结果表明, 定标方程的不同结构参数的选择策略对定标精度有显著影响, 校正方程的样本残差标准差带变化范围为±0.1%～±1%。

为了实现直接辐射的太阳能量的耦合, 设计了一种分光谱辐射表入射系统。根据气象辐射理论对直接辐射表的尺寸进行约束, 利用几何光学理论设计导光锥, 使收光筒与光纤部分实现低损耗连接, 解决光纤与收光筒直接耦合时能量较弱的问题.通过在太阳模拟器下模拟的真实辐照度, 测试整个入射系统不同波长处的耦合效率, 以及不同跟踪角度误差下耦合效率的变化.理论分析表明, 导光锥和光纤两轴线的横向偏移是引起耦合损耗的主要因素.实验结果表明: 系统的耦合效率为66.24%, 在太阳跟踪器完全跟踪不到太阳直接辐射时, 耦合效率为12.8%, 反映了环日辐射和散射辐射水平.该系统可满足太阳直接辐射观测的入射系统要求.

通过建立光电热(PET)模型，研究了发光二极管(LED)光源相关色温(CCT)的模型预测控制方法，实现了多主色LED光源的相关色温控制。首先，提出了热平衡状态稳定假设和修正的非对称高斯函数作为基函数的假设; 根据软模型建模思路,用最小二乘估计求解各个模型参量的回归子模型，分析光谱敏感系数曲线随CCT变化的关系。 然后，通过重力线法调试出在3 000，4 500和6 500 K 下3个常用色温点处所需的电流控制量。最后，在调设好的电流控制量上加以一定的无规则扰动产生一组验证数据，用于评价模型精度。实验结果表明: 建立的多主色LED光源的PET数学模型能够很好地通过电流控制量和环境温度来预测LED的热沉温度和多主色合成光谱功率分布函数，进而能够预测控制色温，具有很好的模型精度。得到的色度坐标预测精度优于±0.005，CCT预测精度优于±150 K。提出的基于模型的控制方法不仅适用于常用LED光源的CCT调控，还可推广到更多通道的LED光源的色度及CCT控制中。