能量色散X射线衍射(EDXRD)系统在安检领域具有重要的应用前景。基于能量色散X射线衍射原理,以ICDDJCPDS数据作为初始能谱信息,分析了X射线光源、系统结构、探测器分辨率及物质衰减效应对衍射能谱的影响,建立了与系统特性相对应的衍射谱仿真模型。利用该模型,仿真了不同结构参数EDXRD系统的衍射谱,仿真谱和实际测量结果吻合。在此基础上,仿真了海洛因和NH4NO3在不同晶体结构下的衍射能谱,为EDXRD安检系统的识别数据库提供了一种有效的构建方法。

干涉型成像光谱仪是嫦娥1号(CE-1)卫星的重要设备, 用于分析月球表面物质成分含量及其分布, 目前所得到的2B级科学数据的光谱分辨率为325 cm-1, 转化为波长分辨率表示后各谱段不一样, 第一个波段为7.6 nm, 最后一个波段为29 nm, 这引入两个问题: (1）与地面波谱库中用于标定和比对的光谱分辨率描述方式不一致; (2）由于波段窄而进入的信号少, 造成短波光谱信噪比差。 基于CE-1干涉成像光谱仪光谱重建模型, 讨论了波长分辨率与截止函数的关系, 提出了一种随波长及波长分辨率变化的可调截止函数, 并选取相应Sinc函数进行切趾, 实现了波段覆盖范围内任意指定波长分辨率的光谱数据重建。 利用该方法对CE-1号在轨0B数据进行处理, 得到了29 nm等波长高光谱图像, 采用光谱信噪、 主成分分析和无监督分类等方法对重建结果与同区域2级科学数据进行比对, 结果表明: 短波波段光谱信噪比提高了4倍, 平均提高了2.4倍, 基于光谱特征的分类结果一致, 数据质量大大改善。 EWSR方法的优点有: (1）在保持光谱信息量的情况下, 虽然牺牲部分光谱分辨率, 但提高短波波段的光谱信噪比; (2）实现了在波段覆盖范围内任意指定波长位置或任意设定波长分辨率的光谱数据重建。

为了解决在大范围、 多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、 维护成本高等问题, 研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。 利用光纤光栅衍射对波长的选择性, 建立了温度与波长的函数关系, 通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。 由于环境、 材料等因素, 光谱分布与温度变化并不满足线性变化, 所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合, 曲线拟合度大于99.7%。 实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、 LPT-200型二极管, 1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测, 实验结果显示, 当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时, 对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm, 与标准温度测试数据进行对比, 误差低于±0.3 ℃。 由于系统采用光纤传感网络, 所以具有很强的抗电磁干扰能力, 而光纤光栅衍射可实现精密测量, 动态响应范围大、 精度高。 系统的新颖之处在保证高精度测量的同时, 仍满足大范围、 多点位、 高抗干扰能力的快速铺设, 具有很强的实际应用价值。

为了提高迈克尔逊干涉系统的抗干扰能力, 取代传统的动镜扫描结构, 设计了基于电光调制晶体折射率实现光程扫描的干涉系统。 通过加载在可变折射率晶体上的调制电信号, 使晶体折射率产生周期性变化, 从而在原有系统光路中调制折射率改变光程差。 通过理论计算获得了电光调制过程中系统可以产生的最大光程差, 并仿真分析了晶体厚度及晶体衍射效率对调制过程的影响。 经仿真分析可知, 随着调制电压范围的增大, 可获得的光程变化范围也增大, 从而系统光谱分辨能力也相应增大。 同时, 在调制过程中设置调制范围使衍射损失的能量小于总能量的10%, 从而保证较好信噪比。 实验结果显示, 随着调制电压的变化, 干涉条纹产生周期性移动, 但超过一定范围时会产生非线性误差。 通过修正算法后系统光谱分辨率可达7.2 cm-1。 在无抗震实验平台的条件下, 传统干涉系统的相对误差超过20%, 而本系统的相对误差低于3%, 证明了系统采用静态电光调制后抗干扰能力显著增强。

对甲烷气体浓度的监测应用领域很多, 而目前绝大多数采用的是化学反应方法, 存在安全性低、 稳定性差等缺点, 而采用光学干涉法定性定量分析稳定性高、 抗干扰能力强。 设计了电光调制的干涉系统进一步提高其探测精度。 在干涉系统中, 利用可变折射率晶体LiNbO3的电光调制特性, 对晶体折射率进行调制, 增大静态光程扫描范围, 提高光谱分辨率。 系统对晶体两侧分别加载相位相反的调制信号, 使其在不改变干涉具尺寸的条件下提高光谱分辨率。 通过推导折射率调制度与光程差的函数关系, 仿真计算可知比同尺寸干涉系统光谱分辨率提高了近一个数量级。 实验采用SGT-3型声光调制器, 1 650 nm红外激光器对不同浓度的甲烷气体进行检测, 实验结果显示, 此方法比传统的热释电法精度好、 稳定性高, 更适合在矿井等复杂环境下应用。

为了在基本不改变光学干涉器件尺寸的条件下提高静态光谱分析设备的光谱分辨率, 在分析了各种提高静态干涉系统光程扫描范围方法的基础上, 设计了基于电光调制沃拉斯顿棱镜组的光学干涉系统。 系统采用沃拉斯顿棱镜组的光学结构, 计算了其相应的光程差函数, 同时, 又利用电光调制技术对晶体折射率进行调制, 并推导了一个调制周期内的光程差变化范围, 最后给出了系统的综合光程差函数及光谱分辨率。 实验采用三块尺寸、 结构角都一致的沃拉斯顿棱镜构成沃拉斯顿棱镜组, 通过SGT-3型声光调制器调制信号。 结果显示, 经消冗余处理后干涉条纹图像可有效融合, 调制后的干涉图像虽略有畸变, 但经线性校正后满足光谱分布函数还原的要求。 相比同尺寸的静态干涉系统而言, 光谱分辨率提高了近一个数量级。

为了在保证抗干扰能力不下降的条件下提高对激光中心波长的检测精度, 设计了多级组合棱镜系统, 并提出了多级组合棱镜的干涉条纹拼接处理方法及相位耦合的计算公式。 通过计算多级组合棱镜的干涉图强度、 光程差函数及光谱分辨率, 分析了采用三块子棱镜的组合结构的光谱获取, 给出了用于分段干涉条纹拼接的处理方法及步骤, 最终光谱分辨率可达2.875 cm-1。 实验采用3块材料一致的30 mm×28 mm×10 mm的棱镜构成多级组合棱镜, 对635.0 nm标准激光进行相干处理。 实验数据显示, 分段的子棱镜分别采集得到了连续的光谱信息, 再采用干涉条纹拼接处理方法后, 经傅氏变换得到的光谱分布与标准光谱基本一致, 而光谱分辨率得到了明显的提高。

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率，设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具，采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数，设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度，从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算，正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm，比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右，即光谱分辨率提高了4倍.实验证明，由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变，故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波，给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验，检测800 nm的激光，该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。