山药是一种富含多种物质的中药材，确保山药的安全使用具有重要的意义。使用Gaussview/Gaussian09w软件对农药倍硫磷、三唑磷和福美双进行理论计算，结合农药标准溶液的表面增强拉曼光谱（SERS），确定了三种农药的拉曼特征峰。利用自组装共聚焦显微拉曼光谱仪，以金纳米溶胶作为SERS的增强基底，对中药材山药中倍硫磷、三唑磷、福美双农药残留进行了研究。实验优化了待测农药、盐酸、金溶胶粒子体积配比。实验结果表明：倍硫磷农药的拉曼谱峰带在717，1050，1221 cm^-1附近，最低检测限达到1 mg?L^-1，且在5~15 mg?L^-1范围内的拉曼峰强度与倍硫磷浓度的线性度（R）为0.9762；三唑磷的拉曼谱峰带在611，978，1001，1321，1408，1597 cm^-1附近，最低检测限达到1 mg?L^-1，在5~9 mg?L^-1范围内的R为0.9087；福美双的拉曼谱峰带在556，865，1146，1506 cm^-1附近，最低检测限达到0.1 mg?L^-1，且在0~20 mg?L^-1范围内的R为0.9905。以金纳米溶胶作为SERS增强基底的拉曼光谱检测技术有望实现对中药中农药残留的现场快速检测。

在传统的喇曼光谱检测过程中,喇曼光谱的有效信号有时会被荧光背景淹没,难以识别。为了准确、有效地分离差分信号和基线偏差,将差分喇曼技术和误差反向传播神经网络算法相结合,提出了差分喇曼解调和去噪算法,并进行了理论和实验验证。对市售的百草枯、补肾丸、机油以及海洛因等荧光较强的物质进行了检测分析。结果表明,可以得到有效的物质喇曼特征谱图。很好地解决了目前行业应用中检测的难题。

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展, CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化: （1）采集到的光谱对信号进行叠加积分, 传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动; （2）对于谱图噪声（谱线随机波动）, 由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、 探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。 噪声类型发生改变, 导致原有的光谱质量评价方法适用性变差, 基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。 根据拉曼光谱仪检测器的变化, 对采集光谱信号的成分进行分析, 在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设, 根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离, 并对噪声频率模式进行了数值模拟, 模拟结果与假设相符; 在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法, 该方法包括以下两个步骤: （1）通过采集多次实测光谱进行叠加, 叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计, 得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声; （2）应用上述分离结果, 对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均, 再将该值应用于文中公式, 计算得到信噪比。 该方法在进行了步骤（1）的前期准备后, 可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声, 并用于评估光谱的信噪比。 基于光学构架相同、 CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验, 采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制, 获得了一致的光谱曲线; 基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合, 拟合优度达到98%。 该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。 理论和实验表明: 对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器, 当确定样品和特征峰时, 可以基于此方法获得信噪比。 该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备, 以及作为控制谱图质量一致性的标准, 并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。

基于谱库的匹配识别是应用拉曼光谱进行物质成分鉴别的关键, 会直接影响匹配结果的准确性。在谱库匹配中, 尤其是针对混合物的光谱, 利用单一的匹配特征无法全面反映被测样本光谱与谱库光谱的相似性, 光谱匹配识别时需要综合考虑多种匹配特征。采用逻辑回归数学模型融合谱峰匹配系数、非负最小二乘匹配系数以及夹角余弦匹配系数, 提出了一种新的光谱集成匹配方法。该方法既考虑了被测样品的谱峰信息, 又考虑了其全谱信息。基于20种氨基酸混合物拉曼光谱谱库匹配的实验结果表明：所提光谱集成匹配方法具有更低的误判率。

为消除拉曼光谱检测中样品装载容器的荧光背景干扰,利用样品拉曼信号光与容器产生的荧光不共焦的特性,设计了一种双轴共焦的检测光路结构。实验结果表明:来自容器的荧光干扰幅度出现数量级的衰减,拉曼信号光幅度下降了约30%;双轴共焦拉曼检测方法能够避免传统共轴共焦检测方法中拉曼信号光和荧光混合接收的问题,解决了荧光干扰对拉曼信号动态检测范围的限制,实现了对荧光材料容器装载样品拉曼信号的有效检测。

提出了一种新的拉曼光谱谱峰判别算法，采用Voigt函数作为拟合函数，对小波变换脊线寻峰后得到的谱峰进行拟合处理，将拟合前后的谱峰相似度作为判别谱峰的依据，可有效识别与噪声幅值相近的小幅值拉曼信号。通过与已有的两种谱峰判别方法进行对比，在误判率为5%的情况下，该算法准确率提高了60%；在准确率高于90%的情况下，该算法误判率降低了10%。

针对氨气(NH3)和二氧化硫(SO2)气体吸收谱线在196~214 nm 波段区域存在谱线重叠的问题，在采用傅里叶变换的差分吸收光谱法测量气体浓度基础上，采用分波段方法，解决NH3 和SO2 特征频谱相互串扰对测量的影响，采用非线性修正方法，解决在SO2 高浓度情况下出现的非线性吸收对NH3 气体测量的影响，采用经验模态分解(EMD)降噪处理方法，提高信噪比，最终实现对NH3和SO2气体浓度的同时准确测量。实验结果显示，NH3各个浓度测量误差均在±0.15 mL/m3以内，相对误差不超过±1.5%，最低可探测浓度为1.5 mL/m3；SO2各个浓度测量误差均在±2 mL/m3以内，相对误差不超过±1%，最低可探测浓度为16 mL/m3。

研制了一套基于数字反馈稳频的便携式瓦斯浓度遥测装置，采用电流和温度双重反馈稳频的策略抑制了激光器波长的长期漂移，同时也保证了光功率的长期稳定性。实验结果表明，9 h内激光器波长的长期漂移小于1.2 pm，光功率保持稳定，保证了瓦斯浓度的长期连续稳定的测量；不同距离下浓度测量值重复性较好，浓度波动小于5%，满足实际环境中(如天然气管道泄漏、煤矿等)瓦斯浓度测量需求。

针对多普勒测风激光雷达系统的应用需求，研制了一套结构紧凑、操作灵活的Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频系统。直接数字频率合成器(DDS)产生激光器高频相位调制信号，模拟混频器解调激光器的频率漂移信息，高集成度的数字信号处理器(DSP)作为稳频控制系统的心脏，负责整个稳频系统的总线控制、信号处理及比例积分微分(PID)伺服等。实验表明，在2.5 h内激光器的相对频率漂移不超过±17 kHz，其均方根(RMS)误差为5 kHz，绝对频率稳定度优于200 kHz。在主动对法布里珀罗干涉仪(FPI)施加6 Hz固定扰动时，系统能够在30 ms内迅速恢复稳定。满足直接探测多普勒测风雷达系统中0.1 m/s测风精度的应用需求。

A robust charge-coupled device (CCD) photoelectric autocollimator for outdoor use is designed and demonstrated. The influence of outdoor conditions on the signal-to-noise ratio (SNR) and imaging quality of the measuring system is experimentally analyzed. The pulse width modulation technology is applied to the automatic feedback control of the actively regulated illuminating light source of the measuring system to maximize SNR while avoiding image saturation. A Fourier phase shift method for subpixel estimation is adopted to achieve high-accuracy measurement in the presence of noises. Experimental results indicate that the technologies proposed here largely improve the measuring stability, dynamic range, and accuracy of the CCD photoelectric autocollimator used outdoors.