赤潮是一种由海洋藻类引发的水质污染, 部分赤潮藻有毒性, 对海洋渔业发展有严重危害。 快速、 准确地鉴定赤潮藻种及其细胞浓度对污染的控制和治理具有重要意义。 传统的显微镜检测和基因测序等方法时效性低, 遥感检测易受到环境干扰导致精度低, 荧光光谱检测因设备昂贵无法大范围推广, 高光谱成像(HSI)技术为赤潮藻种提供了一种快速、 无损的检测方法。 搭建了HSI检测系统, 针对福建地区常见的甲藻(强壮前沟藻)、 硅藻(中肋骨条藻和三角褐指藻)和针胞藻(赤潮异湾藻)构建了大量高光谱样本库, 分别采用2种分类方法和3种回归方法建立藻种鉴别和细胞浓度测量模型, 并比较了7种光谱预处理(标准化、 归一化、 多元散射校正、 变量标准化、 Savitzky-Golay平滑、 基于SG的一阶导数、 基于SG的二阶导数)和2种波段提取方法(遗传算法和连续投影算法)对建模精度的影响。 结果表明： 基于SG的二阶导数(SG+2nd)预处理方法可以提高波段筛选和建模的准确率, 遗传算法(GA)所提取特征波段更具代表性和有效性。 SG+2nd-GA组合所提取特征波段(644.7、 547.8、 562.6、 829.4、 832 nm)与所选藻类中特定色素的吸收光谱波段相对应, 再结合支持向量机(SVM)或反向传播神经网络(BPNN)建模实现了利用高光谱成像技术有效鉴别强壮前沟藻、 赤潮异湾藻、 中肋骨条藻、 三角褐指藻。 在细胞浓度测量中, 支持向量回归(SVR)建模效果优于多元线性回归(MLR)和偏最小二乘算法(PLS), 四种藻SG+2nd-GA-SVR细胞浓度预测模型的决定系数(R2)均大于0.98。 其中强壮前沟藻和中肋骨条藻模型浓度预测范围分别在1.05×103~1.05×104和1.13×104~2.38×105 cells·mL-1, 最低测量浓度达到该藻种发生赤潮时的基准浓度。 三角褐指藻模型浓度预测范围为1.06×105~4.36×106 cells·mL-1, 最低测量浓度低于现有光谱技术对其测量的浓度。 本研究为快速、 准确、 无损探测赤潮提供了新方法。

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物, 常常被作为反应燃烧效率的标志物, 燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、 减少污染物排放具有重要意义。 离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收, 实现对该物质分析和测量的技术, 具有非接触、 稳定和高灵敏度等优点。 针对燃烧场CO浓度低, 背景信号干扰强等特点, 采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统, 通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。 利用仿真模拟的方法, 在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出, 高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。 通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程; 通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差, 得到最佳波长扫描频率; 通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。 探究了不同燃烧情况下CH4/Air预混平焰炉上CO的产生情况, 根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。 当量比为1.0时, 在10 ms的测量时间分辨率下, 噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1, 系统测量误差小于4.5%, 燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。 改变当量比从0.8到1.2时, 得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K, CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。 研究发现随着当量比的提高, 燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。 实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、 检测灵敏度高等优点, 可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。

固定点波长调制光谱技术虽然具有时间分辨率高的优点,但随着激光器出光中心的波数漂移,气体浓度的测量会出现较大误差。为消除波数漂移对浓度测量的不利影响,本文提出了一种基于固定点波长调制光谱技术的气体浓度测量方法。引入一条带有封闭气池的参考光路,通过谐波高度来推算激光器出光中心的波数偏移量,使用循环迭代算法实现待测气体浓度的有效反演。搭建了一套基于固定点波长调制光谱技术的测量系统,通过改变激光器的工作温度来模拟波数漂移现象。选择CH₄分子在6046.955 cm ^-1附近的吸收谱线进行浓度测量实验,结果显示:浓度测量的最大相对误差由90.510%降低至5.204%;对于低于70.000%的误差,修正后均可控制在2.000%以内。这说明所提方法能准确计算波数偏移量,提高气体浓度的测量精度,为使用固定点调制光谱技术实现快速场反演提供了技术保障。

发射中红外激光的量子级联半导体激光器（QCL）在气体分子检测，特别是氮氧化物的吸收光谱检测中有突出的应用前景。目前QCL有脉冲和连续光两种主流形式，具有不同的应用特性。采用同波长的两种激光器，搭建相应的驱动及调制解调系统，同时对一氧化氮进行测量：对脉冲QCL采用啁啾调制；对连续QCL采用正弦波调制和二次谐波解调。然后比较了两系统的光谱分辨率、测量范围、线性度、检出限、噪声等指标。结果表明，脉冲系统的测量范围为连续光系统的4.6倍，检出限为后者的2.2倍；连续光系统的线性结果较好。两种系统中，干涉效应导致的光学噪声为电子噪声的10倍，因此消除光学干涉将是该类仪器提高性能的关键。

在利用激光吸收光谱技术测量气体参数时,复杂环境中存在的强干扰会对提取到的探测光强的谐波信号产生较大影响,导致气体参数检测不准确。为此,提出了一种基于高频参考光的频分复用技术。该技术利用高频参考信号实现了对干扰信号的提取与探测光强的修正,进而准确地提取到了探测光强的谐波信号,提高了气体参数测量的准确性,拓展了光谱吸收法的应用范围。通过数值仿真及搭建甲烷浓度实验系统,验证了所提方法具有高频干扰抑制效果好、气体参数测量准确性高的特点。

针对长周期光纤光栅用作折射率传感器时对低浓度溶液不敏感的问题,提出了一种纳米膜修饰的光栅生物传感器,实现了抗原生物分子的低浓度测量。实验结果表明,经薄膜修饰后的光栅传感器,对低浓度的抗原溶液探测的灵敏度有了显著提高。当羊抗兔IgG浓度(质量浓度)为固定值0.01 mg·mL ^-1时,随着兔IgG浓度的增加,覆膜长周期光纤光栅峰值损耗响应明显。实验测得周期为445,460,500 μm的生物传感器对应的浓度灵敏度分别为2101.5,1306.5,575.9 dB·mg ^-1·mL。待测抗原浓度仅与光栅峰值损耗有关,实验测得兔IgG最小浓度为0.0003125 mg·mL ^-1。该传感器灵敏度高、无需标记、稳定性强,且结构简单不易受电磁干扰,在生物传感领域拥有广阔的应用前景。