为了实现对甲烷和二氧化碳双气体一体化测量,设计了以两个窄带中红外发光二极管(LED)作为甲烷和二氧化碳测量光源、以两个光电二极管(PD)作为探测器敏感元件的双LED-PD光学测量结构,研制了中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统。对谱线及光学器件的选择、双LED光源脉冲电流调制、温度补偿算法进行了研究。根据甲烷和二氧化碳气体的红外线吸收光谱特征进行光学测量结构的设计,利用LED器件高速响应特性完成双光源脉冲电流调制时序算法,即采用窄脉冲模式进行电流驱动。在温度实验分析的基础上,采用中值归一数据预处理得到温度影响因子,然后对温度影响因子进行线性拟合得出温度补偿算法。实验结果表明:传感系统的平均功耗低至38.3 mW;甲烷测量误差最小为0.06%(体积分数),二氧化碳测量误差最小为0.05%(体积分数),可满足煤矿中甲烷和二氧化碳双气体浓度低功耗、稳定可靠实时测量的要求。

为了对偏振热成像系统进行定标, 设计了反射式红外可控部分偏振辐射源, 从理论计算和实验测量两方面进行对比论证.首先, 推导了铝反射镜的穆勒矩阵, 提出了辐射源出射辐射偏振态的理论计算方法, 结果表明, 能够产生线偏振度小于0.80、圆偏振度小于0.60的长波红外部分偏振辐射.然后, 基于铝反射镜搭建了部分偏振辐射源, 并用线偏振热成像系统对出射辐射的偏振态进行测量, 结果表明该辐射源可以产生线偏振度在0.25～0.85之间的长波红外部分偏振辐射, 当铝反射镜入射角低于80°时, 线偏振度测量值的相对标准偏差低于6%.

MEMS红外光源是基于微机电系统(MEMS)制造工艺的红外光源器件，为明确 MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性，采用 SR5000光谱辐射计对 MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试，所得数据表明所选光源的红外光谱分布主要在 3～5 μm之间，中心波长位于 3.6 μm，该波段红外光具有接近 90%的大气透过率；采用红外测温仪和热敏电阻对光源辐射体温度进行测试，结果显示所选 MEMS红外光源温度特性优良，适用范围广泛。

针对红外气体传感器对光源的要求, 选用了一种宽波长、 高调制频率、 低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源, 其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。 由于其面光源的朗伯辐射特性, 整形之后的红外光数值孔径仍然很大, 采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。 本文结合双波长单光路的差分检测方法, 设计了一种基于积分球特性的吸收气室, 有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题; 并运用光在传输过程中光通量守恒的原理, 推导了此积分球吸收气室的等效光程, 解决了积分球气室等效光程计算的难题; 同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号, 使得外围电路的设计更加简单、 灵活。 设计中, 使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程, 研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6, 极大地提高了红外检测系统的灵敏度。

对近红外钢轨磨耗检测中实时图像处理方法进行了研究.在断面磨耗检测中,要获取较高精度的磨耗数值,起始点(或称坐标基准)的定位必须准确且误差小.考虑到标准钢轨轨形和实际钢轨磨耗情况,得出了起始点两种可行的定位方式,并就其中的一种用编程实现,仿真处理效果良好,所获取的两关键点的磨耗数值与实测值吻合较好.为了进行实采钢轨轨形与标准轨形的模板比较,讨论了钢轨断面图像的细化问题.这里并没有采用通常的细化算法,而是先利用Roberts算子进行图像的边缘检测,再抽取出光带中心线,大大减少了运算量,提高了运算速度,同时也满足了对轨形细化的要求.断面图像的起始点定位与轨形细化兼顾了处理精度和速度的要求,满足了本系统实时检测的要求.