近红外光谱涵盖了有机分子中C—H, N—H和O—H等含氢基团的倍频和合频产生的光谱, 提供了分子的结构、 组成、 状态等信息, 是研究有机物含氢基团振动的重要方法, 常用于食品、 农作物等的定性定量分析。 生化领域内所研究对象也都含有氢基团, 这些含氢基团吸收频率特征性强, 受分子内外环境影响小, 近红外光谱特性更稳定, 故可用于化学战剂和危险化学品检测。 沙林是一种神经性化学毒剂, 研究其结构、 化学特性及光谱性质时, 为保证安全, 实验中常用模拟剂样品代替测试, 但目前尚无公允的沙林毒剂近红外模拟剂。 采用密度泛函理论(DFT), 基于Gaussian程序包, 利用B3LYP/def2-SVP对沙林分子进行基态结构优化, 计算了沙林分子的精细结构和分子基频振动模式, 引入广义二阶微扰理论(GVPT2)建立了模拟生化毒剂近红外光谱的理论模型, 得到近红外振动峰与主要振动模式, 由倍频(Overtones)和合频(Combination Bands)振动绘制得到近红外光谱。 对沙林在近红外区域内的含氢基团进行解析, 对其特征峰进行指认, 得到沙林分子在1 150、 1 362和1 500 nm处的三个特征峰及其振动模式, 其中1 150 nm峰是由多个倍频和合频的组合振动贡献产生; 1 362 nm是一个较宽的吸收振动峰, 主要由分子中与C原子相连的原子合频和其他的非C, H原子产生的倍频或合频引起的; 1 500 nm位置的近红外振动峰主要由C8相关的振动模式贡献产生。 通过密度泛函理论建立沙林的近红外光谱理论模型, 通过实验验证了其理论模型的可行性, 为寻找其近红外光谱模拟剂提供理论支撑。

为提高液晶可调谐滤波器(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)的光谱采集效率, 提出了一种适用于 LCTF光谱成像系统的快速采集方法, 设计构建了更加完善的观测矩阵, 在压缩感知理论框架内实现了光谱超分辨率重建, 并通过实验验证了该方法的可行性。实验结果表明, 在采样率为 18.08%(采样步长 30 nm)时, 重建得到的 4.81 nm分辨率光谱与传统全采样光谱的相关系数为 0.91, 超分辨率重建峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR)为 99.63 dB, 采集速度是传统方式的 5.53倍。该方法在保证光谱分辨率和光谱识别准确率的前提下, 实现了光谱数据的快速和轻量化采集, 为动态目标测量和快速检测提供了可行的技术途径, 拓展了 LCTF光谱成像技术的应用场景。

被动红外气体遥测系统具有成本低、体积小、便于扩展等优点。利用窄带滤光片进行被动红外气体探测时,为抑制信号漂移和背景噪声干扰,需要对信号进行调制、滤波和锁相处理。系统接收的测量信号受斩光器辐射的影响较大,需要对测量过程进行辐射建模分析。本文研究了基于锁相放大的被动红外探测辐射模型,提出了在锁相放大算法后添加相位判断的信号处理方法;设计并搭建了被动式气体多光谱探测系统,在实验室对系统进行定标,并开展了不同温度黑体的测量实验。结果表明:实际测量的各通道辐射值与所建模型的结果比较吻合。本研究为基于锁相放大的被动红外信号提供了模型基础和实验验证,并为便携式近距离气体遥测系统的研制提供了参考。

离子迁移谱（IMS）是一种常压下快速、 高灵敏度的痕量化学物质检测方法, 广泛应用于化学战剂、 爆炸物和毒品等检测领域。 在离子迁移谱定性和定量分析中, 采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外, 还包含了电噪声、 背景干扰等噪声, 特别是当分析物浓度低时, 噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。 为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率, 需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。 本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。 通过建立优化目标函数, 采用l1范数作为线性惩罚项, λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。 为了求解优化目标函数, 首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形, 采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解, 当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。 为了验证提出的方法性能, 分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯（DMMP）样本数据进行验证, 其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。 与此同时, 我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、 小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。 采用均方根误差（RMSE）和信噪比（SNR）作为评价指标, 实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取, 预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升, 为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。

归纳总结了现阶段国内外微型近红外光谱仪的发展现状，并对其原理结构以及优缺点进行阐述分析。最后对微型近红外光谱仪的发展前景进行了展望，微型近红外光谱仪在特定领域提高专用性的同时依然会朝着高信噪比、高分辨率、高稳定性、以及新材料、新工艺方向发展。

为了提升量子点光学器件使用性能, 本文提出采用点胶法制备量子点阵列并通过选择组分配比控制量子点胶点形貌。实验使用甲苯和 UV胶混合制成量子点胶水溶液, 研究了甲苯和 UV胶在不同配比下制作的量子点胶点的形貌特征, 实验证明当甲苯与 UV胶配比合适时, 点胶机打印阵列具有形貌良好、发光均匀、无咖啡环效应、打印精度高、阵列整齐等优点, 随着组分配比中甲苯含量的增加, 量子点胶点圆度、发光均匀性、一致性及排列整齐度均降低。因此通过改变组分配比, 可有效控制及优化胶点形貌, 提高量子点阵列的一致性与发光均匀性, 对提高量子点器件的灵敏度及分辨率等具有重要意义。

被动遥测红外信号的精确解译, 对远距离、 非接触获取污染云团信息具有重要意义。 然而, 测量过程中的光谱畸变阻碍了这一目的的达成。 针对遥测信号中的谱线畸变问题, 提出了一种利用线形函数模型自适应补偿傅里叶变换红外光谱仪光谱线形函数的方法。 通过对傅里叶变换光谱仪线形函数的成因分析, 结合实际仪器设计参数, 从理想线形函数、 固有线形函数和相位误差三个方面构建线形函数模型; 在此基础上, 以实测畸变光谱与理论仿真光谱的均方误差作为代价函数, 利用迭代优化方法实现了对实际线形函数关键参数进行估算的算法流程; 将重构得到的线形函数应用于理论光谱补偿, 显著减少了理论仿真光谱与实测光谱之间的差异。 分析结果表明, 理想线形函数主要影响谱线展宽及旁瓣幅值; 固有线形函数造成向低频方向的非对称展宽; 而相位误差则会造成谱峰非对称。 必须在理论仿真光谱中综合考虑三种来源线形函数的贡献, 才能有效建立测量光谱和待反演云团参数之间的联系。 实际线形函数畸变参数的获取和补偿应用, 有助于提高红外遥测信号的定量解译水平。

为了实现对甲烷体积分数场的2维分布重建, 基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)检测技术, 以甲烷为目标气体, 采用直接吸收的测量方式, 探测了甲烷氮气混合气的吸收光谱信号, 通过代数重建算法对甲烷体积分数进行了模拟重建和实验研究, 模拟重建采用了6×6共36个方格的正方形重建区域, 假定一个方形区域内具有空穴的体积分数分布, 模拟24条光束从4个方向穿过重建区域, 获取了模拟光线下的投影值。结果表明, 经过重复实验统计均方根误差在2.58%, 对模拟投影信号加入不同信噪比(5%, 10%, 20%)的高斯白噪声之后再进行重建, 均方根误差分别在4.17%~9.30%之间; 实验研究采取面源泄露式扩散方式, 并通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造体积分数空穴, 形成非均匀体积分数场, 通过对放置障碍物前后的重建结果对比, 能够看到在空穴位置有明显的体积分数下降。TDLAS技术与计算机断层重建技术在气体体积分数场的局部分布检测上有可行性, 具备作为有毒有害气体云团体积分数分布检测手段的潜力。