天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
研究非合作目标光频扫描干涉信号的快速检测方法，采用稀疏傅里叶变换算法快速求解距离谱，通过引入综合Rife算法精密校正距离谱，可大幅提升解算效率，保证解算精度。实验结果表明，所设计的硬件检测单元能够高效采集并处理不同粗糙度、入射距离及入射角度的非合作目标干涉信号，2 MB数据的处理时间为0.1224 s，在12 m范围内测距误差小于13 μm，标准差优于10 μm。
测量 光频扫描干涉 非合作目标 频谱校正 绝对距离测量
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
光频扫描干涉绝对距离测量系统需校正光频扫描非线性、细化信号距离谱，因此系统的数据采集及处理效率低，难以满足大尺度数字化制造场景中长度测量需求。本文设计的数据采集与处理系统，引入辅助干涉信号作为数字信号采集系统时钟，在信号采集过程中，同时校正等光频采样的光频扫描非线性，因此效率较高。并采用稀疏快速傅里叶变换确定距离谱细化区间，基于细化-快速傅里叶变换实现距离谱细化，有效提高距离的精密解算效率。实验结果表明：本文设计的系统，在数据处理速度方面，较使用线性调频Z变换的传统系统提高10倍以上；与商用干涉仪比对，在15.4~16.1 m等效空间距离范围内，测量结果误差保持在10 μm以下，测量重复性优于6 μm。
信号处理 绝对距离测量 光频扫描干涉 等光频采样 频谱细化 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0107003
1 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所，北京 100095
2 中国科学技术大学 地球与空间科学学院，安徽 合肥 230026
在瞬态高速测速场景中，目标物体在几十ns时间内能加速到几~几十km/s，因此光子多普勒测速系统中电学数模转换器件带宽要求达到GHz甚至上百GHz。时间拉伸光子多普勒测速系统利用飞秒激光时间拉伸特性，在光域中完成信号降频处理，降低了光电信号探测器件和电学数模转换器件带宽压力。提出了改进的时间拉伸光子多普勒测速系统，飞秒脉冲经过第一级色散器件充分展宽铺满整个时域，避免了速度信号的采样间断；信号解调上采用误差补偿算法对频移信号进行补偿，减小了因为位移引入的系统误差，从而增加了有效记录时间。实验使用纳秒激光驱动铝膜产生高速飞片，测试了文中测速系统在记录时间1.2 µs内的实验效果。实验使用重频50 MHz飞秒光源，第一级和第二级色散器件分别使用200 km和100 km单模光纤，构成比例因子2/3。最终实验表明系统将3.6 GHz的多普勒频移信号降低为2.4 GHz，通过与光子多普勒测速系统进行结果比对，实验动态误差小于5%。该系统将能够应用于多种动高压技术加载飞片场景下的速度进行测量，为瞬态高速测量领域提供了新的测量手段。
超快测量 光子多普勒测速 时间拉伸 激光驱动飞片 瞬态高速 ultrafast measurement photon Doppler velocimetry time-stretched laser-driven flyer transient high-speed 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210809
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optoelectronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China
2 School of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, China
3 Laboratoire Kastler Brossel, ENS–Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, College de France, F-75005 Paris, France
4 Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale and School of Physical Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
Lensless scattering imaging is a prospective approach to microscopy in which a high-resolution image of an object is reconstructed from one or more measured speckle patterns, thus providing a solution in situations where the use of imaging optics is not possible. However, current lensless scattering imaging methods are typically limited by the need for a light source with a narrowband spectrum. Here, we propose two general approaches that enable single-shot lensless scattering imaging under broadband illumination in both noninvasive [without point spread function (PSF) calibration] and invasive (with PSF calibration) modes. The first noninvasive approach is based on a numerical refinement of the broadband pattern in the cepstrum incorporated with a modified phase retrieval strategy. The latter invasive approach is correlation inspired and generalized within a computational optimization framework. Both approaches are experimentally verified using visible radiation with a full-width-at-half-maximum bandwidth as wide as 280 nm () and a speckle contrast ratio as low as 0.0823. Because of its generality and ease of implementation, we expect this method to find widespread applications in ultrafast science, passive sensing, and biomedical applications.
Photonics Research
2022, 10(11): 2471
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
光频扫描干涉(FSI)绝对测距技术具有精度高、灵敏度高等优点,受到了大型装备制造领域的广泛关注。为获得更高的测距精度,FSI系统中往往需要通过构建光纤辅助干涉仪以实现对光频变化的精密监测。然而,受环境因素以及色散效应的影响,光纤辅助干涉仪的光程难以在测量过程中维持稳定,导致测量精度严重下降。针对这一问题,提出了一种基于光谱标定的FSI绝对测距方法,采用氰化氢(HCN)气体的吸收光谱特征为FSI系统辅助干涉仪光程的在位快速标定提供稳定、精确的光频参考。提出了一种色散失配误差的快速补偿方法以消除光纤辅助干涉仪引入的色散失配误差对测量结果的影响。为验证上述方法的有效性,在20 m的距离上与商用干涉仪进行精度对比实验。实验结果表明,在测量范围内该系统的最大测距偏差小于50 μm,测量重复性优于±4 μm。
测量 光频扫描干涉 绝对距离测量 吸收光谱 色散效应 光学学报
2022, 42(12): 1212001
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
随着大型装备制造技术的不断发展,测量尺度的增加与精度需求的提升给现有大尺寸精密测量技术带来了严峻挑战。光频扫描干涉测距在精度、效率、现场适应性、溯源等方面具有良好的综合性能,尤其适合当前工业测量场景下的大尺寸绝对距离测量任务。本文介绍了光频扫描干涉测距的基本原理,总结了关键技术和仪器的研究进展,从提升测量精度与效率的角度出发,探讨了其应用于工业测量领域仍存在的问题、研究方向和发展前景。
测量 绝对测距 光频扫描干涉 大空间坐标测量 工业测量 中国激光
2021, 48(19): 1918002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
在激光扫频干涉测距过程中，目标振动在测距干涉信号中引入了多普勒频移，造成信号频谱展宽，导致了测距误差放大效应。为了降低振动对测距结果的影响，提出了基于激光自混合测振的测距误差补偿方法，通过同步测量自混合干涉信号的相位变化，补偿目标振动对测距干涉信号的相位调制，并采用频率重采样法校正激光器的调频非线性。最终通过仿真和实验验证了所提方法的可行性。在实验中，当测量的目标振幅为7102.1 nm时，测振标准差为7.9 nm，补偿前的测距标准差为3270.6 μm，补偿后的测距标准差降低到21.4 μm。补偿后的测距标准差接近无振动情况下的测距标准差，表明目标振动引发的测距误差放大问题得到了有效解决。
测量 激光扫频干涉测距 激光自混合干涉 目标振动补偿 频率重采样 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1112005
天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
基于激光自混合干涉的振动重构方法需估算光反馈水平因子以及线宽增强因子，目标振动导致光反馈水平变化，引入较大的测量误差。为提高测振精度和鲁棒性，本文提出一种基于自混合干涉调频特性的振动重构算法，利用全光纤马赫-曾德尔干涉仪获得自混合干涉调频信号，解算出激光器的瞬时频率，并联合调幅信号相位实现对目标振动信息重构。该方法无需估算光反馈水平因子以及线宽增强因子，极大地简化了测量光路与解算模型，在保证测量精度的同时降低了振动信息提取过程的复杂性。数值仿真表明，在适度光反馈的条件下，该算法在振幅为2~100 μm的测量范围内具有良好的线性度。实验结果显示，在1.6~8.3 μm的测量范围内，重复测量标准差低于15 nm，非线性误差为0.78%。
测量 自混合干涉 振动测量 调频特性 马赫-曾德尔干涉 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0712001
1 中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所, 北京 100095
精准的距离测量对于卫星编队飞行、行星空间定位、大型结构形状测量、微小位移测量以及工业制造测量等方面具有重要意义。近年来, 基于飞秒激光频率梳的测距技术以其测量速度快、准确度高等优点成为国际研究热点。在简要阐述飞秒激光频率梳原理特性基础上, 分析了目前国内外主要的飞秒激光频率梳测距的原理及测距结果, 包括飞行时间法、多波长干涉法、双频率梳法、空间色散干涉法、实时色散傅里叶变换法以及多技术综合测距法。简要介绍了在测量过程中对空气折射率修正和色散补偿方法, 对各类测距方法进行了对比总结, 着重介绍了基于飞秒激光频率梳的测距最新研究进展。
计量 激光雷达 激光测距 光学频率梳 超快激光 metrology lidar laser ranging optical frequency comb ultrafast laser 红外与激光工程
2018, 47(10): 1006008
Author Affiliations
Abstract
1 College of Physics, Optoelectronics and Energy & Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China
2 Key Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province and Key Lab of Modern Optical Technologies of Education Ministry of China, Soochow University, Suzhou 215006, China
It is known that one can determine the mode orders (i.e., the azimuthal order and radial order) of a partially coherent LGpl beam (i.e., a partially coherent vortex beam) based on the measurement of the cross-correlation function (CCF) and the double correlation function (DCF) together. The technique for measuring the CCF is known. In this Letter, we propose a method for measuring the DCF. Based on the proposed method, the determination of the mode orders of a partially coherent LGpl beam is demonstrated experimentally.
030.1670 Coherent optical effects 050.4865 Optical vortices 350.5500 Propagation Chinese Optics Letters
2017, 15(3): 030002
