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气体检测在石油化学工业、医学、大气环境监测等领域发挥着非常重要作用。在众多气体检测技术中,可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术以灵敏度高、选择性好、响应速度快、可实时检测等特点而被广泛应用。气体检测的性能指标提升极为重要。影响TDLAS系统性能提升的最重要指标之一是检测极限。检测极限的改善主要受限于系统噪声。而干涉条纹噪声是TDLAS系统最重要的噪声,抑制干涉条纹的最重要的方法是双频调制法和光程调制法,目前,仍缺乏系统性的理论研究。论文对采用波长调制(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的 TDLAS 系统中的干涉条纹进行了深入研究,对目前的几种干涉条纹抑制方法进行理论分析,提出改进方法。本文,以甲烷检测为例,通过理论推导,模型仿真和实验验证的方式开展研究。文章的主要工作和创新点如下:1.介绍了红外气体吸收检测技术,包括气体分子光谱吸收理论以及WMS技术。介绍了检测系统以及温度控制。检测系统包括光电检测系统和机械光学系统。给出了温度控制对检测灵敏度提升的意义,并且做了关于温控稳定性、响应速度和光谱测试等方面的研究。2.从TDLAS系统干涉条纹的数学模型出发,分析并实验验证了影响干涉噪声的主要因素,指出激光器温度噪声以及腔长变化对干涉噪声有重要影响。3.提出了改进的双频调制方法,即在优化抖动电流(选取贝塞尔函数的第一个零点)的同时优化调制电流(选取贝塞尔函数的任意一个零点)。模型仿真证明了,当使用改进双频调制方法时,可以放松对模型参数控制水平的要求,最大程度地提升信噪比。空气背景下50 min的实验结果证实,采用双频调制技术,噪声从2.1 ppm降低至180 ppb,使用改进的双频调制法,噪声进一步降低到110 ppb。Allan方差预测,积分时间为11 sec时,可以获得17 ppb的最小检测浓度。4.提出了光程调制理论的推导,得出了光程调制的最优调制幅度取0.383,0.879和1.377倍的波长,而非0.25倍的波长。通过理论推导证明,光程调制法不依赖于标准具长度,光程调制精度主要依赖于光程调制幅度的精度。首次提出了改进的光程调制法,即在优化光程调制幅度(选取贝塞尔函数的第一个零点)的同时优化调制电流(选取贝塞尔函数的任意一个零点)。空气背景下50 min的实验结果表明,改进的光程调制法可以使系统噪声降低为113 ppb。Allan方差预测,积分时间为9 sec时,可以获得最小检测浓度为18 ppb。5.本文指出拟合算法能够抑制干涉条纹,结合使用双频调制和拟合算法,或者结合使用光程调制和拟合算法,能进一步提升拟合算法对噪声的抑制效果。空气背景下50 min实验结果表明,本文提出的拟合算法能够抑制干涉条纹,系统噪声由为1.85 ppm降低为103 ppb;双频调制和光程调制都可以提升拟合法的效果,噪声由103 ppb分别降低到44 ppb和42 ppb。Allan方差预测,积分时间为50 sec时,可以获得最小检测浓度为11 ppb。