3.2.2　大量程测距精度提升技术

基于一阶互相关的条纹分辨的光频梳测距技术对气流等环境扰动非常敏感，其造成的测量精度下降在大量程的情况下尤为突出。为了解决这一问题，日本东京大学的H.Mastumoto课题组提出了利用光外差探测的干涉条纹提取技术‎[4,5]。考虑到空气气流的特征频率在千赫量级，因此将外差频率设定在100 kHz以上，就可以有效避免气流扰动引起的条纹可见度下降。

图‎3-5（a）给出了外差干涉法的实验装置，它采用了光纤型的非平衡式迈克耳孙干涉仪。在参考臂引入了声光调制器，对参考脉冲序列产生频移，频移量为Δ=fr+fh。这里，激光器的重复频率fr为100 MHz，fh为100 kHz。频移后的光学频率梳的梳齿频率可以表示为

（3-2）

因此，频移后的第N个光学梳齿将与原光学频率梳的第（N+1）个梳齿干涉，外差频率为fh，外差原理如图‎3-5（b）所示。测量光经准直器输出、扩束后，用于长距离测量。测量光路放置了两个角锥棱镜，一个角锥棱镜放置于正好使两臂的光程差为零的位置（M0），另一个角锥棱镜作为待测目标（Mm）。两个角锥棱镜的间距为l。两个角锥棱镜的反射光与参考脉冲干涉，由光电探测器接收干涉条纹，由锁相放大器处理干涉信号。锁相放大器的参考信号由fr与Δ的差频提供。

参考臂的压电陶瓷驱动器PZT实现干涉条纹的扫描。扫描周期为T，扫描量程为L，都经过严格的标定。在一个周期内，置于压电陶瓷上的角锥棱镜向远离直角棱镜的方向移动。行程L约为数十微米，在移动的过程中，可以观测到由于测量臂的两个角锥棱镜的反射所形成的干涉条纹，如图3-5（c）所示。干涉条纹通过光电探测器接收后，由锁相放大器的信号幅度通道（R通道）提取条纹的包络，可以得到两个峰值的时间间隔t，从而计算出待测距离

（3-3）

图3-5　外差干涉法的实验装置和原理[5]

其中，l1为无模糊距离的整数倍，由3.1节的测量原理得到。l2为无模糊距离的分数部分，通过干涉互相关信号的峰-峰值间距决定的精测尺提取，测量分辨力达到数十纳米量级。由于提取包络的过程与干涉信号的电场无关，因此测量结果不受激光器的载波-包络偏移相位的影响。

利用该方法在目标距离为199.5 m和403.2 m处开展了测距实验。在每个距离处，每隔100 s测量1次，独立测量10次，总的测量时间为1 000 s。测量过程中，环境条件基本保持不变，使用的空气温度传感器的分辨力为0.1 ℃，压力传感器的分辨力为10 Pa。测距实验结果在199.5 m（m=133）处的标准差为2.8 μm，在403.2 m（m=269）处的标准差为6.2 μm，展现出了良好的测量稳定性。