基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义， 而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。 通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。 研究表明， 波长7 154.35， 7 153.75， 7 185.60和7 444.36 cm-1四条H2O的吸收谱线， 非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。 与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm-1处的吸收谱线相比， CO2和CH4的光谱吸光非常微弱， 在该波段O2和CO基本没有吸收， 因此燃烧环境中CO2， CH4， O2和CO等气体对于H2O吸收谱线基本没有影响。 通过比较不同算法的最优松弛因子、 计算时间和重建误差等， 发现与最小二乘QR分解算法相比， 自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。 在自适应迭代算法的基础上进一步比较了不同吸收线对(7 444.36和7 185.60， 7 154.35和7 153.75 cm-1)在射线束为16， 32， 48和64时的二维重建结果。 结果表明， 采用吸收谱线7 153.75和7 154.35 cm-1得到的重建结果优于吸收谱线7 185.60和7 444.36 cm-1的重建结果。 随着激光束的增加， 重建结果越来越接近模型假定的温度和浓度分布。 考虑到有限的测量空间和重建精度， 分析认为32束的光路布置更适合实际火焰的二维温度和浓度重建。 为了分析自适应迭代算法对不同温度和浓度分布的重建能力， 进一步模拟了双峰温度和浓度分布。 结果表明， 随着射线束的增加， 温度的重建误差总是大于浓度的重建误差， 表明射线数对温度的影响更为明显。 在双峰分布中， 投影射线束为16时的重建误差最大， 但此时的重建结果也能反映温度和浓度的分布趋势。

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术在测量过程中不可避免地会受到光学条纹、探测器噪声和电路噪声等干扰，导致输出结果波动较大。使用Kalman滤波器对测量结果进行后处理可有效提高TDLAS系统的测量精度和抗干扰能力。重点对Kalman滤波算法中的测量噪声协方差σV2与过程激励噪声协方差σW2的比值g进行了研究。从滤波器输出结果的波动和输出响应时间两个维度入手，通过赋予二者不同的权重得到滤波器的综合效果评价指标R，综合研究了R-g关系，得出了最佳g值为27。同时，仿真验证了Kalman滤波比平滑滤波和扩张状态滤波在抗干扰和稳定性方面的优势。将参数优化后的Kalman滤波器用于TDLAS逃逸氨检测中，体积分数为4.7×10-6的NH₃的浓度、体积分数为108×10-6的NH₃的浓度、H₂O的浓度、温度的测量精度分别提高了3.54、3.48、3.00、2.80倍。

气相过氧化氢为强氧化剂, 其消毒、 灭菌的最终产物为水和氧气, 具有无残留、 安全、 快速消毒以及广泛的材料兼容性等优点。 广泛应用于制药、 医疗、 卫生、 生物安全等领域, 特别是新冠肺炎、 MERS、 SARS以及甲流等呼吸类传染性疾病的消毒防治。 为保证灭菌效果, 防止无菌检查的假阴性或者假阳性, 需要对过氧化氢的浓度进行监测。 基于1 255 cm-1量子级联激光器可调谐激光吸收光谱技术研制了一套气相过氧化氢浓度测量装置, 浓度测量范围为0~1 800 ppm。 采用V型光路结构、 窗口片将检测仪主要部件与过氧化氢进行隔离, 避免过氧化氢腐蚀。 针对高浓度、 高吸光度时一阶泰勒级数近似透射率函数误差较大这一情况, 采用二阶泰勒级数近似透射率函数, 导出了二次谐波信号关于气体浓度的二次函数。 二次谐波信号测得是电压值, 采用高锰酸钾滴定法对其进行标定、 溯源。 最终得到气相过氧化氢浓度的测量公式, 对高低浓度过氧化氢都拟合较好, 拟合误差最大为3%。 当湿度变化时, 二次谐波信号没有发生变化, 排除水分对过氧化氢测量的影响, 适用于灭菌过程中常压下高浓度VHP的浓度测量。

针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究，计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术原理为基础，利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块，模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示，在模拟柴油机排放环境下，待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验，在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统，利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源，开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究，测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知，本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小，因此，其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。

可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术常用于气体检测,但是某些气体在线强较弱或者低压、低浓度条件下,吸收信号微弱、信噪比高、检测精度低。根据Beer-Lambert定律,提升吸收光程能有效提升吸收信号强度。仿真并设计了一Herriott池结构的多光程测量系统,并对系统有效性以及精确性进行了检验。系统整合在5U机箱内,吸收光路固定,设置了参考光路消除空气中组分吸收影响。只需通过抽气进气阀控制气室内压力,调节激光控制器即可采集数据。系统单光程长204 mm,设计反射100次,实际有效光程为20.28 m。经检测,系统在真空条件下漏气率为56 Pa/h,在低压(10 kPa)条件下漏气率为15 Pa/h。将该系统与普通直接吸收系统对2 005 ppm标准NH3气体检测结果进行了比较,前者吸收率峰值较普通直接吸收系统增强了50倍左右。结果表明,该系统检测误差为2.9%,普通直接吸收系统检测误差高达37.4%。该系统可有效应用于低压、弱吸收线强条件下气体及微量气体现场精确检测。

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,研究了高温环境中CO₂温度和浓度的测量方法。选取位于4996 cm ^-1附近的CO₂吸收谱线作为高温环境中对CO₂温度和浓度进行测量的目标谱线对。对气体吸收池内不同温度(873~1273 K)、不同CO₂体积分数(4%~10%)的CO₂/N₂混合气体的温度以及CO₂的浓度进行了在线测量。结果表明:测量温度与设定温度的平均偏差为2.07%,峰值偏差为3.49%;测量得到的CO₂浓度与配比浓度的平均偏差为2.25%,峰值偏差为4.75%。该测量方法精确可靠,为高温环境中CO₂的测量提供了一种新的技术手段。

带间级联激光器(ICL)是近年来发展起来的高性能中红外光源, 覆盖中红外3~6 μm谱段。其具有电光效率高、阈值电流低、可室温连续工作等优点, 是痕量气体检测领域最具吸引力的半导体激光器之一。分析了中红外指纹吸收光谱的特征, 简述了带间级联激光器的发展、工作原理和特性, 综述了基于中红外宽带吸收光谱的高灵敏、特异性检测技术的发展, 并对今后发展做了讨论和展望。

氨气是主要恶臭物质之一,为了实现工业环境污染源中氨气排放的连续监测,研制了中红外激光气体传感器,与传统近红外氨气传感器受干扰气 体影响较大不同的是,该传感器采用中红外分布反馈结构的带间级联激光器(distributed feedback inter-band cascade laser, DFB-ICL)为光源, 工作波长在3 μm附近,避免了水和CO2干扰气体的影响,同时以空芯光波导(芯径1 mm、长度5 m)做气体池,采用自制多通道数字锁相放大器, 同时解调1f和2f谐波信号,实现免校准测量,获得了传感器的梯度实验结果,线性度高达0.99917,不确定度高达0.9%。Allan方差评价结果显示其 稳定性非常出色,在最佳积分时间167 s时,本传感器的检测限低至9.7 ppb。

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术的成熟和快速非接触气体浓度测量的优点, 十分适合用于对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测。 采用TDLAS技术对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测, 检测系统的光路经过空气和玻璃药瓶, 玻璃瓶壁对激光的散射和衰减是检测系统的主要干扰, 给二次谐波信号的稳定性带来了很大影响。 设计和搭建了基于TDLAS的封装西林药瓶残氧量检测系统。 针对从系统中提取出的二次谐波信号, 提出了一种基于小波变换的基线消除和噪声滤除方法, 解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题, 克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰, 效果明显。 选用“sym6”小波, 将实验测得的信号进行五层小波分解, 根据每一层小波分解得到的低频分量求出相应的基线斜率, 对五个基线斜率进行加权平均得到原始信号的基线斜率。 由求得的基线斜率, 对原始信号经过去基线处理, 再进行小波分解和软阈值处理后得到重构信号。 对氧气浓度为21%的西林瓶的测量结果表明, 处理后谐波信号和理论信号之间的相对误差由处理前的1.26%下降到了0.12%, 证明了此方法可以很好地解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题, 克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰, 为氧气浓度测量提供很高质量的信号。