为提高超燃冲压发动机扩张段温度测量精度和测量结果的稳定性，笔者基于可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS），选取5个低态能级不同且分布均匀的近红外H₂O吸收线，采用玻尔兹曼图法测温。采用集成的五波长测量系统，在实验室高温炉上设定1000~1600 K的温度台阶，选用不同波长数目组合计算分析，五波长的温度偏差均在1%之内，优于其他数目的波长组合。在发动机实验中，测量了超燃冲压发动机扩张段横截面16路线的平均温度，实现了发动机点火、燃烧和熄火宽温度范围的监测；对比了相同工况下的两次实验，结果显示，工况A和工况B下重复实验的平均偏差分别为17 K和7 K，重复性较好，体现该测量方法在发动机测量中的稳定性。该温度测量方法可广泛应用于发动机及工业过程的燃烧流场领域，为计算燃烧效率、改进燃烧过程提供数据支撑，具有重要的工程应用价值。

分析了由特高压直流输电控制保护工程系统相位光时域反射仪(Φ-OTDR)测得光缆沿线时域、频域信号的分布规律，提出了信号时域乘法短时过双电平率与频域分段频带均方根误差(RSMD)综合算法，编制了综合算法程序，开展了工程实验。当光缆链路在2.3，5.0，10.8，16.0 km处存在微弱故障时，利用乘法短时过双电平率法可使得系统信噪比(SNR)分别提高到9.41 dB、9.02 dB、7.60 dB、3.50 dB。当光缆链路信号频带内分段数为8时，系统SNR可进一步提升，且频带RSMD峰值可突出微弱故障位置，与实际情况差异小。所提方法的光缆链路微弱故障定位精度达到±2 m，不仅提升了工程系统的SNR，还解决了难以辨识光缆链路微弱故障的问题。

针对特高压直流输电工程对控制与保护系统安全性的需求,基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)对光纤链路微弱故障进行检测与定位。模拟了特高压直流输电工程控制保护系统的故障状态及环境信息,获得了Φ-OTDR系统底层时域背向散射的相位调制信息。对比分析了系统微弱故障分段、乘积分段信息熵定位算法对相同多类混杂信号的处理效果,结果表明,乘积分段信息熵算法在分段数为2时就能大大提升系统的信噪比,在采样周期数为100、40时系统对微弱故障的定位精度分别为±1.5 m、±2.0 m。

由于提高光时域反射仪(OTDR)的发射脉冲宽度可能会导致OTDR探测电路的雪崩光电二极管(APD)产生饱和效应，从而使测量到的曲线发生平顶效应，这种平顶效应会淹没近距离的事件结果。为解决这一问题，提出了一种多脉宽组合测量的方法，将测量结果进行软件拼接，在硬件配置不变的情况下既能获得更远的测量距离，又不会因为饱和平顶效应导致近距离事件被平顶淹没，提高了OTDR的测量动态范围。

针对电力系统中微机电系统（MEMS）光开关在切换备纤时可能受到光控信号的影响而造成光时域反射仪（OTDR）发生损坏的问题，文章提出了一种电力系统中MEMS光开关切换路径优化控制的方法，在对MEMS光开关进行完整的扫描后得到其精确的光信号通道功率等高图,然后再对其切换路径进行优化控制，使得MEMS光开关可以在平衡控制通道切换时间的前提下使入射光沿相对通道隔离度最高的最佳路径进行切换控制，同时也可以在保证切换时间的前提下将MEMS光开关在切换时对其他通道的影响降到最低，并且即使在通道环境非常复杂的情况下也不受影响。

涡动相关法作为直接观测湍流运动的方法,是研究潜热通量和CO₂通量的重要手段。本团队基于可调谐半导体激光吸收光谱技术研制了激光气体分析仪,用于涡动相关法的海气通量分析。选用7181 cm ^-1处的H₂O吸收谱线和4990 cm ^-1处的CO₂吸收谱线,利用信号采集处理技术及导数谱浓度反演方法实现100 Hz时间分辨率的目标气体浓度的计算,并根据计算结果评估得到H₂O分析仪的检测限约为8.17×10 ^-6,CO₂分析仪的检测限约为0.40×10 ^-6,时间分辨率为100 Hz。将集成的气体分析仪安装在烟台国家卫星海洋定标海上平台上进行真实的海气通量探测,并将探测结果与LICOR7500-H₂O/CO₂分析仪的测量结果进行了对比。从实验结果看,所研制的激光气体分析仪具有更高的时间分辨率,更易捕捉湍流运动的微小变化,具有广阔的应用前景。

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、 组分浓度等多参数同时测量, 具有体积小、 响应速度快、 环境适应性高等优点, 逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。 TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术, 其中强度归一化的波长调制技术, 适合存在振动、 湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。 基于TDLAS技术, 开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、 组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作, 并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、 热态试验验证, 实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2O、 CH4浓度二维分布测量。 采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、 热辐射背景噪声, 采用1 392, 1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器, 三支激光器的出光方式为时分复用, 选取H2O的7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线, 两两组合使用, 测量热态下一定范围内的温度和H2O浓度; 采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器, 选取CH4的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量。 实验室对测量系统可靠性进行验证, 配置4%~6%范围内的CH4气体进行测量并与实际值对比, 浓度测量最大相对偏差为3.72%; 在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶, 充入纯水汽, 计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值, 温度测量最大相对偏差3.07%, 浓度测量最大相对偏差为-2.00%, 验证了该测量系统的可靠性。 台架燃气轮机实验中, 集成了一套小型化测量仪器, 设计多束激光收发一体的测量结构。 实验采用两个电动位移台, 搭载测量结构, 每间隔5 mm逐点移动采样, 对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量, 获取了若干工况下冷热态结果。 通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图, 结果分别反映了测量区域范围内CH4和火焰分布的真实状态。 为燃气轮机喷嘴燃料、 空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。

陆地或海洋与大气之间的能量和物质交换的定量研究, 特别是二氧化碳(CO2)交换通量的监测, 对研究全球碳循环以及气候变化具有重要意义。基于直接吸收光谱技术和导数吸收光谱技术, 采用收发一体式光学系统, 研制了开放式CO2在线探测样机, 测量区域可达到km量级。利用Allan方差分析了系统检测限, 当积分时间达到100 s时, 检测限为0.08×10-6。使用不同浓度的标准气体, 验证了二阶导数光谱用于浓度反演方法的可行性, 得到相关性为0.998。样机在深圳市生态环境监测站连续运行1个月, 探测结果具有明显的日变化周期性。与安装于附近不同点位的Licor7550-CO2监测仪进行数据对比, 数据变化趋势吻合, 且样机稳定性更优。

露点温度是表征气体状态的一个重要参数, 针对低温环境的低露点温度精确、快速、连续、原位测量的迫切需要, 提出了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对水汽露点温度测量的方案。首先与安徽省气象局的冷镜式露点仪一起对比测量标准温湿度箱内的露点温度, 验证波长为1 381 nm的TDLAS系统露点温度测量的可行性及精度, 然后结合一套开放式的测量装置, 进行低温度环境(最低温度100 K)水汽露点温度原位测量。得到了实时的露点温度值, 其中TDLAS露点测量结果与冷镜式露点仪测量结果一致性较好(相差小于1 K), TDLAS测量的时间分辨率为0.83 s, 远远快于冷镜式露点仪的时间响应速度。对于更低气体温度的露点测量, 获得了与气体温度变化趋势相同的露点温度, 同时得到了随着环境温度降低, 水汽逐渐趋向饱和的结论。

可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术作为一种先进的光谱检测手段已经被广泛应用于燃烧流场和风洞环境的过程诊断中, 它可以实现流场温度、组分浓度、气流速度等多参数的在线精确测量。介绍了TDLAS技术的基本原理及其在流场参数测量领域的发展历程, 总结了近几年来在超燃冲压发动机、航空涡轮发动机以及超声速风洞等流场参数测量方面所开展的TDLAS应用实例, 着重介绍了在实验室和外场环境中就流速的高精度测量、燃烧场温度和组分的连续监测、场分布的准确反演所做的研究工作。同时概述了激光吸收光谱流场诊断技术的发展水平、目前已经取得的最新研究进展以及还存在的相关问题, 最后展望了TDLAS技术在流场诊断领域的应用前景和未来的发展趋势。