为实现对危化品气体泄漏的实时、远距离、非接触性监测，提高监测效率和精度，研制了一种多组分气体激光遥测系统。基于波长调制光谱技术，利用STM32芯片结合自主设计的驱动电路对激光器进行控制，采用不同的调制频率分别提取甲烷、氨气、乙炔的二次谐波信号，实现混合气体的同步、实时、远距离遥测。采用光强调制幅度归一化的波长调制光谱技术使遥测结果免受回波激光对信号强度的影响。实验测量表明本系统对甲烷、氨气、乙炔的探测下限分别可以达到87 ppm·m、212 ppm·m、12 ppm·m，测量误差小于10%。测量不同距离下的遥测信号，遥测距离至少可达40 m。本系统为激光痕量气体检测研究与应用提供了一种多气体、实时、同步、高灵敏度、远距离、性能稳定的遥测解决方案，能够广泛应用于矿山灾害气体监测预警，危化品场站和运输管网等场合的气体泄漏监测预警。

腔增强吸收光谱技术（CEAS）具有测量精度高、响应时间快、空间占用少等优势，在痕量气体检测与精密光谱测量中发挥了重要作用。本文结合计算与实验结果，阐明了腔增强技术对信号增强的共性原理及实验测量吸收系数的方法，进而介绍了几种具有代表性的腔增强吸收光谱技术，包括：相干光CEAS技术、非相干光CEAS技术及光梳相干宽带CEAS技术等。以此为基础对腔增强吸收光谱技术在大气污染检测、生物医疗传感、化学反应动力学诊断等方面的应用进行综述。最后对腔增强吸收光谱技术的未来发展进行了展望。

采用窄线宽、边模抑制高的DFB激光器研制一套开放型TDLAS波长调制技术气体检测装置。选取2 004 nm处CO₂分子吸收峰作为吸收谱线，采用锁相放大器进行调制、解调后的二次谐波信号幅值检测气体浓度大小。设计基于开放环境中的Herriott型气体吸收池，使用ZEMAX非序列模式进行吸收池仿真，光线追迹后理论光程可达到1 350 mm，实际光程由50 mm增加到300 mm，检测浓度下限数值由原先的1 300 ppmv降低到214.28 ppmv，有效提高了系统的检测下限能力。配置不同浓度的CO₂气体检测，得到二次谐波信号幅值与浓度之间呈现很好的线性关系，其拟合系数为0.998 39，可通过拟合直线方程计算得出待测气体的浓度。配置300 ppmv的CO₂进行Allan方差分析，积分时间到101.6 s时，Allan方差处于平稳状态，检测系统的灵敏度为1.512×10^-5。检测结果表明检测装置实现了对CO₂气体浓度准确测量。该装置可进行结核分枝杆菌呼吸产生的CO₂气体浓度进行检测，为肺结核病诊断提供依据。

大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是一种紫外可见成像光谱仪, 主要用于实现高空间分辨率的全球每日大气痕量气体浓度反演。 EMI在轨运行期间, 受空间环境影响, 元器件性能随时间推移会不断衰变。 为有效监测其衰变状况, 利用载荷对地各轨0级数据解析出在轨温度, 实现长期在轨温度监测; 通过计算各轨道星下点黑暗时的暗背景图像噪声的均值和标准差, 实现CCD(charge-coupled device detectors)暗背景噪声随时间变化趋势监测, 进一步评估空间粒子对CCD像素点的损伤; 利用多次在轨测量的内部白光光源在CCD上的响应, 评估CCD探测器在轨像素性能和辐射通量的变化; 使用EMI在轨测量的0级太阳光谱数据, 结合发射前实验室测试得到的二阶高斯函数模型, 用最小二乘法反演在轨仪器光谱响应函数(ISRF), 实现仪器光谱响应函数的在轨实时更新; 利用石英漫反射板(QVD)、 备用漫反射板(RSD)多次测量的太阳光谱, 计算石英漫反射板在轨相对衰变因子, 修正辐射定标系数, 实现漫反射板在轨衰变校正。 研究表明, EMI载荷在轨两年以来, 温度稳定, 各通道暗背景均值年增加率约0.25%~1%, 暗背景标准差震荡幅度在1.5%以内; 在轨ISRF函数变化幅度约2.3%; 内部白光源光路响应变化小于1%, 石英漫反射板年衰变率UV2通道小于1.75%, VIS1通道小于1%, VIS2 通道小于0.5%。

本文介绍了一种赫兹级响应速率的光腔衰荡光谱探测大气痕量气体的检测技术。将100 MHz正弦波调制信号加载在电光相位调制器上产生边带，用混频器提取载波与边带通过3 m气体吸收池后拍频所产生的一次谐波作为误差信号，实现了1 572 nm分布式反馈激光器对于二氧化碳气体分子6 361.25 cm^-1处超精细跃迁线的频率锁定。采用波分复用方法对空腔衰荡时间和有气体吸收时的衰荡时间进行同时测量，在330 mm光学谐振腔上得到了4.82×10^-10 cm^-1的系统检测限。在较大的二氧化碳浓度范围内，系统具有良好的线性响应，线性相关系数大于0.999 9。系统长时间的观测结果与Picarro商用仪器的数据高度吻合，二者偏差小于1.0%。该系统论证了一次谐波锁定激光频率至分子超精细跃迁线并用于光腔衰荡光谱系统实现快速痕量气体检测的可行性。

星载痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是我国第一台用于监测对流层和平流层痕量气体的高光谱分辨率成像光谱仪。 为了充分了解载荷的特点, 更好地利用1级数据进行痕量气体反演, 本研究对EMI实测的辐照度和辐亮度数据进行了综合评价。 研究表明EMI紫外2波段(UV2)和可见光1波段(VIS1)的狭缝函数都表现出明显的行依赖性, 其随行波动的标准差是OMI和TROPOMI的6倍以上。 对不同行采用不同的狭缝函数, 可以提高辐照度光谱的定标精度, 进而提高痕量气体反演精度。 EMI辐照度和辐亮度数据都有波长漂移现象, 平均漂移量分别为0.015和0.03 nm, 有明显的行依赖性。 目前的波长漂移量满足设计指标(0.05 nm)的要求, 但在痕量气体反演过程中仍需进行波长精校准。 EMI辐照度数据与OMI和TROPOMI同一天测量的辐照度以及参考太阳光谱高度一致(r>0.95), 绝对偏差小于4.3%; 通过对比在洁净太平洋地区无云像元的平均辐亮度数据发现, EMI与OMI和TROPOMI也有很好的一致性(r>0.93), 平均偏差小于13.2%; 说明EMI数据辐射定标精度较高。 研究表明当前EMI载荷数据质量能够满足痕量气体反演的要求, 可为后续国产载荷的研制和数据质量评估方案提供参考。