调频重采样是一种绝对测距技术。 这种方法采用的光源波长随时间变化, 形成一束宽光谱激光。 激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量, 并对其中频率间隔相同的部分进行重采样, 使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽, 较高的分辨率及精度。 在实际测量过程中, 测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响, 导致待测距离及辅助光纤长度发生变化, 引入测距误差。 针对这个问题, 分析了振动对重采样测量结果产生的误差: (1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量; (2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。 为了弥补这两种误差, 提出了一种三光路结构的补偿方法, 在辅助光路中, 使用一种光路结构简单小巧, 且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪, 实时的监测信号光的瞬时频率。 在测量光部分, 在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号, 并通过FFT算法产生频谱。 频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。 通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差, 通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。 实验证明, 传统的重采样测距方法精度为23.6 μm, 三光路测距方法的精度可达到11 μm, 可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。

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。

作为一种高精度测量工具, 飞秒激光具有优于传统激光技术的特性, 已被广泛应用于工业生产、 航空航天、 科学研究等领域。 扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、 扫描速度过慢等问题, 对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。 基于扫频采样原理, 提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法, 并对该技术的测量原理、 干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。 首先, 根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应, 介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。 在此基础上, 结合传统的光学采样法原理, 解释了扫频采样法的测距原理, 推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。 然后, 搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统, 在线性导轨上进行了远距离的测量实验, 同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。 根据实验环境修正了空气群折射率, 分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响, 测量了不同目标位置处的激光扫描距离。 在504 m的测量范围内, 扫描距离从056 mm增加到112 mm, 充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。 周期性的频率扫描可产生互相关条纹, 通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理, 解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数, 从而获取被测的距离信息。 此外, 为了减小系统的时间延迟误差, 提高测量的准确性, 采用差分原理对算法进行了改进。 在希尔伯特算法基础上, 分别对频率和距离进行差分处理, 解算距离信息。 实验结果表明, 经过对比, 采用基于距离差分的改进算法处理数据, 性能结果较好。 算法改进后, 系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm, 相对精度从22×10-9提高到8×10-8, 测距准确性明显提高。 通过分析重复性测量数据, 并与增量式激光干涉仪结果比对, 测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm, 最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8, 测距稳定性明显提高。 因此, 该方法有较为优秀的大尺寸测距能力, 具有同时实现高精度、 大尺寸、 快速绝对测距的潜力, 在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。

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。