基于复合校正算法的自由运行双光梳光谱仪研究及其气体检测应用

本文创新性地提出一套复合校正算法（包括单次干涉图校正、频率校正、模糊函数及改进的可训练时间弯曲算法），成功实现了自由运行双光梳光谱仪（DCS）的气体光谱重建。该系统摆脱了传统相位锁定硬件的束缚，通过全计算校正将43175条梳状谱线信噪比提升至4466，在1550 nm波段测得H13CN吸收谱与HITRAN数据库高度吻合，为DCS的现场应用提供了新范式。

　　

Highlight

自由运行双光梳光谱仪（DCS）因消除复杂锁相系统而展现出巨大现场应用潜力。本文通过复合校正算法（含单次干涉图帧内抖动抑制、帧间载波包络偏移频率校正及改进的可训练时间弯曲算法），首次在分离腔体自由运行系统中实现非中心爆发区干涉图对齐，为DCS技术开辟了无需硬件锁相的新路径。

Free-running DCS Experiment

实验采用中心波长1550 nm、带宽100 nm、重复频率~181 MHz的独立双光梳（OFC1/OFC2），通过50:50耦合器（Coupler 1）结合后经密集波分复用器（DWDM）传输。关键创新在于利用算法补偿785 Hz重复频率差产生的抖动，仅需150 ms采集116帧干涉图（IGM）即可重构气体吸收谱。

Compound Correction Algorithms

该算法体系包含三大核心模块：

1）单次IGM校正：通过重采样消除脉冲重复率抖动（δΔf_r）

2）频率校正模块：采用模糊函数估计载波包络偏移（CEO）相位噪声

3）改进TTW算法：引入非中心爆发区权重分配，突破传统算法仅校正中心爆发的局限

Analysis of Results

实测数据显示，经复合校正后H¹³CN吸收谱线与HITRAN数据库吻合度显著提升。时域相干平均IGM信噪比达4466，43175条梳状谱线成功重建，验证了算法在分离腔体系统中的普适性优势。

Conclusion

本研究首创将误差估计算法与非线性时间弯曲算法融合，首次在独立双光梳系统中实现全计算式校正。相比单腔体系统，该方案具有重复频率可自由调节、无需光谱重叠限制等独特优势，为DCS技术在环境监测、生物医学检测等领域的现场部署提供了革命性解决方案。