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(lèi)：一類(lèi)是相干測量，另一類(lèi)是非相干測量。相干測量主要包括多波長(cháng)干涉測量、線(xiàn)性調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(shí)間法和相位測距法，飛行時(shí)間法通過(guò)測量激光信號在測量端與目標端的飛行時(shí)間來(lái)計算被測的距離，測量距離大，可以達到幾十千米；相位測量法通過(guò)對激光光強進(jìn)行正弦調制，然后通過(guò)測量目標端與測量端的相位差來(lái)計算被測距離，本質(zhì)上是將飛行時(shí)間轉化為相位差進(jìn)行測量，這種方法在大距離測量的時(shí)候由于環(huán)境因素的影響會(huì )導致回光能力的迅速衰減從而引起較大的測量誤差，一般最高只能達到0.1mm 的測量精度；相干測量方法利用光的干涉現象進(jìn)行測量，測量精度較高，在一些高精度的應用中經(jīng)常采用這幾種方法進(jìn)行測量.

1． 多波長(cháng)干涉：

1977 年，C.R.Tilford 提出了多波長(cháng)干涉計量技術(shù)，和傳統的干涉測距也有所不同，多波長(cháng)干涉測量也不需要導軌，而且不需要進(jìn)行連續的干涉條紋計數，只需要分析各波長(cháng)的干涉級小數部分即可準確地解算出被測距離。多波長(cháng)干涉理論有兩個(gè)基本思想：一是利用多個(gè)單波長(cháng)組成一列長(cháng)度不同的合成波長(cháng)；二是利用不同長(cháng)度的合成波長(cháng)，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(cháng)干涉和傳統干涉儀的最大不同之處就在于多波長(cháng)干涉的被測距離的相位變化是由多個(gè)波長(cháng)同時(shí)決定，即產(chǎn)生一個(gè)由合成波長(cháng)決定的相位差，整個(gè)測量相當于用一個(gè)合成波長(cháng)等價(jià)于好幾個(gè)測量光波完成。在測量的過(guò)程中，選擇比較接近的兩個(gè)波長(cháng)，可以得到的合成波長(cháng)遠大于任一波長(cháng)，然后用此合成波長(cháng)去測距。若只采用單波長(cháng)進(jìn)行測量時(shí)，需要對相位差的整數部分和小數部分同時(shí)計數才能得到精確距離，并且計數過(guò)程一旦中斷就需要重新再次開(kāi)始。而多波長(cháng)干涉測量只需在選擇合適波長(cháng)的情況下，然后通過(guò)只需要測量相位差變化的小數部分就可得到被測距離。

當被測的目標距離較大時(shí)，可以先用一個(gè)比較大的合成波長(cháng)進(jìn)行測量，得到一個(gè)精度對較低的結果，根據測量的精度選擇一個(gè)更小的合成波長(cháng)再次進(jìn)行測量，需要注意的是，新的合成波長(cháng)的1/4 波長(cháng)的大小要大于使用較大的合成波長(cháng)測量的測量精度，以保證兩次測量結果合成時(shí)不會(huì )出現測量結果模糊的問(wèn)題。如果為了進(jìn)一步提高測量精度，可以選擇多個(gè)不同大小的合成波長(cháng)進(jìn)行多次測量，將測量的結果進(jìn)行合成就可得到一個(gè)較為精確的結果。多個(gè)不同大小的合成波長(cháng)就構成了合成波長(cháng)鏈。

對于多波長(cháng)干涉測量方法來(lái)說(shuō)，測量結果主要取決于合成波長(cháng)的大小，目前存在的主要問(wèn)題是如何得到一個(gè)高精度的大尺寸的合成波長(cháng)，但是隨之產(chǎn)生的問(wèn)題是大尺寸的合成波長(cháng)的實(shí)現需要高精度的激光光源。由于當前光源技術(shù)的整體水平不高，高于毫米尺寸的高精度合成波長(cháng)不易實(shí)現，導致多波長(cháng)干涉測量的測量范圍受到限制，因此，大規模應用測量還必須依靠其他技術(shù)獲得合成波長(cháng)干涉的整數級次，增加了整個(gè)儀器的復雜性。另外，采用這種測量方法，測量時(shí)間長(cháng)，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)的高精度測量，在一些實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合不能使用。

2． 脈沖飛行時(shí)間法測量：

基于脈沖飛行時(shí)間的激光測距原理是通過(guò)測量激光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)測量系統與目標之間的距離。激光探測系統向目標發(fā)射一個(gè)激光脈沖，經(jīng)過(guò)目標反射后測量所經(jīng)歷的時(shí)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、精度較高、測距速度快、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于軍事、航天航空等領(lǐng)域。1973 年，美國NASA 在SKYLAB 衛星上安裝測高儀，可以達到的測距范圍為453km，測距精度為15m。中科院上海光機所研制出來(lái)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(shí)間測距法可以測得的范圍比較遠，但是，由于受到計時(shí)精度的限制，最高的精度能達到cm 數量級，在一些要求高精度的場(chǎng)合中，無(wú)法達到測量要求。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運而生。

3． 基于飛秒光學(xué)頻率梳測距法：

光學(xué)頻率梳實(shí)際上也是激光，只不過(guò)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(diǎn)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(chēng)作是光學(xué)頻率梳。而且這種飛秒激光具有三個(gè)特點(diǎn)：超短的時(shí)域寬度、特別高的峰值功率和特別寬的光譜范圍?；陲w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，一些研究也達到了較高的測量精度。美國國家標準技術(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(guò)對飛秒激光器載波包絡(luò )相移頻率及重復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(guò)鎖定飛秒激光器內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(shí)間上的同步關(guān)系，并且各個(gè)縱模之間的相位關(guān)系是固定的。隨著(zhù)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(cháng)度測量的精度和范圍也在不斷地提高。十數年來(lái)，有很多文章報道利用飛秒激光實(shí)現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(guò)測量飛秒脈沖序列中的重復頻率以及它的高次諧波的相位的變化，在長(cháng)度為310m 的地下光學(xué)隧道中進(jìn)行了測距實(shí)驗，測距范圍達到了 240m，分辨率達到50mm。

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

在國內，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有基礎上，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)的指導下，在52m 的自由空間路徑中，研究了飛秒激光飛行時(shí)間法測距，實(shí)驗結果表明，在1s 的平均時(shí)間下獲得了12nm 的測距精度。

2014 年，清華大學(xué)又采用2009 年美國標準局的Coddington I 的實(shí)驗方案，使用兩臺具有微小重復頻率差的激光器，通過(guò)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(shí)間分辨率本領(lǐng)，對距離約 39mm 的目標進(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(gè)實(shí)驗系統很龐大而且極其復雜。

總的來(lái)說(shuō)，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，都具有一定的應用場(chǎng)合和研究?jì)r(jià)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(shí)現工業(yè)應用場(chǎng)合的需求，還有相當的一段距離要走。因此，在此基礎上，頻率掃描絕對距離測量就顯現出來(lái)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(wú)需靶標或標記點(diǎn)、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?jì)xquDIS便是基于上述頻率掃描原理的干涉儀。

傳統的干涉測距法都是待測目標移動(dòng)產(chǎn)生的和參考光路不同的光程差，產(chǎn)生干涉現象。而除了光路長(cháng)度的改變，在恒定路徑下激光波長(cháng)的改變也會(huì )導致信號的干涉調制。通過(guò)激光器控制掃描波長(cháng)，控制引入多個(gè)波長(cháng)變化，這樣避免了靜態(tài)狀態(tài)下的相對誤差。這種方法稱(chēng)為“干涉光譜學(xué)”。

“干涉光譜法”與飽和吸收室(GC)結合使用可以實(shí)現絕對距離的測量。

昊量光電最新推出的皮米精度位移干涉儀quDIS通過(guò)將可調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換為頻率變化的測量。當F-P腔長(cháng)在變化時(shí)，其諧振峰的頻率也在發(fā)生變化，通過(guò)測量初始腔長(cháng)，初始頻率和頻率變化，就可實(shí)現測量腔長(cháng)?？烧{激光器的頻率變化可通過(guò)與一個(gè)穩頻激光器進(jìn)行拍頻來(lái)測量。因這種方式將位移變化轉換為了頻率變化，只要保證頻率變化為線(xiàn)性變化，就可以避免干涉儀的非線(xiàn)性誤差對測量結果的影響。同時(shí)其理論分辨率低可達到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(guò)將內部參考腔鎖頻，使其頻率和腔長(cháng)保持恒定，這樣，通過(guò)測量頻率變化，就可以知道實(shí)時(shí)的腔長(cháng)，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(guò)與傳統激光干涉儀相比，其集成了法珀腔（Reference cavity）及飽和吸收氣室（GC）作為頻率校準參考，通過(guò)激光波長(cháng)調諧掃描，比較兩種不同的干涉圖樣，可以實(shí)現其它設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(wú)關(guān)，由于使用整個(gè)干涉模式來(lái)提取位移信息，因此不存在非線(xiàn)性誤差。

關(guān)鍵特性：

共焦位移傳感器

光纖干涉儀

< 0.05 nm信號穩定性

絕對距離測量

工作距離0.2-5m

25kHz帶寬

3個(gè)傳感器軸

柔性光纖傳感頭

主要應用：

慢漂移測量

振動(dòng)分析

位置和角度

速度和加速度

質(zhì)量控制

分層結構的間隙和邊緣測量

quDIS針對不同應用目標的傳感頭組合

所有應用都需要不同的準直、聚焦和光束輪廓要求，這取決于反射目標。激光束的成形是通過(guò)不同的傳感頭來(lái)實(shí)現的。除了聚焦頭和準直頭外，qutools還開(kāi)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(lèi)型	準直	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

上海昊量光電作為Qutools公司在中國大陸地區的代理商，為您提供專(zhuān)業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。您可以通過(guò)我們的網(wǎng)站了解更多的產(chǎn)品信息。