基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品中通常包含水在内的不同成分,进而导致光谱的信噪比较差,导致最终的光谱分析结果误差较大。对于此类问题,降噪算法和重构算法是比较有效的解决办法。这些算法通过去除光谱数据中的无效信息或提取其中的有效信息来达到提高光谱信噪比的目的,最终结合分析算法实现对生物样本的高精度定性和定量识别。本文对近五年来应用于太赫兹光谱技术中的主要算法进行了归纳介绍,并总结了它们的优势和缺点。

三维荧光光谱分析法以其灵敏度高、 选择性好、 操作简单和可用于多组分混合物分析等优点成为诸多研究者在海面溢油鉴别中的热点选择。 但三维荧光光谱中存在的瑞利散射会对光谱的准确检测产生较大的影响, 因此有效地消除瑞利散射对后续光谱的定性鉴别和定量分析具有重要意义。 采用仪器校正法、 空白扣除法、 Delaunay三角形内插值法和缺损数据重构(MDR)法对海面溢油三维荧光光谱中的瑞利散射进行校正。 首先以海水的SDS胶束溶液作为溶剂, 将航空煤油和润滑油按不同相对体积分数比配制8个校正样本和3个测试样本; 然后利用FS920稳态荧光光谱仪采集11个样本的三维荧光光谱数据, 并分别采用仪器校正法、 空白扣除法、 Delaunay三角形内插值法和缺损数据重构(MDR)法消除瑞利散射的干扰; 再利用核一致诊断法估计出最佳的组分数; 最后利用平行因子分析(PARAFAC)对混合油样本的三维荧光光谱数据进行定性鉴别和定量分析。 研究结果表明: 采用发射波长滞后激发波长以消除瑞利散射的仪器校正法会丢失部分有效光谱信息; 采用空白扣除法无法彻底消除瑞利散射, 在光谱中仍然存在散射干扰, 利用PARAFAC解析后得到的激发、 发射光谱会出现失真, 且预测的浓度值偏差较大; 采用Delaunay三角形内插值法消除瑞利散射后, 利用PARAFAC解析所得到的激发、 发射光谱与真实光谱吻合度较高, 且预测的浓度值偏差较小; 而采用MDR消除瑞利散射后, 利用PARAFAC解析所获得的激发、 发射光谱与真实光谱吻合度最高, 且相较于其他几种方法预测的浓度值偏差最小, 得到的样本回收率为98.9%和100%, 预测均方根误差均小于等于0.130。 根据定性鉴别、 定量分析的结果, MDR能够在保证原有特征光谱不失真的基础上有效消除瑞利散射带来的影响, 是一种消除三维荧光光谱数据中瑞利散射较为理想的方法。

在雷达、声呐、深空通信等实际应用中，阵元的失效会造成检测性能下降，虚警率增加；在目标方位估计中，阵元失效会造成采样协方差矩阵的秩亏问题，使得基于子空间类的传统目标方位估计方法失效。针对存在阵元失效的均匀线列阵的目标方位估计问题，提出了一种基于Khatri-Rao(KR)积处理的阵列自由度恢复方法以及Toeplitz 矩阵数据重构的高分辨DOA 估计方法。首先对有损伤的阵列采样协方差矩阵进行KR 积处理，将产生的冗余项进行平均处理, 处理后的阵列模型将重构阵列自由度，并将阵列孔径扩展为之前的2 倍。该阵列模型等效为一确定噪声下的单快拍的相干源估计, 采用基于Toeplitz 矩阵数据重构的方法来去相干，重构协方差，最后采用MUSIC 方法进行方位估计。数值仿真表明该方法能有效解决均匀线列阵阵元失效下的自由度损失问题，提高阵列的目标方位估计性能，而且具有计算量小的优点。

计算光谱成像技术利用计算方法改变传统成像方式, 在光路中引入编码模板实现正变换, 最后通过逆变换获得目标光谱数据立方体。 介绍了一种推扫式编码孔径计算光谱成像仪的成像原理, 在实际应用中, 其推扫速度与帧频的匹配误差会影响光谱数据重构的准确性。 在建立了推扫模型的基础上, 得到了重构数据的误差项, 分析了匹配误差对光谱数据重构的影响, 并引入光谱二次导数误差和strehl比分别作为复原光谱和空间图像的评价参数, 进行了数据仿真分析, 结果表明, 当一组完整数据的累积误差超过一个像元时, 明暗变化剧烈的区域恢复结果比较差, 而对比较均匀的区域影响不大; 累计误差不超过0.5个像元时, 各通道的strehl比均在0.9以上, 并且光谱能量越低的通道strehl比越小, 因此编码模板的行列数越多平台的稳定性要求越高。

光子时间拉伸模数转换(PTS-ADC)技术利用光纤中的色散效应对被采样信号进行时间拉伸和带宽压缩，可大幅提高传统模数转换器(ADC)的采样率和模拟带宽。但PTS-ADC 也存在采样时间窗口有限的缺点，难以满足连续信号的采样。采用多通道结构化设计是实现PTS-ADC 连续采样模式的有效办法，但也存在通道间的失配误差。本文优化了多通道结构设计方案，可用于产生连续光载波和实现连续模式采样的PTS-ADC 系统，并对该方案中多通道之间的偏置误差、增益误差和时间倾斜对系统的影响进行了理论分析和数值仿真。搭建了三通道实验系统平台，验证了该方案的可行性，系统采样率超过200 GSa/s、模拟带宽可达到45 GHz、有效比特位达到3.7。