基于有源协作的超长距离精密激光测量方法

下一代大型装备制造业和大科学装置的发展将提出超长距离、精密和实时测量需求。针对这一问题，在相位法激光测距原理的基础上，结合超长距离、精密、实时特征，首先，提出一种有源协作式相位激光测距方法，变现有单光束往返传输模式为双光束单程传输模式，以大幅抑制回光能量衰减、提高最大测程；其次，基于多测尺频率同步调制与同步解调、实现多测尺并行同步测距，以提高测量实时性和测量精度；接着，基于Kalman滤波和状态估计方法，对被测目标快速运动引起的动态测量误差进行预估补偿、提高动态测量精度；最后，有机融合上述方法，形成超长距离精密激光测量新方法。研究内容包括新方法的机理、所引出的问题和关键技术。主要技术指标：在数百米至数十千米内，达到毫米至数百微米的静、动态测量精度。本项目的研究在未来大科学装置、新一代大型航空航天装备制造和小卫星编队飞行等前沿领域中具有潜在的广泛应用前景。

下一代大型装备制造业和大科学装置的发展将提出超长距离、精密和实时测量需求。在相位法激光测距原理的基础上，结合超长距离、精密、实时特征，本课题研究了一种基于多频同步调制的有源协作式相位激光测量方法。①针对现有的反射式相位激光测距系统在进行远距离测量时回光功率急剧衰减、难以进行远距离测量的问题，提出并研究一种有源协作式相位激光测距方法，在被测目标端采用有源协作目标实现测距激光的中继放大，变现有单光束往返传输模式为双光束单程传输模式，使得测量系统回光能量的衰减形式由现有的被测距离的四次方衰减函数变为二次方衰减函数，从而可大幅增强系统回光能量及信噪比、提高有效测程，理论研究表明，相同条件下，当被测距离为10 km时，反射式系统的衰减为-73dB，而有源协作式系统的衰减仅为-45dB，接收光功率增强了631倍。②提出并研究一种基于多测尺频率同步调制与同步解调的相位激光实时测距方法，变现有的多频测尺串行变频测量结构为多频测尺并行同步测量结构，以在同一时刻获得各测尺频率针对被测距离的测量结果，克服现有多测尺大量程相位激光测距方法存在的测量时间随测尺频率数量增加而增加的问题。③研究了基于Kalman滤波的动态测量误差预估补偿方法，利用上一时刻目标状态的估计值以及当前时刻的状态预测值对目标当前时刻的非实时误差进行预测，并采用该预测值对目标当前时刻的测量结果进行预补偿，可以有效补偿被测目标快速运动、加速运动引起的动态测量误差并可削弱静态测量噪声。④融合上述技术，研制了基于多测尺同步测量的有源协作式相位激光测距原理样机，对其进行直接测试、等效测试和测量不确定分析，结果表明：原理样机的测量分辨力为0.04 mm，测量稳定性为0.08 mm/10min；在光源功率仅为800μW时其最大作用距离即可达到900m，比反射式相位激光测距系统的作用距离提高近3倍；整个量程范围内，测量不确定度为0.15mm+1×10-6L。本项目的研究在未来大科学装置、新一代大型航空航天装备制造和小卫星编队飞行等前沿领域中具有潜在的广泛应用价值。