风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。

大气中CO2主要的源和汇都集中在对流层, 精确地获取对流层CO2浓度廓线分布, 对研究CO2的垂直输送和全球气候演变具有重要意义。 基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)高分辨、 高灵敏度和快速响应等特点, 研制了采用直接吸收技术的小型化CO2探测系统, 选取位于2 004.02 nm处的R(16), ν1+ν3吸收谱线, 避免了附近H2O分子的吸收干扰, 对CO2浓度廓线进行了球载测量, 获取了10 km以下对流层中CO2的分子数密度分布。 受限于球载测量环境, 系统采用紧凑型设计, 在单块电路板上实现激光器驱动、 弱信号调理, 光谱数据采集及浓度计算等功能, 受嵌入式微处理器的运算能力和硬件资源限制, 对浓度反演算法进行了优化, 避免冗余计算, 降低了算法耗时。 和采用波长调制技术的TDLAS传统仪器相比, 借助光程20 m的开放式Herriott多次反射池, 采用直接吸收技术, 避免了浓度标定步骤, 提高了对测量环境的适应性, 通用性的硬件和软件结构可适用于测量不同气体, 只需更换激光器和调整算法关键参数。 小型化的设计思想降低功耗, 减小体积, 兼顾了响应速度和测量精度, 室温条件下功耗小于1.5 W, 单板体积120 mm×100 mm×25 mm, 1.5 s时间响应下的测量精度为±0.6×10-6, 经验证, 该系统可在对流层内实现CO2 15 m垂直空间分辨的高精度检测, 是一种可行的气体廓线球载探测手段。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具有高灵敏度和高分辨率等特点，被广泛应用在痕量气体的快速检测中。研制了基于TDLAS 的开放式长光程CO 和CH4实时检测系统，采用直接吸收的方法，避免了波长调制技术中必需的浓度标定，结构简单。利用STM32进行数据采集处理，获取气体浓度值和光强变化值，通过串口屏实现浓度和光强值的在线显示以及浓度和光强随时间变化的曲线显示，并将浓度数据存储在SD 卡中，取代上位机操作，实现检测系统小型化。利用中心波长在2333 nm 附近的激光器结合直接吸收的方法，在往返750 m 的长光程上，对合肥市科学岛的大气CO 和CH4 进行同时检测实验。检测结果表明，大气中CO 浓度值整体低于CH4 值。对该系统进行长时间的测试，验证系统稳定性，CO 系统检测限为0.205 mg/m3，CH4为0.181 mg/m3。

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, 简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、 快速响应、 非接触式、 环境适应性强等优点, 能够实现燃烧温度、 组分浓度、 速度等参量的实时动态在线测量。 为准确测量高温下的水汽浓度, 采用窄带半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了常压下1.39 μm附近水汽在773~1 273 K温度范围内的吸收光谱, 利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度, 找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73 cm-1, 首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法, 该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理, 浓度测量的标准误差低于0.2%, 相对误差低于6%。 通过实验验证了该测量方法的可行性。

中红外为分子的基频吸收波段，可被用于痕量气体的高灵敏度检测。介绍了基于中红外室温连续量子级联激光器（CW-QCL）结合波长调制技术（WMS）的光谱检测方法，研究了消除气体间交叉干扰的方法，并进行了相关的验证实验。利用中心波长在1274 cm-1波段附近的量子级联激光器搭建了一套开放光路温室气体探测实验系统，进行101 m开放式测量实验，实现了对大气中CH4、N2O的同步在线测量，检测限分别为3.87×10-9和1.28×10-9，验证了实验系统和实验方法的可行性，为实现区域高灵敏温室气体监测奠定了基础。

在气体质量流量测量系统中，波长调制光谱信号的谐波分量，特别是其二次谐波分量常被用作为检测对象，用于气体浓度、速度等信息的反演。基于波长调制原理，利用氧气（O2）分子在764.28 nm附近的吸收谱线，分析了常见线型的半峰全宽，得出了不同温度、压强下洛伦兹线型的适用范围；研究了O2分子吸收谱线在不同温度、压强条件下的二次谐波峰值；对不同温度、压强下，采用二次谐波峰值反演气体浓度产生的误差进行了分析，并提出了误差修正方法；分析了实验过程中当最佳调制深度不能够随着温度、压强即时调整的情况下，最优调制系数在不同温度、压强变化下的适用范围，并给出了误差修正公式。

介绍了一种半导体激光器驱动系统,主要包括温度稳定控制电路、电流稳定控制电路和保护电路,给出了具体的参考电路。 通过同时对激光器的工作电流及其温度进行精密控制,使得激光器能稳定工作。保护电路能在激光器工作过程中对 其进行充分保护,防止激光器因误操作或其它因素发生损坏。实验表明,该驱动控制的激光器在恒温(室温)下 工作80 min输出波长漂移不超过0.6 pm。外界环境温度10°C ～50°C范围内,激光器输出波长漂移不超过16 pm。 适用于对激光器稳定要求高的场合。

中红外为分子的基频吸收带，利用可调谐二极管吸收光谱（TDLAS）技术，扫描气体的单根吸收谱线，可以对温室气体进行高灵敏度探测。介绍了利用2704 nm波段激光器结合直接吸收的方法对温室气体进行探测的小型化光谱仪的研制。利用数字信号处理器(DSP)对吸收信号进行采集处理，并根据环境温度值和海拔高度对气体吸收浓度进行校正，同时对激光器波长进行锁定，保证了探测精度，最后对结果数据进行存储。系统采用电池供电，响应时间为1.6 s，检测限为5×10-7，实验对系统进行了长时间测试，验证了系统的稳定性和可行性。

为了提取淹没在噪声中的弱吸收信号，对波长调制光谱测量中的相敏检测技术进行研究，提出了一种数字化相敏检测实现方案。采用正交矢量型结构实现相敏检测过程，通过硬件电路设计和上位机程序编写，完成吸收信号谐波分量的获取。对空气中的O2进行检测，针对O2位于764 nm附近的一对吸收谱线，成功提取了吸收信号的二次谐波分量。结果显示，系统的检测极限体积分数为0.50%（光程为1 m）。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点，在环境检测、工业过程检测等方面具有很好的应用前景。但是TDLAS系统在长期连续工作时，存在激光输出波长随环境温度变化而发生漂移的问题。针对这一问题，研究了激光输出波长随环境温度变化特征及其对光谱处理的定量影响。为了消除激光输出波长的漂移，设计了基于ADμC841的温度补偿电路。根据环境温度实时调整激光器的温度，对激光器进行谱线锁定，在温控实验箱中进行了实验，当环境温度为20 ℃～60 ℃时，激光器的波长漂移量为4.1 pm。