基于光学频率梳互相关的大尺寸绝对测距技术

激光脉冲式测距技术具有测距范围大、易于扩展、非接触、无需辅助靶标、数据处理简单等优势。但传统的激光脉冲式测距技术受到时间分辨精度限制，测量精度较低，因此，为满足高端装备制造的超大尺寸精密测量需求，本课题探索一种激光脉冲式大尺寸绝对测距技术的新思路。研究内容主要包括：1、基于光学频率梳脉冲相位锁定优势，研究两个脉冲在非线性晶体中的传输机理与互相关脉冲形成机制，获取两个脉冲时延与互相关信号强度之间的关系模型，将难以测量的超短时延转换为易于直接测量的互相关脉冲光强信息。2、研究利用互相关信号反馈控制腔长，从而扫描光学频率梳重复频率，将测量脉冲锁定到参考脉冲，直接将大尺寸距离测量溯源至光学频率梳重复频率，实现时间和长度的统一计量，实现基于互相关原理的新型大尺寸绝对测距技术。3、研究实验技术，搭建差分互相关测距系统，减小噪声，验证基于光学频率梳互相关的大尺寸绝对测距理论。

长度是七个基本物理量之一。光学频率梳的出现与应用，为长距离的高精度测量提供了新的手段。本课题主要研究了以下几个方面：.(1)分析了基于多脉冲干涉的绝对测距原理，并建立了多脉冲序列的一阶和二阶时间相关函数模型。针对高斯型等多种形状的飞秒脉冲分别进行分析，表明相关干涉条纹的包络与脉冲形状相关，并得出一阶和二阶互相关干涉条纹峰值点的位移量均与被测距离成正比的结论，研究成果发表在Optics Express等期刊上。.(2)分析了飞秒脉冲在大气中的时域传播特性，研究了色散对于脉冲展宽和互相关条纹的展宽影响，还针对温度、湿度等4个环境因素的变化对互相关条纹峰值位置的影响进行了定量分析。精度分析表明测距精度主要受限于空气折射率的测量精度，特别是温度占主要影响。利用基频和倍频的互相关条纹信息分别进行测距实验，验证了不同的频率传输时间不同，证明色散与脉冲传输距离成正比。.(3)搭建了基于多脉冲干涉的绝对测距系统，包含等臂干涉模块与非等臂干涉模块，并共用一个参考镜，利用自相关信号为参考，避免了标定参考臂长。最大化条纹信噪比，并通过测量多脉冲序列的一阶互相关和二阶互相关信号，分别测量出飞行时间差进而求得被测距离。进行了27m的绝对测距实验，结果表明本系统的最大测距误差为64nm。.(4)将互相关条纹进行傅立叶变换后，研究了对应的频域测距技术。从光谱干涉条纹中利用傅立叶变换或小波变换方法，可以获得多个纵模的频率及相位信息，从而解析出距离信息。结果表明最大可测范围受限于光谱测量分辨率。进行了58m的绝对测距实验，最大测距误差为40nm。.本项目打破了传统上对脉冲式测距的认识，解决了传统脉冲无法直接分辨飞秒级别时延的局限。利用光梳在时间计量上的准确性，使得脉冲测距同样可以达到高精度，统一到时间基准上。为进一步挖掘新型光源的测距特性提供理论和实验依据，具有重要学术意义。可应用于工业大尺寸测量技术中，为大飞机数字化装配等重大技术装备制造提供支撑技术。还可以对探月等其它要求高精度测距技术的科学领域提供借鉴意义。该课题后续仍需在扩大模糊范围、提高测量速度等多方面继续进行研究，以期早日实现应用。