随着社会的进步和科技的发展，气态能源被广泛应用于人们的生产和生活之中，实现敏感地区易燃易爆气体浓度的实时监测，对于保障人们的生命财产安全意义重大。随着分布反馈式（DFB）半导体激光器的研制成熟和光纤通信技术的迅速发展，基于可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）和波长调制光谱学（WMS）的光纤气体传感器逐渐吸引了越来越多科研人员的关注。TDLAS技术是一种高灵敏度的谱线探测技术，具有灵敏度高、抗噪声能力强、精度高、选择性强、易实现远距离测量等特点，广泛应用在气体探测等微弱信号检测领域当中。本文基于WMS技术作为理论指导，对谐波探测理论进行了详细的分析，通过公式推导以及软件仿真等方式对气体吸收理论、波长调制理论和谐波探测理论进行了分析，并根据理论指导进行了具体的方案设计。通过构建系统建模，仿真信号的波长调制过程和气体吸收过程，并依靠模拟滤波器和相敏检波电路得出1次谐波信号和2次谐波信号的波形，对谐波信号产生的来龙去脉给出了更加深刻的阐释。在硬件实现方面，详细阐述了系统电路的设计过程，给出了全面的甲烷浓度传感系统的电路实现方法，包含了基于运算放大器的半导体激光器驱动电路和信号调制电路，正弦波和三角波等信号发生电路，基于MAX4008的光电探测电路，基于AD734的信号倍频电路，基于LTC1923的半导体激光器TEC温度控制电路，低通滤波和带通滤波电路以及基于AD630的高灵敏度锁相放大电路，并给出了上述设计电路的仿真验证和调试验证的结果。