可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）是通过检测经过气体吸收池后光强的变化来获得待测气体的光谱特征。它具有高灵敏度、高分辨率、高选择性、实时响应和非接触式测量等优点。因此,基于激光光谱的气体传感器被广泛用于环境监测、医学诊断、工业过程控制和食品工业等领域。随着现代工业的不断发展,天然气的应用日益增加,其主要成分就是CH₄,还有少量的H₂S气体。而当空气中CH₄和H₂S的浓度达到一定数值时,不仅会对环境造成污染,还会对人体健康带来伤害,因此,实现对CH₄和H₂S气体分子的实时在线检测是十分必要的。本文主要对TDLAS的调制光谱技术及其在天然气安全监测中的应用展开研究。首先通过对波长调制理论的研究,搭建了一套基于波长调制的开放式气体吸收光谱测量系统,实现了天然气泄漏中CH₄的测量;其次,研究免校准波长调制光谱理论,并从实验上验证了WMS-2f/DS-sine技术对探测光强及外界干扰的免疫能力,另外采用WMS-2f/DS-sine技术搭建了小型化激光传感器,实现了DFB激光器对民用天然气中H₂S的实时监测。本论文的工作主要包括:1.研究了波长调制光谱理论,并基于该理论搭建了一套开放式的气体吸收光谱测量系统。该系统使用可调分布式（DFB）二极管激光器对波长为1.654μm附近的CH₄气体进行测量。通过Allan方差分析,系统对CH₄的最低探测极限可以达到5 ppb。此外,实验通过开腔设计模拟实际现场,利用气袋模拟天然气气体泄漏。2.实验验证了基于二次谐波信号归一化（WMS-2f/DS-sine）实现的免校准波长调制光谱对激光光强以及气流影响、系统振动等外界干扰的免疫能力。基于免校准波长调制理论搭建了一套小型化的激光传感器,传感器利用自制的紧凑型Herriott型多光程池和基于FPGA的集成化电子学系统对H₂S气体进行了测量研究,选择中心波长为1.632μm的DFB激光器作为光源,排除天然气中H₂O和CO₂的干扰。通过Allan方差分析,该传感器能够实现对H₂S的最低探测极限为0.14 ppm,积分时间为178 s。