以2 μm窄线宽分布式反馈（DFB）激光器为光源，搭建了一套新型V形结构离轴积分腔吸收光谱实验装置。利用LightTools光学仿真软件对实验光路进行模拟仿真和优化分析，获得了V形腔内的高反射镜表面光斑分布规律，选择合适的入射角度可很好地提高镜面利用效率，并进一步确定了在V形结构双边对称且单边臂长为25 cm的情况下，腔体最佳夹角为23.06°。根据设计加工腔体并搭建吸收光谱实验装置，使用体积分数为400×10^-6的CO₂标准气体在4991.258 cm^-1处对装置进行了实验研究，标定了高反镜的实际反射率和V形腔的有效光程。通过测量装置的Allan方差评估了实验装置的性能，实验结果表明，当平均时间为375 s时，装置检测限可达0.35×10^-6。利用该装置在 4986.9955 cm^-1处对室内NH₃分子进行测量，获得了NH₃的吸收谱线，同时使用Savitzky-Golay算法对光谱数据进行平滑处理，获得了46.06的信噪比，展示了V形结构的离轴积分腔装置优异的弱检测能力，为复杂环境下离轴积分腔装置的搭建提供了新的结构选择。

为了提高基于抛物线拟合的布里渊频移提取准确性, 文章采用Savitzky-Golay滤波对含噪布里渊谱进行滤波得到比较准确的布里渊频移后, 从未滤波布里渊谱中选择对称的部分, 然后采用抛物线拟合提取布里渊频移。由于文章所提方法能得到对称程度较高的布里渊谱, 且计算耗时增加不多, 因此改进的抛物线拟合方法可以在保证实时性的基础上显著提高布里渊频移提取的准确性。文章采用了原始抛物线拟合方法、基于伪Voigt模型的拟合方法和改进的抛物线拟合方法来计算光纤沿线的布里渊频移, 结果表明, 改进的抛物线拟合方法计算时间要长于原始抛物线拟合方法, 但仅为基于伪Voigt模型拟合方法的1/37~1/28, 且布里渊频移计算准确性与后者相似。基于文章所提算法有望实现光纤沿线温度和应变的快速感知。

为了有效抑制离轴积分腔输出光谱气体传感中存在的系统及腔模噪声并提高信噪比和气体检测灵敏度,在传统经验模态分解(EMD)方法的基础上,提出了一种改进型的EMD滤波算法。在对含噪信号进行分层分解的过程中,结合Savitzky-Golay(SG)滤波算法和互相关运算,利用滤波信号与互相关系数来得到重构滤波信号。利用甲烷气体样品开展的仿真和实验结果表明,采用EMD-SG滤波方法能显著提高信噪比,降低气体检测下限。与传统的小波去噪、卡尔曼滤波相比,EMD-SG滤波算法在处理系统噪声中的高斯白噪声成分和非线性、非平稳的随机噪声成分上具有明显的优势,实现了较好的滤波效果。经EMD-SG滤波算法处理后,吸收信号的信噪比提高了1.9倍,系统的检测下限由8.7×10 ^-6下降到4.6×10 ^-6。所提出的基于离轴积分腔输出光谱技术的EMD-SG滤波算法具有较高的信噪比和较好的去噪效果,有效提升了系统的检测性能,为研制低噪声离轴积分腔气体传感器并将其用于大气环境监测提供了方法和依据。

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性, 通过选择特定气体的单条吸收线, 排除其余气体的干扰, 可以实现高精度、 高选择性的气体浓度测量, 在气体浓度检测系统中具有广泛的应用前景。 在不同的应用条件和环境下, 需要解决相应的硬件和数据处理方面的技术问题。 主要研究TDLAS技术机动车尾气CO组分浓度遥测系统中的光谱数据处理问题, 该系统利用路面漫反射回波信号遥测行驶中的机动车尾气CO组分浓度。 由于激光扫描光谱回波信号受到漫反射面情况变化、 空气环境变化、 尾气湍流影响等因素影响, 探测器收集到的信号不仅较弱同时也夹杂着多种噪声, 即测量光路信噪比较差, 故提出一种自适应层进式Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波算法, 实现了对光谱进行滤波处理从而更加准确地反演CO浓度。 S-G滤波算法因其原理简单、 功能强大、 只需设置两个参数（窗口大小、 拟合阶数）等优点, 已广泛应用于光谱处理。 如何正确设置S-G算法参数使滤波效果在去噪不足和过度滤波之间找到平衡点, 是该滤波算法应用的一大难题。 设计的检测系统中, 测量光路光谱信号为非平稳信号, 噪声和有效信号幅度时变, 最佳窗口大小和多项式阶数随信号动态而变化, 且变化区间较大, 使用固定参数的S-G滤波器难以达到最佳效果。 提出的自适应层进式S-G平滑滤波算法, 通过逐层将测量光路光谱信号经过S-G滤波后, 与参考光路的光谱信号设置的参考段比对信号相关系数和信号一阶导相关系数的和, 以自适应得到逐层最优参数。 通过对信噪比从981～2977的10组不同带噪光谱分析验证了该算法的有效性, 自适应层进式S-G算法能较好地去除噪声并还原带噪信号所携带的待测气体浓度信息, 与带噪光谱对比, 吸收光谱峰值最大误差由25152%降至5917%, 积分吸光度最大误差由181%降至39%。 在实现的系统中, 使用自适应层进式S-G算法对测量光路进行滤波处理, 并对不同车型、 不同排量、 燃烧不同油品的机动车在怠速和缓速通过(5 km·h-1)系统时其排放的CO浓度进行实时在线监测。

为准确进行浓度检测, 用Savitzky-Golay（SG)多项式曲面平滑法去除三维荧光光谱数据的冗余信息, 分别采用平行因子法（PARAFAC)算法和交替惩罚三线性分解（APTLD)算法对光谱数据进行分解。设计多环芳烃类污染物的检测实验, 分析了芴（FLU)、苊（ANA)及两者混合溶液的荧光光谱特性。FLU溶液在λex/λem=302/322 nm处存在一个明显的荧光峰, 并且存在连续侧峰。ANA溶液存在两个荧光峰,分别为λex/λem=290/322 nm和λex/λem=290/336 nm。在激发波长200~370 nm扫描范围和发射波长240~390 nm扫描范围内, FLU和ANA荧光光谱重叠严重。结果表明, 两种算法均能分辨出FLU和ANA, 并取得了很高的回收率, 但APTLD算法的检测效果更好。

针对相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)信号信噪比较低的问题, 提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解(CEEMDAN)的小波信息熵阈值去噪算法。该算法配合CEEMDAN分解, 通过小波信息熵阈值去噪, 提取扰动位置的高频信息, 从而提高系统的信噪比。首先, 采用Savitzky-Golay滤波算法对不同光脉冲间的信号进行预处理; 其次, 采用CEEMDAN将滑动差分后单个脉冲内信号分解为不同的固有模态函数(IMF), 并利用连续均方误差准则确定含噪较多的高频IMF分量; 然后, 采用小波信息熵阈值去噪算法对以上高频IMF分量进行阈值去噪处理; 最后, 将其与低频IMF分量以及残差分量进行重构。采用自行研制的相干Φ-OTDR系统实测数据进行了验证, 结果表明, 文中算法与两种传统去噪算法相比, 信噪比提升了3dB, 这对于系统的实际应用具有重要意义。

基线漂移是目前光谱仪收集拉曼光谱时难以避免的现象。在应用拉曼光谱进行定性、定量分析过程中, 基线漂移会给光谱分析带来不利影响, 为增强分析结果的准确性和稳定性, 需要对拉曼光谱进行基线校正预处理。为了校正基线漂移, 提出一种动态移动最小二乘多项式平滑(DMSG)的方法拟合背景基线, 自动识别原始光谱的谱峰区域和非谱峰区域的子区间, 从而在每个拉曼光谱子区间中自动控制平滑迭代次数与窗口宽度, 逐渐将拉曼谱峰数值逐渐拉低到与基线同等量级, 最终得到整个光谱的基线估计。将该算法应用于模拟和实际拉曼光谱进行基线校正, 结果表明该算法无论对模拟的拉曼光谱还是真实拉曼光谱, 都有较好的基线校正效果, 为进一步分析光谱数据提供更准确的信息, 是一种可行的基线校正方法。

红外光谱分析技术已被液体、 固体和气体混合物各组分的定量检测广泛应用。 针对红外光谱定量检测过程中存在的计算过程复杂、 受背景及噪声干扰、 多组分谱线混叠的问题, 一方面, 通过获取谱线二阶导数去除背景及噪声干扰, 并一定程度上区分混叠谱峰。 在获取二阶导数谱线过程中运用Savitzky-Golay滤波器进行平滑滤波处理, 并根据谱线频率特征选取Savitzky-Golay滤波器最佳滤波参数, 解决了滤波参数缺乏标准化选取方法的问题。 另一方面, 根据被测组分的吸收分布情况生成特征吸收窗分别对待测原始吸收谱线以及二阶导数谱线加以处理, 提取出在浓度计算过程中占据重要性更大的特征吸收的区域, 从而排除非吸收区域中背景、 噪声及其他组分对计算结果的干扰。 以一组丙烷、 丙烯和甲苯混合气体为例, 运用二阶导数方法以及特征吸收窗方法进行定量检测, 并与直接利用原始谱线的检测结果进行比较分析。 实验结果表明采用二阶导数谱与特征吸收窗的定量检测方法精度更高, 相对误差基本在5%以内。