Jindong Wang 1,2,3†Jingsheng Huang 1†Qihua Liu 2†Wei Du 1[ ... ]Tao Zhu 1,*
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Optoelectronic Technology & Systems (Ministry of Education), Chongqing University, Chongqing 400044, China
2 State Key Laboratory of Precision Measuring Technology & Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 e-mail: jdwang@cqu.edu.cn
The optical frequency comb serves as a powerful tool for distance measurement by integrating numerous stable optical modes into interferometric measurements, enabling unprecedented absolute measurement precision. Nonetheless, due to the periodicity of its pulse train, the comb suffers from measurement dead zones and ambiguities, thereby impeding its practical applications. Here, we present a linear group delay spectral interferometer for achieving precise full-range distance measurements. By employing a carefully designed linear group delay (LGD) device for phase modulation of the comb modes, interference can occur and be easily measured at any position. Our approach effectively eliminates the dead zones and ambiguities in comb-based ranging, without the need for cumbersome auxiliary scanning reference devices or reliance on complex high-repetition-rate combs or high-resolution spectrometers. We conducted length metrology experiments using a mode-locked comb referenced to a rubidium clock, achieving a large nonambiguity range up to 0.3 m, covering the entire measurement period. The maximum deviation compared to a laser interferometer was less than 1.5 μm, and the minimum Allan deviation during long-term measurements reached 5.47 nm at a 500 s averaging time. The approach ensures high accuracy while maintaining a simple structure, without relying on complex external devices, thereby propelling the practical implementation of comb-based length metrology.
Photonics Research
2024, 12(2): 313
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
现代测量技术中,频率调制连续波激光雷达结合了传统雷达和激光干涉测量的优点,凭借其非接触性、测量范围大、分辨率高和抗干扰能力强等特性,在大尺寸空间精密测量、微小测量以及生物计量等领域发挥着至关重要的作用。但实际应用中,激光光源的频率调制不能呈现出完全线性,使得频率调制连续波激光雷达技术的测量精度严重下降。所以,如何抑制激光的调频非线性带来的影响成为频率调制连续波激光雷达测量领域的一项研究热点。本文介绍了频率调制连续波激光雷达的工作原理,根据频率调制非线性校正方案的不同,针对性地介绍和分析了四种应用较为广泛和部分特殊的非线性校正方法,并进行了总结和展望。

频率调制连续波 激光雷达 干涉测量 非线性校正 frequency modulation continuous wave LiDAR interferometry nonlinear correction 
光电工程
2022, 49(7): 210438
宋鲁明 1,2,3张福民 2,3孙栋 1,3林洪沂 1,3[ ... ]张乾 1,3
作者单位
摘要
1 厦门理工学院 光电与通信工程学院,福建 厦门 361024
2 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
3 福建省光电技术与器件重点实验室,福建 厦门 361024
绝对距离测量的精度对于航空航天科技、精密装备加工、卫星编队、行星空间定位等领域具有重要意义。近年来,基于可调谐激光器的扫频干涉(FSI)测距技术以其突破2π模糊度、无测量死区、不接触且不依赖导轨等优点成为国际研究热点。文中在阐述FSI测距原理的基础上,简要分析了测距系统中部分器件的类型与性能,如可调谐激光器、探测器等,以及影响测距系统不确定度的因素,包括非线性扫频、多普勒频移、色散失配等方面,着重介绍了国内外对影响不确定度因素的相应补偿方法,并对补偿后的测量结果进行对比与总结。
FSI 非线性扫频 多普勒频移 色散失配 不确定度 FSI non-linear frequency sweep Doppler frequency shift dispersion mismatch uncertainty 
红外与激光工程
2022, 51(5): 20210406
作者单位
摘要
1 天津职业技术师范大学 机械工程学院,天津 300222
2 天津大学 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
3 天津理工大学 电气电子工程学院,天津 300384
在基于视觉图像的位姿测量中,非线性位姿测量算法的全局收敛存在不确定性,测量结果取决于初值的选取,不能保证位姿测量的鲁棒性。线性位姿测量算法对图像处理的要求比较高,如果定位特征点图像坐标提取不够精确,会导致位姿测量精度降低。在自然光条件下,相机采集定位特征点图像,图像中高亮度区域的存在对定位特征点提取精度产生影响,进而使有效定位特征点数量减少,影响位姿测量精度。针对上述问题,文中提出了一种基于最佳偏振角的线性位姿测量方法:在相机镜头前加装线偏振片,根据Stokes矢量建立偏振片最佳偏振角度求解模型,在使用最佳偏振角度的前提下采集定位特征点图像,提取图像坐标;建立线性位姿求解模型,计算被测物体位姿。实验结果表明,该方法能够有效减少图像中的高亮度区域,改善成像质量,提高线性位姿测量精度,在−60°~+60°的测量范围内,角度测量误差小于±0.16°,在0~20 mm的测量范围内,位移测量误差小于±0.05 mm。
位姿测量 最佳偏振角 线性算法 Stokes矢量 pose measurement optimal polarization angle linear algorithm Stokes vector 
红外与激光工程
2022, 51(3): 20210241
作者单位
摘要
浙江师范大学 含氟新材料研究所, 先进催化材料教育部重点实验室, 金华 321004
作为类铁电材料, 金属有机骨架材料的机械催化降解染料性能的研究还鲜有报道。本研究采用溶剂热法合成了氨基化的Zr基MOF材料NH2-UiO-66, 并将其应用于以超声为机械振动源催化降解染料罗丹明B。结果表明: 在超声振动5 h后罗丹明B的降解率可达80%, 且NH2-UiO-66表现出良好的稳定性; 自由基捕获实验表明超声机械振动可诱导NH2-UiO-66表面产生正负电荷, 进而形成具有强氧化活性的羟基自由基来分解染料分子。将MOF材料的机械催化技术应用在染料废水处理具有潜在的价值。
金属有机骨架材料 NH2-UiO-66 铁电材料 机械催化 染料降解 metal-organic frameworks NH2-UiO-66 piezoelectrical materials mechano-catalysis dye degradation 
无机材料学报
2020, 35(9): 1023
作者单位
摘要
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
随着大尺寸工件和设备的制造加工以及装配的精度要求提高,对工件加工装配过程进行测量的测量系统精度要求也有所提高。多边法激光跟踪三维坐标测量系统只利用距离测量数据解算空间点坐标,能够避免激光跟踪仪角度测量带来的误差。文中提出了一种通过在跟踪仪测头挂载夹具进行球心拟合来获取跟踪仪测量原点的方式进行系统自标定,并辅以移站的方式,可使用两台激光跟踪仪构建四站多边法激光跟踪三维坐标测量系统。另外,文中还尝试了三站系统的构建。实验证明,四站系统将对标称长度1000.943 mm位于约20 m处的标准尺长度测量误差由最大110 μm减小至28 μm,三站系统将对标称长度969.045 mm位于约7.5 m处的标准尺长度的测量误差由最大67 μm减小至21 μm,相较于单台跟踪仪提高了精度,相较于传统多边系统降低了测站数量和成本,能够在工业现场实现高精度三维坐标测量。
多边法 激光跟踪仪 球心拟合自标定 坐标测量 multilateral laser tracker spherical center fitting-self-calibration coordinate measurement 
红外与激光工程
2020, 49(8): 20190438
Jindong Wang 1†Zhizhou Lu 2,3†Weiqiang Wang 2,5,*†Fumin Zhang 1,6,*[ ... ]Wenfu Zhang 2,3,7,*
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Measuring Technology & Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4 Department of Physics and Materials Science, City University of Hong Kong, Hong Kong, China
5 e-mail: wwq@opt.ac.cn
6 e-mail: zhangfumin@tju.edu.cn
7 e-mail: wfuzhang@opt.ac.cn
Laser-based light detection and ranging (lidar) plays a significant role in both scientific and industrial areas. However, it is difficult for existing lidars to achieve high speed, high precision, and long distance simultaneously. Here, we demonstrate a high-performance lidar based on a chip-scaled soliton microcomb (SMC) that can realize all three specialties simultaneously. Aided by the excellent properties of ultrahigh repetition rate and the smooth envelope of the SMC, traditional optical frequency comb (OFC)-based dispersive interferometry is heavily improved and the measuring dead zone induced by the mismatch between the repetition rate of the OFC and resolution of the optical spectrum analyzer is totally eliminated. Combined with an auxiliary dual-frequency phase-modulated laser range finder, the none-dead-zone measurable range ambiguity is extended up to 1500 m. The proposed SMC lidar is experimentally implemented in both indoor and outdoor environment. In the outdoor baseline field, real-time, high-speed (up to 35 kHz) measurement of a long distance of 1179 m is achieved with a minimum Allan deviation of 5.6 μm at an average time of 0.2 ms (27 nm at an average time of 1.8 s after high-pass filtering). The present SMC lidar approaches a compact, fast, high-precision, and none-dead zone long-distance ranging system, aimed at emerging applications of frontier basic scientific research and advances in industrial manufacturing.
Photonics Research
2020, 8(12): 12001964
作者单位
摘要
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据,并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。
测量与计量 非线性消除 重采样 调频连续波 激光测距 measurement and metrology nonlinear elimination resampling frequency modulated continuous wave laser ranging 
激光技术
2020, 44(1): 1
作者单位
摘要
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
对调频连续波激光测距技术进行改进,提出了触发重采样方法。在所提方法中,辅助信号先触发采集卡,然后对测量信号和辅助信号同时采样,再用采集到的辅助信号的极值点对测量信号进行重采样。实验结果表明:所提出的触发重采样方法的测量标准差最小可达到12 μm。
遥感 激光雷达 线性调频测距 激光干涉 非线性调频 
光学学报
2019, 39(4): 0428003
作者单位
摘要
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在双光路调频连续波激光测距过程中, 振动将光程差变化转为拍频信号不需要的相位调制, 并在拍频信号中引入多普勒频移, 导致拍频信号的频谱发生严重展宽和频移, 无法根据拍频频率计算距离值。为解决该问题, 提出一种基于四波混频效应的振动补偿方法, 该方法利用四波混频技术产生与原频率扫描信号扫描方向相反的新频率扫描信号, 通过两个频率扫描信号的测量拍频信号计算距离值。结果表明:当扫描带宽为10 nm, 待测距离为5 m, 待测目标以2 Hz的频率进行行程为100 μm的周期性位移时, 基于四波混频效应的振动补偿方法能有效消除振动对测距的影响, 测量标准差由补偿前的1.062 mm减小为29 μm; 该方法无需测量振动位移便可直接获取消除振动影响的距离值, 极大地简化了系统的硬件部分。
测量 四波混频 调频连续波 振动 等光频间隔重采样 
中国激光
2019, 46(1): 0104001

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