中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着天文空间科学、工业生产制造等领域对精密测量技术的需求日益严苛，如何实现同时兼顾测量范围高达数千米及以上、测量精度高达纳米及以下、测量速率达到毫秒量级甚至更快的精密测量技术成为了各国研究人员急需突破的难题。光学频率梳因为具有极其丰富的梳齿数量、以及极其稳定并可溯源的频率信息，为解决同时兼顾大量程、高精度、高速率的精密测量技术难题提供了不可或缺的技术保障。在目前已实现的基于光学频率梳的众多测距方案中，基于光学频率梳的极多波长干涉测距技术不但能够同时兼顾长距离、高精度、高速率的测量指标，而且整个测量系统只需使用单个光梳作为光源，梳齿信息极大程度地被辨析利用，含有距离信息的光谱信号瞬时获得而不用进行复杂的电路处理，对电学元件性能的要求相对不高且不需要过多的电学元件，光路结构简单、测量操作简洁，对未来能够同时兼顾大量程、高精度、快速测量的集成化小型化的仪器提供了有力方案。 

本文聚焦于极多波长干涉测距技术，为了更加准确，高效，充分地利用丰富的梳齿信息并从中获取待测距离，提出并自行设计了两种二维光谱数据处理的方案分别对绝对距离测量、相对位移测量进行了研究。并从原理和模拟实验的角度讨论分析了两种处理方案的距离测量效率、测量误差的成因，进而证明了自行创新的“基于二维傅里叶变换的距离反解算法”具有更快速的处理流程，对光梳频率抖动有更强的鲁棒性，使用其相位谱信息进行相对位移测量时具有更高的测量精度。另外，针对传统光谱干涉测距反解算法固有缺陷导致的测量盲区问题，本文从测量光路的设计上给出了解决方案，完善了极多波长干涉测距技术中的测量盲区缺陷。具体研究工作如下： 

1、 针对极多波长干涉测距技术中关键性的光谱处理环节“二维光谱转向一维光谱的抽谱过程”，提出并设计了具体的抽谱方案，通过对每个梳齿单独进行自适应的范围识别、流量统计、频率定标，快速获得了在任意待测距离时极高频率分辨率（𝑀𝐻𝑧、甚至𝐺𝐻𝑧）、极高频率稳定性(~10−11)的精确的一维干涉光谱。 
2、 首次提出了“基于二维傅里叶变换的距离反解算法”，并在物理与数学层面完成了对该算法的理论分析。该算法能够越过二维抽谱、梳齿相位提取、解包裹、斜率拟合一系列复杂的流程，直接利用二维干涉光谱条纹固有的特征参数快速反解绝对距离。并且首次提出了利用干涉光谱在频域内的相位谱信息求解微小相对位移的方法，在模拟实验中实现了在任意初始距离时，精度高达nm量级的相对位移测量，且测量精度量级随着相对位移增加保持恒定。 
3、 通过模拟实验调整光梳产生不同的重频变化，研究在相同的待测距离下对比重频变化分别对“基于二维傅里叶变换的距离反解算法”与“基于二维抽谱的光谱干涉距离反解算法” 的测距结果产生的影响，论证了“基于二维抽谱的光谱干涉距离反解算法”的测量误差始终保持恒定的量级，对光梳偏执频率及重频的锁定要求不高，对光源的频率噪声具有良好的鲁棒性。 
4、 提出并设计了基于双通道的同步测量方案，在同一面阵探测器上同时获得具有固定光程差~𝐿𝑝𝑝/2的两幅二维干涉光谱，并通过图像处理将两幅光谱分离。分别对两幅干涉光谱进行距离解调，当其中一幅干涉光谱的特征参数不易提取而导致距离信息不能准确解调时，利用另一幅干涉光谱可以稳定地准确解调出距离信息，可有效解决干涉仪两臂距离差（待测距离）接近𝐿𝑝𝑝/4时无法准确测量的测量盲区问题。 
5、 分模块搭建了极多波长干涉测距系统，探测到了固定距离时的二维干涉光谱响应。并结合自行提出的光谱处理算法流程对实测光谱进行实测处理，为后续的实测工作做好了充足的准备。