针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪太阳定标光路切换转动部件的实现,提出了基于BM3803的步进电机控制系统,通过步进 电机带动扭簧转动凹面反射镜,实现光路的切换。设计了基于国产航天芯片BM3803FMGRH和专用驱动芯片LMD18200的步进电机 开环控制系统,给出了基于BM3803FMGRH的控制电路和搭建了LMD18200的驱动电路,编写了步进电机的控制程序。当步进电机 转动89步时,扭簧旋转角度为80.1°,微动开关导通,光路切换成功。为后续星载差分吸收光谱仪的设计提供参考。

遥感设备需要配备高精度的本地时钟源与卫星平台时钟同步,数字锁相环设计是时钟同步和倍频的关键技术,而长周期输入信号和大倍频系数从两方面增加了设计难度。 设计了一种针对秒脉冲同步和10000倍倍频条件下的数字锁相环,通过建立Z 域模型和S域近似分析了其响应特性,用现场可编程门阵列予以实现。实验表明,本设计实现的数字锁相环最短可以在5个输入时钟 周期内进入锁定状态,稳定工作时每秒累积误差小于0.1 ms,在实际应用中可以稳定输出本地时钟,满足遥感设备时钟同步和倍频的需求。

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响, 其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。 为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比, 分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型, 在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。 研究了入射光强度、 积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。 通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。 并提出主要系统噪声的处理方法: 利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声; 在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正; 在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。 结果表明: 全幅成像模式下, 可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625, 可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763; 暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分, 温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用, 验证了CCD最佳制冷温度; 光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大, 系统增益不会影响信噪比; PRNU噪声通过校正得到明显改善, 由3.32%下降到0.47%, 提高了光谱仪成像质量。 该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声, 提高系统信噪比, 需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路, 利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃, 满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试, 结果表明: 环境温度变化不会影响制冷效果, 在达到制冷目标温度－20℃后, CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072, 暗背景信号非均匀性下降到0.5%, 满足光谱数据反演要求.

介绍了在铜冶炼时运用转炉火焰中氧化铅(PbO)和硫化铅(PbS)特征发射光谱强度比值进行过程检测(区分制矿渣阶段和制铜阶段)的一种方法。 根据已知气体分子的特征发射光谱, 确定了实测谱线中PbO和PbS的存在, 并通过现场实验确定了制矿渣阶段的主要特征发射光谱来自PbS, 而制铜阶段的主要特征发射光谱来自PbO。 转炉冶炼时, PbO和PbS特征发射光谱强度的相对变化提供了铜冶炼过程的检测方法, 通过利用特征发射光谱相对强度的比值可以区分炼铜过程中的两个不同阶段——制矿渣阶段（S期）与制铜阶段（B期）。 在一个完整的炼铜周期中, 利用光谱测量设备采集转炉火焰发射光谱, 将噪声滤除后的PbO和PbS特征发射光谱用于过程检测, 准确地完成了S期与B期的鉴别。 理论和实验都证明基于发射光谱的铜冶炼过程检测方法是可靠的。

利用非分散红外(NDIR)技术研究了非线性吸收现象对多组分气体分析交叉干扰扣除的影响及其修正方法。理论上推导了由于非线性吸收导致的干扰系数变化对系统测量准确度的影响。对常规的干扰方程组进行了修正，使用干扰函数来定量分析气体间的交叉干扰，当测量气体存在非线性吸收时，干扰函数也会发生相应变化。基于最小二乘法，以三阶多项式为拟合模型，拟合出了系统的干扰函数。利用拟合的干扰函数，通过实验证明了提出的修正方法在系统存在非线性吸收现象时仍能有效地扣除气体间的交叉干扰。

对非分散红外SO2 气体检测技术及其运行机理作了系统介绍。分析了非分散红外 SO2 气体检测的吸光度获取方案及浓度反演方法。以三阶多项式为拟合模型，采用非线性最小二乘法获得了系 统的定标曲线。对系统的测量准确度进行了相关分析，得出测量误差< 2 %。结果表明，利用非分散红外光谱吸收法能 够实现对SO2 气体的准确测量，可为其它气体的测量提供相似的解决方案。

介绍了非分散红外(Non-Dispersive Infrared, NDIR)多组分气体分析的一种干扰修正方法。 根据逐次积分气体吸收模型和方法, 并考虑温度和气压对积分线强和线型的影响, 选择洛伦兹展宽线型, 得到了CO, CO2, NO和H2O在各个滤波通道的响应系数。 利用响应系数建立了用于干扰修正的四元线性回归方程组, 通过求解方程组, 修正了气体间的吸收干扰, 干扰修正后, 各个滤波通道的吸光度只反映对应目标气体的浓度变化。 将一定浓度比例的CO, CO2和NO混合气体通入样品池, 将干扰修正后的吸光度直接用于浓度反演, CO2的反演误差为2.0%, CO为1.6%, NO为1.7%。 理论和实验都证明提出的NDIR多组分气体分析的干扰修正方法是可行的。

对非分散红外多组分气体检测技术及其在CEMS中的应用作了系统介绍。分析了非分散红外多组分气体检测的关键点、 技术难点及其解决方案。详细介绍了这种气体检测系统在CEMS应用中的组成、技术要求与支持, 得出其具有结构简单、成本低、测量精 度高和稳定性好等特点。该系统对我国气体检测技术的研究和气体检测仪器的研制具有重要的参考价值。