光学频率梳色散干涉绝对测距研究

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随着航天科技与工业技术的进步与发展,大长度、高精度的距离测量越来越受到重视,传统增量式激光测距已经不能满足现场测距的需求,因此如何实现大长度、高精度的绝对距离测量成为关键。光学频率梳近年来在绝对测距领域发展迅速,各种基于该光源的绝对测距理论不断被提出与完善,如飞行时间法、色散干涉法、双光梳异步采样等。测距范围可达千米级别,同时测距精度可达微米级别,光学频率梳绝对测距理论的仪器化与商用化也指日可待。本论文将着重分析基于光学频率梳的色散干涉绝对测距理论,并搭建了绝对测距系统,实现了大长度高精度绝对测距。主要工作内容如下:
  建立了光学频率梳数学模型与信号模型,用于研究光学频率梳这一光源独有的时域与频域特性,深入的分析光学频率梳的脉冲宽度,脉冲间隔与峰值强度与其频谱之间的关系。通过对光源性质的研究为色散干涉与其他绝对测距理论的研究打下基础,并基于这两种模型实现了色散干涉绝对测距原理的仿真分析。
  详细分析了色散干涉绝对测距原理,着重研究了这种测距原理非模糊范围与测距分辨力,得到测距非模糊范围由光源的重复频率决定,测距分辨力由光源光谱宽度决定。并在此基础上搭建了色散干涉绝对测距系统,实现了玻璃厚度与玻璃折射率的高精度绝对测量。该系统结构简单稳定,充分体现了色散干涉的特点。
  在理论分析与实际应用的基础上,研究了色散干涉大长度绝对测距的实现方式,通过实验对比,找到了一种适用于色散干涉信号载波频率解调的算法。搭建了大长度绝对测距系统。在国家计量院实现了基于光学频率梳色散干涉的大长度绝对测距实验,测距结果表明在70m范围内,该测距系统测距精度优于12μm,相对不确定度优于1.8×10-7.
  基于光学频率梳的色散干涉绝对距离测量系统结构简单稳定,在大长度高精度绝对测距方面有较大的潜力,如何拓展这种测距系统的非模糊范围,提高测距分辨力将是接下来的研究方向,将这种测距理论应用于实际测量并实现仪器化将成为研究重点。
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