基于外差雙光學(xué)頻率梳的多波長(zhǎng)干涉測(cè)距方法研究.pdf

1、作為一項(xiàng)重大的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，引力波的高精度太空探測(cè)對(duì)激光測(cè)距技術(shù)提出了百萬(wàn)千米量級(jí)測(cè)量范圍、皮米量級(jí)測(cè)量精度的極限挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星編隊(duì)飛行等尖端航天領(lǐng)域中，對(duì)激光測(cè)距技術(shù)的需求也達(dá)到了數(shù)千米至數(shù)百千米范圍內(nèi)納米量級(jí)的測(cè)量精度?，F(xiàn)有經(jīng)典的激光絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)已經(jīng)完全無(wú)法滿足上述需求。近十年來，光學(xué)頻率梳的出現(xiàn)促進(jìn)了激光絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)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(xué)頻率梳的多波長(zhǎng)激光干涉測(cè)距方法仍存在難以同步生成多尺度

2、合成波長(zhǎng)以兼顧測(cè)量范圍、速度與精度，現(xiàn)有頻率梳模型與生成方法影響測(cè)量精度和各梳齒干涉測(cè)距相位難以高精度、快速分離與提取的問題，無(wú)法完全滿足上述科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域?qū)^對(duì)距離測(cè)量的要求。
　　本課題旨在針對(duì)上述問題，為激光絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)提出一種具備兼顧大范圍、快速和高精度測(cè)距潛力，且便于實(shí)現(xiàn)量值溯源的多波長(zhǎng)激光干涉測(cè)量方法，對(duì)該方法進(jìn)行原理分析及實(shí)驗(yàn)室條件20米范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究成果經(jīng)繼續(xù)改進(jìn)及優(yōu)化，可推廣應(yīng)用于空間引力波探測(cè)和衛(wèi)星編

3、隊(duì)飛行控制等前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本課題主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　針對(duì)現(xiàn)有基于光學(xué)頻率梳的多波長(zhǎng)干涉測(cè)距法難以同步生成多尺度合成波長(zhǎng)導(dǎo)致測(cè)量范圍、速度與精度難以兼顧的問題，結(jié)合經(jīng)典多波長(zhǎng)激光干涉測(cè)距原理和光學(xué)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(xué)頻率梳的多波長(zhǎng)干涉測(cè)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(xué)頻率梳作為光源，利用其中的眾多梳齒同步生成了多個(gè)不同尺度的粗測(cè)和精測(cè)合成波長(zhǎng)，對(duì)光學(xué)頻率梳中多梳

4、齒的干涉測(cè)距信息進(jìn)行了融合處理，以此建立了基于外差雙光學(xué)頻率梳多波長(zhǎng)干涉測(cè)距方法的完整理論模型。分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可實(shí)現(xiàn)大范圍、快速、高精度距離測(cè)量，對(duì)中心15條光學(xué)頻率梳梳齒所生成第8階合成波長(zhǎng)的干涉測(cè)距信息進(jìn)行有機(jī)融合，可將距離20m處?kù)o止目標(biāo)30min連續(xù)監(jiān)測(cè)過程中，測(cè)相誤差引入的距離測(cè)量不確定度從21.3m減小為8?m。
　　針對(duì)現(xiàn)有諧振腔增強(qiáng)相位調(diào)制型光學(xué)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(zhǎng)干涉測(cè)距精度的問題，通過對(duì)激光電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加計(jì)算建立了該類型光學(xué)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(duì)頻率梳光譜的影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于Pound-Drever-Hall原理的頻率梳生成腔腔長(zhǎng)穩(wěn)定控制方法，該方法通過探測(cè)諧振腔反射光中包含的梳齒間干涉信號(hào)，利用相位調(diào)制信號(hào)對(duì)其解調(diào)得到反饋控制所需的誤差信號(hào)，對(duì)該方法中誤差信號(hào)的生成機(jī)理進(jìn)行了深入討論和完整建模。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出光學(xué)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dá)到33條，光譜范圍達(dá)到294.4GHz的光學(xué)頻率梳。
　　針對(duì)現(xiàn)有信號(hào)探測(cè)技術(shù)僅能提取特定波長(zhǎng)干涉測(cè)距信息、易受噪聲頻譜干擾導(dǎo)致難以高精度、快速分離與提取光學(xué)頻率梳中各梳齒干涉測(cè)距相位的問題，提出了一種基于外差雙光學(xué)頻率梳和數(shù)字鎖相放大的多梳齒測(cè)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(dòng)技術(shù)生成了多波長(zhǎng)干涉測(cè)

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(xué)頻率梳，通過參考原子時(shí)間基準(zhǔn)的同步異頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)保證了測(cè)量結(jié)果向米定義的直接溯源，并根據(jù)干涉信號(hào)頻譜特點(diǎn)，利用數(shù)字鎖相放大探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多梳齒測(cè)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(cè)距相位分離與提取方法對(duì)中心15條梳齒的相位測(cè)量誤差小于±0.01°，相位測(cè)量分辨力優(yōu)于0.001°。
　　最后，根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)基于外差雙光學(xué)頻率梳的多波長(zhǎng)干涉測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并