大尺寸计量中双光梳绝对测距装置研究进展

近年来，中国计量科学研究院几何量计量科学研究所大尺寸计量研究室开展了面向大尺寸计量的双光梳异步光学采样绝对测距装置研究和测试，目前主要围绕双光梳光源搭建与优化、测距精度优化、测距系统设计和测距性能验证等方面进行了深入的研究，主要研究工作如下：

1） 完成了双色双光梳光源系统的搭建与优化工作，如图4所示。针对基于大尺寸异步光学采样的绝对测距应用搭建了中心波长输出为775 nm和1550 nm的双色双光梳光源系统，对双色双光梳的光源结构和电学系统进行了详细优化，评价了重复频率和偏移频率锁定后的稳定性，通过参考铷原子钟频率标准，其锁定的阿伦偏差能够优于10?11量级，通过和锁定在商用飞秒光学频率梳（FC1500-250-WG，MenloSystems）的外腔可调谐激光器进行拍频比对，比对结果表明该自研双光梳的纵模频率稳定性和商用光梳相当；此外对其光学性能如光功率、脉冲宽度和相干性等也进行了详细评估，证实其作为研究大尺寸异步光学采样绝对测距的装置[63-64]是可靠的。
2） 讨论了线性和非线性异步光学采样绝对测距的精度优化区间，通过数值仿真明确了在异步光学采样绝对测距中实现高精度测量的最优区间，通过选择合理的重复频率值和重频差能够有效地提升绝对测距测量精度，并分别通过数值仿真实验和光路设计实验进行了系统验证[63, 65]；此外，提出了一种基于重采样的时域包络法进行飞行时间解算，该方法提取频谱相位不需要进行傅里叶变换，通过时域重采样图样直接获取待测距离的飞行时间，并可以应用数据插值方法进一步提升测距分辨力，为双光梳异步光学采样绝对测距提供了新思路[64]。
3） 搭建了全光纤异步光学采样的绝对测距系统，如图5所示。该系统能够有效避免本振脉冲在对探测脉冲中的测量脉冲和参考脉冲采样时的时域混叠盲区，并且结构紧凑，易于集成化设计[66-67]；同时提出了采用光开关进行本振脉冲和探测脉冲的切换来拓展脉冲非模糊范围的影响，进一步拓展测距量程，该方法能够避免集成电子测距仪拓展量程而引入的复杂结构，并且不需要调节激光器腔长改变重复频率，测量量程理论上能够拓展到公里量级[68]；此外设计了相应的多路测距拓展模块，如图6所示，能够通过多路光纤光开关的切换完成多路绝对测距的拓展，节约了经济成本。
4） 完成了大尺寸双光梳异步光学采样绝对测距系统的数据处理和采集软件的设计，如图7和图8所示。通过设计相应软件能够完成绝对测距的在线采集和解算，同时能够通过显示窗口观测测量干涉图样和对应幅值谱；通过TCP/IP远程数据传输能够将标准装置附近的空气传感器采集的空气参数实时的传输到上位机解算软件，能够完成空气群折射率的在线补偿，并完成待测距离和标准干涉仪值的比较，得到示值误差。
5） 研制的大尺寸双光梳绝对测距装置能够通过光纤分别链接并匹配不同的激光准直镜进行测量，如图9所示。三个激光准直镜分别安装在室内80 m长度标准装置的固定平板上，安装位置位于三台标准干涉仪的中心；三个测量镜则相应地分别布置在室内80 m长度标准装置的运动平台上，与标准激光干涉仪进行虚拟共光路的测试，并采用测量路径附近的环境参数进行空气折射率补偿。三路激光准直镜分别通过光纤与大尺寸双光梳绝对测距装置链接完成多路测距，为了考察大尺寸双光梳绝对测距装置的测量精度，在60 m范围内进行绝对测距测试和远程60 m处分辨力的测试。实验结果表明，在60 m范围内，最大示值误差不超过14 μm，如图10所示；分辨力测试中能够分辨约10 μm的步进位移；且通过额外独立的折叠光路比对实验，验证了其最大测量量程能够达到120 m；同时能够通过手动切换和光纤光开关的切换进行多路绝对距离测量拓展，最大拓展测量可达三路。
6） 面向大尺寸计量领域多样化测量需求，大尺寸计量研究室将在优化基于飞行时间法的双光梳绝对测距精度和测量灵活性的同时，持续推动大尺寸计量基标准建设，继续探索双光梳绝对测距的大尺寸计量应用场景，主要涵盖三个方面：

一是突破空气折射率测量的瓶颈，目前双光梳绝对测距采用室内大长度标准装置附近的空气参数测量传感器完成空气参数测量，空气折射率通过先验公式完成补偿过程，在前期研制的优化双色双光梳系统的基础上，将进一步探索双色空气折射率自补偿系统的研究，通过宽带双色合束策略简化传统双色空气折射率自补偿系统[69]，进一步增强其环境适应性。

二是开展空间可调控虚拟长度标准量的构建方法研究，通过双光梳异步光学采样绝对测距方法能够避免单光梳时频干涉导致的测量盲区问题[70-71]，并且能够直接现场溯源到原子钟频率标准，通过多路绝对测距拓展，能够完成异构空间长度标准量构建，对有效提升大尺寸测量网络的全局和局部精度具有重要意义。

三是进行面向引导跟踪的大尺寸多边定位网络构建，通过双光梳绝对测距方法直接构建空间多边定位网络能够有效避免跟踪干涉仪组网所带来的断光信息丢失，并且避免了单光梳时频干涉存在大量测量盲区的问题[72]；此外可以采用同一双光梳测距系统，通过时分复用的多路径绝对测距完成空间目标的多边定位，相比于采用激光跟踪仪等高端测量仪器定位，大幅地节约了成本。

结论
双光梳异步光学采样绝对测距方法能够实现高精度、大量程和高更新率的绝对距离测量，是解决并替代大尺寸计量中广泛使用增量式激光干涉仪的有力手段。由于飞行时间测距较之干涉相位测距对双光梳光源系统的同步性要求较低，并且受到空气折射率测量限制，因此基于飞行时间的双光梳测距方法在大尺寸计量领域更具实际应用潜力。另一方面，随着光源技术的不断小型化紧凑化发展，如微腔光梳和单腔双光梳研究等，能够继续推动双光梳测距方法的变革，将在大尺寸工业测量和大地测绘等领域的精度保障控制中更具前景。