红外与激光工程
2020, 49(8): 20190438
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 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
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
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
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
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 湖北工业大学机械工程学院, 湖北 武汉 430068
在结构光的三维测量中,单投影仪单相机的测量结构在测量复杂物体时容易出现遮挡与阴影现象,从而影响了测量数据的完整性;使用双投影单相机的测量结构可扩展成像范围,减小阴影部分的面积,提高测量效率,但从部分重叠的相移光栅中分离出原始投影信号是该方法的难点。在分析传统四步相移法的基础上,提出了一种基于灰度互补关系的重叠相移光栅分离方法,该方法通过调整投影的相移光栅的时间及次序,在不改变原有测量系统结构的基础上有效消除了重叠部分的干扰信号;为了验证该分离方法的有效性,搭建测量系统进行相关实验。结果表明:利用互补关系可以实现重叠相移光栅信号的准确分离,获取完整的点云数据,同时也提高了测量速度。
测量 分离算法 重叠相移光栅 结构光 三维测量 多投影 点云生成 光学学报
2018, 38(11): 1112002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
为满足高精度、大尺寸、高动态的测量需求,提出一种基于光学频率梳方法的绝对测量方案。采用级联相位调制器和强度调制器的电光调制方法生成平坦的光学频率梳,可以实现频率的直接溯源,成本低且易于复现。实现了对数学模型的建立及生成质量的评估,并且将其应用于改进的多波长测距系统中。该系统实现了对传统的多波长测量系统的简化,通过解算出合成波长的相位信息实现了对绝对距离的测量以及对测量过程中噪声和不确定度的分析。
测量 激光测试 光学计量仪器 光电测距 中国激光
2018, 45(12): 1204002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
基于激光调频连续波(FMCW)测距的原理搭建了双光路FMCW测距系统,用正弦调频替代了传统的线性调频,提高了扫频速率。研究了正弦调频下的FMCW测距原理,推导了正弦扫描的重采样公式,提出了信号拼接的方法来增大扫描带宽,并通过正交调制的方法消除拼接误差。实验结果表明,使用正交调制的方法拼接等光频重采样校正的信号后,频谱分辨力可达127 μm,接近理论分辨力。在3.3~4 m的范围内,所提方法的结果与参考干涉仪的误差不超过203 μm,标准差小于194 μm。
测量 调频连续波(FMCW) 正弦调频 正交调制 信号拼接 中国激光
2018, 45(12): 1201002
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 北京航天计量测试技术研究所, 北京 100076
针对调频非线性和快速傅里叶变换（FFT）精度不高的问题，基于等光频间隔重采样的调频连续波测距系统，采用相位差测频法测量了待测目标点的距离；对调频连续波激光测距原理进行分析和推导，并依靠该系统进行了测距稳定性和测距误差的分析实验。结果表明：在8.3～9.3 m测量范围内，相位差测频法的测距单点稳定性范围为50～95 μm，测得的距离与理论距离的残余误差不超过100 μm；所提算法比快速傅里叶变换具有更好的测距精确性和稳定性。
测量 相位差测频 等光频间隔重采样 调频连续波 测距精度 中国激光
2018, 45(11): 1104002
