絕對(duì)距離測(cè)量方法研究

大量程、高精度的絕對(duì)距離測(cè)量方法主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是相干測(cè)量，另一類(lèi)是非相干測(cè)量。相干測(cè)量主要包括多波長(zhǎng)干涉測(cè)量、線(xiàn)性調(diào)頻干涉測(cè)量以及基于光學(xué)頻率梳的測(cè)量方法。非相干測(cè)量則主要包括飛行時(shí)間法和相位測(cè)距法，飛行時(shí)間法通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)在測(cè)量端與目標(biāo)端的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算被測(cè)的距離，測(cè)量距離大，可以達(dá)到幾十千米；相位測(cè)量法通過(guò)對(duì)激光光強(qiáng)進(jìn)行正弦調(diào)制，然后通過(guò)測(cè)量目標(biāo)端與測(cè)量端的相位差來(lái)計(jì)算被測(cè)距離，本質(zhì)上是將飛行時(shí)間轉(zhuǎn)化為相位差進(jìn)行測(cè)量，這種方法在大距離測(cè)量的時(shí)候由于環(huán)境因素的影響會(huì)導(dǎo)致回光能力的迅速衰減從而引起較大的測(cè)量誤差，一般最高只能達(dá)到0.1mm 的測(cè)量精度；相干測(cè)量方法利用光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)量.

1． 多波長(zhǎng)干涉：

1977 年，C.R.Tilford 提出了多波長(zhǎng)干涉計(jì)量技術(shù)，和傳統(tǒng)的干涉測(cè)距也有所不同，多波長(zhǎng)干涉測(cè)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(jì)數(shù)，只需要分析各波長(zhǎng)的干涉級(jí)小數(shù)部分即可準(zhǔn)確地解算出被測(cè)距離。多波長(zhǎng)干涉理論有兩個(gè)基本思想：一是利用多個(gè)單波長(zhǎng)組成一列長(zhǎng)度不同的合成波長(zhǎng)；二是利用不同長(zhǎng)度的合成波長(zhǎng)，多次進(jìn)行干涉測(cè)量，逐步求解被測(cè)距離，逼近被測(cè)真值。

可以看出，多波長(zhǎng)干涉和傳統(tǒng)干涉儀的最大不同之處就在于多波長(zhǎng)干涉的被測(cè)距離的相位變化是由多個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)決定，即產(chǎn)生一個(gè)由合成波長(zhǎng)決定的相位差，整個(gè)測(cè)量相當(dāng)于用一個(gè)合成波長(zhǎng)等價(jià)于好幾個(gè)測(cè)量光波完成。在測(cè)量的過(guò)程中，選擇比較接近的兩個(gè)波長(zhǎng)，可以得到的合成波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于任一波長(zhǎng)，然后用此合成波長(zhǎng)去測(cè)距。若只采用單波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要對(duì)相位差的整數(shù)部分和小數(shù)部分同時(shí)計(jì)數(shù)才能得到精確距離，并且計(jì)數(shù)過(guò)程一旦中斷就需要重新再次開(kāi)始。而多波長(zhǎng)干涉測(cè)量只需在選擇合適波長(zhǎng)的情況下，然后通過(guò)只需要測(cè)量相位差變化的小數(shù)部分就可得到被測(cè)距離。

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

對(duì)于多波長(zhǎng)干涉測(cè)量方法來(lái)說(shuō)，測(cè)量結(jié)果主要取決于合成波長(zhǎng)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(zhǎng)，但是隨之產(chǎn)生的問(wèn)題是大尺寸的合成波長(zhǎng)的實(shí)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(zhǎng)不易實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致多波長(zhǎng)干涉測(cè)量的測(cè)量范圍受到限制，因此，大規(guī)模應(yīng)用測(cè)量還必須依靠其他技術(shù)獲得合成波長(zhǎng)干涉的整數(shù)級(jí)次，增加了整個(gè)儀器的復(fù)雜性。另外，采用這種測(cè)量方法，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度測(cè)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(cè)量：

基于脈沖飛行時(shí)間的激光測(cè)距原理是通過(guò)測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離。激光探測(cè)系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射一個(gè)激光脈沖，經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射后測(cè)量所經(jīng)歷的時(shí)間τ，則所測(cè)得距離為：

式中， c 為真空中的光速。

脈沖激光測(cè)距技術(shù)具有測(cè)量范圍遠(yuǎn)、精度較高、測(cè)距速度快、結(jié)構(gòu)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(guó)NASA 在SKYLAB 衛(wèi)星上安裝測(cè)高儀，可以達(dá)到的測(cè)距范圍為453km，測(cè)距精度為15m。中科院上海光機(jī)所研制出來(lái)的便攜式測(cè)距儀，用它對(duì)能產(chǎn)生漫反射的水泥墻進(jìn)行測(cè)距，測(cè)距范圍為100m，測(cè)距精度0.5m。

雖然脈沖飛行時(shí)間測(cè)距法可以測(cè)得的范圍比較遠(yuǎn)，但是，由于受到計(jì)時(shí)精度的限制，最高的精度能達(dá)到cm 數(shù)量級(jí)，在一些要求高精度的場(chǎng)合中，無(wú)法達(dá)到測(cè)量要求。另外，也容易受到外界信號(hào)的干擾，而且信號(hào)處理也很繁瑣。因此，一些新的基于激光特性的測(cè)距方法應(yīng)運(yùn)而生。

3． 基于飛秒光學(xué)頻率梳測(cè)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(hào)，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?qū)挾取⑻貏e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(cè)量方法是一種比較有潛力的測(cè)量方法，也是目前各研究機(jī)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(cè)量方法的研究成果較多，一些研究也達(dá)到了較高的測(cè)量精度。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的Hall 教授和德國(guó)馬普量子光學(xué)研究所的Hansch 教授通過(guò)對(duì)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(cè)量方面的應(yīng)用分享了2005 年的一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

飛秒鎖模激光器通過(guò)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(dú)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。隨著飛秒激光技術(shù)與激光測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，長(zhǎng)度測(cè)量的精度和范圍也在不斷地提高。十?dāng)?shù)年來(lái)，有很多文章報(bào)道利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)了微米甚至納米級(jí)精度的距離測(cè)量。

2000 年，日本計(jì)量院的K.M.等人利用飛秒激光進(jìn)行絕對(duì)距離測(cè)。過(guò)測(cè)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(zhǎng)度為310m 的地下光學(xué)隧道中進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)，測(cè)距范圍達(dá)到了 240m，分辨率達(dá)到50mm。

2011 年，美國(guó)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中心的Tze-An Liu 在Coddington I 的基礎(chǔ)上，使用兩臺(tái)自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器基于非線(xiàn)性光學(xué)采樣進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)。在更新速率為7KHz 的情況下，對(duì)大約 0.6m 處的目標(biāo)距離實(shí)現(xiàn)了精度為 2mm的絕對(duì)距離測(cè)量。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于飛秒激光測(cè)距的研究起步較晚，2012 年，天津大學(xué)超快激光研究室對(duì)飛秒激光的研究的現(xiàn)有基礎(chǔ)上，搭建了一臺(tái)高重頻的飛秒激光器，采用了2010 年韓國(guó)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(shí)間法測(cè)距，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1s 的平均時(shí)間下獲得了12nm 的測(cè)距精度。

2014 年，清華大學(xué)又采用2009 年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的Coddington I 的實(shí)驗(yàn)方案，使用兩臺(tái)具有微小重復(fù)頻率差的激光器，通過(guò)讓采樣脈沖序列對(duì)測(cè)量脈沖序列進(jìn)行掃描，并在晶體中產(chǎn)生和頻信號(hào)的方法提取測(cè)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(duì)距離約 39mm 的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在 2KHz 的更新速率下獲得了 1.48mm的測(cè)量精度。但是，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很龐大而且極其復(fù)雜。

總的來(lái)說(shuō)，以上幾種方法代表了絕對(duì)距離測(cè)量領(lǐng)域里面最基本的測(cè)量方法，都具有一定的應(yīng)用場(chǎng)合和研究?jī)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(xiàn)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)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(duì)距離測(cè)量就顯現(xiàn)出來(lái)自己的優(yōu)勢(shì)了，不但測(cè)距范圍大，而且測(cè)距精度高。

4． 頻率掃描絕對(duì)測(cè)距法：

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

傳統(tǒng)的干涉測(cè)距法都是待測(cè)目標(biāo)移動(dòng)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(zhǎng)度的改變，在恒定路徑下激光波長(zhǎng)的改變也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的干涉調(diào)制。通過(guò)激光器控制掃描波長(zhǎng)，控制引入多個(gè)波長(zhǎng)變化，這樣避免了靜態(tài)狀態(tài)下的相對(duì)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(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離的測(cè)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(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(cè)量轉(zhuǎn)換為頻率變化的測(cè)量。當(dāng)F-P腔長(zhǎng)在變化時(shí)，其諧振峰的頻率也在發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量初始腔長(zhǎng)，初始頻率和頻率變化，就可實(shí)現(xiàn)測(cè)量腔長(zhǎng)。可調(diào)激光器的頻率變化可通過(guò)與一個(gè)穩(wěn)頻激光器進(jìn)行拍頻來(lái)測(cè)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(xiàn)性變化，就可以避免干涉儀的非線(xiàn)性誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)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(duì)距離測(cè)量方式就是基于上文中提到的“拍頻”的方式，通過(guò)將內(nèi)部參考腔鎖頻，使其頻率和腔長(zhǎng)保持恒定，這樣，通過(guò)測(cè)量頻率變化，就可以知道實(shí)時(shí)的腔長(zhǎng)，也就是絕對(duì)距離。

皮米級(jí)精度位移激光干涉儀quDIS主要功能介紹：

德國(guó)quDIS在原理上同樣采用激光干涉法，不過(guò)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(guò)激光波長(zhǎng)調(diào)諧掃描，比較兩種不同的干涉圖樣，可以實(shí)現(xiàn)其它設(shè)備所不具有的絕對(duì)距離測(cè)量，基于這種*的測(cè)量方式，使得quDIS相對(duì)其他產(chǎn)品位移測(cè)量大，且與信號(hào)對(duì)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(hào)穩(wěn)定性

絕對(duì)距離測(cè)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(yīng)用：

慢漂移測(cè)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(jié)構(gòu)的間隙和邊緣測(cè)量

quDIS針對(duì)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(guò)不同的傳感頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。除了聚焦頭和準(zhǔn)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(zhǔn)直	聚焦	聚焦	測(cè)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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