多层膜光学元件的设计是基于理想的单色光进行的，然而光源发出的光束均存在光谱线宽，在非单色光条件下工作，元件的光学特性会偏离理论值。为了分析光束线宽对多层膜光学元件的光学特性影响，首先，基于薄膜辐射特性的部分相干理论，提出了准单色光束入射条件下多层膜光学特性计算方法；其次，通过数值模拟实验研究了光束线宽对窄带滤光片光学特性的影响。研究结果表明：随着线宽增大，滤光片透射通带的矩形度逐渐降低，半高全宽先降低后增大，其在滤光片的理论半高全宽附近取得最小值；光谱线型主要改变透射通带的透射率，对于透射谱线的矩形度以及半高全宽影响较小；为了保证窄带滤光片的通带形状，入射光束的线宽应当小于滤光片透射谱线的理论半高全宽的一半，光谱线型应当趋近于矩形线型函数。

单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面，因此，对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度，给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式，进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求，设计了一款光谱分辨率为0.1 nm，波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统，并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响，进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明：在狭缝宽度一定时，对狭缝高度进行优化，可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。

为探测中层大气风场信息，研制了一台具有热补偿特性的大集光率（AΩ）、高信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）的地基多普勒非对称空间外差（Doppler Asymmetric Spatial Heterodyne, DASH）干涉仪。针对557.7 nm的氧原子气辉谱线，制定了DASH干涉仪的详细参数和指标。系统采用扩视场和消热差设计，半视场角达到2.815°，集光率为0.09525 cm²sr，系统信噪比在113.75左右，经过热补偿设计后，最终光程差随温度变化(dΔd₀/dT)的数值仅为2.224×10⁻⁷ mm/°C。根据相应参数设计优化了光学系统，前置光学系统和探测器光学系统分别采用像方远心和双远心结构，各项指标均满足探测要求。为验证设计结果，搭建了地基DASH干涉仪实验平台，进行室内以及地基室外实验，最终得到了明显的干涉条纹。上述结果证明DASH干涉仪的系统设计是合理的，系统的信噪比和集光率满足检测要求。

调谐激光吸收光谱（TLAS）技术具有非接触、抗干扰、高灵敏度等优势，可对气体进行浓度、温度、压强的测量。目前已有的压强检测模型中多以谱线的有限特征点进行提取与计算，存在易受干扰、测量误差较大的问题，因而有必要建立新的抗干扰、稳定性强的压强检测模型。针对此问题，文中根据吸收线宽的气体压力测量方法，提出了低压与高压范围内压强与谱线线型拟合函数的数学模型。结合谱线展宽原理，对不同压强下的二次谐波吸收线进行仿真研究。通过改变Gauss线型函数和Lorentz线型函数的半高宽比例关系模拟压强变化，分析信号拟合度的变化趋势，仿真结果表明，在理想情况以及激光器线宽、白噪声、背景干扰影响下，Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间存在三阶拟合关系，拟合度均保持在0.998 0以上，且与传统模型相比在动态噪声和背景干扰下具有更好的稳定性。最后对CO₂气体1 580 nm位置的实测信号进行处理，实验结果表明，实际检测谱线Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间的三阶拟合度为0.986 3，略低于仿真的拟合度0.998 7，符合仿真分析结果。文中提出的方法可以根据吸收谱线的拟合比曲线反演气体压强，为气体压强检测提供了解决方案。

水体放射性在线监测系统在长时间不间断地工作中，由于探测器和各种电子元件温度变化、元器件老化等原因会造成谱线漂移、谱线展宽和峰位变化，导致谱线解析困难和解析结果误差变大。针对基于溴化铈探测器的水体放射性在线监测系统，研制了一种在线校准谱线漂移的附加装置，该装置由¹³⁷Cs（豁免源）、铅挡块、校准孔、直线电机和铅屏蔽层组成。校准孔最佳的开孔半径和铅挡块最佳厚度通过蒙特卡罗模拟得到，分别为2.2 cm和5 cm；使用标准豁免级¹³⁷Cs源作为标准参考峰，通过软件对¹³⁷Cs全能峰峰位漂移及峰面积进行分析，计算增益，实时调节参数等完成峰位及峰面积的校准。最后用该装置进行现场应用验证，结果表明该装置能够把系统测量谱线的峰位变化控制在了±1%以内，峰面积变化控制在±5%以内。

我国铁路跨度长、 运营时间长、 运行环境变化较大, 故对于车轮的磨损较大, 为保障高速铁路的安全运行, 高速列车车轮表面硬度就成为了一项重要参考指标。 激光诱导击穿光谱(LIBS)实验平台对8块不同硬度的HS7高铁车轮用钢样品进行击穿获取LIBS光谱数据, 发现基体元素(Fe)和合金元素(Cr, Mo, W)的谱线强度、 离子与原子线的强度比值(Ⅱ/Ⅰ)以及合金元素谱线强度与基体元素谱线强度的强度比值(A/M), 分别与样品硬度有着不同程度的相关关系。 利用此相关关系分别建立了以谱线强度和谱线强度结合谱线强度比值为变量的偏最小二乘法(PLS)定量分析模型, 在建立模型前采用标准正态变量变换(SNV)、 Savitzky-Golay卷积二阶导和高斯滤波(Gaussian filter)三种预处理方法来减小实验误差。 结果表明, 以谱线强度为变量的模型中采用SNV预处理后建立的PLS模型效果最佳, 校正集的确定系数为0.98, 均方根误差为1.30, 预测集的确定系数为0.90, 均方根误差为2.43; 以谱线强度结合谱线强度比值为变量的模型中采用原始数据建立的PLS模型效果最佳, 校正集的确定系数为0.99, 均方根误差为0.79, 预测集的确定系数为0.94, 均方根误差为2.44, 且通过对比发现以谱线强度结合谱线强度比值为变量的模型其预测精确度及其稳定性相比于以谱线强度为变量的模型均有所提升。 该结果表明, 利用谱线强度和离子与原子线的强度比、 合金元素谱线强度与基体元素谱线强度的强度比相结合的结果作为模型变量, 能显著提升PLS模型对于金属材料表面硬度预测的能力, 可以构建一种相关性更强的定量分析模型。 研究表明, 采用激光诱导击穿光谱技术结合偏最小二乘法定量分析高铁车轮硬度具有一定可行性, 可将该技术应用于现场诊断、 估算高速列车车轮表面硬度, 为维持高速列车安全运行提供一定的保障。

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程, 为了获取光谱辐亮度, 通常需要对光谱仪器进行辐射定标, 将光谱仪器输出的数值, 映射为物理量——辐亮度。 不同的光谱仪器的光谱响应不同, 因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。 光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的, 需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。 自第一台成像光谱仪诞生以来, 其定标方法逐渐固定, 通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标, 其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽, 可以将准单色光抽象为脉冲函数。 根据脉冲函数的特性, 改变准单色光的波长, 扫描光谱成像仪的响应波长范围, 是对光谱响应函数进行间隔采样的过程, 通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。 随着技术的发展, 探测器的灵敏度越来越高, 光谱成像仪的分辨率也越来越高, 为了完成光谱定标, 对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。 然而准单色光的带宽越窄, 其能量越低, 获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间, 使定标的效率降低。 从光谱定标的目的出发, 结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点, 通过理论分析, 提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法, 可以有效减少光谱定标的步骤, 提高定标的效率, 适用于光谱成像仪的快速定标。 该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标, 待标定光谱成像仪采用棱镜分光, 具有色散非线性的特点, 光谱分辨率在2~18 nm之间变化, 同时存在较大的谱线弯曲, 导致每个像元的中心波长都不同, 需要对每个像元进行光谱定标。 为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象, 将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝, 狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃, 其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线, 提高能量利用率; 毛玻璃用于匀化光照, 毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量, 结合提出的方法, 增加定标光的带宽, 提高能量, 最终完成了该光谱成像仪的快速定标, 利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。