基于羟基标记示踪速度测量技术，研究了基于该技术中激光光解水产生的OH^-进行温度测量的双色平面激光诱导荧光（PLIF）方法和荧光强度测温方法，进而开发了一种新的速度、温度同时测量技术，并在电加热流场及超燃冲压发动机流场进行了测量验证。在室温至900 K的温度范围内，与热电偶温度测量结果比，基于光解OH^-的双色PLIF温度测量的平均标准偏差为12.1 K，基于光解OH^-荧光强度的温度测量最大偏差为16.8 K，速度测量不确定度在1%以内。在超燃冲压发动机流场中，利用CARS温度测量数据作为温度测量标定点，获得了标记线上温度、速度的同时测量结果，其中所得温度与CARS温度测量结果的最大偏差为44 K。

光纤多参数同时测量是加速低损耗、低非线性等光纤研发效率的关键。为此，提出一种基于双向瑞利散射的单模光纤多参数同时测量方法，可实现光纤多参数同时精确测量。基于背向瑞利散射原理建立了多参数同时测量系统，成功测试了1 km光纤的模场直径、有效模场面积、纤芯直径、相对折射率差、截止波长、衰减系数等参数的分布特性，其测量值分别为9.24 μm、66.22 μm²、8.28 μm、0.323%、1.258 μm、0.196 dB/km，并分别与传统测量方法进行了比较。实验结果表明，所提方法与传统方法测量结果基本一致，但实现了多参数分布测量且测量结果稳定。

仪器是获取信息的主要手段，是信息产业的支撑。快速准确地获得多种信息是测量仪器的一大发展趋势，也是信息时代快速发展的必然要求。激光多自由度同时测量具有测量效率高、多自由度误差参数同时测量等显著优点，克服了传统激光单参数测量获取信息有限、测量效率低下等缺点，成为数控机床误差测量等领域重要的研究方向。本文按照激光单自由度测量方法到多自由度同时测量系统集成的顺序，对目前激光多自由度同时测量方法和系统进行了较全面的介绍，分析了其优缺点，并讨论了激光多自由度未来的发展趋势。

海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采用离轴积分腔输出光谱技术 (ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到 CH4 的浓度 (体积比) 探测范围为 1.073×10-8～1×10-3, CO2 的浓度 (体积比) 探测范围 为 3.39×10-6～1×10-2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为 1.74‰ 。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。

为了提高分布式光纤传感系统的准确性, 理论上比较了多参数同时测量与单参数测量时温度、应变的误差标准差, 指出在典型配置下双光纤或双波长方式的同时测量误差标准差可达单参数测量法的9~850倍, 双段光纤法应变误差标准差为单参数测量法的1.4倍。采用基于伪Voigt模型的拟合算法提取布里渊频移, 计算结果验证了以上结论。

为了实现低成本的温度和应变同时测量, 利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形, 再将小球熔接到一起形成花生型结构; 然后在距离花生结构15mm处, 将两根单模光纤端面错位一定距离, 对其进行熔接形成J型结构; 最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现, CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.0125dB/℃和52.9pm/℃, 应变灵敏度分别为0.0152dB/με和-11.44pm/με。结果表明, 基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量, 且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点, 在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。

基于迈克尔逊干涉原理和激光自准直原理，采用共光路布局，研制了能对运动工作台同时进行一维位移和二维角度测量的三自由度激光测量系统。在位移测量中，采用光程差放大技术，并结合偏振干涉技术和信号差分处理，得到高质量的位移输出信号和高分辨力的位移测量结果。在角度测量中，运动工作台的偏摆和俯仰运动会引起固定在工作台上的反射镜位置变化。入射光被反射镜反射，并被四象限探测器探测，根据四象限探测器上的光斑位置变化，获得偏摆角和俯仰角的变化值。对研制的系统进行稳定性和分辨力测试，同时与英国雷尼绍XL-80激光干涉仪进行比对实验。实验结果表明：测量系统的位移分辨力为0.8 nm，角度分辨力为0.2″；在50 mm的测量范围内，与雷尼绍XL-80激光干涉仪测量值相比，系统的位移最大偏差小于100 nm，偏摆角最大偏差为0.5″，俯仰角最大偏差为0.4″。

光纤布拉格光栅已经成为非常有前景的温度、应力及其它参数测量的传感元件，但其存在温度和应力的交叉敏感问题。提出了一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器，将一个布拉格光纤光栅分成两半，各自具有不同的包层半径，其中一半保持不变，另一半包层半径从62.5 μm减小到40 μm。实验结果表明，两半光纤布拉格光栅的温度灵敏度均为10.4 pm/°C，而应力灵敏度分别为1.12 pm/ue 和3.89 pm/ue。初始的单个布拉格反射峰分裂成两个，分别对温度和应力敏感，而两个反射峰之间的波长差只受应力的影响，随着应力的增加其波长差逐渐增加。因此，通过这一个光纤布拉格光栅即可分辨出温度和应力所引起的布拉格波长漂移。该光纤光栅传感器结构简单、体积小巧、成本低廉、制作方便，可以广泛应用在各个领域实现温度和应力的同时测量。

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为－27.58 nm/m－1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69 nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.

基于纤芯失配理论，提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度，实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明，在20 ℃~80 ℃的温度范围内，MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃；在0～650 με的应变范围内，应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵，即可实现对温度和应变的同时测量，且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高，结构简单，且不易受电磁等干扰，实验结果具有良好的线性度，在工程领域应用前景良好。