谱图还原算法是中阶梯光栅光谱仪高分辨的保障，其精度和速度的优化是推动仪器发展的关键。提出一种基于全像面拟合的谱图还原算法，将光谱标定融入到建模过程中的方式同时解决了环境改变和仪器扰动对模型精度的影响问题。首先建立初始模型，利用光线追迹结果进行全像面拟合，获得标准模型。再利用Hg-Ar灯的特征谱线对标准模型进行二次拟合以修正偏差，从而完成光谱标定。最后采用多种元素灯的特征谱线对所提建模方法的精度进行验证。实验结果表明，所建立的谱图还原模型的全像面误差在2 pixel内，全波段波长平均提取误差为0.01 nm。所提方法将建模过程与标定技术相结合，使标定常态化，简化了建模流程，为中阶梯光栅光谱仪的应用推广提供了算法基础。

中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛，已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心，通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能，是仪器开发的重点和难点。鉴于此，本文综述谱图还原技术的发展，将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段，重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术，归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。

基于超宽带光源频谱域相干层析术,提出一种适用于实际系统的多普勒频移标定方法。该方法先用光路模块整体运动替代传统的平面镜运动,使标定方法适用于实际情况,然后在运动中采集一系列随时间变化的光谱,最后通过傅里叶变换分析光谱分布范围。结果表明,相比于传统标定方法,所提标定方法拥有更高的精度,系统轴向分辨率提高了0.34 μm,在实际生物组织成像中有更好的成像效果。

针对传统眼轴长度测量需要分段检测且测量误差较大的问题, 设计了一种具有大探测范围的扫频光学相干层析系统, 实现了对眼轴长度的单次完整测量.提出了自适应峰值点提取与自适应误差校正相结合的算法,实现了大深度干涉信号的重构; 利用CPU-GPU协同加速技术实现了系统的实时测量, 解决了大范围探测数据量大、处理速度慢的问题.对光学眼模型进行实验, 结果表明：该系统对眼轴长度的测量误差为0.01 mm, 优于传统分段测量系统, 系统单次测量时间为0.10 s, 满足实时测量要求.

提出了一种基于固定光程差干涉信号的光谱标定方法。在频域光学相干层析成像(OCT)系统中引入一个光程差为固定值的干涉信号,则每次采集的信号同时包含该固定光程差的干涉信号和样品的干涉信号,通过滤波的方式将该固定光程差的信号分离出来,再利用其相位实现对系统样品干涉信号的光谱标定。理论分析了该方法的可行性。在100 kHz扫频光源OCT系统中,用反射镜作为样品在不同深度位置进行了光谱标定实验,获得了不同深度位置的点扩展函数和轴向分辨率,与利用光源clock触发采集的波数等间隔干涉信号处理结果对比,该方法具有更好的有效性。

为了获得宽波段高分辨率的单色光, 对成像光谱仪进行了波长标定, 设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构, 针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题, 创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法, 通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移, 有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构, 通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出, 保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率; 并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描, 使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明, 仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm, 波长重复性分别为 0.094、0.186、0.372 nm, 波长准确度分别为0.096、 0.191、0.382 nm, 达到了设计目标, 满足成像光谱仪波长定标的使用要求。

由于中阶梯光栅光谱仪采用交叉色散的结构，在像面上呈现二维重叠光谱，光谱信息难以直接获取，所以使得光学系统设计与光谱信息处理较为繁琐。建立了一种基于边界限制的中阶梯光栅光谱仪快速设计与二维谱图的分析算法。讨论了中阶梯光栅光谱仪各性能参数的相互制约关系，建立了系统指标、结构参数与二维谱图的计算模型。该算法能够根据给定的系统指标快速计算出系统参数，根据系统参数构建二维谱图模型，并根据谱图模型评估结果对参数进行修正，提供中阶梯光栅光谱仪的快速设计与谱图分析方法。利用该数学模型设计了一台波段范围为200~900 nm，在200 nm处的分辨率为25000的中阶梯光栅光谱仪，经初步测试，仪器满足系统指标要求。

在宽光谱膜厚监控系统中，利用光栅光谱仪分光，线阵CCD接收，完成光谱的一次性快速扫描来控制膜层厚度，达到实时监控的要求。而系统光谱扫描的准确性，直接影响膜厚实时监控的有效性。为了得到准确的光谱信息，首先确定CCD像素和光波波长的对应关系，基于特征谱线的离散关系，采用最小二乘拟合法建立了光谱标定函数，经实验，标定波长均方根误差为0.037 nm; 对于CCD实时输出的光谱监控信号，利用小波阈值优化算法抑制信号中的随机噪声，保留了光谱信号的细节成分，峰值误差的最大值为1.0%，峰位误差的最大值为0.3%，满足了监控中光谱分辨率的要求。

为了在不改变静态傅里叶干涉具尺寸的基础上提高光谱分辨率， 设计了双边倾斜傅里叶干涉具及等光程条纹展宽的方法。 通过计算分析双边倾斜傅里叶干涉具空间产生光程差与传统干涉具光程差的关系， 得到在整个干涉具尺寸不变的条件下， 光谱分辨率提高到9.1 cm-1， 比同尺寸静态傅里叶干涉具提高了近8倍， 并且不会因干涉条纹混叠而造成无法采集。 采用BK7材料加工制成双边倾斜傅里叶干涉具， 用6种不同波长的激光照射分析干涉条纹， 实验结果显示干涉条纹会因反射位置增大而导致探测波长较长的激光时中心波长偏大， 根据其满足线性变化的规律， 拟合可知每1nm的激光波长变化造成0.021 1 nm的增大误差， 经过标定后平均误差与传统干涉具接近， 同时可以有效地提高静态干涉系统的光谱分辨率。

利用Nd:YAG激光汤姆逊散射多道测量系统对等离子体多空间点的电子温度和密度进行了测量。用标准光源和电扫描单色仪构成的标定系统对散射光谱的响应系数进行了标定。给出了等离子体中心附近6空间点的温度和密度的测量结果,时间分辨率为100 ms,空间分辨率约为2.2 cm。对实验结果的不确定度进行了估计,为-12%～12%。实验结果证明:系统可测量等离子体温度的空间范围为-35～-3 cm,实验数据稳定可靠。