为了解决非接触测温系统中常见的成本高昂、系统复杂、实用性差、响应速度慢等问题, 采用多光谱测温和快速响应光电探测技术, 设计了一套低成本高速多光谱辐射测温系统。利用高速微弱光信号采集模块、高速模数转换芯片、高性能可编程门阵列和同步动态随机存取内存保证了微弱光信号的高速转换、同步采集、大容量缓存, 具备纳秒级变化温度场的测量能力。结果表明, 测温误差小于±1%,时间分辨率可达到50ns。这一结果对于快速变化温度场的测量是有帮助的。

为实现激光导引头高精度光电参数测量, 提出了一种基于雪崩光电二极管(APD)雪崩放大效应的微弱信号放大技术以及基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的全波形采集技术, 研制了一套飞焦量级激光模拟回波光电参数定量化测量装置。测量装置针对微弱脉冲激光回波进行光电转换及多级放大处理, 之后通过高速A/D实现模数转换, 并由FPGA进行全波形信号的存储、处理, 再传递到上位机上, 最后使用标准能量计搭建计量校准光路进行测量装置的能量校准。测量装置实现了脉冲宽度10～100 ns、能量范围40 fJ～1.1 pJ的 1 064 nm波段的脉冲激光能量的测量, 测量重复性不高于2%, 基本满足测试需求。

在机电设备、精密器件等研发工作和电路校准、传感器应用等日常实验中, 数字多用表常被用于微弱信号的测量, 但数字多用表只能实时显示采集到的信号, 不能存储信号, 在实验和应用中无法将检测到的波形、数据和实验状态实时对应, 只能通过人工肉眼估计读取, 给实验和应用带来了一定的困扰。为了解决该问题, 开发了一个基于LabVIEW的电流信号采集系统, 该系统可以将采集到的波形实时显示在面板上, 同时将检测到的准确电流数据和读取时间存储到PC机。实验结果表明, 该系统可以更好地显示电流信号, 同时可以进行信号的存储, 避免了肉眼读取数字多用表的误差, 增强了读取数据的准确性。

傅里叶变换红外光谱技术由于具有光通量大、光谱范围宽、分辨率高等诸多优势,在 大气环境监测领域得到广泛应用。以傅里叶变换红外光谱仪微弱红外干涉光信号特征和碲镉汞光电导型红外探测器为 基础,分析了基于迈克逊干涉方法的傅里叶变换光谱仪干涉光信号特征,设计了一种以窄带滤波法为核心的微弱信号检 测电路,建立了等效噪声模型分析电路的噪声性能。采用Tina软件对电路进行了模拟仿真,结果表明该电路在通频带内具 有恒定的增益以及群时延,可实现微弱干涉信号无失真放大。将设计的电路应用于傅里叶变换光谱仪中,在室温条件下 获得了大气400～7000 cm-1中红外波段光谱,几乎覆盖了常见的大气污染物在中红外波段的吸收峰,可以较好 地实现对不同污染气体的分辨与测量。

点测量吸收光谱技术以饱和吸收为基本原理，可有效克服可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的线测量缺陷，通过探测光束与一同频的饱和光束交叉来提取交叉位置点处的信息，实现具有毫米级空间分辨能力的点测量。本文对点测量吸收光谱技术进行了详细的理论分析，推导了饱和光束和探测光束在任意交叉角度下的饱和吸收系数，分析了饱和参数对吸收信号的影响。同时提出了一种针对微弱吸收信号的调制方法，推导了饱和光束在高频正弦调制下的探测光一次谐波表达式，并通过数值计算得到了验证。研究还表明，不同阶次谐波信号具有相同的半高宽，并且与无调制时的吸收信号半高宽一致，因此利用多次谐波叠加可进一步提高谱线宽度测量的信噪比。

设计了一种应用于 HgCdTe柔性中波红外探测器的微弱信号放大电路，该电路由电桥电路、调零电路及滤波电路组成。采用平衡电桥与仪表运算放大器 INA333相结合的方式搭建电桥电路；并针对探测器直流分量过大问题，设计了可调零、带增益的信号处理电路；最后通过由二阶有源滤波器组成的滤波电路将高频噪声滤除。利用运算放大器的 En-In噪声模型，对放大电路进行了噪声分析，并测试了探测器在弯曲状态下的响应性能。实验结果表明，所设计的放大电路增益为 86 dB，噪声均方根值低于 6.1 mV；柔性探测器的曲率半径为 3 mm；当探测器光敏面上的光谱辐照功率为 6.75×10-7 W时，产生的光电信号约 102 .V。

针对高光谱激光雷达回波信号能量弱导致的波形信息常常淹没在噪声中而难以提取的问题, 基于高光谱激光雷达原理验证样机系统采集到的高光谱激光雷达回波信号数据, 通过分析小波变换参数选取对信号处理的影响, 寻找到一种基于小波变换的高光谱激光雷达回波微弱信号的处理方法, 即在sym6小波3层分解下, 运用软阈值函数和启发式阈值处理可有效处理高光谱激光雷达回波微弱信号, 运用该方法在仅有少量回波样本信号数量情况下, 达到高斯拟合在数倍回波样本信号数量情况下的处理效果, 降低了提取出波形信息所需要的高光谱激光雷达回波信号探测时间。

核磁共振原子陀螺凭借其高精度、小体积、低成本的特点在国内外受到广泛关注。在获取检测目标的诸多方法中, 较为常用的方法是监测探测光极化面旋转角的平衡偏振法。由于小型化带来的尺寸效应明显, 光学元件间存在不可避免的方位误差, 导致微弱光信号产生偏置, 制约了该信号的提取与放大。为提高检测性能, 分析了激光偏振态的差分检测原理, 提出了一种基于比例积分(P-I)反馈回路的自动消偏方法, 设计了基于硅光二级管的低噪声、高增益前置放大电路。最后, 结合核磁共振陀螺样机系统, 给出了该方法的仿真分析和实验结果, 验证了该方法的有效性。

利用圆阵协方差矩阵的循环移位特性，基于对聚集系数的取值最优化问题，对圆阵的超指向性理论展开研究，得到了由初等函数表示的最大聚集系数、最优波束图和最优加权向量。分析了圆阵的各阶波束增益和稳健性参数随半径波长比的变化规律及其对阵列指向性的影响，给出了圆阵超指向性的一个解析且闭合的解，实现了一种特征波束的分解与合成的方法。在此基础上结合空中声源辐射噪声信号的特点，给出了针对空中声源辐射噪声设计超指向性圆阵时应遵循的4个准则，依据实测的直升机辐射噪声特性设计了一个小尺寸的超指向性接收阵列，对其性能进行了分析，通过与常规圆阵和线列阵的对比证明了其优越性。

针对锁模激光器微弱回波信号探测的需求, 提出了一种基于高速相关采样和在线实时并行累加处理算法相结合的方法, 对传统的模拟取样积分方法进行了改进, 可实现无参考信号条件下的实时数字累加检测。设计并实现了一套基于该方法的锁模激光器微弱回波信号检测原型系统, 使用12 bit@900 MSPS模拟-数字转换芯片(ADC)ADS5409对经光电转换之后的锁模激光回波信号进行波形采样, 并利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片Kintex-7实现对ADC的控制及在线数据处理。系统测试结果表明,对于重复频率为8 MHz、平均功率为0.04 nW的锁模激光回波信号, 通过在FPGA内进行16 000次脉冲波形精确累加,可实现信号的有效检出, 且从波形采集完毕到输出检测结果的延时小于100 ns, 达到了高度的实时性。经900次重复实验, 检测效率达到100%, 且无“虚警”情况发生。