石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚, 是一种较为新颖的痕量气体探测手段, 本文以大气中的水汽作为测量目标, 开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。 理论上, 首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析, 得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案, 并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。 实验中, 以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源, 采用激光器波长调制和2次谐波探测技术, 首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。 QEPAS系统经过优化后, 获得了5.9 ppm的探测极限, 同时对不同浓度的水汽进行了测量, 实验数据线性拟合后, 得到R-Square为0.98, 证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。 最后, 运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术, 对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量, 实验结果表明, 该系统性能稳定, 具有良好的连续测量能力, 可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。

我国天然气工业已经进入了迅速增长阶段, 其作为一种洁净、 高效的能源在经济发展以及人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。 天然气在生产、 加工、 运输和储存等过程中泄漏是难以避免的, 这不仅会造成浪费, 甚至还会造成重大灾难事故, 这就使得对天然气管道泄漏进行探测显得尤为重要。 文章围绕着车载式天然气管道泄漏遥感探测展开研究, 设计并建立了一套车载式天然气管道泄漏遥感探测系统及模拟车载运动条件的实验平台, 提出了一种简易可行的积分浓度标定方法。 同时基于此实验平台和新的标定方法对不同反射距离, 不同反射体, 不同反射角度以及不同运动扫描速度进行了测量对比, 用以模拟真实外场环境。 实验结果和理论分析具有很好的一致性, 该系统可实现探测距离为70 m, 时速为53.3 km·h-1下, 对较低浓度标准气体进行遥感探测, 最小探测极限为28.9 ppm·m。 实验结果能够满足实际探测需要。

针对我国日益凸显的天然气管道泄漏监测的实际需求, 提出了一种适于直升机平台的基于近红外波长调制吸收光谱的天然气管道泄漏监测技术, 阐述了该技术的基本原理, 论证了该技术对直升机平台的工程适用性, 研制了一套室外试验研究平台, 利用试验数据证明了该技术的工程可行性.

基于地形后向散射和谐波探测原理, 设计并建立了一套天然气管道泄漏激光遥感探测系统, 并基于此平台实现了探测距离在120 m, 对体积分数为0.308％的模拟天然气泄漏源进行远距离遥感探测, 并对空气中痕量甲烷气体进行了测量, 系统的最小探测灵敏度约为29.57 ×10-6m; 同时研究了不同散射体的反射效率ρtot对实验的影响,提出并实验验证了新的积分浓度标定方法的可行性, 其实验结果能够满足实际探测需要。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性，获得被选定的待测气体特征吸收谱线的吸收光谱，从而对待测气体进行定性或定量分析。TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合，分别利用二次谐波探测方法和自平衡加波长调制的新型检测方法，测量了酒精喷灯火焰的CO浓度。测量结果表明，自平衡加波长调制的新型检测方法与二次谐波检测方法相比，不仅使检测限提高了16．3倍，还有效地消除了激光器、火焰的光强波动影响，可以应用在燃烧控制及喷焰气体CO浓度测量等多个领域。

实验研究了近红外二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿瓦斯气体安全探测中的应用.基于TDLAS的自平衡二次谐波探测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响,特殊设计的气体吸收池能有效抑制光学干涉条纹,从而降低检测限.实验中吸收池长10 cm,充有10300 ppm的甲烷气体,检测限低于6.5 ppm.这种方法不需使用多次反射池,光路调节简单,能适应煤矿中甲烷气体的监测.

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或定量分析。通过该方法对环境空气中甲烷(CH4)的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器作为光源；使用多次反射池增加吸收光程来提高检测灵敏度；并且使用了二次谐波检测技术进一步降低了检测限,使检测限低于0.087 mg/m3,满足了对环境空气中甲烷进行监测的需要。

通过外腔二极管激光器探测了甲烷位于1.637 μm处的2v3带R(9)支的直接吸收光谱,利用直接吸收方法只获得了1.4×10-3的最小探测吸收,当采用谐波探测技术时,在最佳的调制幅度下2f,4f,6f分别获得了5.2×10-4,1.1×10-4,4.0×10-5的最小探测吸收,相对于直接吸收有了很大的提高,同时谐波次数越高其探测灵敏度越高.

为满足高灵敏度探测的需要,研制了可调谐近红外半导体激光光谱仪.本光谱仪集成了光学、机械、电子、计算机,实现了高度的集成,初步的实验结果表明,其可满足实验室的实验需要和外场实验的需要.本光谱仪可以用于汽车尾气排放、泄漏气体探测、燃烧过程控制、温室气体测量和大气测量.

使用低频波长调制和高次谐波探测来测量Cs原子D2线6S1/2(F=4)→6P3/2(F′=3、4、5)跃迁的方法,对谐波信号的展宽特性和灵敏度进行了分析.结果显示,减小调制电压可以压窄线宽,提高分辨率;在一定范围内增大调制电压可以提高谐波信号强度,提高测量灵敏度;提高分辨率要以损失灵敏度为代价.提高谐波次数可以提高分辨率.高次谐波可以获得高的灵敏度和分辨率.