TDLAS技术从本质上说也属于一种吸收光谱技术，该技术就是利用二极管激光器的波长扫描特性，获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对被测气体进行定性或定量分析[5-8]。TDLAS技术是一种高分辨率吸收光谱技术，由于采用的二极管激光器单色性较高，通常选用分布式反馈激光器作为实验研究时的光源，该激光器简称为DFB激光器，与传统的光源相比，它的光线宽度很窄，而且由于光源的波长在小范围内具有非常好的可调谐性，可以更方便地从混杂的大气中分辨出不同的分子，能够有效地忽略其他分子的干扰。与其他传统的大气监测方法相比，可调谐半导体激光吸收光谱技术具有独特的优势，是因为该技术探测灵敏度很高，探测下限很低，响应速度快，时间短，采用的是非接触式测量方法，而且对环境的适应性强，也就是说在恶劣的环境下它也可以有很好的测量效果。此外，相比其它测量方法，TDLAS技术成本较低，维护起来还很方便。

1.2 课题研究目的与意义

TDLAS技术虽然有很高的探测精度，有很低的探测下限，但是它也有自己的检测极限，也有无法监测到的大气成份。所以，本设计就是要探究可调谐半导体激光吸收光谱技术的探测极限。为了明确TDLAS技术的探测极限，我们使用TDLAS技术对大气中的水汽进行浓度测量，以此来探究该技术的探测极限。之所以选择测量水汽，是因为：水（化学式：H2O）是地球上占比最多的分子，它除了以气体形式存在于大气中，其液体和固体形式占据了地面70-75%的组成部分。最重要的是，大气中的水汽对人类有着非常重要的意义，水汽对气候变化起着调节作用，是大气中的重要的气象参数，在地球的辐射平衡中也起到重要作用[9,10]。大气中的水汽分子能够拦截地球向外界辐射的部分能量，根据其他领域的工作者研究发现，水汽拦截下来的能量占地球辐射能量的百分之六十，这样就能保证我们所处的地球不至于温度过低，使得人类无法生存。水汽的分布、传输和季节变化对于研究水循环、全球气候变化等方面具有重要意义。因而，本设计选择测量水汽来探究可调谐半导体激光吸收光谱的探测极限。

可调谐半导体激光吸收光谱技术测量气体的基本测量方法包括直接吸收光谱测量法和波长调制光谱测量法[11]。故而本设计就通过这两种方法分别对大气水汽进行浓度测量，最后通过对比两种方法的测量结果，来分析TDLAS技术的测量精度问题。两种方法对比而言，直接吸收测量法的理论简单，实现起来也比波长调制方法实现起来容易些，是早期TDLAS技术测量的主要方法，但是呢，该方法信噪比比较小，很容易被系统背景噪声和外部因素干扰，因而会产生较大的测量误差[12]。反过来说，虽然波长调制测量方法理论较难，不容易实现，但是受背景噪声和外部因素干扰影响小，信噪比高，测量结果更为精准。

2 TDLAS基本测量方法

TDLAS技术本质上说也是一种激光吸收光谱技术，它的测量原理基于Beer-Lambert定律。

对中心频率为 的气体吸收线，根据Beer-Lambert吸收定律[13]，频率为 ，强度为 的入射光经过气体后的透射光强为

其中：S( /atm)为气体吸收线的谱线强度，是只与温度有关的函数； (cm)为归一化的吸收线型函数，是频率和温度的函数；P(atm)为气体总压； 为吸收气体占总气体的摩尔数之比，就是我们需要求的气体浓度；L(cm)为吸收光程长，即是激光通过被测气体走过的距离，在实验中L就是气体吸收池的长度。

我们通常用吸光度来描述和衡量气体对光的吸收，将之定义 ，即    基于激光吸收光谱的灵敏探测技术研究(2):http://www.chuibin.com/wuli/lunwen_205943.html