本研究搭建一套91通道、光谱分辨率为5 nm、波长范围为650~1100 nm、生物安全性高的可调谐高光谱激光雷达系统,并完成臭椿、云南松和栾树等林木样本的探测实验。通过实验探测目标回波强度,进而获得目标光谱反射率,最后利用支持向量机分类器对不同种类的健康与染病样本进行分类与识别,臭椿样本的分类精度可以达到96.98%、云南松样本的分类精度可以达到91.21%、栾树样本的分类精度可以达到66.21%。该实验结果具有研究意义和参考价值,为林业病虫害监测提供一种新的发展方向。

CO2和CO被称为燃烧效率指示性气体, 燃烧流场中CO2的精确测量对工业燃烧过程的节能减排和发动机燃烧状态诊断等都具有重要意义.研究CO2气体的高温光谱参数, 包括：线强、自加宽系数、温度系数, 可提高燃烧过程中CO2浓度的测量精度和可靠性.为了获得可用于燃烧诊断的CO2吸收线的高温光谱参数, 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术设计了一套最高温度可达2073 K的精确控温控压气体光谱参数测量系统.采用该系统开展了CO2 R(50e)吸收线(中心频率为5007.787 cm-1)的高温光谱测量实验, 获得了温度范围1212~1873 K内多个压强下的纯CO2气体的大量高温吸收光谱, 经热辐射背景扣除、基线拟合、时频转换、多线组合非线性最小二乘法拟合等数据处理过程, 得到温度范围1212~1873 K内CO2 R(50e)吸收线的线强、自加宽系数及温度系数, 其中线强不确定度＜1.5%, 自加宽系数不确定度小于4.5%.这些参数是对现有数据库的补充和完善, 对燃烧诊断中的CO2浓度检测有很大帮助, 能够满足燃烧过程中CO2浓度精确反演的需求.

基于TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术, 以水汽作为目标气体, 采用直接吸收的测量方式, 探测了甲烷空气预混平焰炉燃烧区域水汽的吸收光谱信号, 通过ART(algebraic reconstruction technique)代数迭代算法对燃烧场温度和水汽浓度分布进行了模拟重建和实验研究, 模拟重建采取5×5共25个网格的正方形重建区域, 假定25个网格的一个温度浓度二维分布, 模拟28条激光束从不同的角度方位穿越重建区域, 得到模拟射线下的投影值, 经ART算法重建, 结果显示温度场和水汽浓度场的重建偏差均在1%以内。 实验采用分布反馈式激光器作为光源, 选取H2O的7 153.722, 7 153.748和7 154.354 cm-1三条吸收线作为测温谱线, 其中前两条线不区分作为一条吸收线来处理。 使用平移台多方位平行扫描, 共获取30路光谱吸收信号, 经数据处理、 算法重建和双线比值法测温原理得到了圆形平焰炉16个不同区域的温度浓度值, 且炉面偏向中心区域温度浓度值较高, 边缘较小, 结果表明代数迭代算法能够很好地实现燃烧区域温度场和水汽浓度场的反演。

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, 简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、 快速响应、 非接触式、 环境适应性强等优点, 能够实现燃烧温度、 组分浓度、 速度等参量的实时动态在线测量。 为准确测量高温下的水汽浓度, 采用窄带半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了常压下1.39 μm附近水汽在773~1 273 K温度范围内的吸收光谱, 利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度, 找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73 cm-1, 首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法, 该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理, 浓度测量的标准误差低于0.2%, 相对误差低于6%。 通过实验验证了该测量方法的可行性。

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）。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点，在环境检测、工业过程检测等方面具有很好的应用前景。但是TDLAS系统在长期连续工作时，存在激光输出波长随环境温度变化而发生漂移的问题。针对这一问题，研究了激光输出波长随环境温度变化特征及其对光谱处理的定量影响。为了消除激光输出波长的漂移，设计了基于ADμC841的温度补偿电路。根据环境温度实时调整激光器的温度，对激光器进行谱线锁定，在温控实验箱中进行了实验，当环境温度为20 ℃～60 ℃时，激光器的波长漂移量为4.1 pm。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术, 具有高分辨率、 高灵敏度和快速测量等特点。 波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号, 用于气体浓度信息的反演。 利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink, 模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号, 利用锁相放大原理提取二次谐波分量。 采用数字锁相, 正交双通道结构实现锁相算法。 通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况, 分析了二次谐波信号与调制系数的关系, 以便确定最佳参数, 用于二次谐波的提取。

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的传感器系统性能受激光器特性、探测器特性、调制参数、激光器控制电路和信号采集电路等的影响。激光器和探测器特性与当前的生产制造水平密切相关，对于直接吸收法，调制参数主要指扫描幅度和扫描频率，而扫描幅度的确定以得到完整吸收信号为准。对扫描频率的选择和优化进行了详细的讨论。在一定的理论基础上通过实验分别观察各扫描频率对直接吸收信号的影响，通过分析检测信号的特征, 如幅值、半峰全宽、调整的判定系数、信噪比、积分吸光度及偏差等得出其变化规律，总结出扫描频率的选择依据。该研究为TDLAS直接吸收法中扫描频率的确定提供了实验依据。

CO2 作为大气中主要的温室气体,其全球变暖影响比例因素为60%,对全球生态系统和社会发展带 来严重影响,因此开展CO2 的监测非常必要。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理,在室 温下通过扫描DFB激光器波长,得到CO2 位于2004 nm的直接吸收光谱,根据Beer-Lambert定律,反演 出CO2 浓度。为了验证实验的精度,同时与基于非分散红外原理的生态通量的标准仪 器作对比,结果显示两者的测量精确度相当,可以达到0.2 ppm。这些研究 为今后的仪器小型化和外场CO2 长时间监测提供了基础。

利用输出波长在2.0 μm处的分布反馈激光器对CO2气体的两条特征谱线进行扫描以实现气体温度的测量。介绍了利用可调谐激光吸收光谱方法进行温度测量的基本原理，提出了用多线组合非线性最小二乘法拟合高温吸收光谱的吸光度方法。常压下在静态高温炉中进行了实验，设定温度为900 K～1200 K时，经实验得到的温度值与热电偶测量值的温差在8%以内，计算得到CO2的5007.7874 cm-1吸收线强与理论计算值相对误差小于14%。为今后的气体温度测量及多参数同时测量提供了借鉴。