《Optics & Laser Technology》：Absolute distance measurement based on narrow-linewidth optical carrier microwave scanning interferometry
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基于窄線寬DFB激光器的OCMSI數(shù)學(xué)模型及緊湊高精度系統(tǒng)研究，解決了傳統(tǒng)方法忽略光學(xué)干涉效應(yīng)的問題，提出微波與光學(xué)干涉信號(hào)疊加增強(qiáng)的量化方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在6米測距范圍內(nèi)誤差±0.069毫米，100毫米位移重復(fù)性±0.013毫米。
鄭文博|張振|曹玉蕾|(zhì)任宇琪|康杰虎|郝宇|張建偉|吳斌
國家精密測試技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國天津市南開區(qū)緯津路92號(hào)，300100
摘要
光載微波掃描干涉測量技術(shù)（OCMSI）在實(shí)現(xiàn)高精度和穩(wěn)健的絕對(duì)距離測量方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，以往的OCMSI研究通常將激光視為非相干寬帶光源，忽略了光學(xué)干涉效應(yīng)和載波相干性的作用。缺乏能夠捕捉這種效應(yīng)的綜合性數(shù)學(xué)模型，阻礙了測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。為了解決這些限制，本研究開發(fā)了一個(gè)基于窄線寬光載波的OCMSI數(shù)學(xué)模型，使得光學(xué)干涉效應(yīng)能夠在絕對(duì)距離測量中得到定量表征。基于該模型，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)采用分布式反饋（DFB）激光器作為窄線寬光載波的緊湊型高精度OCMSI測距系統(tǒng)。由于DFB激光器的高性能直接調(diào)制能力，所提出的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更緊湊的配置，并具有很強(qiáng)的系統(tǒng)集成潛力。此外，還開發(fā)了一種自適應(yīng)閾值和局部二次擬合（AT-LQF）算法，有效抑制噪聲并準(zhǔn)確提取包絡(luò)周期，以實(shí)現(xiàn)精確的距離估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在6米測量范圍內(nèi)，最大測量殘差（MMR）為±0.069毫米；在100毫米位移范圍內(nèi)，測量殘差為±0.051毫米，重復(fù)性為±0.013毫米，測距距離約為11.33米。
引言
作為幾何計(jì)量學(xué)的基石，距離測量在科學(xué)研究、工業(yè)制造和航空航天應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域都至關(guān)重要[1]、[2]、[3]。近年來，基于激光的光學(xué)測距技術(shù)已成為精密測量的主流解決方案，這得益于它們的非接觸式特性、高精度、強(qiáng)抗電磁干擾能力和快速響應(yīng)[4]、[5]、[6]、[7]。當(dāng)前的基于激光的距離測量技術(shù)在精度、系統(tǒng)復(fù)雜性和應(yīng)用范圍之間存在根本性的權(quán)衡。光頻梳（OFC）為精密計(jì)量提供了可追溯的參考標(biāo)準(zhǔn)。基于OFC的絕對(duì)測距可以實(shí)現(xiàn)極高的精度，但這些系統(tǒng)通常較為復(fù)雜且對(duì)環(huán)境敏感，通常局限于受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境[8]。頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)也具備強(qiáng)大的絕對(duì)測距能力，但對(duì)其激光器性能有嚴(yán)格要求，以抑制非線性掃描誤差和相位噪聲[9]、[10]。相比之下，飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)相對(duì)簡單且易于集成，但其精度通常較低[11]、[12]。激光干涉測量可以提供出色的亞微米級(jí)分辨率，但它本質(zhì)上適用于相對(duì)（增量）位移測量，而非絕對(duì)距離測量[3]。與此同時(shí)，微波雷達(dá)因其低成本和長測距能力而具有吸引力；然而，其較長的波長限制了空間分辨率和精度，使其不適合高精度計(jì)量[13]。
在這種背景下，近年來集成光學(xué)和射頻（RF）領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的微波光子測量技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注。這些系統(tǒng)具有寬頻率覆蓋范圍、超寬瞬時(shí)帶寬、低頻率依賴性損耗以及強(qiáng)抗電磁干擾能力[14]、[15]、[16]。在微波光子技術(shù)中，光載微波掃描干涉測量技術(shù)（OCMSI）因其簡單的架構(gòu)和易于集成而備受關(guān)注。這種新興方法將微波掃描信號(hào)調(diào)制到光載波上，結(jié)合了光的強(qiáng)空間指向性和微波干涉測量的高精度測距能力，實(shí)現(xiàn)了高精度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)絕對(duì)距離測量。利用光鏈路對(duì)電磁干擾的免疫性以及微波領(lǐng)域中的靈活信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)了性能的提升。因此，OCMSI具有高測量精度、寬微波工作帶寬和強(qiáng)抗電磁干擾能力，并迅速發(fā)展成為了一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。迄今為止，它在分布式光纖傳感、應(yīng)變測量和空間距離估計(jì)等應(yīng)用中展示了高靈敏度、高精度和動(dòng)態(tài)跟蹤能力[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。
盡管OCMSI已經(jīng)展示了良好的測距性能，但仍存在一些挑戰(zhàn)。特別是，現(xiàn)有的理論模型缺乏專門用于量化光域干涉貢獻(xiàn)的框架。在傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，這一成分通常通過使用寬帶激光器來抑制，距離僅從微波干涉信號(hào)中提取[22]、[23]。然而，光學(xué)干涉項(xiàng)本質(zhì)上包含距離信息，明確利用它可以提高測量的穩(wěn)健性和完整性。此外，大多數(shù)報(bào)道的OCMSI系統(tǒng)依賴于外部調(diào)制的電光調(diào)制器（EOM）架構(gòu)[24]、[25]、[26]，這些架構(gòu)往往導(dǎo)致較高的插入損耗、龐大的復(fù)雜配置和有限的集成性，從而限制了便攜性和實(shí)際工程應(yīng)用。相比之下，直接調(diào)制分布式反饋（DFB）激光器提供了一個(gè)有吸引力的替代方案[27]、[28]，它提供了高效調(diào)制和寬帶寬。這種方法實(shí)現(xiàn)了低損耗的微波調(diào)制，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，并支持緊湊型、高度集成的OCMSI測距系統(tǒng)的開發(fā)。
為了解決這些限制，本研究首次建立了基于窄線寬激光載波的OCMSI理論模型，該模型明確考慮了光域干涉的影響。分析表明，在固定測量距離下，隨著微波掃描頻率的變化，微波域和光域中的干涉信號(hào)在其包絡(luò)幅度上表現(xiàn)出同步的周期性變化；這種周期性通常由自由光譜范圍（FSR）來表征。將兩個(gè)包絡(luò)信號(hào)疊加可以增強(qiáng)周期性特征，從而提高FSR提取的可靠性并增強(qiáng)距離檢索的穩(wěn)健性。此外，所提出的模型證實(shí)了使用直接調(diào)制的窄線寬DFB激光器實(shí)現(xiàn)OCMSI的可行性。利用DFB激光器的優(yōu)秀直接調(diào)制能力和寬調(diào)制帶寬，大大簡化了OCMSI信號(hào)生成模塊，并促進(jìn)了更高的系統(tǒng)集成。重要的是，由于測距精度主要取決于頻率軸上幅度變化周期的確定精度，而不是光載波的嚴(yán)格單色性，因此對(duì)超高性能激光源的依賴顯著降低。
基于窄線寬激光器的OCMSI原理
OCMSI測距系統(tǒng)使用光波作為載波，通過自由空間傳輸微波頻率掃描信號(hào)，并利用干涉包絡(luò)信號(hào)的幅度隨微波掃描頻率周期性變化的事實(shí)來獲取距離。通過測量頻率軸上的包絡(luò)周期，可以確定距離。與傳統(tǒng)OCMSI系統(tǒng)不同，所提出的方案不僅在微波域提取干涉包絡(luò)
實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
為了驗(yàn)證所提出的測距方法，我們構(gòu)建了圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，Keysight P9377B）的端口1提供階梯頻率掃描的微波激勵(lì)，直接調(diào)制分布式反饋激光器（DML，Conquer KG-DML-15；中心波長：1550納米）。DML模塊包括驅(qū)動(dòng)電路、溫度補(bǔ)償和功率穩(wěn)定電路，以確保光輸出的穩(wěn)定性。調(diào)制后的光信號(hào)
討論
由于使用了窄線寬激光器作為光載波，因此保留了光域干涉項(xiàng)。在幅度域中，光域和微波域的干涉包絡(luò)表現(xiàn)出相同的周期性，因此它們的疊加產(chǎn)生的幅度響應(yīng)與傳統(tǒng)的OCMSI系統(tǒng)相似，如圖10(a)所示。然而，在相位域中，窄線寬載波的高相干性導(dǎo)致了不可避免的周期性相位
結(jié)論
本研究開發(fā)了一種采用窄線寬激光器作為光載波的OCMSI理論模型，從而加深了對(duì)OCMSI系統(tǒng)中光學(xué)干涉機(jī)制的理解。在此基礎(chǔ)上，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于直接調(diào)制窄線寬DFB激光器的OCMSI測距系統(tǒng)。得益于DFB激光器的高效率直接調(diào)制能力，該系統(tǒng)具有更緊湊的架構(gòu)和強(qiáng)大的潛力
資助
本研究得到了中國國家自然科學(xué)基金（52375545和62371339）和山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023CXGC010209）的支持。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
鄭文博：撰寫——原始草稿、可視化、軟件、方法論、數(shù)據(jù)管理、概念化。
張振：撰寫——審稿與編輯、方法論、數(shù)據(jù)管理。
曹玉蕾：撰寫——審稿與編輯、方法論。
任宇琪：撰寫——審稿與編輯、可視化。
康杰虎：撰寫——審稿與編輯、項(xiàng)目管理、資金獲取、形式分析。
郝宇：撰寫——審稿與編輯、方法論。
張建偉：撰寫——審稿與編輯、方法論。
吳斌：利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
