为实现机动车尾气高精度监测，提出一种高精度宽量程NO测量方法。针对尾气中SO₂及NO在紫外波段存在吸收峰重合从而无法直接进行单组分气体反演问题，首先用紫外差分光学吸收光谱（ultra-violet differential optical absorption spectroscopy, UV-DOAS）法计算得到混合气体在NO敏感波段（200 nm～230 nm）的差分光学密度（differential optical density, DOD），并引入自适应干扰对消技术以实现混合气体DOD的快速分离，最终利用最小二乘法对分离出的NO进行浓度反演。该方法可实现100×10^?6～3 000×10^?6范围内NO浓度（气体的体积分数）快速反演，经测试，在100×10^?6～200×10^?6浓度范围内反演相对误差绝对值小于10%，在300×10^?6～3000×10^?6浓度范围内，反演相对误差绝对值小于5%。该方法具有测量量程大、速度快的特点，可满足汽车尾气中3 000×10^?6范围内NO浓度测量要求。

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位, 而CS₂火灾污染事故危害性极大。 通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。 搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台, 采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定, 通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5, 10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱, 并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度, 以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。 测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度, 以及不同燃烧时间、 不同燃烧尺度下的火焰光谱、 燃烧产物组分信息。 测试结果表明, CS₂火焰中主要含有高温SO₂, CO₂, CO气体和空气中卷入的H₂O分子, 并获取了特征污染产物SO₂的浓度。 由于现有光谱仪测量分辨率有限, 室内实验测量的火焰尺度有限, 为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。 基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰, 4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰, 4.7 μm附近有CO微弱的发射峰, 在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰, 并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂, CO₂, CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数, 通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂, CO₂, CO和H₂O混合气体的透过率与发射率, 并结合气体辐射传输方程、 气体吸收系数等方程, 创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。 利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度, 并与实验测得的数据进行了对比分析。 结果表明, 该模型精度高, 可用于燃烧产物浓度的定量化反演, SO₂分子含量在燃烧时间20, 40, 60和80 s时的反演精度分别是89.5%, 82.5%, 85.6%和86.5%。 为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。

CH₄气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸, 确保安全生产至关重要。 目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大。 探究了基于TDLAS的CH₄气体检测系统与温度补偿方法, 分析温度对CH₄气体吸收谱线的影响, 通过算法补偿模型消除环境温度对CH₄气体检测的影响。 依据TDLAS技术原理及相关理论, 对系统发射单元、 吸收池、 信号接收单元、 数据处理单元进行设计, 搭建了基于TDLAS技术的CH₄气体浓度检测系统, 实验检测了不同环境温度(10~50 ℃)时0.04%CH₄气体浓度, 分析温度变化对CH₄气体在波长为1.653 μm处吸收谱线强度和半宽度的影响。 为消除温度对CH₄气体检测的影响并提高补偿效果, 采用粒子群优化算法(PSO)优化BP神经网络(BPNN)的最佳权值和阈值, 建立CH₄气体的PSO-BP温度补偿模型, 克服了BP神经网络收敛速度慢、 易陷入局部最优的缺点。 结果表明: (1)基于TDLAS的CH₄气体检测浓度随环境温度升高而下降, 整个实验温度内相对误差范围为4.25%~12.13%, 不同环境温度下CH₄气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示; (2)CH₄气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降, 与温度变化之间的关系为单调递减函数, 温度对CH₄气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率, CH₄气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响; (3)BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差(MAE)分别为12.88%和1.81%, 平均绝对百分比误差(MAPE)分别为2.3%和0.3%, 均方根误差(RMSE)分别为15.96%和2.69%, 相关系数R²分别为0.980 6和0.999 6。 通过建立PSO-BP温度补偿模型, 补偿效果大部分分布在±1.0%的误差范围内, MAE, MAPE, RMSE和R²等评价指标均大幅度提升, 对提高TDLAS技术在矿井CH₄的精准检测具有一定的参考意义。

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点，是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达，1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势，包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年，世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生，实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后，1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分，1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱），并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。