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当今大气污染问题日益加重,对人类的生活环境和健康状况都造成了很大影响。其中甲烷作为大气中污染气体的主要组成部分,在煤矿开采和天然气的使用过程中经常因浓度超过限值或泄露而发生人员窒息或爆炸,并且甲烷也是主要的温室气体,其对温室效应的作用远大于同等浓度的二氧化碳,因此加强对甲烷气体浓度的检测力度刻不容缓。然而目前的检测手段和检测设备还比较落后,存在灵敏度低下、体积庞大不能便携测量等问题,因此设计一款可靠地便携式甲烷气体浓度测量系统具有重要意义。TDLAS有着高光谱分辨率、非侵入性和快速响应等优点,因此本系统选用基于TDLAS-WMS技术对甲烷气体浓度进行测量。目前基于TDLAS-WMS技术的系统主要通过峰值法或参数拟合的方法对气体浓度进行反演,但这两种方法都存在亟待改进的问题。其中峰值法是通过二次谐波的峰值反演气体的浓度,但在实际测量过程中谐波信号峰值点易受漂移、随机误差等影响,测量精度存在很大误差。参数拟合法是通过把模拟与实测的归一化二次谐波信号进行反复迭代拟合来反演气体浓度,而目前主要通过数字锁相的方法提取模拟与实测的归一化二次谐波信号,因此迭代过程中需要多次使用数字锁相,所以计算量庞大且要消耗大量硬件资源,不利于气体测量系统小型化、集成化的发展。本文针对TDLAS-WMS技术应用于气体浓度测量系统目前现有的几个问题,展开深入研究。在多次通过数字锁相方法反演气体浓度的基础上,对甲烷气体浓度测量系统基于FPGA进行了小型化设计,并提出了一种基于广义级数展开的快速拟合方法。该方法只需把浓度值代入通过广义级数展开推导出的归一化二次谐波信号的公式,即可快速拟合出浓度反演所需的模拟归一化二次谐波信号R2f/1f。通过该方法整个迭代过程只需使用一次数字锁相即可反演出气体浓度,与现有方法相比大大减少了存储空间及逻辑资源的使用,因此更有利于气体浓度测量系统的小型化和集成化。最后以不同浓度的CH4和CO2气体为例,在本文设计的小型化系统中进行了实验与仿真测量,结果表明由广义级数展开方法计算的模拟归一化二次谐波信号R2f/1f与通过数字锁相方法提取的实测归一化二次谐波信号S2f/1f有良好的吻合性,最大相对误差为5‰,因此该方法能够实现对气体浓度的反演且具有较高的精确度。