可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术在测量过程中不可避免地会受到光学条纹、探测器噪声和电路噪声等干扰，导致输出结果波动较大。使用Kalman滤波器对测量结果进行后处理可有效提高TDLAS系统的测量精度和抗干扰能力。重点对Kalman滤波算法中的测量噪声协方差σV2与过程激励噪声协方差σW2的比值g进行了研究。从滤波器输出结果的波动和输出响应时间两个维度入手，通过赋予二者不同的权重得到滤波器的综合效果评价指标R，综合研究了R-g关系，得出了最佳g值为27。同时，仿真验证了Kalman滤波比平滑滤波和扩张状态滤波在抗干扰和稳定性方面的优势。将参数优化后的Kalman滤波器用于TDLAS逃逸氨检测中，体积分数为4.7×10-6的NH₃的浓度、体积分数为108×10-6的NH₃的浓度、H₂O的浓度、温度的测量精度分别提高了3.54、3.48、3.00、2.80倍。

激光吸收光谱（LAS）技术因其高灵敏度、高精度以及非接触测量等优势，被广泛应用于气体流场检测。在燃烧诊断、泄漏检测和定位等应用场景中，对空间分布测量提出了需求。基于LAS技术发展而来的激光吸收层析成像（LAT）技术和激光吸收成像（LAI）技术不仅能够实现流场的2D/3D成像，而且在实现高的时间分辨率的同时对实际工程中的复杂环境有很好的适应性，未来仍是相关领域研究的重点。本文简要概述了LAS技术的基本原理以及LAT技术和LAI技术的成像方法；重点介绍了近十年LAT技术和LAI技术的国内外研究和应用现状，包括线性和非线性LAT测量技术、LAI技术的2D/3D成像技术；最后对基于LAS的2D/3D成像技术的未来发展趋势进行了展望。

从世界范围看，化石能源目前仍是能源供应的主体。作为化石能源开发的主要阵地，石油工业对多种气体的检测与监测需求强烈，这对于环境保护和安全生产具有重要意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）是一种微量气体检测技术，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、可用于多组分多参数测量等优点，被广泛应用于石油工业现场中目标气体体积分数检测和危险气体泄漏监测中。对TDLAS的原理和各种检测方式进行了分类概述，综述了TDLAS在石油工业现场气体检测中的应用，包括对易燃易爆气体（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、乙烯）、有毒气体（硫化氢、一氧化碳）和其他气体（氧气、水）的检测，总结了目前TDLAS遥测技术的应用情况并对TDLAS在石油工业中的发展进行了展望。

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于其高灵敏度、 高选择性等优势广泛用于痕量气体检测领域。 然而其测量结果容易受到目标气体压力波动的影响, 特别是在大气环境下尤为明显, 现有方法多为在现场安装压力传感器, 对测量结果进行校正。 提出了一种无需压力传感装置的气体浓度修正方法。 选取碰撞展宽占主导地位的气体吸收谱线, 分别建立谱线展宽与波长调制光谱一次谐波(WMS-1f)信号的峰谷值间距和二次谐波(WMS-2f)过零点间距的解析表达式, 通过测量一次谐波峰谷值间距或二次谐波过零点间距直接得到被测气体压强, 进而利用波长调制光谱一次谐波归一化的二次谐波(WMS-2f/1f)技术补偿测量环境中压力波动对气体浓度测量结果的影响。 实验以浓度为1 980 mg·m-3的CO2为目标气体, 选取其位于4 989.97 cm-1的吸收作为目标谱线, 在大气压附近进行不同调制深度的变压力测量实验, 通过实验分析了压强变化对二氧化碳吸收谱线谐波信号的影响, 利用一次谐波峰谷值间距和二次谐波过零点间距分别反演了气体压强, 并与气体压强传感器测得的压强数据进行对比, 压强偏差在1%以内, 验证了通过谐波间距解析表达式计算压强的正确性及通过测量谐波间距对浓度补偿的可行性。 最后利用WMS-2f/1f技术和通过谐波间距测得的压强数据对气体浓度进行压强补偿修正, 结果表明通过测量谐波间距修正后的浓度与通过高精度压力表补偿后浓度相比误差小于2%, 与通过谐波间距推导得出的压力不确定度(小于2%)一致, 验证了该方法的可行性和有效性, 进一步提高了TDLAS技术在压强波动较大环境下进行气体浓度检测的测量精度。 利用谐波间距对气体浓度补偿的方法无需额外的气体压力传感器, 简单易行, 特别适合于大气环境中气体成分的高灵敏高精度开放光路遥测, 也可用于气体浓度和压强的同时测量。

调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、 高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、 环境污染监测等方面受到广泛应用。 波长调制光谱(wavelength modulation spectrum, WMS)的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。 TDLAS检测性能与系统参数, 如锁相放大器的时间常数、 扫描幅度、 扫描频率、 调制幅度、 调制频率等的选取紧密相关, 实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据, 参数之间的关联性未能得到较好体现。 由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用, 各参数之间的作用相互关联。 然而很少有研究参数对谱线频域的影响, 针对此问题, 在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。 通过保持其他参数不变, 只改变一个参数的方法, 得出各个参数对信号线型、 频率特征及噪声引入的影响规律, 继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。 与基于时域特征的传统方法相比, 基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点, 另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。 总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法, 以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准, 截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。 通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交, 使谱线频带内频率分量不产生衰减, 频带外噪声得到最大抑制; 再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数, 使谱线主频幅度最大; 最后根据系统需求确定采样率。 单周期采样点不变时, 低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长; 反之, 扫描频率提高, 速度变快但检测精度下降。 通过联合影响规律调整关**数, 减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。 可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下, 通过参数选择得到最优二次谐波信号, 为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。

带间级联激光器(ICL)是近年来发展起来的高性能中红外光源, 覆盖中红外3~6 μm谱段。其具有电光效率高、阈值电流低、可室温连续工作等优点, 是痕量气体检测领域最具吸引力的半导体激光器之一。分析了中红外指纹吸收光谱的特征, 简述了带间级联激光器的发展、工作原理和特性, 综述了基于中红外宽带吸收光谱的高灵敏、特异性检测技术的发展, 并对今后发展做了讨论和展望。

氨气是主要恶臭物质之一,为了实现工业环境污染源中氨气排放的连续监测,研制了中红外激光气体传感器,与传统近红外氨气传感器受干扰气 体影响较大不同的是,该传感器采用中红外分布反馈结构的带间级联激光器(distributed feedback inter-band cascade laser, DFB-ICL)为光源, 工作波长在3 μm附近,避免了水和CO2干扰气体的影响,同时以空芯光波导(芯径1 mm、长度5 m)做气体池,采用自制多通道数字锁相放大器, 同时解调1f和2f谐波信号,实现免校准测量,获得了传感器的梯度实验结果,线性度高达0.99917,不确定度高达0.9%。Allan方差评价结果显示其 稳定性非常出色,在最佳积分时间167 s时,本传感器的检测限低至9.7 ppb。

空芯光波导(HWG)用于光谱气体检测中, 既可以实现光路的传输, 又可以充当气体样品池实现长光程高灵敏度测量, 具有体积小, 响应时间快、 成本低、 光路稳定灵活等优点。 介绍了基于镀银/碘化银的空芯光波导(Ag/AgI-HWG)、 光子带隙空芯光波导(PBG-HWG)和基片集成空芯光波导(iHWG)等类型的空芯光波导, 并总结了近年来空芯光波导在光谱气敏检测中的研究及进展, 梳理了其应用方式及应用领域。 研究表明, 空芯光波导替代传统的气体池与傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 激光吸收光谱和拉曼光谱等不同的光谱技术结合已取得一系列成果, 且已经应用于环境监测、 呼气诊断和工业过程检测和控制等领域。 其中, 基于中红外激光吸收光谱的空芯光波导传感器组成相对简单, 成本较低, 与各类光波导的兼容性和环境适应性较强, 发展前景较好。 总之, 随着激光技术、 光波导技术和光谱技术的发展, 基于空芯光波导的光谱气体检测正在迅速发展, 并逐步由实验室走向现场应用。