可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、 高选择性和快速响应的特点, 被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。 基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势, 是最常用的TDLAS气体传感方法之一。 近年来, 为了扩展WMS方法的适用范围, 减小光谱参数标定误差, 针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。 传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟, 对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。 针对以上问题, 提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法, 可以实现气体参数的快速、 精确测量。 与传统免标定WMS方法相比, 新方法有以下特点和优势: (1)新方法基于Voigt线型导出, 可以适应于任意展宽条件下的测量; (2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、 积分吸收面积等关键光谱参数, 进而实现浓度、 温度等气体参数的测量; (3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算, 降低了对硬件系统的要求; (4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状, 解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题; (5)新方法只需要利用光谱数据库中的吸收谱线强度和低状态能量等光谱参数, 而不需要利用自展宽系数、 温度指数、 其他组分碰撞展宽系数等先验参数, 降低了对光谱数据库的依赖性。 为了验证新方法的可行性, 在实验室环境搭建WMS测量系统, 选择CH4分子在6 046.95 cm-1附近的吸收谱线, 并利用二次与四次谐波峰值进行室温下CH4摩尔分数的测量实验。 实验结果表明, 在20 cm吸收光程长下, CH4摩尔分数测量的相对误差为1.19%, 系统的探测极限为4.28×10-6。

提出一种基于二次谐波峰高-峰宽特征的免标定波长调制光谱方法，并给出任意调制系数下，考虑Voigt线型的光谱吸收率二次谐波峰高-峰宽解析表达式。与传统的谐波波形拟合方法相比，所提方法只需要进行一次滤波处理，对计算资源要求更低；不需要利用HITRAN 2020数据库中的碰撞加宽系数、温度依赖指数等光谱参数，理论上更加适用于复杂气体组分下的测量。在实验室搭建WMS测量系统开展室温下CH₄摩尔分数的测量实验，实验结果表明，在20 cm光程下，当CH₄摩尔分数大于2.08×10^-3时，所提方法的测量相对偏差小于2%。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术及波长调制技术, 采用波长为1 654 nm的分布反馈激光器, 结合开放式光学探头以及高灵敏度的铟镓砷光电探测器, 研制了近红外甲烷气体检测系统。 自主设计研发了分布反馈激光器驱动电路, 主要包括模拟PID温度控制电路与电流驱动电路。 其中, 温度控制电路具有较高的控制精度及稳定性, 长时间工作时激光器温度波动小于±0.02 ℃, 温度与激光器波长呈线性变化。 温度不变时, 改变驱动电流可以使激光器中心波长线性变化, 同时还提供了5 kHz正弦波和10 Hz锯齿波的调制信号, 用于谐波检测。 为了提取差分信号的一次谐波及二次谐波, 研制了正交锁相放大器, 一次谐波和二次谐波的提取误差分别为3.5%和5%。 系统中采用的开放式光电探头通过一次反射, 使有效吸收光程增加了一倍, 达到了40 cm。 通过对1%～5%的甲烷气体进行检测, 成功提取了一次及二次谐波, 得到了气体浓度与谐波信号幅值的拟合关系曲线。 在更换不同输出波长的激光器后, 该系统还具有检测其他气体的能力。