随着我国经济的发展和社会进步,大气污染问题日益严重。在恶劣环境中进行有毒有害气体的高精度检测是长期存在的难题。在气体检测技术中,光谱分析技术因灵敏度高、重复性好、操作过程简单、使用寿命长等优势,得到快速发展。在光谱式气体检测系统中,对于光谱吸收法检测探头来说,气室的有效吸收光程、结构稳定性和抗干扰性直接影响到系统的检测灵敏度。为得到高精度、高稳定性的吸收光谱法气体检测系统,将空芯光子晶体带隙光纤(Hollow Core Photonic Crystal Band Gap Fiber,HC-PBGF)作为气室,因HC-PBGF的空芯结构可同时实现传输光和光与气体的反应,所以HC-PBGF作为气室具有结构简单、抗干扰能力强、结构稳定、光与气体的作用充分等优点。但HC-PBGF在吸收式气体检测系统中的应用,存在与普通光纤耦合困难、气体扩散较慢的问题。另外,目前的吸收光谱式气体检测系统,主流的是基于红外吸收原理进行气体检测,因为其原理单一,只适用于在红外波段有吸收的气体进行检测。在复杂环境中,气体种类较多,有些气体在紫外光波段存在吸收,有些气体需要用荧光光谱法进行检测,而目前存在的单一原理的光谱法气体检测系统不能满足要求。本文针对吸收光谱法气体检测系统中HC-PBGF的应用、单一原理的光谱法气体检测系统检测种类受检测原理的限制的问题进行了分析与研究,并对系统检测结果的噪声处理和浓度测定方法进行研究,主要研究工作为:(1)应用气体分子光谱学和能级跃迁理论,分析分子吸收线的展宽机理,研究并确定影响气体谱线宽度的环境因素及测试气体甲烷和二氧化硫的检测波长。分析并研究气体吸收光谱特性和荧光光谱特性,确定光谱强度与气体浓度的关系,为气体检测系统的设计提供理论依据。(2)构建基于HC-PBGF的吸收式气体检测系统。系统利用分布反馈激光器结合波长调制技术实现光源的调制,以HC-PBGF作为气室,光衰减器作为参考光路,实现甲烷的差分谐波检测。在气室整体设计方案中,重点介绍了基于套管法的耦合装置和压差法扩散结构的设计,解决HC-PBGF在系统中与单模光纤耦合损耗大、空芯内气体扩散过慢的问题。以甲烷气体作为测试气体,进行了甲烷气体浓度检测和系统稳定性测试,实验结果验证了系统设计方案的可行性。(3)针对吸收光谱法原理的气体检测系统检测原理单一,使得气体检测种类受限的问题,本文提出将吸收光谱法和荧光光谱法两种气体检测方法相结合,设计基于多传感原理的气体检测系统。在多原理结合的气体检测系统设计中,存在光源和气室结构方面的差异问题。因此,在系统中设计了由紫外光源和红外光源组成的组合光源,及其切换和调制模块;设计了吸收光谱和荧光光谱法检测均适用的气室结构等光路,实现了对气体红外吸收光谱、紫外吸收光谱和荧光光谱的检测。以甲烷和二氧化硫两种典型气体作为测试气体,进行了甲烷红外吸收光谱,二氧化硫紫外吸收光谱和荧光光谱的检测,系统的测试结果验证了设计方案的可行性。(4)由于被测气体的浓度较低,导致气体检测系统的检测信号微弱、容易被噪声淹没,本文提出采用EEMD和小波方法相结合的算法对气体的吸收和荧光光谱数据进行降噪,实现有用信号的提取。对于气体浓度的测定,本文提出将支持向量回归机(SVR)算法用于气体浓度的测定,以去噪后的气体光谱数据作为输入数据,采用改进鸡群优化算法实现对SVR的参数优化,确定最佳参数进行浓度测定,提高气体浓度测定的准确性。