研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱（OP-FTIR）温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO₂、CH₄和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO₂、CH₄和CO的光谱区域分别为2102~2250 cm^-1、2920~3140 cm^-1和2172~2210 cm^-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO₂、CH₄和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO₂、CH₄和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH₄质量浓度分别与CO₂质量浓度进行相关性分析，相关系数分别为0.495和0.659。

开放光程傅里叶变换红外光谱（OP-FTIR）可以实现快速、 灵活、 定量化地探测气体, 但相较于气体池抽取气体的方式, OP-FTIR的信号微弱, 对气体的探测能力受到制约, 为提高其对气体的探测能力, 以自然状态的气体流动为扰动对测得的气体红外光谱数据进行二维相关分析。 以乙醇气体和两种白酒挥发物作为验证对象, 用OP-FTIR方法测得乙醇气体以及泸州特酿和汾酒挥发物的红外吸收光谱。 未经处理的乙醇气体红外吸收光谱图中, 并没有观察到明显的乙醇特征峰, 对该红外吸收光谱数据进行二维相关分析, 其二维相关同步谱图中对角线上（1 050, 1 050 cm-1）处有明显的自相关峰, 该自相关峰来自于乙醇, 结果验证了: 结合二维相关红外光谱, 提高了OP-FTIR方法对气体的探测能力。 对不同浓度乙醇气体的红外吸收光谱数据进行二维同步相关处理, 发现二维相关同步谱图中以1 050 cm-1 为中心的自相关峰强度随着乙醇气体浓度的增加而增强, 说明基于二维相关光谱的OP-FTIR气体探测方法具有一定的定量分析能力。 用OP-FTIR方法探测泸州特酿和汾酒的挥发物时, 在820～1 480 cm-1波段探测挥发物中的乙醇气体, 气体含量通过二维相关同步谱图中对角线上（1 050, 1 050 cm-1）处的自相关峰强度来衡量, 结果显示泸州特酿挥发物中的乙醇气体含量高于汾酒; 在1 700～1 820和1 400～1 600 cm-1波段探测挥发物中的香气物质, 通过对比泸州特酿和汾酒挥发物的二维相关异步谱图, 发现泸州特酿比汾酒挥发物二维相关异步谱图中有更多的交叉峰, 说明泸州特酿挥发物表现出更丰富的香气物质信息, 这一区别可以用来鉴别泸州特酿和汾酒挥发物。 研究证明, 基于二维相关红外光谱的OP-FTIR气体探测方法, 提高了OP-FTIR方法探测气体的能力, 且具有一定的定量分析能力, 同时, 用于不同挥发物的鉴别也值得进一步研究。

采用代数迭代(ART)算法和最大似然期望最大化(MLEM)算法,利用开路傅里叶变换红外(OP-FTIR)光谱仪的测量结果,通过仿真模拟了高斯空间分布模型下的气体二维浓度场重建,并利用重建评价指标——逼近度和相关系数,分析了这两种重建算法的重建精度和抗噪性能。结果表明:在单峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.177和0.044;在双峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.263和0.069;MLEM算法更适用于重建复杂的气体浓度场。在不同噪声水平下,ART的抗噪性能优于MLEM算法,MLEM算法对噪声更敏感。

前期的研究报道了红外光谱能够监测水果变质产生的挥发物质, 其方法是将挥发物收集在气室中, 利用多次反射的结构来增强光信号。 实验中, 我们使用开放光程傅里叶变换红外光谱法监测葡萄变质挥发物, 尝试了主动和被动两种测量模式。 根据红外光谱特征对葡萄品劣变过程中产生的挥发物进行了定性分析, 并在研究中测量了葡萄储藏期间挥发物质的红外光谱特征的强度变化, 并且根据这种变化规律建立了不同变质阶段的分类方法。 此外, 还尝试直接从原始光谱中分析挥发物质, 证明了挥发物在原始光谱上仍然具有明显的光谱特征。 这一研究证实了现场开放式傅里叶变换红外光谱法监测水果变质的可行性。 开放光程傅里叶变换红外光谱法所具有的灵活使用性和非接触式在线测量的优点, 使其有可能应用于大面积监测储藏中的水果变质问题, 并具有进一步定位劣变源的潜力。

研究氨近红外光谱特性并建立浓度反演算法模型, 重点优化相关性分析和温度修正功能.利用开放式激光吸收光谱技术建立氨区域监测系统, 于2015年在安徽涡阳秸秆还田示范区开展监测实验, 研究玉米和小麦种植情况下的土壤氨挥发特征.研究结果表明, 氨浓度具有日变化趋势: 白天浓度上升在正午达到最高值, 逐步降低到夜间至最小值.夏、秋季典型小时浓度变化范围为0.6×10-3 ~1.34×10-3 mmol/mol和1.14×10-3~1.82×10-3 mmol/mol, 秋季玉米和夏季小麦秸秆还田的最大氨日均浓度为4.6×10-4 mmol/mol和1.7×10-3 mmol/mol, 还田一个多月后氨浓度明显上升, 并存在一定季节性差异.近红外光谱技术为明晰土壤氨排放规律提供了技术支持.

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解 地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式 长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准 偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。

利用单波长激光通过扬尘空间发生散射消光衰减的特性, 设计了开放光程的颗粒物浓度检测方法及系统。该方法利用双峰正态分布模型模拟颗粒物粒径分布, 实时计算一定空间范围内的扬尘颗粒物浓度, 具有响应速度快、测量动态范围宽的优点, 适合浓度高、变化快、空间范围大的扬尘颗粒物浓度测量。通过水溶胶模拟实验与烟尘实验验证了该方法的可行性。实验数据表明, 系统量程可达0~400mg/m3, 分辨率为0.05mg/m3, 响应时间小于1 s。

CO作为大气中重要的污染物和煤矿、油田等环境的危险气体，CO浓度的实时监测对生产生活安全具有重要意义。筛选出CO位于2334 nm附近的R(6)吸收谱线，搭建了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的长光程开放光路大气CO 监测系统。采用直接吸收技术，吸收光程为700 m，借助离轴抛物面镜实现了收发同光路；低功耗、小型化的测量控制系统，在单块电路板上实现了激光器驱动、光谱信号处理等功能，单板体积为120 mm×100 mm×25 mm，功耗小于5 W。上位机对光谱数据进行多峰拟合处理，分离出CO和CH4的吸收光谱，反演CO浓度。通过分析光谱数据标准差可知，在1 s响应时间下的检测限为0.06×10-6。对大气中的CO浓度进行了连续监测，测量结果和CO点式分析仪结果一致性良好，验证了该系统仪器化的可行性。

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。

为了实现大尺度区域下大气中水汽浓度的高灵敏度、 高精确性、 快速响应检测, 与遥感反演的数据进行校正, 采用了TDLAS直接吸收技术结合开放式监测的方法。 选择水汽分子在1.27 μm附近的单根吸收谱线为目标谱线, 设计了大尺度区域水汽激光检测系统。 结合多次反射池验证了系统性能, 40 m光程下极限灵敏度为14.803 mmol·mol-1。 利用本系统在中国科学院禹城综合试验站完成了1 420 m光程下的连续外场实验, 系统工作稳定, 并与同场地涡度相关观测系统中的气体分析仪LI-7500的测量数据进行了对比, 数据一致性较好。 为在复杂野外非均匀下垫面的水汽浓度变化的监测提供新方法。