从激光陀螺的锁区理论模型出发, 通过研究激光陀螺的锁区、综合背向散射以及光强信号之间的关系, 分析了光强信号中所包含的锁区信号的特性, 设计了滤波处理电路和信号提取算法, 通过多阶滤波、精确采样和坐标变换跟踪, 将光强信号中提取出的锁区信号进行控制, 抑制了综合背向散射, 充分发挥光学器件的性能, 可降低激光陀螺仪长时间工作产生的零偏漂移, 提高激光陀螺的零偏稳定性。

根据激光陀螺抖动机构传递函数、抖动过锁理论、抖动加噪信号以及噪声的传递特性,研究了平稳随机调幅信号通过抖动机构的传输过程,从而确定了抖动随机噪声的理想带宽［0,0.1fd］,并通过实验进行了验证,该带宽的抖动噪声信号以及加噪后的抖动输入、输出信号均能满足通过抖动机构的传递需求,有助于进一步深刻理解激光陀螺的抖动机构特性,提高抖动控制精度。

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、 速度快、 灵敏度高、 非接触测量等难以取代的优势, 成为燃烧过程诊断等应用的首选, 可以有效用于氧气测量。 DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、 功耗低、 寿命长、 线宽窄、 波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择, 而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。 根据TDLAS氧气测量系统工作要求, 采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、 温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析, 发现出射光谱窄线宽、 高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显, 电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、 调谐速率约0.023 nm·mA-1, 温度越高阈值电流越大、 PI曲线也并非严格线性, 温度调谐特性曲线线性较好、 波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃-1。 可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显, 影响氧气测量精度。 温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除, 电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。 为了进一步解决电流波长调谐非线性问题, 根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合, 考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。 这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合, 方案合理、 实现简单且不影响测量过程。 实验证明, 补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm, 远小于补偿前的22 pm, 效果明显, 为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, 简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、 快速响应、 非接触式、 环境适应性强等优点, 能够实现燃烧温度、 组分浓度、 速度等参量的实时动态在线测量。 为准确测量高温下的水汽浓度, 采用窄带半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了常压下1.39 μm附近水汽在773~1 273 K温度范围内的吸收光谱, 利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度, 找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73 cm-1, 首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法, 该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理, 浓度测量的标准误差低于0.2%, 相对误差低于6%。 通过实验验证了该测量方法的可行性。

中红外为分子的基频吸收带，利用可调谐二极管吸收光谱（TDLAS）技术，扫描气体的单根吸收谱线，可以对温室气体进行高灵敏度探测。介绍了利用2704 nm波段激光器结合直接吸收的方法对温室气体进行探测的小型化光谱仪的研制。利用数字信号处理器(DSP)对吸收信号进行采集处理，并根据环境温度值和海拔高度对气体吸收浓度进行校正，同时对激光器波长进行锁定，保证了探测精度，最后对结果数据进行存储。系统采用电池供电，响应时间为1.6 s，检测限为5×10-7，实验对系统进行了长时间测试，验证了系统的稳定性和可行性。

氧气是发动机燃烧过程的必需成分，在飞行器进气道进行氧气监测需求迫切。针对飞行器上的工程要求和应用特点，设计了一种波长线性扫描可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)短光程系统结合有限冲击响应(FIR)滤波二阶导数谱算法的方案完成了氧气吸收微弱信号的提取和浓度反演。根据TDLAS工作原理和吸收信号特征，对二阶导数谱用于气体浓度反演的理论依据进行了推导，在此基础上提出一种基于FIR的数字滤波方案来完成吸收信号的噪声滤除和二阶导数谱的提取。实验结果证明，该方案简单易行，提高了检测信噪比，降低了检测限，浓度反演结果准确、线性良好。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点，在环境检测、工业过程检测等方面具有很好的应用前景。但是TDLAS系统在长期连续工作时，存在激光输出波长随环境温度变化而发生漂移的问题。针对这一问题，研究了激光输出波长随环境温度变化特征及其对光谱处理的定量影响。为了消除激光输出波长的漂移，设计了基于ADμC841的温度补偿电路。根据环境温度实时调整激光器的温度，对激光器进行谱线锁定，在温控实验箱中进行了实验，当环境温度为20 ℃～60 ℃时，激光器的波长漂移量为4.1 pm。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术, 具有高分辨率、 高灵敏度和快速测量等特点。 波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号, 用于气体浓度信息的反演。 利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink, 模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号, 利用锁相放大原理提取二次谐波分量。 采用数字锁相, 正交双通道结构实现锁相算法。 通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况, 分析了二次谐波信号与调制系数的关系, 以便确定最佳参数, 用于二次谐波的提取。

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的传感器系统性能受激光器特性、探测器特性、调制参数、激光器控制电路和信号采集电路等的影响。激光器和探测器特性与当前的生产制造水平密切相关，对于直接吸收法，调制参数主要指扫描幅度和扫描频率，而扫描幅度的确定以得到完整吸收信号为准。对扫描频率的选择和优化进行了详细的讨论。在一定的理论基础上通过实验分别观察各扫描频率对直接吸收信号的影响，通过分析检测信号的特征, 如幅值、半峰全宽、调整的判定系数、信噪比、积分吸光度及偏差等得出其变化规律，总结出扫描频率的选择依据。该研究为TDLAS直接吸收法中扫描频率的确定提供了实验依据。

利用输出波长在2.0 μm处的分布反馈激光器对CO2气体的两条特征谱线进行扫描以实现气体温度的测量。介绍了利用可调谐激光吸收光谱方法进行温度测量的基本原理，提出了用多线组合非线性最小二乘法拟合高温吸收光谱的吸光度方法。常压下在静态高温炉中进行了实验，设定温度为900 K～1200 K时，经实验得到的温度值与热电偶测量值的温差在8%以内，计算得到CO2的5007.7874 cm-1吸收线强与理论计算值相对误差小于14%。为今后的气体温度测量及多参数同时测量提供了借鉴。