動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉的快速絕對距離測量*

徐昕陽 趙海涵 錢治文 劉超 翟京生? 吳翰鐘

1) (天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

2) (華中科技大學(xué)物理學(xué)院，精密重力測量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，基本物理量測量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，引力與量子物理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

提出了一種基于動(dòng)態(tài)光學(xué)頻率梳啁啾脈沖干涉的絕對距離快速測量方法.借助于重復(fù)頻率的線性掃描,可獲取啁啾光譜干涉信號中最寬條紋的動(dòng)態(tài)頻率偏移,從而完成被測距離的高精度測量.動(dòng)態(tài)重復(fù)頻率能夠延伸光譜儀探測極限,相應(yīng)地減小測量盲區(qū),并且基于合成波長也使得測量非模糊范圍得到極大的拓展.本文測距系統(tǒng)無需重復(fù)頻率的鎖定,能夠擺脫對鎖相環(huán)等復(fù)雜應(yīng)用模式的依賴,在簡化系統(tǒng)的同時(shí)借助銣鐘提供精準(zhǔn)時(shí)鐘參考,從而進(jìn)一步提高測量精度.此外,電荷耦合器件成像幀速以及重復(fù)頻率掃描速度的提升可實(shí)現(xiàn)干涉信號的快速采集,彌補(bǔ)傳統(tǒng)光譜干涉測量以及腔調(diào)諧方式在探測速度上的不足.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法單點(diǎn)測距數(shù)據(jù)更新率為13.5 Hz,相較于參考數(shù)值,在20 m 的測量范圍內(nèi),測量不確定度優(yōu)于27 μm,相對精度為1.35×10–6.

1 引言

光學(xué)頻率梳自誕生之初,就在眾多應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展中展現(xiàn)出劃時(shí)代意義,并體現(xiàn)重要的研究價(jià)值,也因此受到國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[1?3].其中光頻梳在頻率計(jì)量[4,5]、光譜分析[6,7]、太空梳[8,9]和絕對距離測量[10,11]等領(lǐng)域中,依據(jù)其自身特性,打破了傳統(tǒng)激光應(yīng)用的技術(shù)壁壘,為各領(lǐng)域的方法革新提供了特有的解決方案.光學(xué)頻率梳在時(shí)域上表現(xiàn)為鎖模脈沖序列,在頻域中具有頻率間隔嚴(yán)格相等的頻率縱模,并保持極強(qiáng)的相干性.光學(xué)頻率梳其內(nèi)在從射頻到光頻的頻率縱?？伤菰粗料嗤臅r(shí)鐘基準(zhǔn),這也意味著光頻梳自身的穩(wěn)定性和精度能夠借助外部參考得以提升.

在光學(xué)頻率梳眾多應(yīng)用領(lǐng)域中,飛秒光學(xué)頻率梳的絕對距離測量技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,并且借助于長度這個(gè)基本物理量所衍生出的相關(guān)計(jì)量技術(shù)也成為國內(nèi)外課題組的熱點(diǎn)研究方向.目前基于光頻梳的時(shí)頻特性已提出多種較為成熟的絕對距離測量技術(shù),其中飛行時(shí)間測量基于脈沖互相關(guān)信號,精確得出測量脈沖與參考脈沖的時(shí)間延遲,將測量精度從mm 級提升至nm 級[12].基于長延遲光纖的諧振腔掃描光學(xué)采樣(OSCAT)技術(shù)在保證測距精度的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)探測范圍內(nèi)的任意距離測量,從而消除測量盲區(qū)[13,14].此外,光學(xué)頻率梳的多波長相位探測相較于傳統(tǒng)激光相位測量,在保證亞波長精度的基礎(chǔ)上極大地拓展了非模糊范圍[15],另外基于光頻梳模間拍頻,通過引入高次諧波可顯著提高絕對距離測量精度[16,17].對于依據(jù)光頻及啁啾信息的色散干涉,其在光纖色散測量和相干層析成像等領(lǐng)域的應(yīng)用證明了該方法優(yōu)秀的計(jì)量特性[18?20].借助光學(xué)頻率梳的頻率溯源性,色散干涉可提取解卷裹的光譜相位斜率[21],或探測啁啾脈沖的頻率偏移完成絕對距離測量[22].系統(tǒng)中無需運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)即可獲取包含距離信息的光譜干涉條紋,這也使得色散干涉具備實(shí)現(xiàn)快速測量的理論可能.基于異步光學(xué)采樣的雙光梳技術(shù),通過兩臺(tái)具有微小重頻差異的光學(xué)頻率梳,獲取雙光梳干涉條紋以實(shí)現(xiàn)絕對距離測量.雙光梳測距系統(tǒng)在保證干涉測量精度的同時(shí),具備極高的數(shù)據(jù)更新率,并且通過重復(fù)頻率的調(diào)整也可得到極大的非模糊范圍[23?25].

應(yīng)對激光雷達(dá)以及光學(xué)遙感等大尺寸應(yīng)用的工程實(shí)踐需要,本文提出了基于動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉的絕對距離測量方法.在重復(fù)頻率動(dòng)態(tài)掃描的過程中,系統(tǒng)實(shí)時(shí)高速采集對應(yīng)重頻的啁啾脈沖干涉條紋,從中依據(jù)中心頻率的動(dòng)態(tài)偏移量實(shí)現(xiàn)被測距離的解算.基于動(dòng)態(tài)重頻的合成波長,該方法極大地拓展了測量非模糊范圍,并且保證了方法的測距精度和測量速度.此外,本文方法在一定程度上放寬光譜儀分辨率的限制,延伸啁啾脈沖干涉的可測范圍,依據(jù)動(dòng)態(tài)頻率梳參數(shù),當(dāng)被測范圍大于～250 m,可實(shí)現(xiàn)任意絕對距離測量.而且動(dòng)態(tài)頻率梳包含距離測量結(jié)果的動(dòng)態(tài)信息,其可消除無法直接分辨光譜儀處重合脈沖相對時(shí)延的局限性,從而實(shí)現(xiàn)絕對距離的唯一確定.測量結(jié)果以及長時(shí)間測距實(shí)驗(yàn)表明本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)被測距離的高精度快速測量,并且驗(yàn)證了方法的測量穩(wěn)定性.

2 動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉絕對距離測量原理

基于動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉的實(shí)驗(yàn)原理如圖1 所示.動(dòng)態(tài)光學(xué)頻率梳的實(shí)現(xiàn)基于環(huán)形腔長的線性掃描,環(huán)形腔中的精密機(jī)械位移臺(tái)通過高定位精度完成腔長的周期性調(diào)制.此外,整個(gè)光源系統(tǒng)處于隔溫隔震的密閉環(huán)境,保證了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性.測距干涉儀由圖1 中的分束鏡(BS)分為兩部分,其中參考路光程固定并且通過一對光柵實(shí)現(xiàn)脈沖啁啾,另外一路行進(jìn)經(jīng)過待測距離稱為測量路.兩路光束通過回射系統(tǒng)反射,回光在分束鏡處合束,隨后借助光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行高速采集.

圖1 動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1.Schematic diagram of dynamic chirped pulse interferometry.

由于重復(fù)頻率(frep)的快速掃描,無論是傳統(tǒng)的空間色散光譜儀還是傅里葉變換光譜儀均受限于其內(nèi)部存在的機(jī)械組件,因此無法在高分辨率模式下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)啁啾干涉信號的快速獲取.在本文方法中,干涉信號通過光柵色散,借助電荷耦合器件(CCD)實(shí)現(xiàn)高幀速采集,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光譜儀探測速度的不足[26,27].

假設(shè)光頻梳發(fā)出理想的高斯脈沖,其光譜為理想高斯光譜,則系統(tǒng)中引入啁啾的參考脈沖電場可表示為

相對應(yīng)的測量脈沖可表示為

其中α 和β 為功率因子,a1=,tc為啁啾后的脈沖寬度,b 為啁啾系數(shù),b ≈Δω/(2tc),Δω 為脈沖的帶寬,a2=,t0為未產(chǎn)生啁啾的脈沖寬度,上述各項(xiàng)分別為表征系統(tǒng)光柵、光源自身性能的參數(shù).此外,ωc為中心角頻率,τ 為測量脈沖與參考脈沖間的飛行時(shí)間延遲,其指代系統(tǒng)所包含的被測距離信息.則脈沖光譜干涉結(jié)果可表述為

式中,? 代表傅里葉變換;I0為兩脈沖光譜的疊加,可看作直流項(xiàng);而另一項(xiàng)為交流項(xiàng),其中I1為調(diào)制幅值.則啁啾脈沖的光譜干涉信號相位φ(ω)可表示為

(4)式表明,引入脈沖啁啾的相位函數(shù)與角頻率為二次函數(shù)關(guān)系,即光譜干涉條紋不再隨著角頻率的變化形成穩(wěn)定振蕩,而是伴隨著一個(gè)變化的調(diào)制頻率.當(dāng)調(diào)制頻率達(dá)到極小值時(shí),干涉條紋振蕩最為緩慢且同時(shí)出現(xiàn)最寬振蕩條紋.則對(4)式求導(dǎo)可得

其中飛行時(shí)延τ 為被測距離在光速定義下的時(shí)域映射,本文中定義c 為真空中光的傳播速度,ng為脈沖在相應(yīng)介質(zhì)中的群折射率,ld為動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉條紋所對應(yīng)的被測距離.因此基于對應(yīng)關(guān)系τ=2ngld/c,調(diào)制頻率極小處對應(yīng)的頻率可表示為

依據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)條件,認(rèn)為b(1024)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于a1(1019).基于啁啾脈沖干涉特性,ld可理解為距離測量的小數(shù)部分.實(shí)際距離L 為ld與N 倍脈沖間距l(xiāng)pp的累加,即 L=(N ·lpp)/2+ld,其中l(wèi)pp可表示為 c/(ng·frep).則實(shí)際被測距離L 可表示為

其中,fdrep為動(dòng)態(tài)光頻梳中某一時(shí)刻的重復(fù)頻率.當(dāng)系統(tǒng)中引入動(dòng)態(tài)光學(xué)頻率梳時(shí),重復(fù)頻率fdrep數(shù)值實(shí)現(xiàn)周期線性掃描.由(7)式可知,在被測距離L 一定的前提下,距離量ld會(huì)隨之產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化,并且光譜干涉條紋中最寬條紋的位置會(huì)發(fā)生往復(fù)偏移.基于(6)式表征的啁啾頻移關(guān)系,距離量ld可計(jì)算為

其中,ωdyn為動(dòng)態(tài)光頻梳在某一重頻時(shí)最寬條紋對應(yīng)的頻率,并對應(yīng)著一個(gè)頻率偏移量ωshift.因此,通過最寬條紋位置的變化即可解算被測距離L,同時(shí)基于動(dòng)態(tài)重復(fù)頻率的合成波長能夠拓展測量非模糊范圍.則最終實(shí)際被測距離L 可表示為

上述理論分析中,假設(shè)光譜儀處測量臂脈沖較于參考臂脈沖存在一定時(shí)延,然而傳統(tǒng)色散干涉對于時(shí)延的正負(fù)存在模糊性,而動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉基于條紋動(dòng)態(tài)信息則可去除該時(shí)延模糊,從而確定計(jì)算被測距離L 時(shí)整數(shù)倍lpp和ld的加減對應(yīng)關(guān)系,使得絕對距離測量具有唯一性.

3 實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果

本文依據(jù)所提出方法的測量原理搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并在參考路中引入脈沖啁啾.為驗(yàn)證原理,并能夠?qū)π阅軈?shù)做出準(zhǔn)確分析,本文進(jìn)行了大尺寸的絕對距離測量實(shí)驗(yàn).測量過程中,環(huán)境參數(shù)保持相對穩(wěn)定,其中溫度為21.20 ℃,氣壓為997.63 hpa,相對濕度為45.1%.依據(jù)Ciddor 公式[28],在此環(huán)境條件下的群折射率為1.00026657.

本實(shí)驗(yàn)中,飛秒脈沖激光器基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模(NPR),重復(fù)頻率103.6 MHz,動(dòng)態(tài)重頻可掃描范圍±300 kHz,相應(yīng)lpp調(diào)諧范圍為2.8846—2.9014 m,該范圍內(nèi)掃描周期為1.16 s.此外,光源中心波長為1030 nm,光譜寬度約為15 nm,其光譜如圖2 所示.

圖2 脈沖激光光譜圖Fig.2.Pulse laser spectrogram.

3.1 動(dòng)態(tài)啁啾脈沖測距系統(tǒng)標(biāo)定

由于測量系統(tǒng)中,頻率偏移量、啁啾系數(shù)等參數(shù)難以做到準(zhǔn)確獲取,并且實(shí)驗(yàn)條件的不確定性也將提高各項(xiàng)參數(shù)的獲取難度.在本文系統(tǒng)中,基于動(dòng)態(tài)重復(fù)頻率就可使外部標(biāo)定系統(tǒng)在無運(yùn)動(dòng)組件的情況下完成距離參數(shù)標(biāo)定.在標(biāo)定系統(tǒng)中,當(dāng)L 約為lpp/2 掃描范圍內(nèi)時(shí),隨著重復(fù)頻率的線性掃描,最寬條紋位置會(huì)發(fā)生往復(fù)偏移.基于重頻掃描CCD 標(biāo)定原理,搭建標(biāo)定系統(tǒng)如圖3 所示.

圖3 CCD 標(biāo)定系統(tǒng)示意圖Fig.3.Sketch of CCD calibration system.

其中商用光譜儀(Thorlabs,OSA201C)用來觀察頻率偏移量,另一部分,激光通過光柵色散,經(jīng)準(zhǔn)直柱面鏡(f=200 mm)完成線激光準(zhǔn)直,借助CCD 相機(jī)(PCO.pixelfly usb,13.5 fps,1392 ×1040 pixels)采集啁啾脈沖干涉條紋.并且,基于采集圖像的灰度信息,通過最寬條紋的插值擬合實(shí)現(xiàn)像素的光頻校正,從而獲取重頻變化對應(yīng)的像素偏移量.標(biāo)定過程分別依次選取兩個(gè)標(biāo)定重頻為103.631 和103.710 MHz 時(shí)的啁啾脈沖干涉條紋,實(shí)驗(yàn)中使用光闌遮擋降低圖像背景亮度,從而提高條紋對比度.相機(jī)標(biāo)定結(jié)果如圖4 所示.

圖4 相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 (a),(d) 兩標(biāo)定重復(fù)頻率對應(yīng)光譜圖;(b),(e) 兩標(biāo)定重復(fù)頻率對應(yīng)相機(jī)采集圖像;(c),(f) 圖像灰度處理結(jié)果Fig.4.Experimental results of CCD calibration:(a),(d) Spectrograms for two calibrated repetition rates;(b),(e) captured camera images for two calibrated repetition rates;(c),(f) grayscale images processing results.

實(shí)驗(yàn)中受到振動(dòng)及環(huán)境噪聲影響,無法直接獲取最寬條紋處對應(yīng)頻率.因此依據(jù)干涉條紋特點(diǎn),可獲取最寬條紋兩側(cè)兩個(gè)波峰或波谷的像素索引Pleft和Pright,從而確定兩峰值處對應(yīng)的中值位置,完成最寬條紋處Pwidest位置的精確測量.該解算模式可表示為

在此過程中,可看作脈沖的空間位置實(shí)現(xiàn)了線性掃描,則標(biāo)定距離可計(jì)算為

其中Δfrep為兩個(gè)標(biāo)定重頻相應(yīng)的重頻差.由于系統(tǒng)中啁啾量保持不變,位移量與最寬條紋移動(dòng)量保持線性關(guān)系,因此對于單位像素的標(biāo)定距離可以表示為

基于本系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果,像素條紋偏移量的標(biāo)定距離可計(jì)算為6.9×10–6m/pixel.則某一重頻下絕對距離L 的計(jì)算可重寫為

式中Pshift為該重復(fù)頻率條件下,對應(yīng)實(shí)際被測距離L 的最寬條紋像素偏移量.上述標(biāo)定方法簡化了光譜干涉信號相機(jī)標(biāo)定的方式,在有效地提高標(biāo)定速度的同時(shí),擺脫了傳統(tǒng)方式中對位移臺(tái)定位精度的依賴.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5 所示,基于Michelson 干涉儀結(jié)構(gòu),本文將動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉應(yīng)用于大尺寸絕對距離測量當(dāng)中,并以增量式干涉儀(Agilent 5519B)的測距結(jié)果作為參考數(shù)值,其相應(yīng)的穩(wěn)定度在20 m 處,10 min 的測量時(shí)間內(nèi)優(yōu)于0.3 μm.實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)調(diào)試了相機(jī)及光柵位置,以確保獲取圖像的完整和清晰.此外,脈沖動(dòng)態(tài)重頻的精準(zhǔn)獲取,以及對應(yīng)時(shí)刻相機(jī)信號的同步采集是決定探測精度的關(guān)鍵步驟.因此在信號探測過程中,銣鐘(Microsemi 8040)被用作頻率計(jì)數(shù)器(Keysight 53230A)的外部時(shí)鐘參考,并且借助信號源(Tektronix AFG 3102C)提供極為精準(zhǔn)的同步觸發(fā)信號,為頻率計(jì)數(shù)器門控和相機(jī)的同步采集提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn).

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5.Diagram of experimental setups.

為了能夠獲取包含距離信息的光譜干涉信號,實(shí)驗(yàn)中,測量參考點(diǎn)以lpp為間距均勻分布在光學(xué)長導(dǎo)軌上.其中當(dāng)動(dòng)態(tài)重復(fù)頻率為103.374 MHz,在2.9 和17.4 m 處的光譜干涉條紋如圖6 所示.隨著重復(fù)頻率的動(dòng)態(tài)掃描,可直接獲得最寬條紋的左右偏移,從而完成正負(fù)時(shí)延的確定,得到唯一確定的被測距離.由圖6 可知,長距離實(shí)驗(yàn)易受到環(huán)境振動(dòng)及空氣擾動(dòng)等影響,且光路的準(zhǔn)直等高也會(huì)隨著被測距離的增大而變化,對干涉條紋的調(diào)制深度產(chǎn)生影響.

圖6 啁啾脈沖干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 (a) 2.9 m 處光譜圖;(b) 2.9 m 處相機(jī)采集條紋;(c) 17.4 m 處光譜圖;(d) 17.4 m 處相機(jī)采集條紋Fig.6.Experimental results of chirped pulse interferometry:(a) Spectrogram at 2.9 m;(b) captured camera fringes at 2.9 m;(c) spectrogram at 17.4 m;(d) captured camera fringes at 17.4 m.

在光路調(diào)試過程中,測量光路與He-Ne 激光干涉儀光路嚴(yán)格對準(zhǔn),使之平行于光學(xué)導(dǎo)軌.通過步進(jìn)導(dǎo)軌不斷地調(diào)試光路,找出光路的最優(yōu)狀態(tài),從而抑制系統(tǒng)中阿貝誤差和余弦誤差對測量結(jié)果的影響.在20 m 的測量范圍內(nèi),每個(gè)測量位置完成8 次重復(fù)性測量,其中選取2 個(gè)重復(fù)頻率為一組,共獲取4 組測量數(shù)據(jù).相較于參考干涉儀,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的殘差和標(biāo)準(zhǔn)差如圖7 所示.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在20 m 范圍內(nèi)測量不確定度優(yōu)于27 μm,相對精度為1.35×10–6.相較于雙光梳或模間拍頻等測距技術(shù),本文方法擺脫了系統(tǒng)對鎖相環(huán)的依賴,但頻率穩(wěn)定性及光譜分辨率則影響著最終的測距精度.然而,本文方法機(jī)理上與波長信息相連接,保證了方法的測量精度,并且借助最寬條紋的中值解算模式,可有效地抑制環(huán)境噪聲對測距結(jié)果的影響.此外,該方法基于動(dòng)態(tài)啁啾信息可實(shí)現(xiàn)非模糊范圍的快速拓展.

圖7 距離測量結(jié)果Fig.7.Results of distance measurements.

為驗(yàn)證本文方法長時(shí)間測量的穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)在17.4 m 處進(jìn)行了長時(shí)間測量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果殘差散點(diǎn)圖及阿倫方差如圖8 所示.為便于觀察,散點(diǎn)圖為1/10 的系統(tǒng)抽樣結(jié)果,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為8.4 μm,采集數(shù)據(jù)更新率為13.5 Hz,在1 和100 s 的平均時(shí)間內(nèi)阿倫方差分別可達(dá)到2.3 μm 及265 nm.

圖8 長時(shí)間距離測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a) 數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖;(b) 測距結(jié)果阿倫方差Fig.8.Long-term experimental results of the distance measurement:(a) Data scatter diagram;(b) Allan deviation of ranging results.

3.3 測量不確定度分析

為對本文方法測量不確定度做出評價(jià),研究系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)對測距結(jié)果的精度影響,(13)式可重寫為

則測量結(jié)果的合成不確定度可表示為

本文方法測量不確定度主要包含群折射率ng、動(dòng)態(tài)重復(fù)頻率fdrep、頻率偏移量fshift等影響因素.首先,對于群折射率的確定需考慮傳感器固有不確定度、環(huán)境穩(wěn)定性以及在測量范圍內(nèi)的環(huán)境不均勻性.基于上述分析,實(shí)驗(yàn)中通過環(huán)境傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測和參數(shù)采集,借助Ciddor 公式對空氣折射率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,其中溫度、大氣壓以及相對濕度等環(huán)境參數(shù)波動(dòng)分別為42.7 mK,12.9 Pa,和 3.1%,對應(yīng)的測量不確定度分別為4×10–8,3.4×10–8和2.9×10–8,則合成不確定度為6×10–8·L.第二項(xiàng)中,動(dòng)態(tài)重復(fù)頻率的采集依靠頻率計(jì)數(shù)器,并且與CCD 的采集觸發(fā)信號嚴(yán)格鎖定至同一時(shí)間基準(zhǔn)上,其中動(dòng)態(tài)重頻不確定度為5.38 Hz(標(biāo)準(zhǔn)差),則第二項(xiàng)對應(yīng)測量不確定度為9×10–7m.第三項(xiàng)與最寬條紋頻率偏移量相關(guān),在本文系統(tǒng)中也可對應(yīng)為像素偏移量的測量不確定度.通常在實(shí)驗(yàn)中,像素分辨率、像素尺寸、干涉條紋調(diào)制深度以及最寬條紋定位精度均會(huì)對測量不確定度造成一定的貢獻(xiàn).基于相機(jī)標(biāo)定結(jié)果,光頻與像素存在空間映射關(guān)系,依據(jù)重復(fù)性測量可得頻率偏移量不確定度為0.063 THz,則該項(xiàng)測量不確定度為26.9 μm.基于上述分析,本文方法合成測量不確定度為[(27 μm)2+(6×10–8·L)2]1/2.此外,在啁啾系數(shù)一定的情況下,系統(tǒng)光路經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化始終保持出色的調(diào)制深度,并且所采用的最寬條紋定位提取算法也能實(shí)現(xiàn)頻率偏移量的準(zhǔn)確測量.

4 結(jié)論

本文提出一種快速絕對距離測量方法,基于重復(fù)頻率的線性掃描,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)啁啾脈沖干涉.本文方法突破了光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率鎖定的傳統(tǒng)應(yīng)用模式,借助于重頻的動(dòng)態(tài)變化極大地延伸了測量非模糊范圍,并且能有效拓展光譜儀探測分辨極限.在簡化系統(tǒng)的同時(shí),光譜干涉信號也能夠?qū)崿F(xiàn)快速采集,滿足了幾何量計(jì)量的工程實(shí)踐需求.基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,數(shù)據(jù)更新率為13.5 Hz 的長時(shí)間測量驗(yàn)證了本文方法的測量穩(wěn)定性,并且在20 m 范圍內(nèi),測量不確定度優(yōu)于27 μm,相對精度為1.35×10–6.本文系統(tǒng)在參考臂引入脈沖啁啾,而在今后的研究中也可通過大氣或水體色散在測量臂實(shí)現(xiàn)脈沖啁啾,從而將影響因素轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量信息,以提高方法對實(shí)際環(huán)境的適用性.并且,本文工作可為大尺寸絕對距離測量、面型三維重構(gòu)、以及水體等強(qiáng)色散介質(zhì)中的目標(biāo)探測提供相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備.