使用頻率梳分辨率進行長距離測量

介紹

精密測距在工業(yè)計量、測量、自主導(dǎo)航、機器人和遙感等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠精確定位和映射物體，檢測距離的微小變化，并高精度地監(jiān)控動態(tài)環(huán)境。

精密測距采用各種方法，包括基于激光的技術(shù)，例如飛行時間 （ToF） 測量、干涉測量和調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達(dá)（光檢測和測距）。這些方法利用光波或電磁波的原理，根據(jù)傳播時間或相移的測量來確定距離。

雙光梳激光雷達(dá)

雙光梳激光雷達(dá)是一項前沿的傳感技術(shù)，它結(jié)合了飛行時間（ToF）和干涉測量的原理，同時還借鑒了調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的相干信號放大技術(shù)。這種創(chuàng)新方法融合了這些技術(shù)的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速的絕對距離測量。

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)通常依靠飛行時間法或干涉測量法來進行距離測量。飛行時間法測量激光脈沖往返目標(biāo)物體所需的時間，而干涉測量法則分析激光束的干涉圖樣。然而，這兩種方法在測量精度、速度或范圍方面都存在局限性。

雙光梳激光雷達(dá)通過使用兩個重復(fù)頻率略有不同的頻率梳克服了這些局限性。當(dāng)發(fā)射的光與目標(biāo)物體相互作用時，一部分光會被反射回來。還有一部分光會被參考反射鏡反射。通過使一個頻率梳經(jīng)目標(biāo)和參考反射鏡反射后的光與另一個頻率梳的光發(fā)生干涉，并測量所產(chǎn)生干涉圖之間的延遲，就可以獲得精確的距離測量結(jié)果。

雙光梳激光雷達(dá)的關(guān)鍵決定因素包括脈沖帶寬、重復(fù)頻率和重復(fù)頻率差。通過利用游標(biāo)效應(yīng)（即在同一測量過程中交換本地振蕩器和采樣振蕩器的角色），雙光梳激光雷達(dá)可以實現(xiàn)極長的無模糊測量范圍。這個范圍可以延伸到數(shù)百公里，超過了大多數(shù)實際應(yīng)用的需求。同時，該系統(tǒng)能夠保持微米級的精度，這由脈沖持續(xù)時間（通常在亞皮秒范圍內(nèi)）和數(shù)據(jù)采集速度決定。此外，雙光梳激光雷達(dá)可以獲取干涉信號，從而實現(xiàn)亞波長級的測量精度。這些綜合特性使雙光梳激光雷達(dá)成為一項強大的技術(shù)。

雙光梳激光雷達(dá)中距離測量信號的示意圖。距離測量每隔 1/Δf??? 重復(fù)一次。目標(biāo)脈沖和參考脈沖之間的時間間隔編碼了距離信息。距離可以僅根據(jù)飛行時間來確定，也可以使用光學(xué)相位來優(yōu)化距離測量。

基于單腔雙光梳激光器的雙光梳激光雷達(dá)

在雙光梳激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用單腔雙光梳激光器對于推動該技術(shù)的實際應(yīng)用至關(guān)重要。通過采用單腔設(shè)計，系統(tǒng)變得更加緊湊，這對于集成到各種平臺和設(shè)備中非常理想。使用單一激光源消除了復(fù)雜的同步需求，簡化了整個系統(tǒng)架構(gòu)。

此外，單腔雙光梳激光器方法在生產(chǎn)方面具有可擴展性。由于設(shè)計簡化，制造過程更加高效，能夠?qū)崿F(xiàn)雙光梳激光雷達(dá)系統(tǒng)的高效且經(jīng)濟的生產(chǎn)。這種可擴展性對于該技術(shù)的廣泛應(yīng)用和商業(yè)化尤為重要。

K2 Photonics 精密測距的優(yōu)勢

• 掃描速度快

單腔雙光梳激光器能夠以較快的更新速率進行高分辨率測量，速度高達(dá) 100 kHz，在特殊情況下甚至接近 1 MHz。

• 精度高

雙光梳激光雷達(dá) 通過利用時間拉伸因子進行光學(xué)采樣，提供優(yōu)異的測量精度，確保飛秒級精度記錄返回脈沖。此外，光學(xué)相位信息的利用進一步提高了測量的精度，實現(xiàn)了精確和詳細(xì)的測距功能。

• 體積小
利用緊湊型單腔雙光梳激光器，尤其是那些以 GHz 重復(fù)頻率或更高頻率運行的激光器，可以開發(fā)緊湊的 雷達(dá) 系統(tǒng)。

• 敏感性高

雙光梳激光雷達(dá) 中本振的相干放大可以獲得對返回反射的高靈敏度檢測。此外，鎖模固態(tài)激光器在高頻下產(chǎn)生具有超低噪聲（RIN 和定時）的激光，從而實現(xiàn)高靈敏度、散粒噪聲受限的測量。