为了探索基于氧气A带吸收谱线利用多普勒差分干涉仪实现对流层大气风场探测的技术可行性，建立了从大气吸收谱线入瞳临边辐射到干涉曲线的仪器响应函数数理模型，仿真分析干涉仪光学参数、滤光片参数、系统噪声、仪器稳定性和标准具离轴效应等对视线风速反演结果的影响，确定光学系统参数的最优取值范围。结果表明，对中心波长位于769 nm的氧气吸收线，当干涉仪非对称量取值6.5~6.7 mm，光谱分辨率取值0.49~0.51 cm-1，带通滤光片半波带宽取值0.12~0.21 nm，标准具间距取值0.8~1.4 mm，精细度系数取值30~100，标准具离轴角小于0.2°，标准具透射峰偏移小于0.018 cm-1，干涉图信噪比大于40倍时，风速反演精度优于8 m/s，研究结果可为被动式对流层风场探测以及相关仪器设计提供理论参考。

在国内首次报道了氧气传感专用760 nm单模、波长可调谐的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL），详细报道了760 nm VCSEL设计方法与器件制备结果。通过分析AlGaAs量子阱的增益特性，确定了量子阱组分及厚度参数，并设计了室温下增益峰与腔模失配为10 nm的VCSEL激光器结构，完成了VCSEL结构的器件制备。VCSEL激光器在工作温度25 °C时单模功率超过2 mW，此时边模抑制比为28.1 dB，发散角全角为18.6°。随着工作电流增加，VCSEL激光器的发散角随之增加，然而激光远场光斑仍然为高斯形貌的圆形对称光斑。通过调节VCSEL激光器的工作温度与工作电流，实现了VCSEL单模激光波长从758.740 nm至764.200 nm的近线性连续调谐，VCSEL工作在15 ~ 35 °C时激光波长的电流调谐系数由1.120 nm/mA变至1.192 nm/mA；温度调谐系数由0.072 nm/°C变至0.077 nm/°C。在两个氧气特征吸收波长附近，VCSEL激光的边模抑制比分别达到了32.6 dB与30.4 dB。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是近年发展起来的一种激光光谱气体检测技术，相比于常见的电化学、离子导电陶瓷等技术，其具有选择性强、灵敏度高、响应快、可在线测量、抗背景光谱干扰能力强等优点，适用于复杂环境中气体的长期在线检测。氧气(O₂)是人类生存环境中的重要气体，O₂浓度的检测在生产生活各个领域应用广泛、意义重大。基于此，本文采用TDLAS技术对空气中的O₂进行高灵敏度测量。采用输出波长为760 nm的半导体激光器作为光源，直接吸收光谱法获得环境中的氧气浓度为20.56%，最小检测极限为5.53×10⁻³。在波长调制方法中，优化了激光波长调制深度，得到了完整的二次谐波波形，可用于标定氧气浓度。此系统的信噪比为380.74，最小检测极限约为540×10⁻⁶。本文的传感系统具有良好的O₂检测能力，可广泛用于各个领域中的O₂浓度检测。

玻璃药瓶中的氧气残留对瓶中药品的无菌特性造成了严重的威胁。采用波长调制光谱（Wavelength Modulated Spectrum，WMS）技术解调得到的二次谐波信号峰高值作为氧浓度反演的基础。然而，在用二次谐波信号测量气体浓度时，由于调制深度的变化会导致二次谐波峰值的变化，这通常会给系统带来误差，进而降低浓度的反演精度。而调制深度受调制电流波动、温度和压强变化等因素的影响不能直接计算获得进而修正。针对这一问题，本文成功地将调制深度与二次谐波峰高的关系转换为二次谐波峰宽和峰高的关系。然后，利用峰宽校正后的谐波峰高对气体浓度进行反演。初步实验表明，利用峰宽校正后的谐波峰高对瓶内气体浓度进行预测的准确性提高了2.1%，且系统的整体鲁棒性也得以提升。本文提出的校正方法不需要系统参数信息与气体成分信息，可以直接从谐波信号本身出发对调制深度进行校正，十分适合于工业现场的在线氧气浓度预测。

透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心, 其精度直接影响到被测距离的精度, 而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。 为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响, 选用氧气A带为研究对象, 采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率, 利用随机Malkmus模型计算被测目标距离, 从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。 为此, 搭建了被动测距实验系统, 通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量, 验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。 首先, 介绍氧气A带透过率的计算方法, 计算理论值; 以卤素灯为光源, 利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线, 计算实测大气透过率, 分析光谱分辨率对单谱线的影响; 然后, 在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上, 对透过率计算模型进行拟合、 校正, 验证光谱分辨率对带模型的影响。 对于单条谱线, 仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大, 而对带平均谱线, 相同波数点的光谱信号取平均, 获得平均效应, 使得被测谱线几乎没有变化; 分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、 不同的精度要求选择合适的分辨率。 实验结果表明: 分辨率对单谱线的透过率影响较大, 随着分辨率的降低, 被捕获的光谱信息点取值越少, 被测目标距离相关系数越小; 分辨率对带平均透过率的计算影响较小, 不同分辨率下测得的目标距离, 几乎重合; 而仪器分辨率越高则测量时间越长, 当使用带平均透过率计算被测目标距离, 在精度要求范围内, 可以适当降低仪器分辨率, 从而极大地提高测量速度, 并达到测量实时性, 同时降低系统搭建的成本。 该结论可为透过率测量的应用提供依据。