为提高超燃冲压发动机扩张段温度测量精度和测量结果的稳定性，笔者基于可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS），选取5个低态能级不同且分布均匀的近红外H₂O吸收线，采用玻尔兹曼图法测温。采用集成的五波长测量系统，在实验室高温炉上设定1000~1600 K的温度台阶，选用不同波长数目组合计算分析，五波长的温度偏差均在1%之内，优于其他数目的波长组合。在发动机实验中，测量了超燃冲压发动机扩张段横截面16路线的平均温度，实现了发动机点火、燃烧和熄火宽温度范围的监测；对比了相同工况下的两次实验，结果显示，工况A和工况B下重复实验的平均偏差分别为17 K和7 K，重复性较好，体现该测量方法在发动机测量中的稳定性。该温度测量方法可广泛应用于发动机及工业过程的燃烧流场领域，为计算燃烧效率、改进燃烧过程提供数据支撑，具有重要的工程应用价值。

针对宽波段吸光度直接反演温度的测温方法，数值仿真分析了300~2000 K温度范围内光谱噪声独立作用、光谱参数误差独立作用和二者综合作用对温度反演精度的影响。在光谱噪声单独作用下，以±0.005幅值噪声为一倍噪声，添加幅值从±0.005增加至±0.1的光谱噪声。当噪声幅值为±0.1时，温度的最大标准差为46.58 K@1700 K，为达到小于10 K的标准差，需将光谱噪声幅值控制在±0.02以内。在光谱参数误差单独作用下，分别对可标定的强吸收线和不可标定的弱吸收线的光谱参数添加1%和10%~50%的误差，温度最大标准差为7.77 K@1300 K（1%和40%的误差组合），其中线强误差对温度反演的影响较大，故应尽量将线强标定误差控制在1%以内。在光谱噪声和光谱参数误差的综合作用下，光谱噪声对测温精度的影响更大，在实际测量过程中获得信噪比较好的吸收信号可减小光谱噪声带来的影响。

搭建了一套基于频分复用的石英音叉增强型光声光谱双组分气体传感系统，实现了CH₄和CO₂的高灵敏探测。以中心波长分别为1654 nm和2004 nm的两支分布式反馈(DFB)激光器作为激发光源，利用函数发生器将工作在石英音叉共振频率附近的不同频率正弦调制电流分别注入到两支激光器中，同时激发产生了CH₄和CO₂光声信号，并利用数字锁相放大器对该信号进行解调，得到二次谐波信号，实现CH₄及CO₂的同时探测。实验结果表明，两种气体的光声信号之间无干扰。在常压下，通过配气系统配置不同浓度的 CH₄和CO₂ 样品，开展了CH₄和CO₂浓度与对应二次谐波信号的关系研究，获得了良好的线性响应结果，线性相关系数均大于0.994。对体积分数为500×10^－6的CH₄和体积分数为2000×10^－6的CO₂标准气体进行了长时间连续测量，并利用Allan方差对系统性能进行了评估，结果表明，该系统对CH₄和CO₂的最低检测限分别为0.58×10^－6和1.32 ×10^－6，对应的归一化噪声等效吸收系数分别为7.2×10^－9 cm^－1·W·Hz^1/2和9×10^－9 cm^－1·W·Hz^1/2。

涡动相关法作为直接观测湍流运动的方法,是研究潜热通量和CO₂通量的重要手段。本团队基于可调谐半导体激光吸收光谱技术研制了激光气体分析仪,用于涡动相关法的海气通量分析。选用7181 cm ^-1处的H₂O吸收谱线和4990 cm ^-1处的CO₂吸收谱线,利用信号采集处理技术及导数谱浓度反演方法实现100 Hz时间分辨率的目标气体浓度的计算,并根据计算结果评估得到H₂O分析仪的检测限约为8.17×10 ^-6,CO₂分析仪的检测限约为0.40×10 ^-6,时间分辨率为100 Hz。将集成的气体分析仪安装在烟台国家卫星海洋定标海上平台上进行真实的海气通量探测,并将探测结果与LICOR7500-H₂O/CO₂分析仪的测量结果进行了对比。从实验结果看,所研制的激光气体分析仪具有更高的时间分辨率,更易捕捉湍流运动的微小变化,具有广阔的应用前景。

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、 组分浓度等多参数同时测量, 具有体积小、 响应速度快、 环境适应性高等优点, 逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。 TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术, 其中强度归一化的波长调制技术, 适合存在振动、 湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。 基于TDLAS技术, 开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、 组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作, 并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、 热态试验验证, 实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2O、 CH4浓度二维分布测量。 采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、 热辐射背景噪声, 采用1 392, 1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器, 三支激光器的出光方式为时分复用, 选取H2O的7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线, 两两组合使用, 测量热态下一定范围内的温度和H2O浓度; 采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器, 选取CH4的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量。 实验室对测量系统可靠性进行验证, 配置4%~6%范围内的CH4气体进行测量并与实际值对比, 浓度测量最大相对偏差为3.72%; 在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶, 充入纯水汽, 计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值, 温度测量最大相对偏差3.07%, 浓度测量最大相对偏差为-2.00%, 验证了该测量系统的可靠性。 台架燃气轮机实验中, 集成了一套小型化测量仪器, 设计多束激光收发一体的测量结构。 实验采用两个电动位移台, 搭载测量结构, 每间隔5 mm逐点移动采样, 对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量, 获取了若干工况下冷热态结果。 通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图, 结果分别反映了测量区域范围内CH4和火焰分布的真实状态。 为燃气轮机喷嘴燃料、 空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。

为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布, 本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统, 该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法, 通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法, 使得浓度计算结果得到明显提升。然后, 分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号, 采集的衰荡信号信噪比达62 dB, 并在实验室使用标准气体进行了标定试验, 标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9, 测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后, 系统进行了实际试验, 在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体, 进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。

陆地或海洋与大气之间的能量和物质交换的定量研究, 特别是二氧化碳(CO2)交换通量的监测, 对研究全球碳循环以及气候变化具有重要意义。基于直接吸收光谱技术和导数吸收光谱技术, 采用收发一体式光学系统, 研制了开放式CO2在线探测样机, 测量区域可达到km量级。利用Allan方差分析了系统检测限, 当积分时间达到100 s时, 检测限为0.08×10-6。使用不同浓度的标准气体, 验证了二阶导数光谱用于浓度反演方法的可行性, 得到相关性为0.998。样机在深圳市生态环境监测站连续运行1个月, 探测结果具有明显的日变化周期性。与安装于附近不同点位的Licor7550-CO2监测仪进行数据对比, 数据变化趋势吻合, 且样机稳定性更优。