基于外差雙光學頻率梳的多波長干涉測距方法研究.pdf

1、作為一項重大的前沿基礎科學研究，引力波的高精度太空探測對激光測距技術提出了百萬千米量級測量范圍、皮米量級測量精度的極限挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星編隊飛行等尖端航天領域中，對激光測距技術的需求也達到了數(shù)千米至數(shù)百千米范圍內(nèi)納米量級的測量精度?，F(xiàn)有經(jīng)典的激光絕對距離測量技術已經(jīng)完全無法滿足上述需求。近十年來，光學頻率梳的出現(xiàn)促進了激光絕對距離測量技術的發(fā)展，為滿足上述需求提供了潛在可能。但現(xiàn)有基于光學頻率梳的多波長激光干涉測距方法仍存在難以同步生成多尺度

2、合成波長以兼顧測量范圍、速度與精度，現(xiàn)有頻率梳模型與生成方法影響測量精度和各梳齒干涉測距相位難以高精度、快速分離與提取的問題，無法完全滿足上述科學與技術領域?qū)^對距離測量的要求。
　　本課題旨在針對上述問題，為激光絕對距離測量技術提出一種具備兼顧大范圍、快速和高精度測距潛力，且便于實現(xiàn)量值溯源的多波長激光干涉測量方法，對該方法進行原理分析及實驗室條件20米范圍的實驗驗證。研究成果經(jīng)繼續(xù)改進及優(yōu)化，可推廣應用于空間引力波探測和衛(wèi)星編

3、隊飛行控制等前沿科學技術領域。本課題主要研究內(nèi)容如下：
　　針對現(xiàn)有基于光學頻率梳的多波長干涉測距法難以同步生成多尺度合成波長導致測量范圍、速度與精度難以兼顧的問題，結(jié)合經(jīng)典多波長激光干涉測距原理和光學頻率梳等間隔梳狀多光譜的特性，提出了一種基于外差雙光學頻率梳的多波長干涉測距方法，該方法以中心梳齒偏頻鎖定、梳齒間距稍有不同的外差雙光學頻率梳作為光源，利用其中的眾多梳齒同步生成了多個不同尺度的粗測和精測合成波長，對光學頻率梳中多梳

4、齒的干涉測距信息進行了融合處理，以此建立了基于外差雙光學頻率梳多波長干涉測距方法的完整理論模型。分析及實驗結(jié)果表明，該方法可實現(xiàn)大范圍、快速、高精度距離測量，對中心15條光學頻率梳梳齒所生成第8階合成波長的干涉測距信息進行有機融合，可將距離20m處靜止目標30min連續(xù)監(jiān)測過程中，測相誤差引入的距離測量不確定度從21.3m減小為8?m。
　　針對現(xiàn)有諧振腔增強相位調(diào)制型光學頻率梳的梳齒功率模型不精確、頻率梳生成腔的穩(wěn)定控制方法引入

5、附加調(diào)制等影響多波長干涉測距精度的問題，通過對激光電場強度的疊加計算建立了該類型光學頻率梳的精確梳齒功率模型，仿真分析了模型中各參數(shù)對頻率梳光譜的影響，在此基礎上提出了一種基于Pound-Drever-Hall原理的頻率梳生成腔腔長穩(wěn)定控制方法，該方法通過探測諧振腔反射光中包含的梳齒間干涉信號，利用相位調(diào)制信號對其解調(diào)得到反饋控制所需的誤差信號，對該方法中誤差信號的生成機理進行了深入討論和完整建模。仿真及實驗結(jié)果表明，本文所提出光學頻率

6、梳精確梳齒功率模型的模型精度相比現(xiàn)有近似模型提高了一個數(shù)量級，利用上述穩(wěn)定控制方法可以持續(xù)穩(wěn)定的生成梳齒數(shù)量達到33條，光譜范圍達到294.4GHz的光學頻率梳。
　　針對現(xiàn)有信號探測技術僅能提取特定波長干涉測距信息、易受噪聲頻譜干擾導致難以高精度、快速分離與提取光學頻率梳中各梳齒干涉測距相位的問題，提出了一種基于外差雙光學頻率梳和數(shù)字鎖相放大的多梳齒測距相位分離與提取方法，該方法利用雙聲光移頻和同步異頻驅(qū)動技術生成了多波長干涉測

7、距所需的中心梳齒偏頻鎖定、梳齒間距稍有不同的外差雙光學頻率梳，通過參考原子時間基準的同步異頻驅(qū)動信號保證了測量結(jié)果向米定義的直接溯源，并根據(jù)干涉信號頻譜特點，利用數(shù)字鎖相放大探測技術實現(xiàn)了多梳齒測距相位信息的分離與提取。仿真結(jié)果表明，利用上述多梳齒測距相位分離與提取方法對中心15條梳齒的相位測量誤差小于±0.01°，相位測量分辨力優(yōu)于0.001°。
　　最后，根據(jù)上述內(nèi)容對基于外差雙光學頻率梳的多波長干涉測距系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，并