海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采用离轴积分腔输出光谱技术 (ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到 CH4 的浓度 (体积比) 探测范围为 1.073×10-8～1×10-3, CO2 的浓度 (体积比) 探测范围 为 3.39×10-6～1×10-2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为 1.74‰ 。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。

为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力, 采用基于免校准波长调制技术的多光程吸收光谱, 以乙炔为测量目标, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 不同激光功率下得到的波长调制二次谐波信号幅值发生明显变化, 但通过免校准的方法得到的信号变化较小, 且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰影响较小; 采用免校准方法实验得到的体积分数在5×10-6 ～9×10-5范围内的光谱信号拥有较好的线性度, 相关系数达0.9997; 采用Allan方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达1.2×10-8。免校准波长调制光谱技术能较好地避免光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰, 从而提高系统稳定性和探测灵敏度。

提出了基于经验模态分解(EMD)的多次去噪方法来降低多光程吸收光谱中的干涉噪声。从理论上分析并确定了降噪的次数,对采用直接吸收和波长调制二次谐波光谱技术探测得到的不同体积分数的CO₂谱线进行了多次EMD降噪处理,并与多次平均和低通滤波的降噪方法进行了对比。结果表明:多次EMD去噪能更有效地滤除光谱信号中的干涉噪声和随机噪声,且降噪后的信号幅值与待测气体的体积分数满足较好的线性关系,系统的探测灵敏度能达到3.5×10 ^-5。测量了不同压强和温度下CO₂标准气体的光谱信号,经多次EMD去噪处理后的光谱信号,其干涉的幅值相对于去噪前减小了近两个量级,信噪比增大了约两个量级。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一套近红外波段的乙炔(C₂H₂)气体检测系统,该装置采用波长调制-多光程吸收光谱技术,提高了系统的检测灵敏度;为了优化系统测量条件,在压强范围为5.3~12.0 kPa和调制幅度为0.010~0.035 V条件下,测量了体积分数为5×10 ^-5的C₂H₂标准气体的光谱信号,并测量了不同浓度的C₂H₂在总压强为10.7 kPa时的二次谐波信号;为了进一步验证系统的稳定性,采集60 s的光谱信号,通过Allan方差分析获得了系统的最佳探测时间和探测极限。结果表明:压强为10.7 kPa且调制幅度为0.030 V时的二次谐波信号强度最大;C₂H₂气体浓度与二次谐波幅值呈良好的线性关系,并且C₂H₂体积分数为1×10 ^-6~5×10 ^-5时的测量误差较小,小于±2%;该实验系统的最佳探测时间为7.2 s,探测极限为2.8×10 ^-11;该仪器采用基于嵌入式系统设计的激光器驱动和数字锁相放大器,具有结构简单、体积小、便于集成等特点,适用于工业现场和气体运输等方面。

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578 μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。 由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、 温度漂移和机械振动等共模噪声, 从而提高了光谱探测灵敏度。 通过与直接吸收信号相比, 平衡差分的信噪比提高了3.4倍, 探测极限为87 ppmv。 测量了浓度为1%压强为40, 55, 70和85 Torr时的CO气体, 结果显示在70 Torr时其光谱信号最强。 并且, 利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70 Torr时的光谱信号, 发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好, 其测量误差小于5%。 为了进一步验证系统的稳定性, 连续采集了324 s的光谱信号, 最后通过Allan方差分析, 发现本实验系统的最佳探测时间为38 s, 探测极限为47.8 ppmv。