绝对距离测量方法研究

绝对距离测量方法研究

大量程、高精度的绝对距离测量方法主要分为两类：一类是相干测量，另一类是非相干测量。相干测量主要包括多波长干涉测量、线性调频干涉测量以及基于光学频率梳的测量方法。非相干测量则主要包括飞行时间法和相位测距法，飞行时间法通过测量激光信号在测量端与目标端的飞行时间来计算被测的距离，测量距离大，可以达到几十千米；相位测量法通过对激光光强进行正弦调制，然后通过测量目标端与测量端的相位差来计算被测距离，本质上是将飞行时间转化为相位差进行测量，这种方法在大距离测量的时候由于环境因素的影响会导致回光能力的迅速衰减从而引起较大的测量误差，一般最高只能达到0.1mm 的测量精度；相干测量方法利用光的干涉现象进行测量，测量精度较高，在一些高精度的应用中经常采用这几种方法进行测量.

1． 多波长干涉：

1977 年，C.R.Tilford 提出了多波长干涉计量技术，和传统的干涉测距也有所不同，多波长干涉测量也不需要导轨，而且不需要进行连续的干涉条纹计数，只需要分析各波长的干涉级小数部分即可准确地解算出被测距离。多波长干涉理论有两个基本思想：一是利用多个单波长组成一列长度不同的合成波长；二是利用不同长度的合成波长，多次进行干涉测量，逐步求解被测距离，逼近被测真值。

可以看出，多波长干涉和传统干涉仪的最大不同之处就在于多波长干涉的被测距离的相位变化是由多个波长同时决定，即产生一个由合成波长决定的相位差，整个测量相当于用一个合成波长等价于好几个测量光波完成。在测量的过程中，选择比较接近的两个波长，可以得到的合成波长远大于任一波长，然后用此合成波长去测距。若只采用单波长进行测量时，需要对相位差的整数部分和小数部分同时计数才能得到精确距离，并且计数过程一旦中断就需要重新再次开始。而多波长干涉测量只需在选择合适波长的情况下，然后通过只需要测量相位差变化的小数部分就可得到被测距离。

当被测的目标距离较大时，可以先用一个比较大的合成波长进行测量，得到一个精度对较低的结果，根据测量的精度选择一个更小的合成波长再次进行测量，需要注意的是，新的合成波长的1/4 波长的大小要大于使用较大的合成波长测量的测量精度，以保证两次测量结果合成时不会出现测量结果模糊的问题。如果为了进一步提高测量精度，可以选择多个不同大小的合成波长进行多次测量，将测量的结果进行合成就可得到一个较为精确的结果。多个不同大小的合成波长就构成了合成波长链。

对于多波长干涉测量方法来说，测量结果主要取决于合成波长的大小，目前存在的主要问题是如何得到一个高精度的大尺寸的合成波长，但是随之产生的问题是大尺寸的合成波长的实现需要高精度的激光光源。由于当前光源技术的整体水平不高，高于毫米尺寸的高精度合成波长不易实现，导致多波长干涉测量的测量范围受到限制，因此，大规模应用测量还必须依靠其他技术获得合成波长干涉的整数级次，增加了整个仪器的复杂性。另外，采用这种测量方法，测量时间长，无法实现实时的高精度测量，在一些实时性要求高的场合不能使用。

2． 脉冲飞行时间法测量：

基于脉冲飞行时间的激光测距原理是通过测量激光脉冲的飞行时间来测量系统与目标之间的距离。激光探测系统向目标发射一个激光脉冲，经过目标反射后测量所经历的时间τ，则所测得距离为：

式中， c 为真空中的光速。

脉冲激光测距技术具有测量范围远、精度较高、测距速度快、结构简单等优点广泛用于军事、航天航空等领域。1973 年，美国NASA 在SKYLAB 卫星上安装测高仪，可以达到的测距范围为453km，测距精度为15m。中科院上海光机所研制出来的便携式测距仪，用它对能产生漫反射的水泥墙进行测距，测距范围为100m，测距精度0.5m。

虽然脉冲飞行时间测距法可以测得的范围比较远，但是，由于受到计时精度的限制，最高的精度能达到cm 数量级，在一些要求高精度的场合中，无法达到测量要求。另外，也容易受到外界信号的干扰，而且信号处理也很繁琐。因此，一些新的基于激光特性的测距方法应运而生。

3． 基于飞秒光学频率梳测距法：

光学频率梳实际上也是激光，只不过是由锁模激光器产生的一种具有超短脉冲的激光信号，这种脉冲激光的特点是它拥有一系列频率分布均匀的频谱，这些频谱就像是一把梳子上的齿，因而被称作是光学频率梳。而且这种飞秒激光具有三个特点：超短的时域宽度、特别高的峰值功率和特别宽的光谱范围。基于飞秒光学频率梳的测量方法是一种比较有潜力的测量方法，也是目前各研究机构研究的主流技术之一。目前基于飞秒光学频率梳的测量方法的研究成果较多，一些研究也达到了较高的测量精度。美国国家标准技术研究院的Hall 教授和德国马普量子光学研究所的Hansch 教授通过对飞秒激光器载波包络相移频率及重复频率的锁定研制成功的光学频率梳及其在光学频率测量方面的应用分享了2005 年的一半的诺贝尔物理学奖。

飞秒锁模激光器通过锁定飞秒激光器内所有能够振荡的激光器纵模相位而形成周期性脉冲。这些相互独立的纵模利用锁模技术建立时间上的同步关系，并且各个纵模之间的相位关系是固定的。随着飞秒激光技术与激光测量技术的不断发展与创新，长度测量的精度和范围也在不断地提高。十数年来，有很多文章报道利用飞秒激光实现了微米甚至纳米级精度的距离测量。

2000 年，日本计量院的K.M.等人利用飞秒激光进行绝对距离测。过测量飞秒脉冲序列中的重复频率以及它的高次谐波的相位的变化，在长度为310m 的地下光学隧道中进行了测距实验，测距范围达到了 240m，分辨率达到50mm。

2011 年，美国计量标准中心的Tze-An Liu 在Coddington I 的基础上，使用两台自由运转的激光器基于非线性光学采样进行了测距实验。在更新速率为7KHz 的情况下，对大约 0.6m 处的目标距离实现了精度为 2mm的绝对距离测量。

在国内，对于飞秒激光测距的研究起步较晚，2012 年，天津大学超快激光研究室对飞秒激光的研究的现有基础上，搭建了一台高重频的飞秒激光器，采用了2010 年韩国高科技研究院的方案，在平衡光学互相关技术的指导下，在52m 的自由空间路径中，研究了飞秒激光飞行时间法测距，实验结果表明，在1s 的平均时间下获得了12nm 的测距精度。

2014 年，清华大学又采用2009 年美国标准局的Coddington I 的实验方案，使用两台具有微小重复频率差的激光器，通过让采样脉冲序列对测量脉冲序列进行扫描，并在晶体中产生和频信号的方法提取测量脉冲包络，仅凭借飞秒激光脉冲的高时间分辨率本领，对距离约 39mm 的目标进行测量，在 2KHz 的更新速率下获得了 1.48mm的测量精度。但是，整个实验系统很庞大而且极其复杂。

总的来说，以上几种方法代表了绝对距离测量领域里面最基本的测量方法，都具有一定的应用场合和研究价值，尤其是飞秒光学频率梳，获得了广泛的研究，但是，要想实现工业应用场合的需求，还有相当的一段距离要走。因此，在此基础上，频率扫描绝对距离测量就显现出来自己的优势了，不但测距范围大，而且测距精度高。

4． 频率扫描绝对测距法：

频率扫描干涉绝对测距技术是一种无需靶标或标记点、能够快速测量漫反射体表面信息并且测量精度很高的测距方式，因此得到了人们的广泛关注。德国qutools公司最新推出的皮米级别位移干涉测量仪quDIS便是基于上述频率扫描原理的干涉仪。

传统的干涉测距法都是待测目标移动产生的和参考光路不同的光程差，产生干涉现象。而除了光路长度的改变，在恒定路径下激光波长的改变也会导致信号的干涉调制。通过激光器控制扫描波长，控制引入多个波长变化，这样避免了静态状态下的相对误差。这种方法称为“干涉光谱学”。

“干涉光谱法”与饱和吸收室(GC)结合使用可以实现绝对距离的测量。

昊量光电最新推出的皮米精度位移干涉仪quDIS通过将可调激光器的频率锁定到F-P干涉仪的的谐振频率上，将干涉仪的位移测量转换为频率变化的测量。当F-P腔长在变化时，其谐振峰的频率也在发生变化，通过测量初始腔长，初始频率和频率变化，就可实现测量腔长。可调激光器的频率变化可通过与一个稳频激光器进行拍频来测量。因这种方式将位移变化转换为了频率变化，只要保证频率变化为线性变化，就可以避免干涉仪的非线性误差对测量结果的影响。同时其理论分辨率低可达到1pm。

昊量光电最新推出的皮米精度位移干涉仪quDIS绝对距离测量方式就是基于上文中提到的“拍频”的方式，通过将内部参考腔锁频，使其频率和腔长保持恒定，这样，通过测量频率变化，就可以知道实时的腔长，也就是绝对距离。

皮米级精度位移激光干涉仪quDIS主要功能介绍：

德国quDIS在原理上同样采用激光干涉法，不过与传统激光干涉仪相比，其集成了法珀腔（Reference cavity）及饱和吸收气室（GC）作为频率校准参考，通过激光波长调谐扫描，比较两种不同的干涉图样，可以实现其它设备所不具有的绝对距离测量，基于这种*的测量方式，使得quDIS相对其他产品位移测量大，且与信号对比度无关，由于使用整个干涉模式来提取位移信息，因此不存在非线性误差。

关键特性：

共焦位移传感器

光纤干涉仪

< 0.05 nm信号稳定性

绝对距离测量

工作距离0.2-5m

25kHz带宽

3个传感器轴

柔性光纤传感头

主要应用：

慢漂移测量

振动分析

位置和角度

速度和加速度

质量控制

分层结构的间隙和边缘测量

quDIS针对不同应用目标的传感头组合

所有应用都需要不同的准直、聚焦和光束轮廓要求，这取决于反射目标。激光束的成形是通过不同的传感头来实现的。除了聚焦头和准直头外，qutools还开发了适用于恶劣环境的特殊头，如真空或低温。

	CB-2.3	FF-50	FF-50-1400	FA-30-1000	MI
传感头类型	准直	聚焦	聚焦	测量角度	迈克尔逊
焦距（mm）	-	50	50-1400	-	-
工作距离范围（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
外形图片

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