1 国科大杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院力学研究所, 北京 100190
在空间引力波探测太极计划中，激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段，为了消除激光频率不稳定性对其的影响，需利用时间延迟干涉技术降低噪声的干扰。时间延迟干涉是一种数据后处理方法，要实现该技术的数据构型，需对卫星臂长实现精确的绝对距离测量。本文从太极计划的需求分析出发，分别从信源编码设计、延迟环设计以及数据处理算法等方面介绍测距系统的设计方案。在信源编码中，文章通过分析m序列、gold序列、Weil码三种伪随机码的自、互相关性优劣以及长度选取上的灵活性，最终选择了Weil码并筛选出其自相关性最优的移位-截取组合，将其作为测距系统所用的伪随机码。同时，基于该测距系统，搭建了一套地面电子学验证实验装置，以模拟信号传输的物理过程并验证系统性能。实验主体装置采用一块基于Xilinx公司K7芯片的自研FPGA板卡用以模拟卫星通信测距过程以及实现锁相环、延迟环等功能。实验将24.4 kbps的16位信息码与1.5625 Mbps的1024位Weil码进行BPSK调制，采样频率为50 MHz，通过10~60 m的射频同轴电缆进行传输后，使用质心法对采集数据进行优化，随后测定该距离。实验结果表明：在60 m范围内，测距精度优于1.6 m。实验证明了测距系统原理及设计的可行性，为下一步的光学系统验证奠定了技术基础。
空间引力波探测 绝对距离测量 伪随机码调制 space gravitational wave detection absolute ranging measurement pseudorandom modulation
1 湖北工业大学 湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068
2 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 精密光学测量实验室，湖北 黄石 435003
绝对距离测量在基础科学和技术研发领域的重要性日益彰显。由于传统的光学干涉绝对距离测量方法存在测量距离较短、“位相模糊”、易受噪声干扰等问题，计量学领域提出利用频率合成激光开展非光学干涉的绝对距离测量研究。尽管该方法实验装置简单、具有较强的抗噪声干扰能力、适用于大尺寸测量等优点，然而它对实验装置的工作频率带宽、精度具有较高的要求，先前的工作受限于以上条件，绝对距离测量精度为厘米量级。为进一步提高测距精度，提出一种溯源北斗时间基准的非光学干涉激光扫频测距方法。采用光纤电光调制器，代替空间声光调制器，激光频率扫描范围从10 MHz提高到100 MHz；采用北斗/GPS时钟作为信号源的外部基准，频率精度达到0.03 ppm (1 ppm=10−6)；采用电子学外差探测与自混频相结合的方案，将高频交流光电流信号解调出低频绝对距离信息，降低了环境噪声和电子学噪声。实验得到绝对距离测量结果9.8436 m，测量精度1.25 mm。该方法减小了设备时基频率误差对测量结果的影响，实现大尺度测量同时测距精度比先前的工作提高了一个数量级，具有广泛的应用前景。
绝对距离测量 GPS/BDS 无光学干涉 时基校准 absolute distance measurement GPS/BDS non-optical interference time base calibration 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220582
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
天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072
基于电控光学采样原理开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量的实验研究。电控光学采样技术使用两台重复频率锁相的飞秒激光器，分别作为信号激光器和本地振荡器。在本地振荡器的谐振腔内插入电光调制器并施加方波调制，实现了可控、高效的等效时间采样，采样速度由电光调制器的调制频率决定。基于这一采样原理开展脉冲飞行时间绝对距离测量实验。选用一对重复频率约为158 MHz的被动锁模光纤激光器作为光源，对固定目标进行单次测量的最大更新速率可达到200 kHz，经过4100次单次测量平均后，测距精度可达到16.7 nm。在此基础上，测量了硅基微机械器件中深度约为67.6 μm的微槽。
测量 飞秒脉冲 电控光学采样 飞行时间 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 东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞 523808
2 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
3 华南师范大学信息光电子科技学院, 广东 广州 510006
大尺寸装备制造、空间中航天器编队飞行等领域面临大量程、高速、高精度的绝对距离测量需求, 传统的干涉相位法与飞行时间法已经无法满足测量需求。随着光频梳的出现, 能够利用光频梳在时域及频域中的高分辨特性, 将其应用于测距中。双光梳测距在解决了量程扩展问题后, 成为了集大尺度、快速测量、高精度于一体的光学测距手段。梳理了光梳测距的发展过程, 阐述了双光梳测距发展过程遇到量程扩展、噪声抑制、空气折射率补偿、光源小型化等问题及解决办法, 为双光梳测距系统的完善提供理论指导。
双光梳 绝对距离测量 飞行时间法测距 非模糊距离 噪声抑制 dual optical comb absolute distance measurement time-of-flight method ranging unambiguous distance noise suppression
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
1 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 清华大学深圳国际研究生院先进制造学部, 广东 深圳 518055
距离测量作为几何量测量关键共性基础技术之一,在科学研究、高端装备制造及空间探测等领域有重要应用。新兴的双光梳绝对测距技术充分发挥了光学频率梳的时域超短脉冲和频域高分辨特性,能实现大范围、高精度、高测速的绝对距离测量。首先,在简要阐述双光梳基本原理的基础上,着重介绍了双光梳飞行时间法测距和相位法测距的研究进展;然后,介绍了双光梳测距技术的功能拓展、仪器化进程及应用实例;最后,对双光梳测距的发展进行了展望。
测量 绝对距离测量 双光梳 飞行时间法测距 相位法测距 仪器化及应用 中国激光
2021, 48(15): 1504002
江西财经大学软件与物联网工程学院,江西 南昌 330013
法布里-珀罗标准具是许多经典和现代光学领域中非常重要的器件之一。设计了一种简单稳定的空气隙法布里-珀罗标准具,作为飞秒脉冲激光器绝对距离测量光谱分辨干涉法的核心器件。将法布里-珀罗标准具放置在迈克耳孙干涉仪两路光束会聚出光处,滤出飞秒激光光学频率梳的梳齿,通过光谱仪精确地监测出飞秒脉冲激光器绝对距离测量干涉信号的光谱功率密度,从而计算出绝对距离。详细介绍了法布里-珀罗标准具的参数设计,进行了法布里-珀罗标准具调节系统实验。简要分析了飞秒脉冲激光器绝对距离测量光谱分辨干涉法的测量原理,实验结果表明,在±1 mm测量范围内精确度可以达到±5 μm以内。
激光光学 法布里-珀罗标准具 飞秒脉冲激光器 绝对距离测量 光谱分辨干涉 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0114007
北京交通大学 理学院 光电信息科学与工程实验室, 北京 100044
研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔, 每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤, 三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件, 光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉, 以及干涉信号的相位小数重合方法, 实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量, 三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中, 两相邻波长间距约为10 nm.系统对公称高度为11 mm 修正值不大于2.7 μm的台阶高度进行测量, 测量结果为11.000 059 mm.对13.000 090 mm 绝对距离重复测量20次的标准差为4.4 nm.
光纤传感 多波长激光 光学干涉 自混合干涉 绝对距离测量 台阶测量 掺铒光纤激光器 Optical fiber sensing Multiplewavelength laser Interferometry Selfmixing interferometry Absolute distance measurement Height measurement Erbiumdoped fiber laser
