气温是描述大气状态的基本参数之一, 温度的准确测量对天气预报、 气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。 激光雷达作为一种遥感仪器, 已经用于气象要素的探测中(风、 温度、 气溶胶的光学厚度等)。 目前, 测温激光雷达主要有拉曼激光雷达(振动和转动)、 共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等, 拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器; 共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度; 基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量, 反演温度时需要建立响应函数和校准程序; 基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法, 时间分辨率较低, 并且该方法在测量过程中需要运动部件, 所以不利于星载。 在大气低层, 分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响, 两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布, 直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度, 会产生误差。 基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响, 所以在对流层中该方法并不适用。 为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量, 提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量, 并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制, 从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小, 最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。 除此之外, 还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、 固体腔几何长度、 腔体反射率、 扫描间隔等参数进行了优化设计。 为了验证本文提出方法的可行性, 利用Matlab软件建立了一套仿真模型, 通过模拟表明, 在不考虑云、 风和水汽含量的影响时, 利用该方法测量对流层内的大气温度时, 测量误差小于1 K。 该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、 高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件, 有较高的使用价值, 并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。

介绍了一个特殊结构的干涉测试方法和系统, 基于Fizeau(菲索)干涉原理, 通过一高精度直角圆锥镜来实现圆柱坐标系与直角坐标的转换。该系统可以用来测量360°回转圆柱的表面形貌, 并且无需图像拼接, 可一次性获取整周的面形数据。通过对系统主成分误差的计算分析, 及Matlab软件数值仿真, 建立了圆柱坐标系下的误差校正矩阵。并针对一环形样品进行实际测量, 测试结果经过主成分误差校正后, 与Taylor Hobson接触式圆柱度仪的测量结果一致, 通过最小二乘圆(LSC)的圆度评定方法计算得到的圆度误差值十分接近。实验结果表明: 该测量方法可有效地实现圆柱体整周表面形貌的测量, 解决了目前回转光学元件的测量难度大、测试效率低等问题。

研究了基于激光条纹成像的风速测量技术，根据Fizeau干涉仪透射率函数和大气中的分子散射光谱特征对其优化设计，得到了一套基于任意光束入射的Fizeau干涉仪的系统参数。优化设计结果为Fizeau干涉仪腔长12 mm，平板反射率0.65。最后模拟了该Fizeau干涉仪对分子和气溶胶的联合测量能力。模拟仿真结果表明，在20 mJ、100 Hz重复频率和接收口径200 mm 条件下，风速测量误差为1 m/s，探测高度为17.8 km。

采用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定以确定由重力、安装夹持力等导致的面形形变量，提高立式光学系统中光学元件的面形检测精度。首先，推导了双球面法标定算法；进而，理论分析和模拟计算了影响检测精度的环境、重力、安装夹持力等因素；最后，利用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定，并利用误差合成理论分析实验结果。实验结果显示，利用双球面法标定F/15的立式Fizeau干涉仪参考面的精度为23 nm。其中，算法本身以及实验操作引起的测量重复性不大于07 nm，包含环境误差时的重复性低于12 nm；重力导致的面形形变约为09 nm，标准镜安装导致的面形形变约为17 nm。结果论证了双球面法具有很高的标定精度；环境对检测精度的影响与干涉腔长度有关，长度增加时影响很明显；立式工作时，重力、安装等因素导致的标准镜参考球面的面形形变很大，在高精度使用前必须进行标定。

为实现λ/100峰谷值(PV)的光刻投影物镜面形检测精度要求，深入分析了自重变形对大口径超高精度Fizeau干涉仪的光学性能产生的影响。设计的球面标准具结构，其系统波像差达到λ/1000(PV)、像方数值孔径（NA）值为0.36，用于口径超过300 mm的球面镜面形检测。使用Patran/Nastran软件通过有限元方法（FEM）对标准具镜组中一块镜子在胶结辅助支撑和压圈切向支撑两种支撑方式下的自重变形进行分析的基础上，得出在假定载荷作用下各光学元件表面的变形量及刚体位移量。利用泽尼克多项式将变形量大小进行拟合，得到镜子的波像差大小，完成光机转换，分析得到适合的支撑方式。将此支撑方式运用到整个系统，实现了在自重变形下系统的波像差大小优于λ/100(PV)水平。结果证明采用这种支撑方式，可以满足超高精度检测要求，为合理的干涉仪设计提供了数据依据、为提高系统精度奠定了基础。

非球面高精度检测是目前光学检测研究的热点和难点之一。计算全息(CGH)技术是非球面检测的重要方法，但检测精度受到许多因素的影响。对CGH检测抛物面的误差进行了深入研究。应用Zemax软件对各种检测误差进行模拟计算，利用CGH对抛物面面形进行实际测量，对测量结果中较大的透射波前误差、彗差、球差等进行分析，并将CGH法与共焦小球法的检测进行了结果对比。结果表明，CGH法的设计和制造精度很高，标定基底的透射波前后，理论检测误差均方根(RMS)值低于4.2 nm。实际检测中，CGH的离焦和抛物面偏心会造成较大的测量误差，精密调整后的测量误差RMS值优于4.5 nm。

高精度的重复性是保证检测精度的前提，也是精密检测中最重要的指标之一。在Fizeau干涉仪中，干涉腔对环境特别是温度的变化非常敏感，温度的变化和非均匀性是测量的主要误差来源，也是影响测量重复性的主要因素之一。通过研究光在空气中的传播原理，利用Edlen公式建立了Fizeau干涉仪干涉腔的理论模型，并给出了腔长、温度变化大小与干涉仪重复精度的定量关系。理论分析表明，干涉仪重复精度主要跟温度变化大小和干涉仪腔长有关。利用ZYGO公司的干涉仪，通过实验给出了在不同环境中、不同腔长下干涉仪测量重复精度的变化，并与理论计算进行了比较和分析。

搭建了光-机-热耦合模型，用于分析Fizeau干涉仪光机系统的热稳定性，并研究了该系统的计算流程、环境温度和系统光学质量的随机性、系统光学质量与环境温度的关系等。首先，根据实验室温控条件，建立环境温度的随机分布模型，进行了光-机-热耦合分析并计算不同温度下光机结构的热分布和结构变形；然后，通过Zernike多项式拟合透镜表面面形和曲率半径，利用光学仿真软件分析变形后的光学系统；最后，对系统光学质量进行概率分析，评价了系统的热稳定性。分析结果表明，温度控制在(22±0.1) ℃时，在2σ的置信水平下，Fizeau干涉仪的出射光波前的重复性可以达到0.016%λ，基本满足干涉仪主机光机系统的重复性要求。

使用单纵模355 nm激光作为发射光源,Fizeau干涉仪作为光谱鉴别设备,对条纹技术测风激光雷达进行了研究.对激光器频率抖动和Fizeau干涉仪光谱进行了分析,建立了条纹技术激光雷达系统,使用Fizeau干涉仪扫描的方法对系统进行了风速标定.利用研制的激光雷达系统对引入的参考光信号和大气后向散射信号进行同时测量,得到1.5 km以内的大气风速剖面.

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.