【摘 要】
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近年来,以激光绝对距离测量技术为代表的激光测距技术日益成熟,而随着飞秒光学频率梳的出现以及相关技术的不断进步,激光绝对距离测量技术又迈上了新的台阶。飞秒光学频率梳得益于其优越的频率稳定性,可以很好地实现传统测距光源的频率校正,也可以直接作为测距光源参与测量。但是由于飞秒光学频率梳有着不同于传统光源的特性,使得距离测量结果的解算产生了相应的变化,如在基于飞秒光学频率梳频率校正的FMCW绝对距离测量法
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近年来,以激光绝对距离测量技术为代表的激光测距技术日益成熟,而随着飞秒光学频率梳的出现以及相关技术的不断进步,激光绝对距离测量技术又迈上了新的台阶。飞秒光学频率梳得益于其优越的频率稳定性,可以很好地实现传统测距光源的频率校正,也可以直接作为测距光源参与测量。但是由于飞秒光学频率梳有着不同于传统光源的特性,使得距离测量结果的解算产生了相应的变化,如在基于飞秒光学频率梳频率校正的FMCW绝对距离测量法中,需要先解算出飞秒光学频率梳与FMCW之间拍频信号的相位变化曲线并利用该曲线结合测距信号实现测距结果的校正。此时,由于飞秒光学频率相当于大量不同频率正弦波的叠加,因此该曲线会出现了大量频率分量,需要抽取恰当的频率区间以减小计算的复杂度;同时,FMCW的频率调谐特性也会使得相位信息随时间不断变化,部分传统的相位解算方法可能无法正确地求解出需要的结果,即无法实现频率的校正;因此针对信号特性如何选取恰当的信号相位处理技术并使用相应的相位解算模块便成为了研究的重点。本课题关注FMCW绝对距离测量中飞秒光学频率梳对FMCW进行频率校正时的相位解算问题,旨在解决FMCW绝对距离测量技术中激光器频率调谐非线性带来的测距不准问题,研究了基本的FMCW绝对距离测量技术的原理、飞秒光学频率梳对其进行频率校正的拍频信号特性,分析了基本的五种相位解算方法并选择在本课题中应用I/Q解调法,进而考虑了在实际应用中解算飞秒光学频率梳与FMCW之间拍频信号会出现的问题,最终采用了基于光学混频器的I/Q解调算法实现了该拍频信号的正确解算。本文的主要研究内容如下:（1）分析FMCW绝对距离测量技术的基本原理,研究频率调谐非线性对测距结果的影响;分析基本的相位解算方法的特点,针对飞秒光学频率梳对FMCW进行频率校正时所得信号的特点研究相适应的相位解算方法,分析了I/Q解调算法解算的可行性;（2）重点研究在应用I/Q解调法时会带来的信号处理问题,特别是飞秒光学频率梳在信号处理时的特点;根据飞秒光学频率梳在对FMCW进行频率校正时不适合完全使用数字方式进行信号处理的问题,采用了基于光学混频器的I/Q解调算法,分析使用该算法的可行性,研究了使用光学混频器可能对最终的测距结果会产生的影响,并运用仿真运算对结果进行验证;并搭建了基于光学混频器的I/Q相位解算模块,并在系统相位解算精度实验中,得到了0.5°的相位测量分辨率;（3）参与设计并搭建了基于飞秒光学频率梳频率校正的FMCW测距系统,在距离测量精度实验中,分别选取长度为1.5m的光纤和长度为0-30m的长导轨空间两种场景中进行实际距离测量实验,获得了高精度高重复性的测量结果,验证了基于光学混频器的I/Q解调算法在该测距系统中的可行性。
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