对混合气体成分和状态进行有效快速的传感与监控已在多种不同领域受到人们的重视，而声学传感器拥有高灵敏性、低成本、高实时性等优势，同时由于气体分子的弛豫过程导致了声速频散现象，因此通过分解声速谱能够得到反映气体成分的弛豫特征值，这使得基于声速的气体传感方法成为目前气体传感技术的研究热点之一。
　　本文首先根据现有的声弛豫理论分析方法，从混合气体总有效比热容的表达式入手推导并修正了声速及声速频散强度表达式。结合用有限个声速值重建声速谱的算法，证明了气体成分浓度与重建声速谱得到的声速频散强度之间存在定量关系，并且求得的弛豫时间可作为定性探测气体成分的依据，据此提出了一种单温度下的定性定量混合气体盲探测方法。对于未知混合气体，仅需测量当前温度与5个不同声频率对应的声速值即可实现定性定量探测出两个主弛豫成分气体。与现有基于声速的气体传感方法相比，所需测量值更少，且无需改变环境条件重复测量，容错性与实时性更高。然后，为了使气体探测结果实现可视化，本文提出了一种基于声速频散分解的气体成像方法。受现有气体成像方法的启发，设计了一种二维超声波传感器阵列，将上述气体传感方法应用于二维混合气体平面的定性探测和定量浓度场重建。与现有基于声弛豫的气体成像方法相比，减少了声强衰减的测量需求，算法复杂度更低，实用性更强。最后，为了验证本文的理论成果能够用于地外行星的大气探测，开拓基于声速的气体传感方法的应用领域，本文利用惠更斯号带回的各项实测环境数据，预测了土卫六的大气声速与声吸收系数随海拔高度的变化情况。并进一步给出了本文提出的气体传感方法的实际应用效果，利用不同海拔高度下3个声频率处的声速值较准确地重建了土卫六大气中甲烷的浓度随海拔高度的变化情况。
　　本文完善了混合气体复合弛豫过程的声速频散理论模型，以弛豫时间和声速频散强度为依据提出了一种实时性高、实用性广的定性定量气体传感方法，为未来声学气体传感器的设计和应用奠定了基础。