自发拉曼光谱作为一种物质分析的方法,具有检测范围广,单一光源能够同时检测多种组分等优点。拉曼散射强度线性依赖于待测样品的分子数,气体由于密度比液体和固体小,其自发拉曼信号十分微弱。为此,人们致力于寻找增强自发拉曼的方法。空芯光纤是其中最具优势的一种器件,既能够充当气体样品室,又能增加散射光的收集效率,带来拉曼散射信号的显著增强。反谐振空芯光纤是一种前沿的微结构空芯光纤,具有传输损耗低和传输范围宽等优点,而且纤芯模和包层模的空间重叠率低,有利于获得信号强度高、背景水平低的拉曼光谱。本研究设计了一种反谐振空芯光纤增强的拉曼气体分析系统,激光在光纤中传输并产生拉曼散射,通过镜头耦合式成像光谱仪收集前向散射光。利用成像光谱仪的空间分辨能力进行数字空间滤波,局部选择合适的区域,将气体散射信号与非目标拉曼散射/荧光背景分离开,大幅提高了光谱的信噪比。从理论分析和实验研究两个方面得出了前向拉曼散射比后向的背景幅度更小的结论,低背景的前向拉曼散射不易湮没微弱信号,更适用于微量气体分析。记录并分析了反谐振空芯光纤出射的拉曼散射信号的空间分布和角度分布,拉曼散射信号与背景具有不同的空间分布,散射光中低阶模式占大部分的比例。虽然高阶模式对拉曼散射强度有贡献,但是与背景重合度高。将收集镜头集成的光圈调至合适的位置优化收集角度,进一步提高了信噪比。在200 mW激发光功率,60s曝光时间的实验条件下对系统的检测能力进行评估,计算了六种气体组分及其检测限:CH4为1.2 ppm·bar,C2H4为1.6 ppm·bar,C2H2为2.7 ppm·bar,C2H6为2.9 ppm·bar,H2为13.8 ppm·bar,CO为16.7 ppm·bar,实现了6个数量级的动态检测范围。在各组分的分压约为2.5 ppm·bar时,检测出4种碳氢化合物、H2和H2S等多种组分,说明上述检测限计算结果可靠,也证明了系统的实际检测能力。另外,从高浓度气体干扰下微量气体检测和光纤充排气速率两个方面对系统装置的实用价值进行了评估,证明了系统装置具备微量气体分析的能力,可以应用于工业检测、环境传感等多个领域。