海洋与大气交换的CO₂通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标, 其估算方法主要依赖于海水中CO₂的测量。 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)作为一种常用的气体浓度检测技术, 因其具有较好的环境适应性、 选择性和较高的灵敏度, 亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。 为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO₂原位探测的可行性, 将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合, 实现了海水中溶存CO₂的原位探测。 为适应水下的复杂环境, 样机整体被设计为铝合金密封舱结构, 具有良好的密封性、 耐压性与耐腐蚀性。 激光光源采用中心波数位于4 990 cm^-1的DFB激光器, 其波数扫描范围为4 992~4 994.5 cm^-1, 可覆盖CO₂在4 992.51和4 993.74 cm^-1的相邻两条吸收谱线。 渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X, 可满足样机在深水区长期探测的目的。 为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求, 样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池, 有效吸收光程可达8 m, 内部仅需气体量24 mL, 具有良好的吸收特性。 在实验室对样机进行校正实验, 使用样机对5种不同浓度(202.8×10^-6, 503×10^-6, 802×10^-6, 1 006×10^-6和2 019×10^-6)的标准CO₂气体进行测量, 测量值与实际值的线性相关度R²高达99.94%, 最大相对误差小于8%, 减小了样机误差对测量值的影响。 为评估样机长时间工作的稳定性, 使用样机对浓度为802×10^-6的标准CO₂气体进行了30 min的连续测量, 平均测量浓度为802.6×10^-6, 其波动范围仅为10×10^-6, 样机精度约为0.5%, 可满足水中溶存气体探测的要求。 选取水深3米的近海码头进行试验, 成功获得了24 h水中CO₂的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果, 验证了样机水下工作的能力与稳定性。 通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验, 成功获取溶存CO₂的典型吸收光谱, 证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。

针对海洋水体及悬浮颗粒物吸收和散射所导致的水下显微图像的颜色信息失真问题，本文提出了一种改进的循环一致性对抗网络（Cycle-consistent Adversarial Network， CycleGAN）算法，实现对水下目标物图像的颜色校正。通过在原始水下降质图像和重构水下图像之间加入R、G、B三个通道的结构相似性（Structure Similarity Index Measure， SSIM）损失函数，度量二者图像之间的信息损失，进而实现R、G、B三个通道颜色的精准调控，不仅增强了CycleGAN网络的整体性能，也提高了生成器生成图像的质量。然后，利用水下多色自制标靶及天然矿石的显微图像组成的训练数据集对本文所提的改进网络进行训练，所得的模型可用于实际矿石样品表面的显微图像颜色校正。结果表明，本文所提的改进的CycleGAN算法较其它方法在颜色校正方面有着明显的优势。与传统的Retinex算法相比，处理后的图像峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio， PSNR）和结构相似性指标分别提高41.85%、35.62%，而且，从主观视觉角度可发现经过校正的水下显微图像与空气中图像颜色相似度最高。综上，本文方法可以有效地对水下目标物图像进行颜色校正，并提升水下显微图像的质量，有望在海洋地质和海洋生物学方面得到应用。

目前气测录井主要采用气相色谱分析，气相色谱需要氢气助燃，氢气和持续的火焰有一定危险性需要远离井口，从而导致气体探测时间延迟，拉曼光谱有望解决这一问题。针对气测录井现场高灵敏度、快速多组分气体检测的需求，研发了一套基于腔增强的气体拉曼光谱检测系统，该系统灵敏度高、体积小、安全方便、可实现烷烃、氢气和二氧化碳等多种气体同时探测。本文首先描述了系统的设计与参数，然后在实验室测试了该系统对于烷烃气体和非烃气体进行分析的工作性能，实验结果表明该气体拉曼光谱检测系统对甲烷、氢气和二氧化碳的探测线性度良好，检测限分别为30 ppm、201 ppm和495 ppm。之后将该系统于山东东营胜利油田进行了现场试验，并与气测录井的气相色谱仪分析结果进行对比，实验结果表明，拉曼光谱系统与气相色谱仪分析结果吻合度较高，相比气相色谱具有更高的时间分辨率，同时能够探测到气相色谱所不能探测的氢气等气体浓度变化趋势，满足气测录井现场高灵敏度、快速及多组分检测的需求。

作为一种三维成像技术，激光线扫描技术在海底目标探测和地形地貌测绘中获得了广泛应用。本文搭建了一套水下激光线扫描实验装置，对经过标定的激光线扫描装置获得的图像进行激光光条提取、特征提取匹配等图像处理后进行三维重建。在光条提取算法方面，针对水下散射粒子等干扰，结合单通道阈值法和灰度重心法提高了光条提取的精度，较其他光条中心提取算法有更强的鲁棒性；在特征提取匹配方面，提出了一种基于图像的三角位移估计法用于系统定位和位姿矫正，该方法利用线结构光三角测量原理估计场景深度，结合特征点匹配计算系统位移，然后融合点云数据完成姿态矫正。利用自研的线扫描系统在实验室进行了标准球精度测试，在800 mm~2 500 mm的工作距离内误差可以控制在1 mm以下。2019年和2020年该设备搭载遥控无人潜水器进行了深海海底地形三维成像试验，在海底沙坡区域对本文提出的三角位移法姿态校正方法成功进行了验证，并进一步对不同条件的海底地形进行测试，结果表明校正后的激光线扫描成像装置能够快速准确地成像，具有较高的形貌还原度。

随着经济的发展, 海洋、 河流污染日益严重, 沉积物是判断海洋、 河流重金属污染程度的重要窗口, 实际调查中也迫切需要能对沉积物污染程度快速检测的技术。 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实时、 样品预处理简单、 多种元素同时检测等优点, 是一种可用于在线分析沉积物中重金属元素的有效手段。 应用实验室研发的便携式LIBS装置开展了沉积物中Zn元素的检测, 该装置采用Nd:YAG脉冲激光器作为激发光源, 用单通道微型光纤光谱仪进行分光检测, 装置整体尺寸为371 mm×192 mm×294 mm, 可方便的进行现场测量。 为实现LIBS技术对沉积物的定量分析, 首先在实验室对沉积物的LIBS数据进行预处理, 对八种沉积物样品进行干燥、 过筛、 混匀和压片处理后进行测量, 通过对比采用四种不同标准化方法处理后光谱的相对标准偏差(RSD), 确定最佳光谱标准化方法为结合等离子体特征的标准化, 采用该方法后的RSD降至未标准化处理光谱的五分之一; 之后分别采用单变量分析方法和带动量因子的自适应学习率三层BPNN算法进行定量分析, BPNN算法的训练相关系数R²达到0.99, 预测误差为3.2%, 相比单变量定量分析方法预测结果改善了一倍。 同时, 针对现场快速分析, 对比了不同干燥时间下沉积物光谱强度变化, 12 min后信号强度随干燥时间的变化不大, 因此确定现场探测对沉积物的干燥时间为12 min。 利用该装置在胶州湾海域六个不同站位进行了现场沉积物采集和测量试验, 在甲板上对现场采集的沉积物样品快速烘干后进行LIBS探测, 并采用上述实验室建立的定量方法对Zn元素进行浓度预测, 与带回实验室采用原子吸收分光光度法(AAS)的检测结果相比, LIBS探测结果的平均误差为8.32%。 验证了该装置应用于现场沉积物快速测量的可行性, 同时证明了结合等离子体特征的标准化方法以及BPNN用于沉积物中Zn元素浓度预测的适用性。

拉曼光谱技术以多组分同时探测、 无需样品预处理等优势被用于多个领域, 但是较低的探测灵敏度制约了其更广泛的应用。 为了提高拉曼光谱技术气体探测的灵敏度, 文章报道了一种基于折叠近共心腔对气体拉曼信号进行增强的方法。 该方法通过向多次反射腔中心引入一片高反射率平面镜将腔体从中心处进行折叠, 使腔体中心处光束相互重叠以增加光线密度和光通量, 进而提高系统的探测灵敏度。 采用TracePro软件对不同模式下的多次反射腔进行光线追迹和通量分析(激光: 300 mW@532 nm, 镜面反射率: 99%@532 nm), 结果表明光腔折叠方式能够显著提高反射腔中心处的光通量。 折叠近共心腔在反射次数为68次的情况下, 光腰中心处光通量可达22.35 W, 约为近共心反射腔光通量的1.5倍左右。 进一步搭建了多次反射腔对模拟结果进行验证, 实验结果表明: 折叠近共心腔对拉曼信号信噪比增强效果最好, 约为49倍; 近共心腔次之为36倍; 是折叠共心腔为24倍; 最后是共心腔为17倍。 与未折叠的近共心腔相比, 采用折叠近共心腔采集的气体拉曼信号信噪比提高了约1.4倍。 根据该系统探测到的空气中的二氧化碳拉曼峰相对强度, 以三倍于噪声强度的信号作为检出限标准, 估算出该系统对于二氧化碳的检测限约为0.13 mg·L^-1(66 ppm)。