为了评估微型近红外光谱仪应用于现场水果糖度检测的可行性, 采用粒子群算法结合反向传播(BP)神经网络建立了苹果糖度的无损高精度快速检测方法, 研究了微型近红外光谱仪NIRscan以单波长和阿达玛变换两种测量模式获得的光谱数据, 应用多种不同的数据预处理方法和多元线性回归、偏最小二乘法、粒子群算法(PSO)、BP神经网络等算法建立分析模型。结果表明, 以阿达玛变换工作模式测得的光谱数据更好, 以1阶导数结合Savizky-Golay平滑算法作数据预处理, 应用PSO结合BP神经网络建立的苹果糖度预测模型具有更高的预测精度, 预测相关系数和均方根误差分别为0.9911和0.1502。该微型近红外光谱仪NIRscan用于苹果糖度的现场快速和高精度无损检测具有可行性。

对生物过程中营养物质的消耗进行监测, 有利于控制微生物的生长环境, 使其始终处于最佳生长条件, 从而使目标产物的产量最大化。 针对酵母培养液中甘油、 甲醇和葡萄糖含量的监测需求, 研制了一种基于阿达玛变换(hadamard transform, HT)技术的近红外光谱仪。 该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集, 采用数字微镜(digital micro-mirror devices, DMD)进行阿达玛模板的编码调制, 配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件, 实现了培养液中营养物含量的实时监测。 给出了光谱仪的光路设计、 近红外原位探头改进设计、 硬件电路和软件模块的设计。 通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%, 波动率为±4.28%。 利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水溶液进行光谱采集和数学建模, 实验结果表明该仪器测量准确, 能够满足生物过程监测的要求。

提出了一种光机电一体化元件中数字微镜衍射的分析模型, 并用LightTools对该模型进行模拟仿真得到了数字微镜理论上的衍射角.随后用两种不同波长的激光照射到数字微镜表面并用坐标纸测量出了数字微镜实际的衍射角, 仿真结果与实验结果十分吻合.利用该衍射模型设计出了一种数字微镜控制的阿达玛变换光谱仪, 采用激光光源和卤素灯光源对仪器的性能进行了测试.结果显示：光谱仪的分辨率可以达到8 nm, 信噪比为1 366, 采集20次光谱的中心波长偏移仅为0.408 nm, 且仪器单次采集光谱时间为0.8 s.测量结果表明该光谱仪具有较高的分辨率和信噪比, 以及很好的重复性、稳定性和实时性.

为了克服经典光谱仪中由于入射狭缝的遮挡导致的系统内光通量很小的缺点，提出了一种新型阿达玛变换光谱仪的设计理念. 给出了以柱面镜来整形光束的方法，利用理论计算得出含有数字微镜阵列光谱仪的光谱分辨能力和像元分辨能力，确定了该类光谱仪的极限分辨率.根据几何光学成像理论，提出一种增大成像透镜焦距的优化方案，可以提高光谱分辨率，并且更有益于机械装调. 实验结果表明，该阿达玛变换光谱仪具有高光通量、提高5倍的信噪比、较小的光谱带宽(3.5 nm)等特点，可为微弱光谱信号的检测提供便利条件；光谱仪选择的近红外探测器无需制冷，降低了阿达玛变换光谱仪的制作成本，具有更强的市场竞争力.

根据阿达玛变换光谱仪的原理与狭缝衍射特性, 分析了光谱仪入射狭缝衍射对阿达玛变换光谱仪测量结果造成影响, 对衍射情况下的阿达玛变换光谱仪的仪器结构矩阵进行了研究, 得出了衍射情况下阿达玛变换光谱仪的编/解码方法, 通过对入射光谱的还原分析, 验证了编码/解码的正确性。 该方法对阿达玛变换光谱仪的高精度光谱测量具有重要意义。

设计了一种双色散二维调制的阿达玛变换光谱仪， 利用光栅在水平方向的谱级色散和棱镜在垂直方向的谱线色散进行二维分光。 与传统的二维光谱CCD探测方法不同， 该设计独辟蹊径， 采用面阵数字微镜对二维光谱进行阿达玛调制， 并利用单点式检测器进行光信号的检测。 理论计算及光学仿真表明， 与传统的二维光谱探测仪器相比， 该光谱仪不仅具有高的分辨率， 同时还具有很高的信噪比。

为平衡光栅色散型光谱仪光通量、系统信噪比和光谱分辨率之间的矛盾，介绍了一种基于微狭缝阵列的静态双增益阿达玛光谱仪.在分析其实现静态双增益工作原理的基础上，阐述了由于阿达玛编码模板多狭缝阵列引起的光谱重叠的原因.为实现静态双增益阿达玛光谱仪光谱重叠校正，理论推导了光谱偏移量与阿达玛编码模板狭缝空间位置之间的关系，以及分光后某波长空间错位量与码元（狭缝）空间位置、波长之间的关系.仿真实验验证了此方法简单有效，无需复杂计算，修正速度快，易于编程实现.

构建了一个基于数字微镜技术的新型阿达玛变换近红外光谱仪。 光学信号采用光纤引入, 以光栅作为分光元件, 利用数字微镜代替传统的机械式阿达玛模板进行光学编码调制, 使用单点InGaAs红外探测器检测调制后的光信号, 通过快速阿达玛解码还原出原始光谱。 通过实验检验了光谱仪的分辨率、 信噪比、 稳定性以及谱图获取速度等指标。 实验结果表明, 所研制的光谱仪灵敏度高, 信噪比高, 响应速度快, 体积小巧, 其在油品检测、 食品安全等行业有着广泛的应用前景。

提出一种运用微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical systems, MOEMS)闪耀光栅, 动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪。 它具有体积小、 价格低、 扫描速度快等突出优点。 分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理, 通过对MOEMS闪耀光栅编程, 动态生成了63阶阿达玛模版。 实验得到的光谱波形与岛津光谱仪测量结果吻合。 检测波长范围为900～1 500 nm, 分辨率为19 nm, 单次扫描时间2.4 s, 信噪比为44.67∶1, 光路尺寸为70 mm×130 mm, 总体重量<1 kg, 符合实时、 便携的要求。

简要叙述了色散型阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成, 指出其存在空间信息与光谱信息的错位和光谱分辨率受阿达玛编码模板码元宽度制约的缺陷。 提出空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像技术原理及仪器, 利用横向剪切干涉仪获得所有阿达玛编码光信息在不同光程差处的干涉信号, 对干涉谱进行傅里叶变换和阿达玛变换得到目标的光谱。 理论分析表明, 干涉图的调制度不受阿达玛模板形状、 大小等因素的影响, 光谱分辨率与阿达玛模板的尺寸无关, 不但避免了色散型阿达玛变换光谱成像仪中空间信息和光谱信息的错位, 而且高能量通过率、 高空间分辨率和高光谱分辨率成像容易同时实现。