清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
调频连续波（FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中，扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响，导致扫频非线性的产生，使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题，本文从原理出发，分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响，系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展，并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结，为后续相关研究提供启发。
调频连续波 激光雷达 绝对测距 扫频光源 非线性校正 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0328001
江苏商贸职业学院 电子与信息学院, 江苏 南通 226000
针对基于接收信号强度的可见光通信系统室内定位精度低的问题, 提出一种基于深度神经网络的可见光通信系统室内定位方法。方法采用可见光信道估计技术进行室内距离测量, 以解决接收信号强度稳定性与可靠性不足的问题。此外, 设计了深度神经网络在离线阶段学习光电二极管距离向量的分布特性, 以避免光信号不稳定导致误差升高的问题.在线上阶段基于多距离向量对目标进行定位, 可在满足时间效率要求的情况下提高定位精度。仿真结果表明, 在室内场景下, 该方法的平均定位精度优于传统三角定位法与基于接收信号强度的定位方法。
可见光通信 接收信号强度 室内距离测量 光信道估计 深度神经网络 室内定位 visible light communication received signal strength indoors distance measurement optical channel estimation deep neural networks indoors positioning0 引 言
1 湖北工业大学 湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068
2 湖北理工学院 电气与电子信息工程学院 精密光学测量实验室，湖北 黄石 435003
绝对距离测量在基础科学和技术研发领域的重要性日益彰显。由于传统的光学干涉绝对距离测量方法存在测量距离较短、“位相模糊”、易受噪声干扰等问题，计量学领域提出利用频率合成激光开展非光学干涉的绝对距离测量研究。尽管该方法实验装置简单、具有较强的抗噪声干扰能力、适用于大尺寸测量等优点，然而它对实验装置的工作频率带宽、精度具有较高的要求，先前的工作受限于以上条件，绝对距离测量精度为厘米量级。为进一步提高测距精度，提出一种溯源北斗时间基准的非光学干涉激光扫频测距方法。采用光纤电光调制器，代替空间声光调制器，激光频率扫描范围从10 MHz提高到100 MHz；采用北斗/GPS时钟作为信号源的外部基准，频率精度达到0.03 ppm (1 ppm=10−6)；采用电子学外差探测与自混频相结合的方案，将高频交流光电流信号解调出低频绝对距离信息，降低了环境噪声和电子学噪声。实验得到绝对距离测量结果9.8436 m，测量精度1.25 mm。该方法减小了设备时基频率误差对测量结果的影响，实现大尺度测量同时测距精度比先前的工作提高了一个数量级，具有广泛的应用前景。
绝对距离测量 GPS/BDS 无光学干涉 时基校准 absolute distance measurement GPS/BDS non-optical interference time base calibration 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220582
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
研究非合作目标光频扫描干涉信号的快速检测方法，采用稀疏傅里叶变换算法快速求解距离谱，通过引入综合Rife算法精密校正距离谱，可大幅提升解算效率，保证解算精度。实验结果表明，所设计的硬件检测单元能够高效采集并处理不同粗糙度、入射距离及入射角度的非合作目标干涉信号，2 MB数据的处理时间为0.1224 s，在12 m范围内测距误差小于13 μm，标准差优于10 μm。
测量 光频扫描干涉 非合作目标 频谱校正 绝对距离测量
天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072
基于电控光学采样原理开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量的实验研究。电控光学采样技术使用两台重复频率锁相的飞秒激光器，分别作为信号激光器和本地振荡器。在本地振荡器的谐振腔内插入电光调制器并施加方波调制，实现了可控、高效的等效时间采样，采样速度由电光调制器的调制频率决定。基于这一采样原理开展脉冲飞行时间绝对距离测量实验。选用一对重复频率约为158 MHz的被动锁模光纤激光器作为光源，对固定目标进行单次测量的最大更新速率可达到200 kHz，经过4100次单次测量平均后，测距精度可达到16.7 nm。在此基础上，测量了硅基微机械器件中深度约为67.6 μm的微槽。
测量 飞秒脉冲 电控光学采样 飞行时间 绝对距离测量
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
光频扫描干涉绝对距离测量系统需校正光频扫描非线性、细化信号距离谱，因此系统的数据采集及处理效率低，难以满足大尺度数字化制造场景中长度测量需求。本文设计的数据采集与处理系统，引入辅助干涉信号作为数字信号采集系统时钟，在信号采集过程中，同时校正等光频采样的光频扫描非线性，因此效率较高。并采用稀疏快速傅里叶变换确定距离谱细化区间，基于细化-快速傅里叶变换实现距离谱细化，有效提高距离的精密解算效率。实验结果表明：本文设计的系统，在数据处理速度方面，较使用线性调频Z变换的传统系统提高10倍以上；与商用干涉仪比对，在15.4~16.1 m等效空间距离范围内，测量结果误差保持在10 μm以下，测量重复性优于6 μm。
信号处理 绝对距离测量 光频扫描干涉 等光频采样 频谱细化 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0107003
1 东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞 523808
2 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
3 华南师范大学信息光电子科技学院, 广东 广州 510006
大尺寸装备制造、空间中航天器编队飞行等领域面临大量程、高速、高精度的绝对距离测量需求, 传统的干涉相位法与飞行时间法已经无法满足测量需求。随着光频梳的出现, 能够利用光频梳在时域及频域中的高分辨特性, 将其应用于测距中。双光梳测距在解决了量程扩展问题后, 成为了集大尺度、快速测量、高精度于一体的光学测距手段。梳理了光梳测距的发展过程, 阐述了双光梳测距发展过程遇到量程扩展、噪声抑制、空气折射率补偿、光源小型化等问题及解决办法, 为双光梳测距系统的完善提供理论指导。
双光梳 绝对距离测量 飞行时间法测距 非模糊距离 噪声抑制 dual optical comb absolute distance measurement time-of-flight method ranging unambiguous distance noise suppression
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
3 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094
4 西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710000
装备精密制造、空间导航定位和卫星编队等领域要求激光干涉仪的测距精度在几千米到几百公里范围内达到pm量级，这是传统激光测距技术无法达到的。因此，利用等间隔多光谱光频梳特性，基于多波长激光干涉测量原理和双光学频率梳外差干涉测距数学模型，研究相位测量不确定度、空气折射率不确定度和信号重复频率引起的不确定度等因素对距离测量不确定度的影响。结果表明：距离测量不确定度会随温度的增加、压强的增大、二氧化碳体积分数的升高而减小；相比传统光学频率梳干涉测距法，温度越高、压强越大，双光学频率梳外差干涉测距法的距离测量不确定度下降越明显，当二氧化碳每立方米的体积分数在0.75%~0.80%范围内时，两种方法的距离测量不确定度趋于一致。
光纤光学 光频梳 多波长 外差干涉测距 距离测量不确定度 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1906002
