飞秒光学频率梳脉冲啁啾干涉绝对测距研究

摘要

高精度、大尺度绝对距离测量在许多领域具有重要应用，例如大型装备制造、航天器编队飞行、天文行星遥测等。随着科技生产水平的提高，人们对测距精度也提出更高要求。飞秒光学频率梳以极高的频率稳定度和宽频谱、窄脉宽著称，被应用到诸多精密测试领域。本论文研究了光频梳在大尺度、高精度、绝对的距离测量方面的应用技术，提出了一种脉冲啁啾干涉绝对距离测量方法，本论文主要完成了以下的研究工作：
　　1.讨论了飞秒光学光频梳在绝对测距领域的研究进展，系统地简述了基于光频梳的测距方法的分类及其特点，分析了其中某些测距方法的局限性，而针对脉冲色散干涉测距技术不足之处，本论文提出了脉冲啁啾色散干涉测距技术。
　　2.详细分析了利用光栅对来产生脉冲啁啾的原理和基于光梳的脉冲啁啾干涉测距的原理，以及影响测距范围的因素，并给出了相应的仿真结果。而且设计了一套实验装置，结合了光谱干涉技术和脉冲啁啾干涉技术，可以对啁啾因子、啁啾脉宽测量，还可以实现啁啾干涉测距系统自标定。
　　3.建立了一种改进型的Michelson干涉结构，实验结果表明，啁啾因子的大小影响距离测量的范围，实验结果与理论仿吻合；在地下长导轨上，进行了大尺度的测距实验。实验结果显示，在65m范围内，测量结果与参考测距仪相比，测距精度为33μm，相对精度达到5.1×10-7。此外，根据理论的分析，通过实验优化了测距装置的不确定度，并研究了装置中存在的阿贝误差和余弦误差。对基于光频梳测距系统不能任意位置测距的局限，进行了研究，提出了在参考臂中加入长延迟线并结合调节重频的方案，使脉冲与脉冲在任意位置处相遇，从而实现任意测距。
　　4.对实验得到的啁啾干涉光谱进行了时频分析研究，比较了这些变换对啁啾干涉光谱信号处理的结果，研究了影响时频分析结果的因素，并将这些方法用于处理啁啾干涉光谱的测距数据。通过实验比较发现，相比于参考的He-Ne干涉仪数据，这些时频变换方法的处理结果在65m范围内的相对精度都优于6×10-7，满足高精度处理要求，其中SPWV（smoothed pseudo Wigner-Ville）分布、连续小波变换和SCW（smoothed Choi-Williams）分布处理啁啾光谱数据性能较好，获得了预期的结果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2激光测距技术的发展

1.3飞秒光频梳绝对距离测量的发展

1.4本文主要内容

第2章 光频梳频域干涉测距原理12

2.1引言

2.2光谱干涉测距原理

2.3线性脉冲啁啾原理

2.4脉冲啁啾干涉测距原理及仿真

2.5影响测距范围的因素分析

2.6基于光谱干涉的啁啾因子测定实验

2.7本章小结

第3章 光频梳脉冲啁啾干涉绝对距离测量实验设计34

3.1引言

3.2脉冲啁啾干涉测距实验装置设计

3.3验证不同啁啾参数对测距范围和最宽条纹的影响

3.4在光学导轨上进行大尺度测距实验

3.5测量不确定度的分析与优化

3.6基于光梳测距的局限分析及改进

3.7本章小结

第4章 绝对距离测量中啁啾干涉光谱的时频分析5

4.1引言

4.2色散干涉与脉冲啁啾干涉数据处理的差异

4.3时间频率变换：定义与分类

4.4时频分析结果比较

4.5影响时频变换的因素：窗函数和噪声

4.6本章小结

第5章 总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢