大气边界层与人类关系最为密切,它的高度分布直接反映了近地面的大气状况。而今激光雷达已成为探测大气 边界层时空演变特征的最有效手段,但如何从大量的测量数据中精确提取大气边界层高度则成为限制其应用的主 要问题。介绍了四种常用的大气边界层高度提取方法,即梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差变换 法,并结合自行研制的偏振拉曼-米散射激光雷达的实测数据,分别对四种方法的提取结果进行分析。结果表明: 四种方法各有优缺点,梯度法、标准偏差法和小波协方差变换法比较相近,准确性高但不稳定；而曲线拟合法 的稳定性好,但提取结果相对折中。总体而言,曲线拟合法更适用于大量数据的批处理运算。

光学元件可能抑制或者加强大气湍流对激光传输性能的影响。研究了激光束在含有光学元件的湍流大气中的传 输问题。根据空间滤波器原理,推导了激光束的随机偏转的解析表达式。作为一个特例,研究了高斯光束 通过含有单个凸透镜的湍流大气的光束偏转,对其进行了数值计算,并与不存在光学元件时的光束漂移 进行了对比。研究表明：不论光束是准直还是非准直的,光束偏转整体上都随传输距离的增加而增加,变 化趋势基本一致,当传输距离相等时,存在凸透镜时的光束偏转都要小于不存在透镜时的光束漂移,激光传输性能得到改善。

基于自主搭建的加湿串联差分迁移率分析仪(hygroscopic tandem differential mobility analyzer, H-TDMA)和实 验室烟雾箱模拟系统,分别对有无种子气溶胶(硫酸铵)存在的条件下,苯乙烯臭氧氧化反应体系产生的二次有机 气溶胶(secondary organic aerosol, SOA)的吸湿性进行了研究。通过对反应产生的不同粒径 的SOA粒子(70 nm, 85 nm, 100 nm)的吸湿性测量,发现无论有无种子气溶胶的存在,产生的SOA粒 子的吸湿生长因子(growth factor, GF)(相对湿度为85%)都随着反应时间的继续而逐渐增大; 并且在有硫酸铵种子气溶胶存在的条件下产生的SOA的吸湿性比无种子气溶胶情况下产生的粒子的吸 湿性更强,但比纯的硫酸铵无机气溶胶的吸湿性要小。分析表明随着氧化反应的进行,更多的吸湿 性较大的高极性氧化产物分配到SOA粒子中,导致这些粒子的GF由反应初始阶段的<1逐渐增大到>1; 而在有种子气溶胶存在的条件下产生的SOA粒子,由于受硫酸铵种子气溶胶较强吸湿性的影响, 比没有种子气溶胶时产生的纯SOA相对要强,但这种影响受限于外层包裹的有机组分的较低的吸湿 性(相对于硫酸铵),因此远小于纯硫酸铵气溶胶的吸湿生长因子。而不同粒径的SOA粒子的吸湿性生 长因子随时间的演化关系所表现出来的一致性,也表明了在本实验条件下,产生的SOA气溶胶粒子的化学组成不依赖于粒子的粒径。

为了研究云的地面长波辐射强迫与云的关系,利用SBDART辐射传输模式模拟了云量、云底高和云光学厚度对云 的地面长波辐射强迫的影响,并对国内外学者研究的云的地面长波辐射强迫随云量变化的非线性原因进行了理 论分析。结果表明：对相同的云,在不同的大气条件下,地面长波辐射强迫是不同的；云的地面长波辐射强迫 随云量的增大而增大,随云底高的增大而减小,随云光学厚度的增大而增大,当光学厚度大于10以后,几乎不再增 大。随云量的增加,低云和光学厚度大的云出现概率增大,是云的地面长波辐射强迫随云量变化呈非线性的两个原因。

利用可调谐二极管吸收光谱技术结合开放式长光程技术对大气中痕量气体进行浓度监测的过程中,受到 昼夜光强变化和大气能见度变化等因素的影响,信号在采集时变化幅度比较大,放大后的信号幅值有 可能超出A/D转换的量程。设计了一种信号自动增益调节模块,应用在激光检测系统的信号放大处理过程 中,并在福建泉港石化园区内对大气开放环境中的氨气浓度进行了连续监测。园区监测结果表明园区氨 气浓度具有日变化周期:早晚浓度低,中午浓度高,主要来源于燃料燃烧和工业排放。解决了信号采集过 程中信号幅度大幅变化的问题,验证了增益自动调节模块的功能,实现了稳定连续的痕量气体检测。

为了研究猪瘦肉与肥肉、五花肉在冷藏过程中的挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)特 征,利用自主研制的质子转移反应质谱分别对三类猪肉在低温冷藏过程中产生的VOCs进行定时直 接检测,得到了不同猪肉在新鲜时和变质后的VOCs质谱图以及冷藏过程中特征VOCs的变化趋势图。分析 发现乙醇是三种新鲜猪肉的共同VOCs特征,而新鲜肥肉的特征是顶空存在乙醛,新鲜五花肉则具有二 者的共同特征。冷藏过程中,三类肉的顶空VOCs在1～9日内均处于相对稳定阶段,之后变化的共同特征 是乙醇等不含硫VOCs浓度迅速上升后下降,而二甲基二硫醚等含硫VOCs浓度开始上升,但各类猪肉 顶空的VOCs浓度比率及变化快慢有较大区别。

多光谱彩色合成图像是直接提取多光谱图像中的R、G、B波段合成的彩色图像。但由 于多光谱成像探测器光谱响应性能的差异,造成合成的彩色图像偏色严重,为了重现真实色彩,需进行颜色校正。针 对目前传统白平衡法与色度学合成法的不足,提出了一种基于光谱信息的改进白平衡法,用于多光谱彩色 合成图像的颜色校正。经实验验证,该方法不仅实现简单,校正过程中不需要标准真彩色图像,也不需要 预测图像中所有地物的光谱反射率,而且改进了传统算法,获得的图像更为真实。

为了解决传统气溶胶科学数据共享系统中由“信息孤岛”现象带来的诸多问题,从气溶胶科学数据共享的 现状以及存在的问题出发,结合对气溶胶科学数据共享的需求,通过对气溶胶实验数据分类及其特点的 分析,采用C#语言和服务器/浏览器(B/S)多层架构体系,开发出基于web浏览器的具有数据存储、数据管 理、检索查询、可视化分析等功能的气溶胶实验数据共享系统,为后续研究提供了一个高效、可靠、便捷 的数据管理和分析平台。

利用Actel公司的FPGA设计Endat数据通信接口,实现与绝对值型编码器ECN1313的数据通信。该设计方案以Actel公 司的A3P060为硬件设计平台,在LiberoIDE v9.0开发环境中,使用Verilog语言对通信时序进行硬件描述,并采用 第三方软件ModelSim6.0进行功能仿真。结果表明, FPGA能够实时获取绝对值编码器的位置值,同时定位精度能 够满足多角度偏振辐射计采样角度定位的高精度要求,为仪器探测大气偏振光谱信息提供了保障。

现在国外商用ZYGO干涉仪可提供一些基于ISO10110-5的面形评价参数,而国内的自制干涉仪还 没有这项功能。IS010110-5中提出这些面形评价参数的计算可以通过波面分解的方法实现。运 用Gram-Schmidt最小二乘法拟合得到Zernike多项式系数,再从包含被测信息的原始波面中依次减 去各种表面面形偏差,就可实现对这些参数的定量分析。通过与ZYGO干涉仪的输出对比,验证了自 编拟合程序所得数据的有效性,而通过波面分解得到的各种干涉图也有益于光学加工者分析偏差 原因和器件应用后果。

设计了一种应用于工业气体在线测量的垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)恒流驱动电 路。阐述了该恒流驱动电路的组成和工作原理,设计了延时和调制功能,可以安全稳定驱动VCSEL。以测量氧气的VCSEL为 例,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术对不同浓度的氧气进行测量,得到了较好的拟合系数,验证了驱动电路对VCSEL输出 波长控制的稳定性,因此这种恒流驱动电路具有实际应用到工业气体监测中的潜力。

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能。针对长波红外光 谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结 构的小型光栅光谱仪。首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测 灵敏度。然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计。最后 在光学软件Zemax中进行模拟和优化。设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14 μm,光谱 分辨率优于80 nm,光学系统尺寸约为100 mm×75 mm×45 mm,满足小型化要求。同时采用扫描光 栅配合单通道探测器的方式降低成本。