基于WMS信号下采样重构DAS序列矩阵的吸收特征多普勒频移高精度气体流速测量方法

本文提出了一种创新的TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）气体流速测量方法，通过将WMS（波长调制光谱）信号下采样重构成DAS（直接吸收光谱）序列矩阵，利用三维吸收特征模板匹配技术精确提取多普勒频移。实验证明该方法在涡喷发动机测试中相对标准偏差（5.2%）显著优于传统WMS（7.8%）和DAS（14.9%）方法，为发动机动态参数监测提供了更精准的光学测量方案。

　　

Highlight

本研究创新性地将波长调制光谱（WMS）信号通过降采样重组为直接吸收光谱（DAS）序列矩阵，利用三维吸收特征的空间匹配技术实现亚像素级多普勒频移检测，在涡喷发动机实测中将流速测量精度提升40%以上。

Principle of TDLAS-based velocity measurement

基于比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law），气体流速可通过吸收光谱多普勒频移Δν_u = ν₀·v/c计算。传统方法受限于WMS谐波相位模糊或DAS基线拟合误差，而新方法通过构建DAS序列矩阵（每行包含完整吸收轮廓）实现特征空间定位，理论灵敏度达0.05像素（相当于0.2 m/s）。

Model of digitally transmitted WMS signal

WMS发射激光波数模型包含低频锯齿波扫描ν_s(t)和高频正弦调制Σν_mcos(2mπf_Ht+α_m)。通过同步采集卡以100MS/s采样率捕获信号，经数字锁相放大后，按调制周期截取信号段重排为N×M矩阵，形成"光谱-时间"二维特征场。

Numerical simulation

仿真显示当调制深度超过1.2时，传统谐波法中心频率定位误差达±50MHz，而新方法通过高斯差分（DoG）滤波增强矩阵特征后，在-40°~1200°C温度变化范围内频移检测误差<3%。

Experimental setup

如图8所示便携式系统集成三路激光器（DFB-1.4μm/1.5μm/1.6μm）和共光路设计，有效抑制光束偏转效应。实测某型涡喷发动机尾喷管流速时，新方法在2kHz动态响应下仍保持5.2%RSD（相对标准偏差）。

Conclusion

该技术突破传统WMS/DAS方法局限，通过"光谱矩阵化+机器视觉"的创新思路，为极端环境下（如2000K高温/马赫数3）气体动力学研究提供新工具。未来可拓展至燃烧诊断（combustion diagnostics）和超燃冲压发动机（scramjet）监测领域。