利用宽带双梳光谱仪进行的大规模并行吸收峰校准技术，实现了超高精度的多普勒速度测量

《Optics & Laser Technology》：Massively-parallel absorption peak calibration with broadband dual-comb spectrometer enables ultrahigh-precision Doppler velocimetry

本研究基于宽带近红外双梳光谱技术，开发了高精度Doppler测速系统，通过分析78个乙炔分子吸收峰实现气流动速度测量，不确定度达0.03 m/s（精度0.23%），较之前结果提升一个数量级。系统采用双梳锁相技术，利用高互相关性和宽带谱特性，结合SNR加权平均算法，在动态流场中实现了亚厘米级流速监测，为气象雷达、燃烧诊断等领域提供新方法。

　　本研究提出了一种基于宽带近红外双梳光谱仪的快速超高精度多普勒速度计，以实现对气流速度的非侵入式、高精度测量。通过利用气体分子吸收峰的多普勒频移，该系统能够在无需直接接触气体的情况下，获取其运动状态的信息。传统气流速度测量技术如激光诱导荧光光谱、相干反斯托克斯拉曼散射光谱和可调谐二极管激光吸收光谱各有优势，但它们在同时实现高灵敏度、高效率和高精度方面存在局限。例如，激光诱导荧光光谱虽然具有良好的速度分辨率，但难以准确量化气体浓度；相干反斯托克斯拉曼散射光谱虽然具备分子选择性和空间分辨率，但其弱非线性信号的获取限制了采样率和测量距离；而可调谐二极管激光吸收光谱虽然在灵敏度和精度上表现优异，但其测量过程仍需多次频率扫描和校准，降低了实时性和便捷性。因此，如何在不牺牲其他性能的前提下，同时实现快速、高精度和高灵敏度的气流速度测量，成为当前研究的重要挑战。

为解决这一问题，本研究引入了一种新型的双梳光谱技术。双梳光谱仪通过两个具有略微不同重复频率的相干光学频率梳（OFC）产生宽频带的干涉信号，从而实现对分子吸收峰的高分辨率测量。这种技术的优势在于其无需机械扫描即可完成数据采集，能够在极短时间内获取大量频率信息。同时，双梳系统的高相干性确保了测量信号的稳定性，为高精度速度测量提供了基础。本系统的工作波段为1509–1545纳米，利用46,300条梳线解析了乙炔分子在P支和R支中的78条吸收峰，其最大光谱信噪比（SNR）达到了1751.7，远高于以往的测量结果。这种高信噪比不仅提升了系统的测量精度，也为后续的数据处理提供了可靠的基础。

在实验过程中，首先对静态乙炔气体进行了测量，以验证系统的准确性。通过将乙炔气体密封在低压（5毫巴）环境中，系统能够同时捕获P支和R支中的吸收峰，并利用多普勒频移原理计算气体流动速度。结果显示，随着相干平均时间的增加，系统的测量速度和信噪比均显著提升。例如，在1秒、15秒和100秒的平均时间下，系统的平均速度分别为0.17、0.07和0.01米每秒，对应的综合不确定性分别为0.38、0.12和0.05米每秒。这表明，系统在较长的平均时间下能够实现更高的精度，同时保持了良好的稳定性。

进一步地，研究团队构建了一个流动乙炔气体循环系统，利用空气泵调节气体流速，并通过双梳光谱仪对不同流速下的吸收峰进行测量。在100秒的测量时间下，系统能够准确测量流速在15.14至22.25米每秒之间的变化，并且测量不确定性始终低于厘米每秒的水平。这一结果充分证明了系统在动态环境下的稳定性和可靠性，为高精度实时气流速度监测提供了新的解决方案。

为了进一步提高测量精度，研究团队采用了一种基于信噪比的加权平均算法。该算法对不同吸收峰的信噪比进行评估，并根据信噪比的高低赋予不同的权重，从而在计算平均速度时，更有效地消除低信噪比吸收峰带来的误差。通过这一方法，系统能够在保持高灵敏度的同时，提高整体测量精度。例如，在100秒的测量时间内，系统测量到的平均速度为14.82米每秒，对应的综合不确定性为0.03米每秒，精度达到0.23%。这一精度水平相较于之前的研究有了数量级的提升，标志着在快速高精度气流速度测量领域取得了重要进展。

此外，本研究还探讨了该技术在不同应用场景中的潜力。由于双梳光谱仪能够实现宽频带、高分辨率的测量，其在环境监测、燃烧推进系统监控以及超音速动态特性分析等方面具有广泛的应用前景。例如，在快速风速雷达系统中，该技术可以用于实时监测大气流动，为气象预报和环境评估提供精准数据；在燃烧推进系统中，可以用于分析燃料气体的流动状态，优化燃烧效率和安全性；而在超音速流动研究中，可以用于揭示高速气流的微观结构和动态行为，为相关理论研究提供实验支持。

研究团队在实验过程中采用了多种技术手段，以确保测量结果的准确性。首先，通过将两个光学频率梳的重复频率和载波包络偏移频率锁定在同一个氢原子钟上，确保了系统具有极高的相干性。这种高相干性不仅提高了光谱测量的稳定性，还增强了信噪比，从而使得系统能够在极短的时间内完成高精度的测量。其次，通过使用宽带双梳光谱仪，系统能够解析出大量吸收峰，从而实现对气流速度的系统性测量。这种方法不仅提高了测量效率，还减少了对单一吸收峰的依赖，使得结果更加可靠。

在数据处理方面，研究团队采用了加权平均算法，以优化测量结果。该算法通过对不同吸收峰的信噪比进行评估，赋予高信噪比吸收峰更高的权重，从而在计算平均速度时，减少低信噪比吸收峰带来的误差。这一方法在实验中得到了验证，结果表明，随着吸收峰数量的增加和信噪比的提升，系统的综合不确定性显著降低，测量精度大幅提高。例如，在100秒的测量时间内，系统的综合不确定性从0.2863米每秒降低至0.0346米每秒，表明该技术在提升测量精度方面具有显著优势。

本研究的技术创新不仅体现在硬件设计上，还体现在数据处理方法的优化。通过结合高相干双梳光谱仪与加权平均算法，研究团队成功实现了对气流速度的快速、高精度测量。这一成果为气流速度监测技术的发展提供了新的思路，并为未来在更多复杂环境下的应用奠定了基础。此外，该系统的设计理念也为其他类型的非侵入式测量技术提供了借鉴，例如在医疗诊断、材料分析和地球物理探测等领域，具有潜在的应用价值。

总的来说，本研究提出了一种基于双梳光谱技术的快速超高精度多普勒速度计，通过优化系统设计和数据处理方法，显著提高了气流速度测量的精度和效率。该系统能够在不干扰气体流动的情况下，实现对高速气流的精准监测，为相关领域的研究和应用提供了有力支持。未来，随着技术的进一步发展，该系统有望在更广泛的领域中得到应用，包括环境监测、航空航天、能源工程等，推动多普勒速度测量技术向更高精度、更广泛适用性的方向迈进。