实现对有毒有害气体快速准确的在线监测与预警可以有效地预防中毒,爆炸等灾难的产生。为了抑制有害气体的排放,保护人民生命财产的安全,气体传感器应运而生。作为人工智能系统中最重要的组成之一,气体传感器的开发研究逐渐引起人们的重视。红外吸收光谱气体传感器是传感器家族的后起之秀,但是凭借其特有的优势,已经成为目前传感领域讨论的热点。到现在为止,红外吸收光谱气体传感器已经取得了蓬勃的发展,红外吸收光谱气体传感技术已经呈现很多技术分支,其中用于现场实时气体检测中,当属可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)应用最为广泛,最具有代表性。该技术不仅测量精度高、响应速度快、可同时测量分析多种气体,而且系统运行费用低、安装方便、升级容易。虽然国内外研究者对TDLAS技术的发展做了大量的研究工作,但是大多数都致力于提高TDLAS系统的检测灵敏度。以求达到更高的系统检测限,这对于科研探索是非常有意义的。不可否认,系统检测灵敏度是传感器非常重要的指标之一；但是如果要将研发推向市场,还有一些指标同样不能忽视,比如精度与稳定性。众所周知,TDLAS系统通常是利用差分处理或者谐波提取等方式来获取气体吸收光谱,并通过气体吸收谱线的峰值来推算出待测气体浓度。这就要求采集到的气体吸收谱线规则、无畸变,能够忠实地反映出吸收谱线峰值与气体浓度的对应关系。但是当所处环境参数(如温度,压强,光纤弯曲等)与某些系统参数(如波长调制光谱中的波长调制频率等)变化时,吸收谱线畸变就可能会发生,此时如果不加校准,传感器的检测误差往往会高出最低检测限几个数量级。所以在未对谱线畸变采取校正措施的情况下讨论检测灵敏度是没有意义的。另外,谱线畸变也直接决定了传感器的长期稳定性,长期稳定性是传感器能否摆脱人工频繁校准而走向实用化、市场化的一个重要指标。纵观目前国内市场,较成熟稳定的TDLAS红外气体传感器基本都是来源国外,国内可与之竞争的产品寥寥无几。而且由于TDLAS红外气体传感器的关键技术大多掌握在国外公司的手中,导致仪器的价格昂贵。所以,自主研发具有核心竞争力的TDLAS气体传感器势在必行,其中亟需解决的第一个技术难题,就是预防与校正TDLAS中产生的谱线畸变问题。本研究就TDLAS的谱线畸变机制与校正方法展开了详细的理论与实验研究,本文所做的主要工作与创新点如下：1.通过对气体分子选择性吸收的理论分析,给出了气体吸收测量的理论依据。详细描述了气体分子吸收线强与吸收线型函数的物理模型,以及气体单位吸收率随着温度、压强的变化关系。2.分节讨论了TDLAS两种技术分支(直接吸收光谱与波长调制光谱)的检测原理与检测系统。描述了直接吸收光谱技术三种常用的解调手段(减法电路,除法电路,BRD电路)的物理模型与电路原理图。讲述了波长调制光谱中应用的锁相放大技术的基本原理与检测流程。介绍了波长调制光谱技术的系统结构以及二次谐波的来源与提取手段。3.详细列举了本研究中搭建的TDLAS实验系统的各种光电器件的选型与主要指标,包括激光器,光电探测器,气室。并简单介绍了这些器件的工作原理,并给出了配套搭建的激光器相关的电流驱动电路和温控电路的电路原理图,描述了他们的工作流程。描述了实验中使用的信噪比提升手段与提升效果。4.分析了TDLAS系统(主要是直接吸收光谱)中由光强非吸收损耗导致的谱线畸变机制。介绍了光强非吸收损耗的各种来源,包括散射效应,光纤弯曲损耗,气室准直失配,光纤耦合器分束比变化。区分了瑞利散射,米氏散射,非选择性散射在不同情况下的主导作用,并给出了实验环境中散射损耗量级。介绍了计算宏弯损耗与微弯损耗的数学公式。给出了三种光纤准直器失配(离轴失配,偏角失配,间距失配)的物理模型。通过实验数据给出了气室插入损耗以及激光器出光功率随温度的变化关系。介绍了光纤耦合器的分束比随温度变化的物理原理并给出了具体的实验测量数据。5.通过理论仿真与实验验证比较了基于三种不同的解调电路(减法电路,除法电路,BRD电路)的TDLAS系统在光强非吸收损耗影响下的谱线畸变程度。对比了在环境因素变化下(光纤弯曲损耗,环境温度变化)三种解调手段的检测误差。仿真结果指出,当环境温度增加1℃时,除法解调电路的检测误差只有0.29%,明显优于减法解调电路(2.90%)与BRD解调电路(0.55%)。提出了功率波动抑制比的概念来评价不同解调电路对激光器光源功率波动的抑制效果。研究指出除法解调电路可以提供较高的检测精度。6.提出了一种可以自动控制光电转换增益的单光束TDLAS系统,该系统可以用于在相对恶劣的环境下得到可靠的气体检测结果。对比传统双光束结构的TDLAS系统,该系统可以分辨出非常微小的由光功率波动导致的光电流变化,并通过调整光电转换增益来及时进行补偿。在由于非吸收损耗带来的光功率波动的影响下系统谱线畸变不明显,实验结果表明该系统可以提供更高的检测精度,更适合应用于受光传输损耗影响较大的远程气体传感。7.提出了一种平衡比率单光束TDLAS气体检测系统,其解调电路基于Ebers-Moll模型设计,该电路可以自动调整探测光电流的分束比从而有效补偿光损耗带来的绝大部分的光电流损耗,从而达到较高精度的气体检测。讲述了该系统的工作原理,定量分析表明该系统可以通过电反馈将光电流损耗从0.5552dB降低到0.0004dB。并通过光纤弯曲损耗测试实验对比,证明了该系统在抑制光强非吸收损耗波动方面表现出的显著优势。8.分析了不同的光电子器件(激光器,光电探测器,光纤准直器)的内部机械结构,得到了背景吸收谱的主要来源。然后以直接吸收光谱为例,介绍了当光器件内部压强与吸收池内压强不同时(光器件内部压强为常压,吸收池内部压强有时会高于常压),背景吸收谱线与待测吸收谱线发生叠加导致最终观测到吸收谱线发生畸变的情况。定量分析了由背景吸收谱带来的系统检测误差,提出了一种适用于BRD解调电路的校正算法来提高检测精度,该方法可以用来校正背景吸收谱带来的谱线畸变,为六氟化硫电气绝缘设备中的水蒸气监测与控制的有效实施提供保证,通过实验验证得到,光器件内存在的背景吸收谱的影响被很好的抑制,针对水蒸气浓度与气体压强进行检测,平均绝对误差分别降低了86.0%和76.1%。9.分析了剩余幅度调制产生的物理机制,并将一次谐波和二次谐波有无剩余幅度调制的谱线线型进行了对比。提出了不对称因子的概念来评价剩余幅度调制的影响程度。给出了光强-波长调制相位差、锁相放大器参考信号与待测信号的相位差以及调制度对二次谐波谱线畸变的影响。提出了一种恒功率的连续波长调制光源。通过电光调制器的外部调制可以有效地抵消掉伴随分布反馈半导体激光器波长调制产生的无用的光功率调制。将该光源分别用于直接吸收光谱与波长调制光谱的气体检测系统,结果证明了该光源对于幅度调制与剩余幅度调制的消除效果。