针对波长调制光谱技术中二次谐波背景信号漂移的问题，将背景信号历史数据中与实测二次谐波信号相似的信号作为背景信号，提出了一种气体体积分数反演方法。首先，选用中心波长在5.18 μm附近的激光器，搭建了NO体积分数测量系统，并将48 h内测量的纯N₂背景信号作为历史数据构建背景信号库。然后，在系统中通入NO，得到经过吸收的二次谐波信号并计算其与背景信号库中各背景信号的相关系数。最后，扣除最大相关系数下的背景信号后反演气体的体积分数。对体积分数为2.5×10^-6的NO进行了24 h的监测，结果表明，该方法可将平均相对误差从修正前的6.48%提高到3.84%。

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于其高灵敏度、 高选择性等优势广泛用于痕量气体检测领域。 然而其测量结果容易受到目标气体压力波动的影响, 特别是在大气环境下尤为明显, 现有方法多为在现场安装压力传感器, 对测量结果进行校正。 提出了一种无需压力传感装置的气体浓度修正方法。 选取碰撞展宽占主导地位的气体吸收谱线, 分别建立谱线展宽与波长调制光谱一次谐波(WMS-1f)信号的峰谷值间距和二次谐波(WMS-2f)过零点间距的解析表达式, 通过测量一次谐波峰谷值间距或二次谐波过零点间距直接得到被测气体压强, 进而利用波长调制光谱一次谐波归一化的二次谐波(WMS-2f/1f)技术补偿测量环境中压力波动对气体浓度测量结果的影响。 实验以浓度为1 980 mg·m-3的CO2为目标气体, 选取其位于4 989.97 cm-1的吸收作为目标谱线, 在大气压附近进行不同调制深度的变压力测量实验, 通过实验分析了压强变化对二氧化碳吸收谱线谐波信号的影响, 利用一次谐波峰谷值间距和二次谐波过零点间距分别反演了气体压强, 并与气体压强传感器测得的压强数据进行对比, 压强偏差在1%以内, 验证了通过谐波间距解析表达式计算压强的正确性及通过测量谐波间距对浓度补偿的可行性。 最后利用WMS-2f/1f技术和通过谐波间距测得的压强数据对气体浓度进行压强补偿修正, 结果表明通过测量谐波间距修正后的浓度与通过高精度压力表补偿后浓度相比误差小于2%, 与通过谐波间距推导得出的压力不确定度(小于2%)一致, 验证了该方法的可行性和有效性, 进一步提高了TDLAS技术在压强波动较大环境下进行气体浓度检测的测量精度。 利用谐波间距对气体浓度补偿的方法无需额外的气体压力传感器, 简单易行, 特别适合于大气环境中气体成分的高灵敏高精度开放光路遥测, 也可用于气体浓度和压强的同时测量。

应用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术开放单光路短光程检测西林瓶内氧气浓度, 因玻璃瓶壁造成入射光多次反射和透射, 形成多光束干涉, 严重影响信号波形和检测精度。 本文提出了一种改变激光入射角度来抑制瓶壁光学干扰的方法, 理论分析了入射角度对透射光强分布的影响, 详细推导了使两相干光束叠加部分在接收端探测范围之外的入射角度计算公式, 并根据现场参数得到理论最佳入射角度。 对氧气浓度1%的样瓶进行多次测量, 将二次谐波信号峰值的平均值作为信号, 峰值的标准差作为噪声, 以信噪比(signal to noise radio, SNR)最大作为系统入射角角度的优化指标, 实验获得系统的实际最佳入射角度。 与决定系数较高的入射角度进行浓度预测对比, 交互验证后的最小二乘拟合结果显示: 相关系数分别为0995 9和0988 9, 前者相比后者提高了07%, 预测的均方根误差(root mean square errors of prediction, RMSEP)分别是0003 1和0005 3, 前者相比后者降低了415%, 说明本文方法所确定的最佳入射角, 能有效抑制玻璃瓶壁引起的多光束干涉影响, 改善系统检测精度。Spectroscopy

应用激光波长调制光谱(WMS)技术, 建立了一种开放光路短光程检测玻璃药瓶内氧气含量的方法。 选择氧气分子位于760.885(13 142.58 cm-1)的吸收谱线, 通过多次调试优化了系统相关参数, 给出了实时扣背景及实时谱线校正等数据处理的方法和步骤。 采集七种不同氧气含量的玻璃药瓶样本, 获取相应的二次谐波信号, 分别建立二次谐波峰值、 半高谱峰面积与浓度的线性回归方程进行定量预测。 实验结果表明, 其拟合系数分别为0.996 6和0.997 8, 后者相比前者的标定方法提高了0.12%。 采用完全交互验证的方法来评价两个模型的预测精度, 其预测的均方根误差(RMSEP)分别是0.003 1和0.002 0, 后者相比前者降低了37.69%。 对浓度是4%的气体样品, 比较不同时间的20次测量结果, 标准差分别为0.002 2和0.001 6, 后者相比前者降低了27.3%, 同时其测量灵敏度分别为0.198%和0.097%, 后者相比前者的灵敏度提高了约51%。 证明了该系统及数据处理方法对玻璃药瓶内氧气含量检测是可行的, 且利用半高谱峰面积更丰富的幅值信息来反演气体浓度可以降低波峰失真影响, 检测精度更高, 稳定性更好。

为了消除光学条纹对检测精度的影响, 基于光学条纹的映射特性, 提出了一种可有效补偿光路中平行介面造成的光学条纹的方法。在CO2检测系统中进行了理论分析和实验验证, 并展示了该方法的使用过程及补偿结果。结果表明, 即使在光学条纹漂移的情况下, 该方法仍可有效补偿光学条纹, 使测量信号与标准气体吸收信号的拟合相关度由0.8298提升至0.9934, 体积分数测量值标准差由1260×10-6降低至48.5×10-6。该方法极适合补偿检测器窗、气体池窗以及其它已集成于系统的光学元件造成的光学条纹, 在可调谐二极管激光器吸收光谱技术领域具有较大的应用价值。

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。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）以其响应速度快、灵敏度高、非接触等优点已被广泛应用于气体浓度、温度的原位在线测量。基于波长调制吸收光谱技术，理论分析和推导了二次谐波温度反演公式。并采用分时锯齿波扫描形式使两个激光器分别产生覆盖中心波长为760.21 nm 和760.88 nm 的两条氧气吸收谱线的激光，经2×1 光纤耦合器耦合为一束光束，通过测量管式炉内同一区域的二次谐波信号来反演有氧环境中的平均温度值。为了修正谱线线型和光强对实验所得的二次谐波信号峰值比值的影响，采用室温下标定温度反演公式中所需参数的方法，有效地简化了实验过程，提高了测量精度。温度在300 K~900 K 范围内变化的测量结果与管式炉的平均温度值具有较高的一致性，误差在±20 K 以内。

根据对激光器施加的调制信号是否连续, 波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。 为了深入的比较研究这两种方案, 设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器, 将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后, 再对吸收信号解调得到二次谐波信号。 与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较, 结果表明, 参数相同, 准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、 检测限降低11.3%。 在滤除无效信号后, 准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号, 因此有望用于与气体线型相关的研究中。 该工作为选取更加适用的激光调制谱技术, 提供了准确依据。

由于基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光气体分析仪的二次谐波信号中存在较大的系统噪声, 本文利用有限长单位冲激响应(FIR), 提出了激光气体分析仪的二次谐波在线滤波方法。在分析FIR数字滤波器原理的基础上, 利用MATLAB窗函数设计了适合本激光气体分析仪的数字滤波器。然后, 将仿真的FIR数字滤波算法移植到激光气体分析仪嵌入式系统中。最后, 比较了滤波前后二次谐波信号波形, 说明了在激光气体分析仪嵌入式系统中采用基于FIR数字滤波器滤波算法的可行性。实验结果表明: FIR数字滤波器对一组二次谐波信号进行滤波的运算时间为230 ms, 滤波后的二次谐波信号波形获得了较好的去噪效果, 能够满足激光气体分析仪对含有噪声的二次谐波信号进行平滑去噪的要求, 且滤波算法结构简单、运算时间短、可移植性强。

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）。