浙江理工大学 信息科学与工程学院，浙江杭州310018
针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差，提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系，利用位置敏感探测器（PSD）和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化，从而获得更为准确的转角测量结果，最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性，搭建激光外差干涉测量实验装置，分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明：经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm，测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内，对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量，将测得的转角进行位移补偿后，系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。
激光外差干涉 位移测量 误差补偿 卡尔曼滤波 laser heterodyne interferometry displacement measurement error compensation Kalman filtering
1 合肥学院先进制造工程学院, 安徽 合肥 230601 Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphère, Université du Littoral Cte d’Opale, Dunkerque, 59140, France
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
3 肥学院先进制造工程学院, 安徽 合肥 230601
4 Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphère, Université du Littoral Cte d’Opale, Dunkerque, 59140, France
具有高灵敏度、 高光谱分辨率的中红外激光外差光谱气体探测, 是以窄线宽激光器作为本地振荡器, 通过放大入射的微弱吸收信号, 实现大气痕量气体柱浓度和垂直浓度廓线的遥感探测技术。 基于当前的激光外差辐射计, 提出了一种新型的仪器结构。 引入直接吸收光谱系统实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 采用紧凑型红外黑体源EMIRS200作为宽带辐射光源, 替代太阳光, 进行激光外差系统的验证分析。 为激光外差辐射计的下一步系统集成提供了新方法。 研制了中红外宽调谐激光外差辐射计概念验证系统, 对系统基本参数进行了测试分析。 该系统采用8 μm外腔量子级联激光器(EC-QCL)作为本地振荡光源, 红外黑体源EMIRS200作为辐射光源。 通过对该系统基本参数的测试数据分析, 获得了系统信噪比(~120)和外差转换效率(~0.006)参数。 利用艾伦方差分析确定了EC-QCL的稳定时间至少达到了133 s, 因此非常适合于激光外差光谱的采集。 得到直接吸收光谱系统的1σ最小体积分数探测限为2.312×10-8, 能够满足大气甲烷高灵敏检测需求, 同时实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 最后利用已建立的激光外差辐射计概念验证系统获取了甲烷中红外8 μm处高分辨激光外差吸收光谱, 并与甲烷在8 μm波段附近的直接吸收光谱进行了光谱比对。 最后拟合了系统光谱分辨率参数, 验证了该概念验证系统的高光谱分辨率, 能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。 实验结果表明, 激光外差系统中引入直接吸收光谱系统可以实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 紧凑型红外黑体源EMIRS200可以用于激光外差辐射计的结构优化, 实现激光外差系统的分析验证, 为进一步应用于测量实际大气中多组分气体的光谱提供了实验基础并拓展激光外差辐射计在高精度遥感探测领域的应用。
大气遥感 外腔量子级联激光器 中红外 激光外差 Atmospheric remote sensing External cavity quantum cascade laser Mid-infrared Laser heterodyne 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1739
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
激光外差光谱（LHS）系统具有光谱分辨率高、探测灵敏度高和体积小等特点，在高分辨率太阳光谱和整层大气透过率测量等应用中受到关注。以3.93 μm分布反馈式带间级联激光器（DFB-ICL）作为本振光源搭建了激光外差光谱测量系统，以太阳光作为信号光，利用Zemax光学仿真软件对太阳光与激光的耦合进行设计和仿真。基于开普勒望远镜原理设计了太阳光整形结构。光斑整形后有效提高了外差耦合效率，将系统信噪比提高至162.1，比无整形条件下获得的信噪比提高了一倍。利用搭建的激光外差系统实测了合肥地区整层大气N2O吸收光谱，采用最优估算法反演了N2O的柱浓度，均值为0.311×10-6，反演结果与EM27/SUN的实测结果进行比较，两种方式获得的N2O柱浓度相关性为0.856。测量结果表明，激光外差光谱测量系统的光学结构经设计和优化后，光学耦合效率和系统信噪比均得到有效提升，基于实测太阳光谱反演获得的N2O柱浓度也与商用仪器观测结果具有较好的一致性。
光谱学 激光外差 信噪比 光斑整形 光学仿真 反演算法 中国激光
2023, 50(14): 1411001
1 清华大学精密仪器系，北京 100084
2 清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，北京 100084
3 陆军装备项目管理中心，北京 100072
在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前，激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段，本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术，概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法，回顾了近三十年国内外相关研究进展，并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后，对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。
测量 空间引力波探测 激光外差干涉 多自由度测量 差分波前传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312006
北京工业大学材料与制造学部北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 100124
测量分辨率和精度的不断提高是激光外差干涉测量的发展趋势，而抑制激光外差干涉测量精度进一步提升的主要因素是周期性非线性误差。提出了一种基于连续小波变换的激光外差干涉非线性误差补偿方法。对非线性误差函数进行Morlet小波变换，利用小波系数矩阵信息提取小波脊线，分析小波脊线上的特征信息，重构一次谐波非线性误差；利用最小二乘非线性拟合方法迭代拟合出二次谐波非线性误差。实验结果表明，将此方法应用于激光外差干涉测量系统中，非线性误差分量由5.97 nm减小到1.09 nm，非线性误差分量减小至原来的18%。该方法可有效抑制非线性误差的影响，并提高激光外差干涉测量的精度。
测量 激光外差干涉 非线性误差 连续小波变换 最小二乘非线性拟合 中国激光
2022, 49(21): 2104006
传统相位生成载波（PGC）技术采用了载波多倍频混频方案，从而导致解调过程采样率高、计算时间长。针对这一问题，从语音信号的频谱特征出发，对信号混频方法进行改进。将光电探测器采集并转换后的信号分别与载波的正弦项和余弦项进行混频，在混频信号经过带通滤波器滤波后，分别采用反正切和微分交叉相乘处理的方式来进行解调。对一个简单正弦信号进行解调对比后发现，改进后的解调方法比传统方法所需的采样率更低、计算时间更短。虽然微分交叉相乘法信号处理速度比反正切法更快，但是反正切法的解调效果和抗噪性更好。对实际语音信号进行解调的结果表明，反正切法具有较好的解调效果。
信号处理 激光外差语音探测 相位生成载波解调 语音信号 信噪比 抗噪性 光学学报
2022, 42(16): 1607001
激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术, 其装置具有体积小、 光谱分辨率高等特点, 适用于大气温室气体浓度的探测。 各种观测实验已证明其是一种切实、 有效的探测手段, 在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。 在现有激光外差光谱仪器的基础之上, 提出了一种新型的仪器结构。 采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束, 实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。 为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。 从激光外差探测的原理出发, 分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数, 并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪, 搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。 详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数, 着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能, 详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。 在此基础上, 讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法, 并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.004 4 cm-1)。 利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N, 117.166°E)进行了实际的大气探测, 同时在波段(6 056.2~6 058.1 cm-1)和(6 035.6~6 036.5 cm-1)分别获取了CH4和CO2分子的激光外差吸收信号, 并对吸收信号进行了波长标定和归一化, 得到了CH4分子和CO2分子的整层大气透过率谱, 测量光谱信号的信噪比分别为197和209, 同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。 本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化, 实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量, 拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。
激光外差 整层大气透过率谱 信噪比 Laser heterodyne Total atmospheric spectral transmittance Signal-to-noise ratio 
