近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、 快速检测、 结果稳定可靠等优点, 在工业现场检测领域有着广泛的应用。 由于近红外光谱分析系统受温度影响较大, 传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷, 光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。 此外, 系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制, 并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯, 不仅增加了设备成本与体积, 也显著降低了系统的稳定性。 针对这些问题, 基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。 系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪, 通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据, 对光谱数据进行预处理, 来计算得到目标样品的理化指标。 对于温度控制, 开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统, 对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。 同时, 开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4～20 mA电流信号通讯)。 系统实验测试结果表明, 该设计能够长时间稳定运行, 并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。 在长达48小时的系统运行过程中, 光谱仪温度稳定控制在5 ℃左右, 温控精度优于0.25 ℃。 相对于未恒温控制的运行模式, 恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小, 并实现了数据采集、 预处理、 样品理化指标计算、 工业信号通讯及温度控制的一体化设计, 以满足工业现场在线检测需求。

量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。

本文介绍了一种基于高精度比例积分微分（PID）温控的宽带腔增强大气二氧化氮（NO₂）探测技术。系统选取中心波长为460 nm的LED光源作为探测光，入射端利用双胶合透镜的直接聚焦代替传统的光纤取样耦合，结合基长为322.4 mm的高灵敏度谐振腔，实现了小型化高精度的NO₂监测。针对温度波动会引起LED光源光谱漂移及光强改变的问题，本文提出了一种改进型PID-卡尔曼滤波算法，实现了LED温度的快速稳定调节，耗时仅需~2 min，温度的波动范围是±0.015 ℃，极大降低了LED温漂对探测性能的影响。仪器性能评估结果显示，在~2.15 km的有效吸收光程下，实现了81×10^-12的探测灵敏度（5 s，1σ）；不同体积分数的NO₂对比测试表明，本系统能准确测量大气NO₂，进一步验证了系统的稳定性和准确性。

为了解决机载激光通信平台在工作环境中，因自身运动姿态的变换、工作环境的不稳定、外界大气湍流等外界因素对跟踪系统的干扰问题，提出一种比例积分微分（PID）与自抗扰控制（ADRC）结合的算法，在线性的自抗扰环节加入PID控制算法，对系统进行仿真和实验测试。结果表明，改进型ADRC在跟踪精度、抗扰动能力和鲁棒性方面都优于传统ADRC，改进型ADRC在跟踪精度上约为6.8μrad，传统ADRC的跟踪精度约为8μrad，可以看出，改进型ADRC的跟踪精度较传统ADRC提高了15%左右。将改进型ADRC系统的控制算法代入实际的快反镜系统中也有良好的跟踪效果。

为抑制快速反射镜开机温漂，以及实现快速反射镜在设定温度条件下正常工作，设计了温度控制系统与新型控制方案，来实现对快速反射镜温度的精确控制。温控系统以单片机为核心控制元件，热电制冷器为执行元件。设计基于小波去噪的非线性比例-积分-微分自抗扰控制方案，通过基于Sigmoid个性化惯性权重的粒子群优化算法整定控制参数，进行仿真和实验。结果表明，此控制方案能有效抑制快速反射镜的开机温漂，在15~28 ℃的控温范围内，控温精度达到±0.02 ℃，可在142 s内稳定在预设温度。所设计的温控系统响应速度快、控制精度高，鲁棒性强，具有较好的应用价值。

针对车载行进间状态下光电平台稳像效果不佳的问题, 提出了一种有效的优化方法, 即减小陀螺采样频率和系统控制周期, 在驱动电路中增加电流环, 同时在控制回路中增加扩张状态观测器实现对扰动的观测和补偿。从摇摆台测试和实际跑车测试两方面检验了所提出方法的有效性。摇摆台三轴3°、2 s摇摆条件下, 光电平台双轴稳定精度优于0.15 mil(1σ); 土石路面, 车速15~30 km/h情况下, 光电平台双轴稳定精度优于0.2 mil(1σ)。该方法简单有效, 在传统PID算法的基础上, 仅需做适当的优化, 即可实现较明显的稳定精度改善。该方法同样适合于舰载、机载光电平台, 并已在相应的光电平台中得到应用。

直线运动动态目标模拟系统可提供相对航空相机做像移直线运动的无限远动态目标，用于检测航空相机的动态分辨率指标。针对动态模拟系统中的大视场长焦距的准直光学系统完成了复消色差光学设计，结合鉴别率板、精密直线滚动导轨、直线电机等共同组成了动态目标发生装置。根据航相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运行轨迹，在LABVIEW虚拟仪器平台上采用比例-积分-微分算法控制直线电机实现了运行速度10~900 mm/s、匀速段瞬时速度误差≤1%的动态目标模拟。结果表明，优化后的光学系统传递函数优于0.2@100 lp/mm，畸变≤0.03%。

信标光斑位置检测技术广泛应用于基于视觉的光通信粗对准领域中，而检测算法的优劣直接影响捕获定位的精度。针对基于阈值分割搜寻信标光斑的算法易受背景强光影响的缺陷，建立了基于深度学习算法的无人机光通信实时捕获定位系统。首先，改进了YOLOv4（You only look once，v4）网络，采用能增强浅层特征信息提取的特征图通道拼接方式设计了四个简化模块和一个上采样模块，极大提升了网络的速度。然后，用改进后的网络、原始YOLOv4网络及其简化网络在PASCAL VOC数据集上进行训练。最后，采集和训练信标光斑数据集，在无人机上运行改进YOLOv4网络并输出摄像头视频帧的信标光斑位置。基于比例积分微分算法调节云台进行位置闭环控制，从而实现光通信的实时捕获和定位对准。实验结果表明，改进YOLOv4网络在信标光斑测试集上的精确率为99.6%，召回率为99.8%，在NVIDIA Jetson Xavier NX嵌入式计算机平台上的帧率为42 frame/s，满足无人机光通信实时捕获定位的要求。

为了提升压电执行器输出位移的性能, 该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先, 分析了压电悬臂梁执行器机电特性, 搭建其动力学模型; 其次, 将模糊算法、神经元、PID三者相结合, 设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器; 最后, 对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真, 并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明, 压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s, 且无超调, 稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0; 在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时, 跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差, 并使其具有抗干扰能力强, 响应迅速, 无超调量等优点。