在近红外区域，利用波长调制光谱技术进行气体浓度检测时，光学元件以及电子器件的噪声会影响二次谐波信号的信噪比。为了抑制噪声，提出一种基于经验模态分解、去趋势波动分析和小波自适应阈值的复合降噪算法。该算法针对传统经验模态分解降噪算法中存在的有用信号缺失的问题，利用去趋势波动分析优化对于信息主导本征模函数的筛选，将筛选出的信息主导本征模函数进行信号重构，再用小波自适应阈值算法提高降噪精度。将提出的算法与经典的降噪算法进行对比评估，提出的算法降噪后的二次谐波信号与原二次谐波信号的互相关系数为99.9018%，均方根误差为0.0087%。通过对实验中实际得到的二次谐波信号进行去噪，结果表明提出的算法去噪效果明显，能够保留有用的信息点。

固定点波长调制光谱技术虽然具有时间分辨率高的优点,但随着激光器出光中心的波数漂移,气体浓度的测量会出现较大误差。为消除波数漂移对浓度测量的不利影响,本文提出了一种基于固定点波长调制光谱技术的气体浓度测量方法。引入一条带有封闭气池的参考光路,通过谐波高度来推算激光器出光中心的波数偏移量,使用循环迭代算法实现待测气体浓度的有效反演。搭建了一套基于固定点波长调制光谱技术的测量系统,通过改变激光器的工作温度来模拟波数漂移现象。选择CH₄分子在6046.955 cm ^-1附近的吸收谱线进行浓度测量实验,结果显示:浓度测量的最大相对误差由90.510%降低至5.204%;对于低于70.000%的误差,修正后均可控制在2.000%以内。这说明所提方法能准确计算波数偏移量,提高气体浓度的测量精度,为使用固定点调制光谱技术实现快速场反演提供了技术保障。

人体呼出气体中CO₂和水汽的浓度变化与身体状况密切相关,因此对其浓度进行检测具有重要意义。提出一种基于2.73 μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402 cm ^-1和3659.934 cm ^-1处的谱线,利用波长调制光谱技术分别对人体呼出气体中的CO₂和水汽同时进行测量。结果表明:利用二次谐波信号对气体浓度进行定标,当CO₂和水汽的体积分数分别小于35%和2.3%时,线性度分别达到0.99945和0.99679;对呼吸循环过程中CO₂和水汽的浓度进行实时测量,积分时间为0.92 s时,探测灵敏度分别为4.33×10 ^-3和1.37×10 ^-4;在采集时间为56.8 s时,CO₂的探测精度为0.12%,在最佳积分时间为17 min时,CO₂的探测极限可达到1.49×10 ^-4。

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392 μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60 cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87 cm ^-1的CH₄吸收谱线,对不同浓度的CH₄气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203 s。实验选取100 s的测量时间,得出CH₄气体的探测极限为8.7×10 ^-7,相应的最小的可探测吸收为2.2×10 ^-6 Hz ^-1/2。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH₄气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。

以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制 信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到 的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波 峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。