絕對距離測量方法研究

大量程、高精度的絕對距離測量方法主要分為兩類：一類是相干測量，另一類是非相干測量。相干測量主要包括多波長干涉測量、線性調(diào)頻干涉測量以及基于光學(xué)頻率梳的測量方法。非相干測量則主要包括飛行時間法和相位測距法，飛行時間法通過測量激光信號在測量端與目標(biāo)端的飛行時間來計算被測的距離，測量距離大，可以達(dá)到幾十千米；相位測量法通過對激光光強進(jìn)行正弦調(diào)制，然后通過測量目標(biāo)端與測量端的相位差來計算被測距離，本質(zhì)上是將飛行時間轉(zhuǎn)化為相位差進(jìn)行測量，這種方法在大距離測量的時候由于環(huán)境因素的影響會導(dǎo)致回光能力的迅速衰減從而引起較大的測量誤差，一般最高只能達(dá)到0.1mm 的測量精度；相干測量方法利用光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行測量，測量精度較高，在一些高精度的應(yīng)用中經(jīng)常采用這幾種方法進(jìn)行測量.

1． 多波長干涉：

1977 年，C.R.Tilford 提出了多波長干涉計量技術(shù)，和傳統(tǒng)的干涉測距也有所不同，多波長干涉測量也不需要導(dǎo)軌，而且不需要進(jìn)行連續(xù)的干涉條紋計數(shù)，只需要分析各波長的干涉級小數(shù)部分即可準(zhǔn)確地解算出被測距離。多波長干涉理論有兩個基本思想：一是利用多個單波長組成一列長度不同的合成波長；二是利用不同長度的合成波長，多次進(jìn)行干涉測量，逐步求解被測距離，逼近被測真值。

可以看出，多波長干涉和傳統(tǒng)干涉儀的最大不同之處就在于多波長干涉的被測距離的相位變化是由多個波長同時決定，即產(chǎn)生一個由合成波長決定的相位差，整個測量相當(dāng)于用一個合成波長等價于好幾個測量光波完成。在測量的過程中，選擇比較接近的兩個波長，可以得到的合成波長遠(yuǎn)大于任一波長，然后用此合成波長去測距。若只采用單波長進(jìn)行測量時，需要對相位差的整數(shù)部分和小數(shù)部分同時計數(shù)才能得到精確距離，并且計數(shù)過程一旦中斷就需要重新再次開始。而多波長干涉測量只需在選擇合適波長的情況下，然后通過只需要測量相位差變化的小數(shù)部分就可得到被測距離。

當(dāng)被測的目標(biāo)距離較大時，可以先用一個比較大的合成波長進(jìn)行測量，得到一個精度對較低的結(jié)果，根據(jù)測量的精度選擇一個更小的合成波長再次進(jìn)行測量，需要注意的是，新的合成波長的1/4 波長的大小要大于使用較大的合成波長測量的測量精度，以保證兩次測量結(jié)果合成時不會出現(xiàn)測量結(jié)果模糊的問題。如果為了進(jìn)一步提高測量精度，可以選擇多個不同大小的合成波長進(jìn)行多次測量，將測量的結(jié)果進(jìn)行合成就可得到一個較為精確的結(jié)果。多個不同大小的合成波長就構(gòu)成了合成波長鏈。

對于多波長干涉測量方法來說，測量結(jié)果主要取決于合成波長的大小，目前存在的主要問題是如何得到一個高精度的大尺寸的合成波長，但是隨之產(chǎn)生的問題是大尺寸的合成波長的實現(xiàn)需要高精度的激光光源。由于當(dāng)前光源技術(shù)的整體水平不高，高于毫米尺寸的高精度合成波長不易實現(xiàn)，導(dǎo)致多波長干涉測量的測量范圍受到限制，因此，大規(guī)模應(yīng)用測量還必須依靠其他技術(shù)獲得合成波長干涉的整數(shù)級次，增加了整個儀器的復(fù)雜性。另外，采用這種測量方法，測量時間長，無法實現(xiàn)實時的高精度測量，在一些實時性要求高的場合不能使用。

2． 脈沖飛行時間法測量：

基于脈沖飛行時間的激光測距原理是通過測量激光脈沖的飛行時間來測量系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離。激光探測系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射一個激光脈沖，經(jīng)過目標(biāo)反射后測量所經(jīng)歷的時間τ，則所測得距離為：

式中， c 為真空中的光速。

脈沖激光測距技術(shù)具有測量范圍遠(yuǎn)、精度較高、測距速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點廣泛用于軍事、航天航空等領(lǐng)域。1973 年，美國NASA 在SKYLAB 衛(wèi)星上安裝測高儀，可以達(dá)到的測距范圍為453km，測距精度為15m。中科院上海光機所研制出來的便攜式測距儀，用它對能產(chǎn)生漫反射的水泥墻進(jìn)行測距，測距范圍為100m，測距精度0.5m。

雖然脈沖飛行時間測距法可以測得的范圍比較遠(yuǎn)，但是，由于受到計時精度的限制，最高的精度能達(dá)到cm 數(shù)量級，在一些要求高精度的場合中，無法達(dá)到測量要求。另外，也容易受到外界信號的干擾，而且信號處理也很繁瑣。因此，一些新的基于激光特性的測距方法應(yīng)運而生。

3． 基于飛秒光學(xué)頻率梳測距法：

光學(xué)頻率梳實際上也是激光，只不過是由鎖模激光器產(chǎn)生的一種具有超短脈沖的激光信號，這種脈沖激光的特點是它擁有一系列頻率分布均勻的頻譜，這些頻譜就像是一把梳子上的齒，因而被稱作是光學(xué)頻率梳。而且這種飛秒激光具有三個特點：超短的時域?qū)挾?、特別高的峰值功率和特別寬的光譜范圍。基于飛秒光學(xué)頻率梳的測量方法是一種比較有潛力的測量方法，也是目前各研究機構(gòu)研究的主流技術(shù)之一。目前基于飛秒光學(xué)頻率梳的測量方法的研究成果較多，一些研究也達(dá)到了較高的測量精度。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的Hall 教授和德國馬普量子光學(xué)研究所的Hansch 教授通過對飛秒激光器載波包絡(luò)相移頻率及重復(fù)頻率的鎖定研制成功的光學(xué)頻率梳及其在光學(xué)頻率測量方面的應(yīng)用分享了2005 年的一半的諾貝爾物理學(xué)獎。

飛秒鎖模激光器通過鎖定飛秒激光器內(nèi)所有能夠振蕩的激光器縱模相位而形成周期性脈沖。這些相互獨立的縱模利用鎖模技術(shù)建立時間上的同步關(guān)系，并且各個縱模之間的相位關(guān)系是固定的。隨著飛秒激光技術(shù)與激光測量技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，長度測量的精度和范圍也在不斷地提高。十?dāng)?shù)年來，有很多文章報道利用飛秒激光實現(xiàn)了微米甚至納米級精度的距離測量。

2000 年，日本計量院的K.M.等人利用飛秒激光進(jìn)行絕對距離測。過測量飛秒脈沖序列中的重復(fù)頻率以及它的高次諧波的相位的變化，在長度為310m 的地下光學(xué)隧道中進(jìn)行了測距實驗，測距范圍達(dá)到了 240m，分辨率達(dá)到50mm。

2011 年，美國計量標(biāo)準(zhǔn)中心的Tze-An Liu 在Coddington I 的基礎(chǔ)上，使用兩臺自由運轉(zhuǎn)的激光器基于非線性光學(xué)采樣進(jìn)行了測距實驗。在更新速率為7KHz 的情況下，對大約 0.6m 處的目標(biāo)距離實現(xiàn)了精度為 2mm的絕對距離測量。

在國內(nèi)，對于飛秒激光測距的研究起步較晚，2012 年，天津大學(xué)超快激光研究室對飛秒激光的研究的現(xiàn)有基礎(chǔ)上，搭建了一臺高重頻的飛秒激光器，采用了2010 年韓國高科技研究院的方案，在平衡光學(xué)互相關(guān)技術(shù)的指導(dǎo)下，在52m 的自由空間路徑中，研究了飛秒激光飛行時間法測距，實驗結(jié)果表明，在1s 的平均時間下獲得了12nm 的測距精度。

2014 年，清華大學(xué)又采用2009 年美國標(biāo)準(zhǔn)局的Coddington I 的實驗方案，使用兩臺具有微小重復(fù)頻率差的激光器，通過讓采樣脈沖序列對測量脈沖序列進(jìn)行掃描，并在晶體中產(chǎn)生和頻信號的方法提取測量脈沖包絡(luò)，僅憑借飛秒激光脈沖的高時間分辨率本領(lǐng)，對距離約 39mm 的目標(biāo)進(jìn)行測量，在 2KHz 的更新速率下獲得了 1.48mm的測量精度。但是，整個實驗系統(tǒng)很龐大而且極其復(fù)雜。

總的來說，以上幾種方法代表了絕對距離測量領(lǐng)域里面最基本的測量方法，都具有一定的應(yīng)用場合和研究價值，尤其是飛秒光學(xué)頻率梳，獲得了廣泛的研究，但是，要想實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用場合的需求，還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x要走。因此，在此基礎(chǔ)上，頻率掃描絕對距離測量就顯現(xiàn)出來自己的優(yōu)勢了，不但測距范圍大，而且測距精度高。

4． 頻率掃描絕對測距法：

頻率掃描干涉絕對測距技術(shù)是一種無需靶標(biāo)或標(biāo)記點、能夠快速測量漫反射體表面信息并且測量精度很高的測距方式，因此得到了人們的廣泛關(guān)注。德國qutools公司最新推出的皮米級別位移干涉測量儀quDIS便是基于上述頻率掃描原理的干涉儀。

傳統(tǒng)的干涉測距法都是待測目標(biāo)移動產(chǎn)生的和參考光路不同的光程差，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。而除了光路長度的改變，在恒定路徑下激光波長的改變也會導(dǎo)致信號的干涉調(diào)制。通過激光器控制掃描波長，控制引入多個波長變化，這樣避免了靜態(tài)狀態(tài)下的相對誤差。這種方法稱為“干涉光譜學(xué)”。

“干涉光譜法”與飽和吸收室(GC)結(jié)合使用可以實現(xiàn)絕對距離的測量。

昊量光電最新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS通過將可調(diào)激光器的頻率鎖定到F-P干涉儀的的諧振頻率上，將干涉儀的位移測量轉(zhuǎn)換為頻率變化的測量。當(dāng)F-P腔長在變化時，其諧振峰的頻率也在發(fā)生變化，通過測量初始腔長，初始頻率和頻率變化，就可實現(xiàn)測量腔長。可調(diào)激光器的頻率變化可通過與一個穩(wěn)頻激光器進(jìn)行拍頻來測量。因這種方式將位移變化轉(zhuǎn)換為了頻率變化，只要保證頻率變化為線性變化，就可以避免干涉儀的非線性誤差對測量結(jié)果的影響。同時其理論分辨率低可達(dá)到1pm。

昊量光電最新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS絕對距離測量方式就是基于上文中提到的“拍頻”的方式，通過將內(nèi)部參考腔鎖頻，使其頻率和腔長保持恒定，這樣，通過測量頻率變化，就可以知道實時的腔長，也就是絕對距離。

皮米級精度位移激光干涉儀quDIS主要功能介紹：

德國quDIS在原理上同樣采用激光干涉法，不過與傳統(tǒng)激光干涉儀相比，其集成了法珀腔（Reference cavity）及飽和吸收氣室（GC）作為頻率校準(zhǔn)參考，通過激光波長調(diào)諧掃描，比較兩種不同的干涉圖樣，可以實現(xiàn)其它設(shè)備所不具有的絕對距離測量，基于這種*的測量方式，使得quDIS相對其他產(chǎn)品位移測量大，且與信號對比度無關(guān)，由于使用整個干涉模式來提取位移信息，因此不存在非線性誤差。

關(guān)鍵特性：

共焦位移傳感器

光纖干涉儀

< 0.05 nm信號穩(wěn)定性

絕對距離測量

工作距離0.2-5m

25kHz帶寬

3個傳感器軸

柔性光纖傳感頭

主要應(yīng)用：

慢漂移測量

振動分析

位置和角度

速度和加速度

質(zhì)量控制

分層結(jié)構(gòu)的間隙和邊緣測量

quDIS針對不同應(yīng)用目標(biāo)的傳感頭組合

所有應(yīng)用都需要不同的準(zhǔn)直、聚焦和光束輪廓要求，這取決于反射目標(biāo)。激光束的成形是通過不同的傳感頭來實現(xiàn)的。除了聚焦頭和準(zhǔn)直頭外，qutools還開發(fā)了適用于惡劣環(huán)境的特殊頭，如真空或低溫。

	CB-2.3	FF-50	FF-50-1400	FA-30-1000	MI
傳感頭類型	準(zhǔn)直	聚焦	聚焦	測量角度	邁克爾遜
焦距（mm）	-	50	50-1400	-	-
工作距離范圍（mm）	20-5000	50 ± 0.5	50 ± 0.5-1400±0.5	30-1000	20-5000
光斑尺寸(2w0)	2.3	0.5	小于1	-	2.3
外形圖片

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