技术负责人：刘丽娴

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关键词：光声光谱技术、痕量气体检测、旁支增强型共振、多物理场耦合模式研究、集成化硬件研发

项目概况：

（一）项目背景

本项目针对痕量气体检测中测不到、测不准、测不快等核心难题，依托高灵敏度光声光谱技术开展攻关，旨在突破固有声学本征模态和多物理场耦合模式限制，满足工业、医疗、环境等行业对高精度气体检测的迫切需求，对支撑制造业产业升级及改善民生福祉具有重大战略意义。

（二）项目简介

高灵敏度光声光谱多组分气体检测技术聚焦痕量气体检测领域中高灵敏度、多组分检测、大动态范围、小型化和系统集成化等难题，通过多物理场耦合模式研究、新型谐振传感器件开发和高性能驱动采集硬件设计等手段，在秒级的响应时间内实现了十亿分之一(ppb)级别的超高灵敏度的多组分气体检测，动态范围高达7个数量级，相较于传统实验设备，所开发原理样机的体积缩小90%、功耗降低70%，已在医院、油井、舰船、工厂、环境监测站等多个气体检测场景中完成验证与试点应用，有效解决了痕量气体检测领域测不到、测不准、测不快的痛点，为我国制造业的产业升级提供了技术支撑，为人民的生命健康提供了安全保障，具有提高百万人生活质量、创造千万元产值的示范意义。

（三）关键技术与创新点

本项目采用多物理场耦合建模+模块化协同设计技术架构，围绕光声谐振模块展开技术攻关，重点突破微型化高灵敏度多频谐振技术，通过集成化硬件开发实现ppb级别高灵敏检测，同时成本降低80%，体积缩小90%，以下是本项目涉及的关键技术：

1、关键技术一：新型谐振传感器件开发

研制了旁支增强型共振光声谐振腔，在不引入额外体积的前提下增加了光声池有效长度，从而实现小型化、低频共振。

2、关键技术二：多物理场耦合模式研究

通过结合光-声激发路径解耦技术和光-声双谐振模式，将灵敏度提升两个数量级的同时保证了信号的单调性，获得了高达7个数量级的动态范围。

3、关键技术三：高性能驱动采集硬件设计与系统集成

基于FPGA+ARM硬件架构开发了高速、高信噪比且能对激光器实现精准调控的集成化驱动采集硬件系统，能够在性能相当的前提下替代庞大的实验设备。

图1. 高灵敏度光声光谱多组分气体检测仪

本项目创新点包括：

1、首次提出旁支增强型光声光谱技术，解决传统气体技术无法同时实现小型化、低频谐振和高灵敏度的问题。

2、融合光-声激发路径解耦与全域密集光斑多光程耦合增强技术，实现了光声信号的倍增和大动态范围检测。

3、开发集成化激光调控与信号处理硬件平台，实现精准激光控制与高速信号采集处理功能，硬件成本降低80%，系统体积缩小90%。

技术成果清单：

技术成熟度：

概念验证  原理样机  工程样机  中试  产业化

合作方式：

联合研发  技术入股  转让  授权（许可）  面议