可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、 高选择性和快速响应的特点, 被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。 基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势, 是最常用的TDLAS气体传感方法之一。 近年来, 为了扩展WMS方法的适用范围, 减小光谱参数标定误差, 针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。 传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟, 对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。 针对以上问题, 提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法, 可以实现气体参数的快速、 精确测量。 与传统免标定WMS方法相比, 新方法有以下特点和优势: (1)新方法基于Voigt线型导出, 可以适应于任意展宽条件下的测量; (2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、 积分吸收面积等关键光谱参数, 进而实现浓度、 温度等气体参数的测量; (3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算, 降低了对硬件系统的要求; (4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状, 解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题; (5)新方法只需要利用光谱数据库中的吸收谱线强度和低状态能量等光谱参数, 而不需要利用自展宽系数、 温度指数、 其他组分碰撞展宽系数等先验参数, 降低了对光谱数据库的依赖性。 为了验证新方法的可行性, 在实验室环境搭建WMS测量系统, 选择CH4分子在6 046.95 cm-1附近的吸收谱线, 并利用二次与四次谐波峰值进行室温下CH4摩尔分数的测量实验。 实验结果表明, 在20 cm吸收光程长下, CH4摩尔分数测量的相对误差为1.19%, 系统的探测极限为4.28×10-6。

CO2是大气的重要组成成分, 也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、 石油和天然气的产物。 一方面大量的人源排放CO2进入大气是引发温室效应最主要因素, 另一方面, CO2是窒息性气体, 在封闭环境积累过高的CO2会导致窒息等安全问题。 因此发展小型化、 高灵敏度的CO2检测技术在大气环境探测、 封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。 利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术, 采用相对简单的离轴结构方案, 开展了探测CO2的研究。 离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、 灵敏度高、 抗干扰、 成本低、 功耗低, 对激光器要求低等优点, 在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。 近年来, 尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟, 为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、 能量更高的激励光源, 使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度, 实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。 通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线, 选择2.004 μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源, 通过波长调制方式来激发CO2光声信号, 并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。 实验中通过对进样CO2气体加湿、 优化调制振幅等方式提高检测性能, 实现了空气CO2的探测。 在常压下, 通过配气仪配置不同浓度的CO2样品, 开展了浓度与信号的响应特性研究, 获得了良好的线性响应结果。 同时也开展了相同浓度CO2样品在不同压力下的信号测量研究, 并用Allan方差对系统性能进行评估。 结果表明, 当平均时间为1 000 s时, 系统的探测极限为4×10-3 μL·L-1, 在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号, 常压下系统对CO2的最小探测灵敏度为15 μL·L-1, 相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10-9, 在150 Torr下最小探测灵敏度为6 μL·L-1。

有源电力滤波器（APF）是电力系统中实现电能质量管理的关键设备，谐波检测作为APF的关键技术之一，检测的精度和响应速度直接决定了APF的整体性能。介绍了传统的基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测算法; 针对其检测精度受锁相环输出相位误差影响，以及低通滤波器的存在限制了谐波检测系统的响应速度，提出了应用锁频环技术，产生与电网电压同频的单位正余弦信号的一种改进谐波检测算法; 并提出采用滑动平均滤波器（MAF）代替低通滤波器提高其响应速度以及改善谐波检测精度; 对改进的检测算法进行了理论分析，通过MATLAB进行仿真研究，理论分析和仿真结果都证明了该方法的有效性。

基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法, 在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源, 采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件, 实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明, 当PPLN晶体工作温度为99.5℃时, 闲频光的输出功率为112 μW, 差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃, 泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上, 分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。

H2S浓度检测的发展趋势是实时检测, 基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。 用宽带光源替代以往使用的成本较高的窄带光源, 降低整个系统的成本, 可以提高检测系统的实用性。 宽带光源经过Bragg光纤光栅滤波后可以得到窄带光。 此方法得到的光波必然会有噪声和波动, 然后对其进行滤波, 消除一部分系统的噪声和波动, 再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。 此差分信号不仅消除了一部分系统噪声和波动, 还消除了基波分量, 增大了信噪比。 用数学分析的方法推导出二次谐波信号, 利用SIMILINK仿真观察此信号, 不同浓度的H2S气体会有不同的输出信号, 也就得到了气体的浓度。 双光路差分法、 谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本, 增加了信噪比, 提高了系统的检测能力。 实验仿真结果表明, 在LED宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测H2S气体浓度正确可行, 此方法降低了系统成本, 为大范围实际应用提供了可能性。

为了提高痕量气体检测的稳定性并扩大动态范围, 引入对数变换方法和差分检测电路, 对常规波长调制光谱技术进行了改良。在使用锁相放大器提取与气体吸收相关的谐波信号之前, 由自制的接收器完成对数变换和差分检测功能。通过对数变换, 使激光强度调制与气体吸收引起的光功率衰减量实现了分离, 再利用差分检测消除前者。受益于此双管齐下的策略, 理论上可以捕捉吸收光谱的任意阶谐波分量, 并且免受剩余幅度调制和谐波畸变的影响。为了验证理论, 对NH3的P(6)吸收谱线的二次谐波进行了采集。在296 K的环境温度、1.01×105 Pa的总压力和24.5 cm的有效光程下, 假设信噪比降低为1时推导得到的理论检测下限为0.7 ppm (1 ppm = 10-6)。以上结果表明该方案是痕量气体检测应用的一种理想选择。

出了一种多模二极管激光吸收光谱测量系统，该系统以发射谱稳定的多模二极管激光器作为光源，结合长程吸收技术和谐波检测技术，通过对1570 nm CO分子多条吸收谱线的探测，实现了对CO浓度（即指体积分数）的测量。实验在室温和20.265 kPa(即0.2个标准大气压)条件下进行，通过配置不同的CO-N2混合气体，对一系列不同浓度的样品气体进行了测量。测量前通过9种不同浓度的CO-N2混合气体对系统进行定标，获得定标公式，用得到的定标公式进行CO浓度的反演。结果表明，在CO体积分数低于10%的情况下，浓度测量值与已知值一致性较高，平均偏差为2.57%；通过对CO体积分数为0.5%的混合气体测量信号进行分析，得到系统对CO的探测极限为3.03×10-5。该系统可以满足CO的在线监测，且稳定性高、灵敏度高，实验装置简单、易用。