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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（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

雙光梳激光雷達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。

雙光梳激光雷達通過使用兩個重復頻率略有不同的頻率梳克服了這些局限性。當發(fā)射的光與目標物體相互作用時，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。

雙光梳激光雷達的關(guān)鍵決定因素包括脈沖帶寬、重復頻率和重復頻率差。通過利用游標效應(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成為一項強大的技術(shù)。

雙光梳激光雷達中距離測量信號的示意圖。距離測量每隔 1/Δf??? 重復一次。目標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

在雙光梳激光雷達系統(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 100 kHz，在特殊情況下甚至接近 1 MHz。

• 精度高

雙光梳激光雷達 通過利用時間拉伸因子進行光學采樣，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 重復頻率或更高頻率運行的激光器，可以開發(fā)緊湊的 雷達 系統(tǒng)。

• 敏感性高

雙光梳激光雷達 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。