激光绝对距离测量技术
飞秒激光频率梳绝对测距技术综述
果 ，误 差为 ８×１ ０一。该 实 验 结 果 优 于 当 时最 先 进 的 量距 离 提高 了三倍 以上 。
Ｌｉａ ｅｃ 激光 跟踪 仪 的技 术 指 标 （ 差 为 １ 误 ０×１ ） ０ ，测
计 测 技 术
综合 评述
・１ ・
飞 秒 激 光 频 率 梳 绝 对 测 距 技 术 综 述
华卿 ，周维虎 ， 一 ，许艳
（ ．中国科 学院 光 电研 究 院 ，北 京 １０９ ；２ １ ００４ ．中 国科 学院研 究 生院 ，北 京 １０４ ； ００９ ３ ．华 中科 技大 学 光 电子科 学与工程 学 院，湖北 武 汉 ４０７ ） ３０ ４
。 ¨
ｐｒ ｂｅ ｏ
‘
为时间探针来研究或测量其他手段无法得到的瞬态事 件 光学信 息 口 。如果 对 飞秒 （ｓ ０ ｓ 光脉 冲 的重 ｆ，１ ）
复频率 （ ） 和载波 一包络 相位 （ 咖 △ ） 进行 精 密控 制 ，根 据傅 里 叶 变换 ，在 频域 即 为分 布 均 匀 、位 置 固 定 且光 谱 范 围极 宽 （ １。条 ） 的一 系列 谱 线 ， 图 １ 达 ０ 所 示为超 短 激光 脉 冲 的时 域 和 频 域 特性 。 由于 该 光谱
Ｒｅ ｉｗ ｆ Ａｂｓ ｌ ｔ ｓａｎ ｅ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｍ ｔ ｅ ｏ ｄ ｔｃ ｌＦｒ ｑｕｅ ｙ Ｃｏ ｂ ｖｅ ｏ ｏ ｕ ｅ Ｄｉｔ ｃ ａ ｕ ｅ ｎｔｗｉｈ Ｆｅ ｏｓ ｃ ｎ Ｏｐ ｉａ ｅ ｎｃ ｍ
ＨＵ Ｑｉｇ ，Ｚ Ａ ｎ ＨＯＵ Ｗｅｈ ｉ ｕ ，ｘＵ Ｙａ ｎ’
行 时间法 、相 位法 和 多波 长干 涉法 ，限于 各 自的局 限 ， 难 以解决 测程 、准 确度 和实 时性 之 问的矛盾 ¨ 。 Ｊ
laser 测量原理
laser 测量原理
激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。
根据激光工作的方式，可以分为连续激光器和脉冲激光器。
激光测距的原理主要是基于光速和时间的关系，通过测量光在空气中传播的时间来计算距离。
对于脉冲激光测距，测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。
光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。
脉冲法测量距离的精度一般是在±10厘米左右，而测量盲区一般是1米左右。
此外，还有相位式激光测距，主要使用连续输出的氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器。
相位式激光测距的原理是利用激光器的频率稳定度和传播速度，通过测量相位差来计算距离。
相位式激光测距的精度较高，可以达到毫米级别，但测量范围较小。
以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅关于激光测距的资料或者咨询专业人士。
激光绝对距离测量技术
1m
与测量臂有关的相位 1m 与 2 m 随 L 值变化而变化
4 4 L v1L c 1
2 M
4 4 L v2 L c 2
s 1m 2 m
1 2 4 L 4 L 12 s
探测器后加入低通滤波器（LPF）
仅使拍频信号f 2 f1通过滤波器，则可得到信号
3）无零位,增量式,不能测量绝对位移
液摆
3.1发展背景
ct L 2n 2n 2
相位法测量过程中相位差只能介于0-2π,
故最大可测量程为：
Lmax
2n
因此需借助其他方法来扩展测量范围， 以满足大量程测量的需求
3.1发展背景
由此提出合成波长（多波长）激光干涉
测量方法来扩展测量范围，满足大尺寸
2
4 v2 L (v2 f 2 )Z c
两外差信号再叠加形成：
超外差信号
外差
超外差
外差
1
4 v1L (v1 f1 )Z c
2
4 v2 L (v2 f 2 )Z c
1r
4 (v1 f1 ) Z c
2r
4 (v2 f 2 ) Z c
移相法
下图为清华大学研制的半导体激光器大尺寸绝对距离测量系统 采用三角波电流调制半导体激光器,调频范围为165GHz
内容提要
1 2 3 3 4 3
研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
5
3
多波长测量原理
3.1发展背景
传统干涉仪： 1）需要导轨,计时从始态到终态全部过程,中间不允掉电 2）计数时间长,测量长度较大时耗时时间长,易受环境影响
激光测距实验报告(精)
一、激光测距简介：激光测距仪无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要作用。
由于激光波长单一，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。
激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点：①激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好。
②激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光。
③激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。
若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。
若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。
世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。
美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。
1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。
激光测距仪-分类：一维激光测距仪用于距离测量、定位；二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）用于轮廓测量，定位、区域监控等领域；三维激光测距仪（3D Laser Range finder）用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。
激光测距-方法激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。
基于白光干涉的绝对距离测量
第一章绪论1．1测量绝对距离技术概论绝对距离测量指无导轨测长。
激光干涉仪测量过程中虽然可以达到纳米级甚至亚纳米级的测量精度，但也有种种局限性，如只能进行增量式测量，测量过程不能间断，以及需要导轨作为参考标准等等。
这些缺点限制了激光干涉仪的应用场合。
所以在实际测量中迫切需要无导轨绝对距离测量。
1．1．1绝对距离干涉测量(无导轨测量)方法无导轨测量的研究历史应该追溯到迈克尔逊时代。
在1892年把国际标准米尺与Cd红线波长相比较提高了小数重合法。
在激光出现之后，激光光谱学的研究结果向人们展示了极为丰富的谱线系列和令人振奋的相干特性。
1976年，C．R．Ti lford和A．G．0rszag首先报导了使用CO2激光器进行多波长干涉测长而不必求助于其他初测手段，成为严格意义上的激光多波长无导轨测量的开端。
1977年C．R．Ti 1ford对于由条纹尾数确定长度的分析法进行了系统的理论分析，并且提供了合成波长的概念，对激光多波长干涉测量起了重要的推动作用。
此后各国科学家开展研究。
无导轨测量比有导轨测量有明显的优点，因为它不但省去了导轨，也避免了在累加计数过程中出现的误差甚至是错误，省去了滑板移动的时间等等。
另一个更为重要的优点是在三维跟踪控制中应用更为方便和避免余弦误差的不断累积。
激光多波长无导轨测量技术无疑会推动测量机器人的发展。
1．2绝对距离测量原理用光学干涉仪测量长度时，干涉仪的干涉条纹与被测光程差之间的关系下：其中L为被测长度，N，ε分别为干涉条纹的整数级次和小数部分。
它们都是正数，λ是光波波长。
上式中ε可以直接通过干涉仪精确测量出来，N可以有两种方法获得：一是利用条纹计数。
二是利用L的已知初始值，通过计算估计，确定N即无导轨绝对距离测量法。
设被测长度L的粗测值为L0，其测量的不确定度为△L，即L= L0+△L，那么：两式相减得：要使整数唯一确定，只需使m1-m2<1，即△L <λs/4。
激光测距(非常详细)
一、激光测距方程
1、从测距仪发射的激光到达目标上的激光功率 1）对于点目标，目标面积小于激光照亮面积：
Pt Pt Kt At T / As 1
Pt——激光发射功率（W）
Tα ——大气单程透过率 Kt——发射光学系统透过率 At——目标面积（m2） As——光在目标处照射的面积（m2）
d ct 2
测距方法分类
脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光 脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时 间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法 测距精度大多为米的量级； 相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上 往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测
我国卫星测距站
卫星激光测距应用
卫星激光测距（Satellite Laser Ranging：SLR）是
随着现代激光、光电子学、 计算机和空间科学发展而建立
起来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和 较高的测量精度,已在地学领域广泛应用。目前,其观测资 料已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文 学和地震预报等多种学科。
2、小的激光发散角： 措施：增大扩束准直系统的角放大率。 3、高透过率光学系统；
4、大的接收孔径角；
5、大目标对测距有利； 6、高灵敏度探测器。
二、光电读数
1 1 N 1 因为 s ct c f ( fT 为晶振频率;T ) T 2 2 fT 测距仪的最小脉冲正量δ为：
令N=1
SPAD
接收望远镜
箱
测距精度与激光脉宽
测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的； 因此激光脉冲宽度影响测距精度： L C t
利用飞秒激光测量绝对长度
利用飞秒激光测量绝对长度
帕力哈提.米吉提;A.K.Dmitriev
【期刊名称】《光学与光电技术》
【年(卷),期】2010(8)5
【摘要】主要研究了如何利用飞秒激光测量绝对长度。
解析和数值计算结果显示当飞秒激光通过理想的法布里-珀罗干涉仪时,利用干涉仪透射最大值可以实现绝对标准长度的测量。
据此提出了标准频率与绝对长度一一对应的标准。
【总页数】5页(P45-48)
【关键词】飞秒激光;精确测量;标准频率;绝对长度
【作者】帕力哈提.米吉提;A.K.Dmitriev
【作者单位】新疆大学物理科学与技术学院;新西伯利亚国立技术大学物理工程系【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
【相关文献】
1.飞秒脉冲激光绝对距离干涉测量理论分析 [J], 武腾飞;梁志国;严家骅;张大鹏
2.利用非锁定飞秒激光实现太赫兹频率的精密测量∗ [J], 孙青;杨奕;邓玉强;孟飞;赵昆
3.利用OMA谱仪测量飞秒激光的谐波光谱 [J], 王光昶;陈旭;梁栋;张建炜;郑志坚
4.卫星编队飞行的飞秒激光绝对距离测量与高精度控制技术 [J], 宋有建;宗群;余化枫;师浩森;邵士凯
5.利用锁相飞秒激光对碘分子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量 [J], 袁杰;伊林;陈文兰;齐向辉;汪中;沈乃瀓;陈徐宗
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光频梳绝对距离测量关键技术及应用
光频梳绝对距离测量关键技术及应用光频梳绝对距离测量是一种基于光学干涉和频谱分析的精密测量技术。
其关键技术主要包括光频梳的产生、光学干涉的测量和控制、以及数据处理和分析。
下面将详细介绍这些关键技术及其应用。
1.光频梳的产生
光频梳是一种具有多个等间隔频率分量的光信号，其产生方式通常是通过非线性光学效应或光参量振荡器等。
在绝对距离测量中，光频梳的频率范围和稳定性对测量精度有着重要影响。
因此，需要采用高精度、高稳定性的光频梳产生技术，以确保测量结果的准确性。
1.光学干涉的测量和控制
光学干涉是光频梳绝对距离测量的核心部分。
通过将待测距离与已知距离的光线进行干涉，可以得到干涉条纹的相位信息。
为了准确测量干涉条纹的相位，需要采用高灵敏度的光电探测器和高速数据采集系统。
同时，还需要对光学干涉系统进行精确的控制，包括光源的波长、干涉臂的长度和角度等，以确保干涉条纹的稳定性和可重复性。
1.数据处理和分析
在获得干涉条纹的相位信息后，需要进行数据处理和分析，以得出待测距离的绝对值。
这需要采用高性能的计算机和相
关软件，对干涉条纹进行快速傅里叶变换、相位解包等处理，以得到距离的绝对值。
同时，还需要对测量结果进行误差分析和校正，以提高测量精度。
应用方面，光频梳绝对距离测量技术在许多领域都有广泛的应用，如激光雷达、光学传感、精密测量等。
例如，在激光雷达中，光频梳绝对距离测量可以用于实现高精度、高分辨率的距离测量和地形测绘；在光学传感中，可以用于实现高灵敏度的气体、液体等物质的浓度和成分检测；在精密测量中，可以用于实现微米甚至纳米级别的距离测量和定位控制。
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含被测长度的信息,实现绝对距离
测量。
主要应用于半导体激光器。
根据对半导体激光器激光频率的调制方式的不同,调频激光干涉
测量方法可分为三种:
线性调频法(三角波调频和锯齿波调频) 正弦调频法
相位差测距法示意图：
ct L 2n 2n 2
2.2干涉测量
绝对距离干涉测量法分为： 多波长激光干涉测量法和调频激光干涉测量法
本节先简要介绍调频干涉测量法 多波长法及其原理将在下章详细介绍
调频激光干涉测量技术基本原理： 通过连续调制单纵模激光器的激
光频率,使得臂长差不为零的迈克
1m
与测量臂有关的相位 1m 与 2 m 随 L 值变化而变化
4 4 L v1L c 1
2 M
4 4 L v2 L c 2
s 1m 2 m
1 2 4 L 4 L 12 s
探测器后加入低通滤波器（LPF）
仅使拍频信号f 2 f1通过滤波器，则可得到信号
绝对距离测量方法分类
绝对距离测量技术区别于相对位移测量的主要特征是在测量过 程中无需借助导轨,因此绝对距离测量又称为无导轨测量。 绝对距离测量方法主要包括非相干测量法和干涉测量法
液摆
2.1非相干测量
非相干测量法也称为飞行时间测量法,主要有脉冲测距法和相 位差测距法 脉冲测距法： 测量仪器发出一个短脉冲信号,该信 号经目标点反射返回,在经过了两倍 的待测距离后被仪器重新接收。通 过测量从发射到接收到同一脉冲信 号的时间间隔t,可以获得距离值： L=ct/2 液摆
3)集成光学技术的应用
2
4 v2 L (v2 f 2 )Z c
两外差信号再叠加形成：
超外差信号
外差
超外差
外差
1
4 v1L (v1 f1 )Z c
2
4 v2 L (v2 f 2 )Z c
1r
4 (v1 f1 ) Z c
2r
4 (v2 f 2 ) Z c
Laser 1
45º PBS1
v1
PBS3
Laser 2
v2
45º PBS2
v2
f2
PBS4
PBS5
L
v2+f2
PD
AOFS2
接收到的合成光强I(t)为：
I (t ) a0 a1 cos(2 f1t 1 ) a2 cos(2 f 2t 2 )
1
4 v1L (v1 f1 )Z c
2）避免了外差方案中对纵模信号的分别检测，
从而克服了模耦合误差。 3）利用低频超外差信号即可获得相位信息 降低了测相模块混频环节的技术难度
内容提要
1 2 3 3 4 3
研究背景 测量方法分类 多波长测量原理发展Fra bibliotek状前景展望
5
1.1892年把国际标准米尺与Cd谱线波长相比较提出了小数重合法
激光出现以后，基于小数重合法进行无导轨测长 2.1976年，G.L Bourder和A G.Orszag首先报导了使用CO2激
绝对距离测量技术综述
讲解：XXX
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
5
1.1 3
测量需求
大型零件尺寸超出一般工具测量范围，给测量带来困难
葛州坝水电站水轮机的定子和 转子的尺寸都在16m以上
要制造出高精度的大尺寸零件,必须在加工过程中不断进行 检测,因而测量精度的高低对零件的制造起着非常重要的作 用
1.2 3
测量方法
大尺寸测量可分为： 位移测量和绝对距离测量
位移测量：
作为干涉条纹计数测长方法典型代表的双频激光干涉仪已经 可以在很高精度(5×10-7L,L是被测距离)下测到六十米的距离 但是,由于干涉条纹计数测长需要配备供测量镜移动的精密导 轨,并且测量过程不能中断,因此,其应用范围受到了限制
cN L 2 f0
2.1非相干测量
相位差测距法： 测距仪对激光进行强度调制,通过测量调制光波往返被测距离一 次所产生的相位延迟确定往返时间t,从而得到这一相位延迟所代 表的距离值
=t 2 ft t / 2 f ct L 2n 2n 2
为延迟的相位
注： 相位法测量过程中相位差只 能介于0-2π而大量程测距时 会导致相位差大于2π，从而 导致多值性问题
拍波法：
根据同时发射的两个单波长光波形成的空间拍波信号幅值与光
程差的关系，通过测量幅值零点所对应的光程差的变化量得到 相应的合成波小数级次
外差法：
通过将各单波长光波外差信号与同频率参考信号进行比相处理 直接得到单波长小数级次。它的工作原理如图所示
A B
B A 2
B A 1 2
用两波长分别测量后,有如下公式成立：
设距离的初测值为Lc,不确定度为ΔLc,若选定合适的激光
波长,使得初测不确定度满足条件：
ΔLc< λs/4-ΔLp,则
式中ΔLp为干涉级小数测量的不确定度
绝对距离测量最终归结为相位测量 测得相位即可获得对应的小数级次
测相分为三种方法：
拍波法 外差法 超外差法
绝对距离测量：
二十多年来,随着激光技术、红外技术的发展,世界各工 业发达国家为满足无导轨高精度测量大长度的需要,相继 开展了以多波长小数重合法为基础的红外激光绝对法干 涉测距(即绝对距离干涉计量)的研究工作。
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
5
2 3
光器 进行多波长干涉测长
3.1983年,日本计量研究所的H Matsumoto提出用He—Ne3.39um 单波长和He-Ne3.37um，3.51um双谱线组成三级合成波测长
4.同年，C L．Bourder利用两支波导CO2激光器，实现变波长
绝对距离测量 5.1985年，中国计量院陈元吕等人制成了以Zeeman激光为光源
移相法
下图为清华大学研制的半导体激光器大尺寸绝对距离测量系统 采用三角波电流调制半导体激光器,调频范围为165GHz
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
5
3
多波长测量原理
3.1发展背景
传统干涉仪： 1）需要导轨,计时从始态到终态全部过程,中间不允掉电 2）计数时间长,测量长度较大时耗时时间长,易受环境影响
B A
B A
一般侧相方法的难点：
1）各个波长的相位应该同时测出
2）两个单波长信号应该能够分开
1 2 s 1 2
3）原始单波长信号应该有高稳定度
超外差法：
AOFS1 Reflector
v1+f1
f1 BS
Z
λ/4
v2+f2 v1+f1 v1 v2
λ/4
P
v1
I
2 LPF
(t ) b0 a1a2 cos[2 ( f2 f1 )t s ]
1 2 2 b0 a0 (a12 a2 ) 2
s s L 4
频率可由声光移频器进行设定，为了减小
测相单元的测量难度，通常频率值在KHz级别内
超外差优点： 1）实现了合成波长相位的实时测量
测量需求。
3.2合成波长法
多波长干涉计量是剩余小数法的发展。C.R Tilford在此理论上
作出了重要的贡献。
主要归纳为如下两个基本思想： 1)利用若干单波长组合出长度不同的合成 波长链
2)利用不同的合成波长,逐次求解被测长度
使被测量真值被逐次搜索—-即逐级精化。
以双波长测量为例,设参与干涉测量的两光波 分别为λ1和λ2(不妨设λ1>λ2),对于被测距离L
的无导轨测长仪
6.1986午，H．Kikuta进行了半导体激光外差干涉测长的研究 7.清华大学的梁晋文教授等人用He-Ne3.39um激光实现多波长
无导轨测长
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
5
5.1亟待解决的问题
5.2发展趋势
在绝对测量领域,计量技术正向着高精度,大范围,小型 化,实用化方向发展,预计以下几项技术将会得到应用： 1)由于对测量精度的要求越来越高,波长更短的激光器 如X射线激光器将会在干涉计量仪器得到广泛应用 2)利用自适应光学技术来消除大气的影响
3）无零位,增量式,不能测量绝对位移
液摆
3.1发展背景
ct L 2n 2n 2
相位法测量过程中相位差只能介于0-2π,
故最大可测量程为：
Lmax
2n
因此需借助其他方法来扩展测量范围， 以满足大量程测量的需求
3.1发展背景
由此提出合成波长（多波长）激光干涉
测量方法来扩展测量范围，满足大尺寸