飞秒激光超高精度测距技术及全路径大气折射率补偿方法研究

Distance measurement with a femtosecond laser frequency comb is a novel optical ranging technology without a guideway, which has extremely important value for scientific research and industrial application. However the accuracy of such ranging technology is still restricted by compensation accuracy of refractive index of air. Therefore, a high-precision compensation method for refractive index of air is crucial for improving the performance of femtosecond laser ranging system. The conventional compensation for refractive index of air is obtained by atmospheric information of one-point or multi-points along laser beam path. The compensation effect of such method is usually limited. An improved way to compensate for refractive index of air is to measure distance with dual wavelength combined with parameter A calculated by Edlén formula, which can eliminate the influence of air temperature on refractive index of air. This project suggests a reasonable and novel method to compensate for refractive index of air, which employs a femtosecond laser frequency comb as an optical source with stable frequency and stable phase. A setup with spectral resolution interferometer will be built up. The wavelet transform method will be utilized to improve initial accuracy of distance measurement. The variation of the parameters A with different frequency modes will be studied. Based on above studies it is expected to find a new way to compensate for refractive index of air in distance measurement by femtosecond laser frequency comb. Finally the standard of 80m length with automatic measurement feature in National Institute of Metrology will be used to verify the validation of the compensation for refractive index of air proposed above.

飞秒激光频率梳干涉测距是近年来出现的一种新型无导轨光学测距技术，在科学研究和工业领域具有极其重要的应用价值。然而该系统在大气中应用时，其测距精度仍然受限于空气折射率补偿精度。因此，研究高精度空气折射率补偿方法，对于提升飞秒激光测距系统的性能具有至关重要的作用。传统的单点或多点折射率补偿方法的补偿效果有限，采用双波长激光测距结合Edlén公式计算得出的A参数，可以消除温度等参数对折射率的影响，得到较好的补偿结果。本课题提出使用稳频稳相的飞秒激光频率梳作为光源，研制光谱分辨干涉测距装置，并采用小波变换的方法提高初始测距精度，同时研究不同频率分量对应的A参数变化规律，探索飞秒激光频率梳测距空气折射率补偿方法，提高最终测距精度。最后，与中国计量院长度计量室80m大长度自动测量标准进行实验比对，验证本项目提出的空气折射率补偿方法的实际效果。

飞秒激光频率梳测距技术利用了飞秒激光具有的光谱范围宽、脉宽窄、重频高等优点，可实现大测量范围内的高精度绝对测距，在先进制造、航空航天测量等领域有重要的应用。在进行大尺寸绝对测距时，全路径大气折射率修正是提高大尺寸绝对测距精度的有效方法。基于飞秒激光频率梳的高精度测距及其全路径大气折射率补偿能够大幅提高绝对测距精度，具有非常重要的研究意义和应用价值。.本课题按照任务书研究计划开展研究工作，完成了飞秒激光频率梳测距系统理论分析和实验研究、大气折射率补偿机理研究和测距精度实验验证等研究内容，实现了多频率模式的高精度分辨和干涉相位的高精度提取、大气折射率的全路径实时补偿和飞秒激光频率梳测距精度提高等研究目标。.首先进行了飞秒激光频率梳光谱分辨干涉测距系统实验原理和系统仿真研究。使用小波变换进行相位提取，得到偏差8nm以内的距离值，优于50nm的傅里叶变换法结果；改进了光谱分辨干涉测距数据处理算法，对80mm的测量距离进行了仿真，得到了37.5mm的合成非模糊距离。.在仿真研究的基础上，完成了光谱分辨干涉测距实验和大气折射率补偿方法研究。开展了飞秒激光频率梳的设计与研制，实现了重频锁定精度2.8×10E-12@1s，偏频锁定精度1×10E-10@1s；搭建了光谱分辨干涉测距实验系统，在40mm测量范围内，得到优于1μm的测量精度；完成了基于双波长修正算法的大气折射率修正，实现大气折射率的全路径补偿，在10m测距范围内，单个频率分量相位测距标准差优于10 nm，双波长大气折射率修正精度优于9.0×10E-8。.本课题通过对飞秒激光频率梳高分辨光谱干涉测距技术和全路径大气折射率补偿方法的研究，大幅提高了绝对距离测量精度，对于提升先进制造和航空航天测量等领域中绝对测距精度重要意义。研究成果中基于小波变换算法的干涉光谱分辨相位提取技术和基于双波长大气折射率修正算法，有望在多波长大气折射率修正和吸收光谱相位检测技术中得到应用，实现高精度的相位信息提取。