针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO₂浓度低的特点，结合波长调制TDLAS技术，设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器，实现锁相放大和数据采集功能一体化，并将其成功应用于低浓度CO₂检测中。为解决低浓度CO₂吸收微弱、噪声强等问题，设计了高精度ADC模块，电压分辨率可达0.3 mV；基于DDS原理内部产生正余弦参考信号，保证谐波信号单一性，且实现参考信号频率可调节，覆盖范围1~40 kHz；改进了CIC滤波器，并通过降采样级联FIR滤波器的方式，以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波，积分时间200 μs~20 ms可调；基于CORDIC算法实现平方和开根运算，相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化，基于Qt实现上位机并结合串口通信，使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下，测量了CO₂在2 μm波段的吸收光谱，获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6，相较于直接吸收信噪比8.8，提高约11.7倍；设计并开展低浓度CO₂标定实验，获取二次谐波信号幅值和CO₂浓度之间的线性关系，相关度为0.996；在纯氮气条件下，利用Allan方差评估了系统性能，平均时间为2 s时，系统检测下限1.30 ppm (1 ppm=10⁻⁶)，平均时间为180 s时，系统检测下限0.19 ppm；分析了系统响应时间，可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明，设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点，可满足传输内通道中低浓度CO₂的检测需求。

近红外傅里叶变换光谱仪作为一种常用的科研级近红外光谱检测仪器, 广泛应用于各个科研领域。 目前的近红外光谱仪着重于光谱分辨率方面的提升, 在光谱信噪比提升方面关注较少。 光谱信噪比直接影响光谱线指数测量精度的优劣, 光谱信噪比越高, 光谱线指数测量精度越高, 越有利于对微量物质进行精细光谱比对。 因此, 提升光谱仪的光谱信噪比是十分必要的。 对比常用的钨灯光源, 激光驱动等离子体光源(LDLS)不仅在近红外区域具有高光照强度的优点, 而且其独特的高频调制输出信号在经锁相放大器调制解调后能够很好的抑制背景信号对干涉光谱所带来的影响。 高亮度与辐射调制的结合使得以LDLS作为光源的近红外傅里叶变换光谱系统在光谱信噪比方面获得显著提升。 基于上述原因, 提出利用新型激光驱动等离子体光源作为光谱信号输出源的近红外傅里叶变换光谱系统, 并与含有调制能力的钨灯光源搭建的近红外傅里叶变换光谱系统进行了信噪比的比较实验。 首先利用钨灯光源由斩波器高频调制再经过锁相放大器解调的方式, 对锁相放大器积分时间进行优化并通过计算干涉光谱信噪比进行评估, 分别对比了积分时间为0.5, 1, 5, 10和20 ms的干涉光谱信噪比与对称度, 确定后续系统中的锁相放大器最佳积分时间为5 ms, 该状态下钨灯光源所实现的干涉光谱信噪比经计算约为90:1; 其次利用激光驱动等离子体光源代替钨灯光源和斩波器, 在最佳积分时间下进行干涉光谱信噪比对比评估, 结果表明激光驱动等离子体光源的干涉光谱信噪比与传统钨灯光源相比提升111倍; 最后, 利用近红外标准片对系统进行光谱测量准确性评估, 结果表明利用该光源的近红外傅里叶变换光谱系统的近红外吸收峰值误差<0.5 nm, 具有高光谱准确性与分辨能力。

为了实现集成电路内部电信号波形的非接触探测，设计了基于共光路干涉仪的探测光路，同时利用锁相放大技术噪声抑制能力强，灵敏度高的特点，提出了基于锁相放大的信号处理方法提取反射光中携带的微弱器件电光信号。该方法利用器件电光信号强度随器件电信号周期性变化的特点，首先将来自光电探测器的电信号进行锁相放大处理消除大部分噪声，然后再利用平均处理技术进一步抑制外界噪声干扰，提高器件电光信号的信噪比，从而将淹没在噪声中的器件电光信号提取出来，重建器件内部电学信息。利用该探测方法成功探测到芯片内部动态工作电流在μA量级的电路节点电光信号，信噪比达到4.99 dB，而仅使用平均处理技术得到的信号信噪比只有-44.29 dB。研究内容为集成电路内部电信号的光学探测提供了一种新的思路，未来可在集成电路动态缺陷检测领域得到应用。

为满足重离子治癌加速器装置（HIMM）回旋加速器引出段束流流强的测量需求，设计了新的束流流强测量系统，该系统利用积分电流变换器（ICT）及锁相放大器等配套电子学，能够实现束流流强的非拦截实时测量。文中首先分析了中能束线（MEBT）束流流强的测量需求，并对设计方案进行了实验室系统分析和在线束流强测量。实验室结果表明，锁相放大器的幅度和相位响应一致性满足测量需求。由于ICT对束流流强的测量是相对测量，先使用法拉第筒对ICT进行在线标定；标定前先对法拉第筒（FC）（20 μA档位）和ICT系统的流强分辨在线测量，分别为6.45 nA和5.163 nA。由于束流抖动的影响，测量的束流的稳定性约90 nA，其对应的相对测量误差约8%，ICT系统响应时间小于1 ms。测量结果表明，该系统满足物理测量需求。回旋加速器高频系统参数变化引起ICT标定系数变化的工作将在进一步工作中展开。

为了实现超高分辨力的微位移测量，建立了基于光纤布拉格光栅传感的高灵敏度探针系统，研究了静态锁相放大技术，用于检测小于纳米量级的微位移信号。根据光纤布拉格光栅传感原理，设计了高灵敏度的双光栅自补偿解调系统结构。基于信号特征研究了静态锁相放大技术，用于实时检测处理微弱测量信号。最后，通过探针系统的性能测试实验可获得灵敏度和分辨力等参数。实验结果表明：探针系统在接触区域的微位移测量范围约为1μm，灵敏度为-15.33mV/nm，短期噪声极差的均值为0.83 mV，标准差为0.32 mV，信号处理分辨力约为0.06nm （60pm），其标准差为0.02nm （20pm）。该系统采用光纤布拉格光栅传感技术达到了皮米量级的微位移信号处理分辨力，满足微纳测量系统的抗干扰性强、重复性好等要求，且系统成本较低。

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题，本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术，将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器，开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究。实验表明，与传统的数字正交锁相放大器相比较，改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从38.61 dB提高到44.95 dB；将非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型应用于甲烷气体浓度反演，与经典的最小二乘法相比较，其均方根误差减小了0.907；通过16组浓度步进实验测试，该系统的实际检测下限为1 ppm；在压力为600 mbar，温度为25℃，甲烷浓度为50 ppm进行3 h的长期稳定性测试，检测的甲烷浓度变化范围为49.6~50.3 ppm，其标准差为0.092 1 ppm。当积分时间达到56 s时，该系统的理论检测极限为25.6 ppb。积分梳状滤波器和非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型在红外气体检测方面具有较高的优越性和实用前景。