随着工业的发展,大气中甲烷含量呈逐年上升趋势。虽然目前大气中甲烷含量大约为1.8 ppm(百万分之一),属于痕量气体,但是由于其含量的微弱增加就能加剧温室效应,与全球气候变化和人类活动息息相关。由于城市覆盖面积大、道路交通状况复杂、气候/环境实时变化,同时考虑到光学气体传感器的成本高,无法构建传感器网络实现大范围检测,这些因素使得车载或机载方式的移动探测技术成为快速、大范围监测城市大气质量的主要技术。在车载移动探测气体时,除气体浓度外,需要实时检测测量点的位置、车速、行驶方向、环境温湿度、大气气压、风速风向等环境变量。因此,研究中红外城市大气甲烷移动探测技术具有重要应用价值。检测痕量气体通常选取红外吸收光谱法,其中可调谐激光二极管吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术具有选择性好、灵敏度高以及无接触测量等优点,成为实时在线检测痕量气体的有效方法之一。基于TDLAS技术,本论文设计并实现了一种城市大气甲烷移动探测系统。具体工作如下:首先,详细阐述了TDLAS技术的原理。介绍了用于痕量气体检测的吸收光谱法以及TDLAS与波长调制技术(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)相结合的谐波检测技术。为了提取谐波信号,给出了数字正交锁相放大器的原理与设计方法。利用Matlab平台,对TDLAS-WMS气体传感系统进行了数学建模与仿真,理论验证了该技术的可行性。然后,介绍了基于TDLAS-WMS技术的甲烷移动探测系统的整体结构及设计方案。设计了基于TDLAS-WMS的甲烷传感器系统,包括甲烷分子吸收谱线的选择、激光器及其光电特性、气室结构以及探测器的性能。为了控制各传感器模块并采集数据,设计了基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)的主控电路。同时,介绍了用于移动方式下采集大气环境参数的天气站模块。接着,设计了基于LabVIEW的移动数据采集与控制平台。设计了数据通信模块,用于LabVIEW平台与TLDAS系统的数据交互;设计了驱动信号产生模块,用于驱动、控制激光器;设计了基于正交锁相放大的数据处理模块,用于从吸收光谱信号中提取二次谐波信号,同时采用数据拟合、小波去噪等方法,进一步提高系统的检测精度;设计了移动监测界面,实时显示采集到的传感器数据及变化趋势。最后,对所设计的城市大气甲烷移动探测系统进行性能测试。给出了集成的TDLAS传感器光学系统以及DSP主控电学系统的实物图;优化了传感器系统的调制深度,验证了气体吸收光程;采用多个标准浓度的气体样品,对传感器进行了标定,通过线性拟合,得到的二次谐波信号幅值和甲烷浓度间的线性拟合优度为0.99991;开展了长时间的稳定性测试,结果表明,当积分时间为1 s时,系统的检测下限为14.1 ppb(十亿分之一)。实验证明了基于TDLAS的城市大气中红外移动探测系统的实用性。本论文的主要创新之处:针对城市大气甲烷移动探测的需要,设计了基于TDLAS的城市大气中红外移动探测系统,实时测量、采集并传输移动探测过程中甲烷浓度、位置、环境温湿度、风速/风向等信息。