激光诱导荧光（LIF）技术是一种主动式的遥感光学探测技术。土壤是常见的天然多孔介质，与石油混合后油滴会进入其孔隙内部，其独特的结构可以使光线发生多次反射和吸收，这种现象导致LIF探测土壤石油污染物获得的荧光分布具有差异性。笔者根据土壤含油量的多少以及分布特点，将土壤石油污染物分为油泥与含油土壤，基于蒙特卡罗方法和多孔介质的隐函数表示法，分别建立油泥和含油土壤的荧光仿真模型，采用荧光转换效率（接收荧光功率与发射激光功率的比值）表征荧光强度，从不同出射方向分析发射出土壤的荧光分布情况。通过模拟不同油品污染的油泥和含油土壤在不同入射天顶角、孔隙率、孔隙密度下的荧光转换效率，分析不同油品、LIF系统参数和土壤因素对荧光分布的影响。仿真结果表明：对于同种石油污染的油泥和含油土壤，油泥因较高的含油量导致荧光信号强于含油土壤；当激光垂直入射时，LIF系统收集的荧光信号强度最高，入射角度增大会导致荧光信号强度逐渐减弱；土壤石油污染物的荧光强度会随着孔隙率的增大而增大，随着孔隙密度的增大而减小；在激光照射下，轻质原油污染的土壤由于吸收系数较低，产生的荧光信号要弱于重质石油污染的土壤。本研究为LIF探测陆地溢油污染提供了理论和技术支持。

利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术实现气溶胶流场的实时探测，对气溶胶流场运动的研究有着重要意义。针对PLIF气溶胶流场实时探测中微弱信号可视性较差的问题，提出一种信号强度分类变换方法，根据信号强度特征设定限制条件，通过迭代将信号分为若干强度区间，并对各区间内信号强度重新规划赋值。将强度分类变换方法应用于PLIF气溶胶流场探测的荧光信号处理，与限制对比度自适应直方图均衡化（CLAHE）的处理结果相比，该方法在大动态范围荧光信号的微弱信号增强、噪声抑制方面具有较好的效果，对微弱信号信背比的提升超过20%。针对气溶胶流场不同变化阶段，所提方法可以实现25 frame/s的实时处理，满足对气溶胶流场荧光信号实时探测的要求。

荧光激光雷达对气溶胶云团进行远程侦测时，常利用决策树法对云团的荧光光谱信号进行识别。当大气能见度较差或背景辐射较强时，激光雷达的信噪比下降，导致分类识别的准确性明显降低。针对这一问题，提出了一种基于特征提取的决策树分类方法，该方法充分利用荧光光谱信号的信息，具有较强的适用性。首先介绍了生物荧光光谱的特点及传统识别算法和改进识别算法的原理；然后实验测试了6种生物溶液的荧光谱，并通过在这6种生物物质的荧光光谱中增加不同强度的噪声，对两种分类识别算法的性能进行了对比分析。结果表明：所设计的基于特征提取的决策树算法的训练时间基本不随噪声大小改变，当光谱信号的信噪比为10时，对6种生物物质的识别准确率基本达到80%以上；对于两种荧光光谱极其相似的生物，具有较强的区分能力，识别准确性优于传统识别算法；抗噪能力较强，提高了生物气溶胶激光雷达的探测识别能力。

海上溢油事故不仅造成极大的石油资源浪费, 而且严重威胁生态环境。 因此, 利用荧光光谱对油膜厚度进行快速无损检测对于有效评估溢油量有重要意义。 基于激光诱导荧光(LIF)技术对海水表面0#柴油、 5#白油油膜的荧光光谱进行检测, 进而实现对油膜厚度的量化分析。 首先使用SG平滑滤波对原始光谱数据进行预处理以减少原始光谱中的背景噪声。 然后采用间隔随机蛙跳算法(IRF)结合变量子集迭代优化法(IVSO)对获取的全光谱数据进行波长选择以剔除冗余变量, 将经过二次筛选出的光谱特征波长作为偏最小二乘回归(PLS)的自变量输入数据建立油膜厚度反演模型。 该方法第一步利用IRF从全光谱数据中筛选出特征波段, 再利用IVSO对特征光谱波段组合进一步筛选出特征波长变量, 从而有效提高优选出的特征波长建立油膜厚度反演模型的预测能力和稳定性。 将IRF-IVSO与全光谱及移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)、 间隔随机蛙跳算法(IRF)、 变量组合集群分析法(VCPA)、 变量子集迭代优化法(IVSO)四种波长优选方法进行对比, 发现IRF-IVSO筛选出0#柴油数据和5#白油数据的特征波长数量分别占全光谱数据的4.48%和19.40%。 将全光谱及上述波长优选方法筛选出的特征波长作为输入建立PLS模型进行分析讨论。 结果表明, 特征波长选择方法结合PLS所建立的不同模型预测能力和效率较全光谱有明显提高。 其中, IRF-IVSO结合PLS所建立的油膜厚度反演模型预测效果最优, 该模型可以实现对厚度分别为0.141 5～2.291 8和0.052～0.980 mm的0#柴油及5#白油油膜的有效反演, 柴油油膜测试集相关系数RP可达到0.961 1, 测试集均方根误差RMSEP为0.137 5, 白油油膜测试集相关系数RP可达到0.971 2, 测试集均方根误差RMSEP为0.079 0。 该研究表明, IRF-IVSO通过结合区间波段筛选和单一变量选择能够有效而稳定地筛选出特征波长变量, 结合PLS建立的油膜厚度反演模型能够实现可靠预测。

微囊藻毒素-LR（MC-LR）具有强烈的肝毒性、 致癌性和发育毒性, 亟需严格监测。 为实现环境水体中微痕量MC-LR的快速特异灵敏的分析识别, 以金属有机框架化合物（MOF）为介导, 增强磁纳米粒子比表面积, 高效负载纳米金和适配体-cDNA分子杂交荧光探针, 研发新型的适配体功能化磁纳米荧光探针（Fe3O4@MIL-101-NH2@Au@aptamer）, 实现了对MC-LR的适配体特异识别-激光诱导荧光（LIF）超高灵敏分析。 论文详细研究了适配体磁纳米探针荧光检测MC-LR的可行性、 MC-LR测定的优化条件及其方法性能。 结果表明: MOF修饰的磁纳米颗粒Fe3O4@MIL-101-NH2的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积达到114.02 m2·g-1, 比单一Fe3O4提高了近5倍, 适配体-cDNA杂交荧光探针在磁纳米颗粒表面的修饰率达98%以上, 适配体磁纳米探针对水体中痕量MC-LR具有很强的荧光响应。 在最优条件下（pH 7.5、 NaCl浓度500 mmol·L-1、 纳米金尺寸为20 nm, 测定时间为30 min）, 适配体磁纳米探针与MC-LR结合释放出荧光互补链, 体系荧光强度与MC-LR含量成正比, 线性浓度范围为0.020~3.000 μg·L-1, 检出限（LOD）为0.006 μg·L-1, 灵敏度比文献报道的荧光分析法提高了1.6~22.3倍。 所建立的适配体磁纳米探针-LIF法对MC-LR的识别特异性高, 在100倍量的干扰物（微囊藻毒素MC-RR、 MC-YR、 大田软海绵酸OA) 共存情况下, 适配体磁纳米探针在混合体系中的荧光响应与在MC-LR单样中的响应强度偏差小于3.3%, 交叉反应性小; 日内、 日间和批间的测定标准偏差（RSD）为1.7%~8.8%, 相对误差RE为-4.3%~4.1%, 方法稳定性和重现性好。 该方法应用于闽江、 西湖水和内河水等样品分析, 水中MC-LR得到了良好的识别检出, 不同加标浓度的MC-LR（0.050, 0.100和1.000 μg·L-1）测定回收率为(90.1%±6.4%)~(104.2%±7.0%) (n=3), 与LC-MS确证方法的测定结果［加标回收率（91.3%±7.0%)~(104.4%±2.0%), n=3］一致。 所建立的适配体磁纳米探针与LIF联用技术对水中痕量MC-LR具有高的特异识别和灵敏检出能力, 为环境水中痕量MC-LR的现场特异识别分析提供了一个新的技术。

激发射泵浦激发Na2至Na2(ν″=30, J″=11)和Na2(ν″=45, J″=11)。 Na2(ν″)与CO2碰撞, 研究了CO2(0000)的全态可分辨转动分布及不同的Na2振动能对碰撞猝灭动力学的影响。 光学吸收法测量Na2(ν″)与CO2碰撞后的弛豫过程, 在一次碰撞的条件下, 确定了ν″, ν″-1及ν″-2各振动能级上的转动态分布, 而高于ν″的振动能级没有观察到, 从而得到碰撞过程中Na2转动能的改变。 在碰撞发生1 μs后, 测量CO2低J态的瞬时线轮廓, 利用双Guass函数拟合, 得到两个Doppler增宽轮廓, 一个是存在于J态粒子的Doppler半宽, 一个是被碰撞出J态粒子的Doppler半宽。 从存在于J态的Doppler半宽, 得到在Na2(ν″)/CO2碰撞中质心平移速度, 从而确定平均平移能的增加〈ΔErel〉。 Na2(ν″)振动能的增加与CO2平动能的增加有很大关系, Na2振动能增加35%, 而平动能增加56%。 从CO2的其他转动态碰到J态的出现速率系数kJapp由测量碰撞前和碰撞1 μs后的泛频激光感应荧光强度得到总的出现速度系数kapp=ΣJkJapp=(6.6±1.5)×10-10cm3·molecule-1·s-1［对Na2(ν″=30)］和(5.9±1.3)×10-10 cm3·molecule-1·s-1［对Na2(ν″=45)］。 因此Na2(ν″)/CO2的碰撞频率对Na2的振动能不是很敏感的。 取kapp作为参考速率系数, 得到了全部能量转移概率分布P(ΔE), 这里的ΔE包括了CO2转动能和平动能的变化以及Na2转动能的变化, 对于Na2分子振动能的较小增加, 会引起P(ΔE)曲线的迅速增宽, 在ΔE＞500 cm-1以后, Na2(ν″=30)/CO2的P(ΔE)曲线移到了Na2(ν″=45)/CO2的P(ΔE)曲线的下面。 P(ΔE)对ΔE在0～3 000 cm-1之间的数值积分给出〈ΔE〉trans=590 cm-1［对Na2(ν″=30)］, 而对Na2(ν″=45)则给出〈ΔE〉trans=880 cm-1。

海面上存在的溢油, 主要包括未乳化与乳化两种。 对海面溢油进行科学的探测评估, 有助于溢油污染的回收处理和应急方案的制定。 未乳化溢油, 主要以油膜形式存在, 其厚度成为溢油量的重要评估指标; 乳化溢油, 主要以油包水或水包油形式存在, 其油水比可作为评估依据。 激光诱导荧光（LIF）技术被认为是目前有效的海面溢油探测手段之一。 基于LIF探测技术的油膜厚度反演已有相关的算法, 但关于海面乳化溢油还没有相应的溢油量化方法, 而海面乳化溢油会给海洋环境带来更大危害。 所以对海面乳化溢油信息的分析和研究成为海洋激光荧光探测的迫切任务。 基于此, 从LIF系统探测机理出发, 提出一种针对油包水型乳化溢油的等效估算模型, 并推导出等效估算公式; 首先将油包水中连续相的溢油看作具有相同光学性质的油膜, 而所有分散相的水滴看成一个整体, 将其等效为薄水层, 为了将等效模型和实际乳化液存在的外部环境保持一致, 在薄水层上面再覆盖一个油面, 从而把油包水型乳化溢油的溢油量估算问题转换成等效油膜的厚度计算问题; 其次根据光的辐射传输过程, 建立系统接收的荧光信息的方程, 并整理出油膜厚度的计算公式, 即已知油种的前提下, 将系统测得的荧光强度值代入就可求得对应的厚度值, 进而实现溢油量的估算。 通过实例对等效模型产生的误差进行了具体分析, 验证等效模型估算方法的适用性和有效性: 即油包水乳化液的含油率和厚度均在一定范围时, 实际溢油厚度与等效油膜厚度具有较小误差。 该等效处理方法可为海面乳化溢油量的估算提供一种新的办法, 具有重要的指导意义和一定的创新价值。

水包油乳化液的溢油量是海面溢油污染评估分析的一个重要指标。 激光诱导荧光(LIF)是目前海面溢油遥感探测领域一项最好的技术之一。 基于LIF探测技术的海面水包油溢油量的评估目前尚无一套有效且完整的算法。 鉴于此, 首先设计了一种水包油乳化液溢油量的等效评估模型: 将水包油乳化液中分散相油滴假设聚集为漂浮在海面上的成片油膜, 如此就将水包油乳化液溢油量的评估问题转化为具有相同荧光效果的等效模型中油膜厚度的估测问题; 其次基于LIF探测机理和荧光辐射传输过程, 建立了LIF系统接收的荧光信号方程, 进而反演求得油膜厚度的计算公式; 最后选择具有代表性的重质、 轻质两种油品, 通过仿真实验验证了等效模型的正确性和将探测的水包油乳化液的荧光信号强度通过等效算法求取了油膜厚度, 并对等效误差进行了分析, 得出了等效评估算法的适用条件: 即当水包油乳化液的实际溢油厚度≤其荧光平稳时的最小溢油厚度时, 本文的等效评估算法具有较高精度, 其平均误差在8%以内; 而当实际溢油厚度＞荧光平稳时的最小溢油厚度时, 等效评估误差增大, 其平均值超出25%。 另外, 采用本文算法对重质、 轻质水包油乳化液的溢油量进行等效评估时, 实际溢油厚度分别不大于2和16 μm时可得到较好估测结果。 所以, 本文研究内容对基于LIF技术探测的海面水包油乳化液的溢油量评估是一种可行和有借鉴意义的方法。