精确测距——使用频率梳分辨率进行长距离测量

介绍

        精确测距在工业计量、测量、自主导航、机器人和遥感等众多领域发挥着至关重要的作用。它能够精确定位和映射物体，检测距离的微小变化，并高精度地监控动态环境。

        精确测距采用各种方法，包括基于激光的技术，例如飞行时间 （ToF） 测量、干涉测量和调频连续波 （FMCW） LiDAR（光检测和测距）。这些方法利用光波或电磁波的原理，根据传播时间或相移的测量来确定距离。

双光梳雷达

        双光梳雷达是一种尖端传感技术，它结合了 ToF 和干涉测量原理，同时还利用了类似于 FMCW LiDAR 的相干信号放大。这种创新方法结合了这些技术的优势，可实现高精度和快速的绝对距离测量。

        传统的雷达系统通常依靠 ToF 或干涉测量法进行距离测量。ToF 测量激光脉冲传播到物体并返回所需的时间，而干涉测量法分析激光束的干涉图案。但是，这两种方法在测量精度、速度或范围方面都有局限性。

        双光梳雷达通过使用两个重复率略有不同的频率梳克服了这些限制。当发射的光与目标对象交互时，它的一部分会被反射回来。一部分光也被参考反射器反射。通过用来自另一个电梳的光干扰来自一个电梳和参考电梳的光，并测量得到的干涉图之间的延迟，可以获得精确的距离测量。

        双光梳雷达的关键决定因素是脉冲带宽、重复率和重复率差。通过利用游标效应，即本振和采样振荡器的作用在同一测量中交换，双光梳雷达可以实现超长的明确测量范围。此范围可以延伸到数百公里，超过了大多数实际应用的要求。同时，系统可以保持微米级精度，这取决于脉冲持续时间（通常在亚 ps 范围内）和数据采集速度。此外，双光梳雷达允许访问干扰信号，从而在测量中实现亚波长精度。这些组合功能使双光梳雷达成为高精度测距应用的强大技术。

双光梳激光雷达中的测距信号图示。距离测量每1/Δfrep重复一次。

采用单腔双光梳激光器的双光梳雷达

        在双光梳雷达系统中使用单腔双光梳激光器对于实现该技术的实际应用至关重要。通过采用单腔设计，系统变得更加紧凑，非常适合集成到各种平台和设备中。使用单个激光源消除了复杂的同步需求，简化了整个系统架构。

        此外，单腔双梳激光器方法为生产提供了可扩展性。通过简化的设计，制造过程变得更加精简，从而可以高效且经济地生产双光梳雷达系统。这种可扩展性对于技术的广泛采用和商业化尤为重要。