基于腔增强吸收光谱（CEAS）技术和波长调制光谱（WMS）技术，搭建了腔增强光谱测量系统，并采用该系统实现了CO体积分数的测量。实验中使用中心波长为2.3 μm的分布式反馈激光器作为光源，以反射率为99.8％的两片高反镜构建了基长为30 cm的光学腔，达到了147.15 m的有效吸收路径；在此基础上，利用4297.705 cm^-1处的CO吸收谱线作为传感目标，实现了对CO的探测。利用CO体积分数不同的CO+N₂的混合气体对系统的测量准确度进行验证，结果显示，测量值与参考值大小基本吻合，测量误差约为0.2%，证实了所搭建系统的测量准确性。利用体积分数为3×10^-6的CO气体的二次谐波信号对系统的探测极限进行了分析，得到系统对CO的探测极限为138×10^-9。

搭建了基于2.3 μm中红外可调谐二极管激光器的CO气体的光声光谱测量系统,并选取4300.699 cm -1处的CO吸收谱线作为传感目标。为了消除较长的CO分子弛豫时间对测量的影响,采用在实验气体中混入水汽的方式来增强光声信号。通过优化调制参数确定出系统的最佳调制振幅和调制频率分别为4.29 cm -1和785 Hz。在最优的实验条件下,所选谱线的二次谐波信号与CO浓度间具有良好的线性关系,其线性度为0.994,利用该关系反演出空气中CO的体积分数约为2.13×10 -6。最后利用Allan方差对干湿条件系统的长期稳定性进行了分析,得到系统在干湿条件下的探测极限分别为1.18×10 -7和0.58×10 -7,验证了水汽的加入可以有效提高系统对CO的探测灵敏度。

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算了金红石TiO2(110)纯净表面以及掺杂N、掺杂Rh和N/Rh共掺表面吸附CO分子后的光学气敏传感特性。研究发现:纯净和掺杂表面吸附CO分子后均表现出光学气敏传感特性,其原因是表面氧空位的氧化作用;而N/Rh共掺杂对表面氧化性改善得最多,吸附CO分子后吸附距离最小,吸附能最大,稳定性最好,且易于实现。因此,相比于纯净及单掺杂体系,N/Rh共掺杂表面对气体有更好的光学气敏传感效应,是一种改进TiO2光学气敏传感材料的良好方式。

CO分子在4.6 μm 具有最强吸收峰, 以此作为气体吸收的中心波长, 结合光源EMS200光源的发光特性, 设计开放式的球面反射镜气室, 采用单探测器双通的结构, 研制了一种中红外差分式CO检测仪。利用模拟混合气站配备标准的CO气体浓度, 对该仪器的相关性能开展研究。研究表明: 仪器分辨率为20 ppm(1 ppm=10-6), 最低检测下限为18 ppm。CO浓度在30~1 500 ppm范围内, 其测量误差不超过8.5%。与激光光谱技术的CO检测仪相比, 该系统采用脉冲红外热光源, 其性价比高; 采用开放球面反射镜气室, 光路简单易于实现。所以该CO检测仪在煤矿开采、环境监测、石油化工等领域具有较高的实际应用价值。

准连续信号是一种重要的调制信号形式, 在多个领域有广泛应用。准连续调制激光吸收谱是准连续信号典型应用之一, 具有响应迅速、检测精度高、检测限低的特点。在地震、塌方、火灾等灾害环境下, 由于堆积形成复杂封闭环境或燃烧不充分有可能产生极易燃爆的CO有毒有害气体。因此, 灾害现场破拆机器人进行救援时, 需要对现场的气体环境进行监测和分析, 避免造成二次爆炸伤害。本系统对CO气体展开研究, 采用准连续调制激光吸收谱技术, 搭建测量实验系统, 实施了改变浓度、压力和温度条件的CO测量实验, 得出了准连续调制激光吸收谱2f信号幅值与CO浓度、实际测量时的压力、温度的关系模型。这些关系模型可使破拆机器人在灾害现场根据测量系统实际测得的压力和温度值对CO气体的浓度进行相应的压力以及温度补偿。

变量选择是光谱分析领域一个重要的组成部分。 为了克服传统区间选择法的缺点与不足, 基于无信息变量消除法和岭极限学习机提出一种新型的变量选择与评价方法。 首先, 利用无信息变量消除法剔除整个光谱区间中无信息的波长点; 其次, 为了解决传统建模方法（偏最小二乘法、 BP神经网络等）存在的共线性问题, 采用岭极限学习机方法建立回归模型; 最后, 最佳的特征光谱波长点组合利用特征选择路径图和稀疏度-误差折中曲线进行确定。 CO气体的浓度反演实验结果表明: （1）利用无信息变量消除法可以有效筛选出最能表征CO气体透过光谱的特征波长点; （2）岭极限学习机方法具有快速建模、 避免共线性和高精度等优点（CO气体浓度反演模型的决定系数可达0.995）; （3）特征选择路径图和稀疏度-误差折中曲线可以直观地帮助用户寻找出最佳的特征波长点组合。