成像差分吸收光谱技术 (IDOAS) 能够显示污染物的空间分布, 目前已成功运用于地基扫描、机载与星载等多个平台, 为环境监测及治理提供了有力支撑, 其中地基 IDOAS 主要运用于对某一污染源的探测。分析了成像系统基于“推扫”方式的工作原理, 并将此技术应用于城市大气边界层污染物分布的探测。为更高效使用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演各种痕量气体成分, 更精确地分析污染气体的时空分布特征, 对 QDoas 软件进行了源码级分析和优化。在 Windows 平台上, 使用 C++ 和 QT 对 QDoas 代码进行重组, 通过重新提取、整合、改写与优化代码, 实现了更快速便捷的反演功能模块。为检验模块的反演效果, 以大气中常见的污染物 NO2 和 SO2 为例, 于 2019 年 11 月 6 日在铜陵富鑫钢铁厂开展了现场观测实验。使用新编软件对观测数据进行数据反演后成功获得污染气体的二维分布信息图, 证实了该软件在实际大气环境监测中的适用性。

基于大气污染物二维分布遥测系统,开展了被动成像差分吸收光谱技术和图像优化算法相结合的大气污染物二维分布遥测研究。将紫外光谱和可视化图像的双通道系统相结合,实现了污染物浓度信息与可视化图像的精确匹配。针对复杂背景下污染物的数据处理问题,尤其是受浓烟、障碍物遮挡等情况下的数据缺失问题,对观测值进行筛选和处理,再结合烟羽扩散模型和曲面三次样条插值算法对整个区域内的浓度信息进行优化,从而快速获得高空间分辨的污染物二维分布图像信息。

近年来, 中国经济发展迅速, 工业化程度越来越高, 大气环境污染问题加剧, 严重影响人民的日常生活, 因此对大气污染物的实时监测研究尤为重要。 城市边界层大气中各类污染源排放的相互作用, 使得其污染问题复杂多变, 特别是在重污染过程中污染物在大气中的垂直分布和变化情况问题。 成像差分吸收光谱（I-DOAS）技术用于对污染物空间分布的探测, 国内外对该技术的研究主要基于地基扫描、 机载和星载平台, 因其具有长距离、 多组分、 高分辨同时连续实时观测的特点, 观测范围可从小尺度逐渐向大区域拓展, 可为分析大气环境现状提供重要数据支撑。 地基成像差分吸收光谱技术一般用于对某一污染源的探测, 主要研究其对城市大气边界层污染物分布的探测方法, 其中介绍了基于比尔-朗伯定律的差分吸收光谱（DOAS）原理, 分析了基于“推扫”方式的成像系统的成像原理, 并且以大气中常见污染物NO2为例, 2018年6月12日在合肥市科学岛开展对边界层大气NO2的成像遥测实验, 将多芯光纤束前端与紫外镜头耦合, 后端连接光谱仪狭缝, 紫外镜头搭载于二维转台电机上, 设置二维旋转电机合适的仰角, 水平方向上从0°旋转至90°, 观测区域中主要包括郊区, 电厂区和城市区三个典型区域。 选择天顶太阳光谱作为参考谱, 将测量光谱、 参考谱进行相应多通道光谱合并及提取, 每采集一次可获得相对应的38条光谱。 使用DOAS反演方法对所有测量光谱进行数据反演, 得到38×90组NO2的差分斜柱浓度（DSCD）, 并根据观测角度的几何模型, 将浓度信息与空间维上的像元相匹配, 按照扫描方向进行依次插值重构, 扣除复杂背景后, 获得合肥市边界层NO2差分斜柱浓度的二维分布图像, 并且与当天同时进行实验的MAX-DOAS观测数据作对比, 两者在郊区、 电厂区和城市区的相关系数分别为0.86, 0.87和0.83, 结果表明该系统能够有效获取城市边界层大气污染物浓度分布信息。

为了实现对气体浓度场二维分布重建，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术，以甲烷作为目标气体，选取1653.72 nm 的吸收峰位，采用直接吸收的测量手段，探测了浓度为2.97%的甲烷近红外光谱信息，通过断层重建算法对甲烷浓度场进行了模拟重建和实验研究。模拟重建采用了12×12 共144个方格的正方形重建区域，假定了一个方形区域内的具有多个空穴的浓度分布，模拟72 条光束从4个方向穿过重建区域，获取模拟光线下的投影值，经过实验统计代数重建算法均方根误差为5.58%，模拟退火算法均方根误差为8.38%；对模拟投影信号加入不同信噪比的高斯白噪声之后再进行重建，均方根误差在9.17%～15.30%之间。实验装置采用面源泄露扩散方法，通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造浓度空穴，形成非均匀浓度场。通过对代数重建算法和模拟退火算法的重建结果对比，能够看到模拟退火算法在近红外吸收光谱层析重建方法中的应用可行性。

介绍了一种新型的、 针对污染源中特定污染气体在紫外波段的成像方法， 该方法基于朗伯比尔吸收定律， 结合紫外带通滤光片分光， 能以较高的时间分辨率和空间分辨率直观再现污染气体浓度在空间的二维分布。 以SO2气体作为研究对象， 在实验室内搭建了测量系统； 阐述了该成像技术的测量方法， 分析了该方法的线性响应， 实验结果表明该方法的线性响应良好， 响应系数R2高达0985； 探讨了该成像方法在不同成像区域内的灵敏度变化， 其差异在1%～3%； 讨论了成像方法获取柱浓度的准确性， 实验室分析结果显示误差约为1%, 准确性较高； 最后分析了该成像方法的检测限并且根据线性最小二乘拟合方法解析出目标气体SO2在样品池横截面上的二维空间分布。

以强流脉冲电子束为研究对象, 提出了一种基于离散时间、限定靶面位置, 通过测量靶面不同时刻入射角分布, 利用蒙卡程序计算得到电子束的能量(r,z)二维分布沉积值的方法。给出了典型弱箍缩平板二极管(电压峰值700 kV、阻抗7 Ω)阳极靶面不同位置时域的能量沉积值, 分析了(0,0°), (25 mm,135°), (36 mm, 270°)三个位置纵切剖面的能量沉积特性, 结果表明: 在各个时间段内电子束入射能量确定的情况下, 能量沉积特性与入射角呈现相关性, 仿真结果与实验结果符合较好, 偏差均小于10%; 距阳极靶心25 mm以外的靶面位置, 受束流箍缩影响, 入射角分布变化较大; 当入射角较小时(小于40°), 强流电子束能量沉积峰值深度约0.2 mm; 当入射角超过40°时, 能量沉积峰值深度减小到0.1 mm左右; 而阳极靶心位置附近, 受束流箍缩影响较小, 这些位置的能量沉积特性更接近于小角度入射角情形。

提出了基于波长调制光谱(WMS)方法实现非均匀燃烧场气体温度和H2O组分浓度场二维重建的测量方法。利用实验测得的2f/1f信号, 通过数值仿真与迭代实现了激光穿过非均匀燃烧场后积分吸光度的测量, 进而利用重建算法实现了燃烧场的二维分布测量。选用H2O的两组谱线对针对单高斯分布和阶跃分布模型开展了数值仿真研究, 并采用频分复用方法在平面燃烧火焰中开展了实验研究。结果表明：基于WMS方法的二维重建测量精度较高, 在单高斯分布模型中, 7185.60 cm-1和7454.45 cm-1谱线对的温度和H2O浓度的重建误差分别小于2%和2.5%; 在对温度敏感的区间内, 所选谱线对的重建误差较小, 在对温度不敏感的区间内, 重建误差较大; 火焰中心区域的重建结果与预测值一致, 温度重建误差小于3.2%, 在温度阶跃变化的边缘区域, 重建效果较差, 原因在于WMS方法和代数迭代算法对温度阶跃变化流场不敏感。

介绍了一种测量烟羽污染气体二维分布的方法——成像差分吸收光谱(IDOAS)技术。该技术基于成像光谱仪，结合旋转平台实现对目标区域的二维扫描测量，获取目标区域的高光谱数据；采用差分吸收光谱(DOAS)算法对光谱进行处理，获取扫描区域内污染气体的二维分布图，进而对污染气体的分布及扩散趋势进行分析。对地基IDOAS 系统及其测量原理进行了介绍，并开展外场实验，成功获取了电厂烟羽中的SO2 二维分布图，实现电厂污染排放的可视化；对SO2排放率及平均浓度估算方法进行了分析，结合风速，利用获得的二维数据计算得到电厂SO2排放率及平均浓度分别为210 kg/h、6.7 mg/m3。

基于1/4波片法，提出了相位延迟的二维分布测试方法。完成了液晶光楔及光寻址液晶空间光调制器（SLM）的二维相位分布测试，得到了两种液晶电光器件的二维相位分布特性的测试结果。编写程序计算得到液晶光楔二维相位分布特性曲线，结果表明：随着测试电压的增大，液晶光楔的顶角θ增大。同理，编写程序计算作出SLM的二维相位等高线图并分析二维相位分布规律。

在连续弹性体理论的基础上, 采用差分迭代数值分析方法仿真模拟了液晶闪耀光栅中的液晶分子指向矢二维分布情况。利用液晶的电控双折射特性, 对液晶光栅电极施加经过插值计算以及修正后的周期电压, 使之形成光程差阶梯形分布, 具有二元光栅结构的液晶闪耀光栅。得到了液晶光栅的光程差以及相位延迟曲线。通过实验, 采用四分之一波片法作出了相位延迟随电压的变化关系曲线, 验证了仿真结论, 给出了周期电场分布的液晶闪耀光栅在正交偏光下的显微照片。