前沿进展 | 超高灵敏度激光回馈测距方法

论文导读

      基于扫频干涉原理的激光雷达是一种实现绝对距离测量的仪器，因其具有高精度、抗环境光干扰等优点而备受青睐，目前已应用于场景建模、精密制造、大型设备装配等领域。然而，现有的扫频干涉测距系统对回光强度要求较高，如何以低探针光功率实现对远距离目标的精密测量仍是亟待解决的问题。近日，清华大学谈宜东副教授团队联合北京工业大学王璞教授团队，将激光回馈技术与扫频干涉原理相结合，提出了基于扫频干涉回馈的测距方法（FSFI）。该方法利用激光回馈技术对回光信号自发增益的特性，提升了系统的回波灵敏度，实现了亚毫瓦级探针光功率下，对百米级靶距非合作目标的绝对距离测量。研究工作于2022年9月以Frequency-swept feedback interferometry for noncooperative-target ranging with a stand-off distance of several hundred meters 为题发表于PhotoniX上。

研究背景

      随着科技发展和制造业的进步，人们对距离测量技术提出了更高的要求，特别是在大型精密机械制造和航空航天等领域，准确的距离测量已成为科学研究和工业生产中至关重要的一步。作为备受关注的激光测距方法之一，扫频干涉测距技术具有抗干扰能力强、高精度、可同时测量目标速度等诸多优点，具有广泛的应用前景。然而，已报道的扫频干涉测距系统对回光强度要求较高，被测目标往往是反射镜或角锥棱镜；若对非合作目标（如漫反射体、散射体等）进行测量，则测量范围因回光强度不足而大大受限，虽然加入光放大器增大探针光功率可以缓解这一问题，但也使得系统复杂度增加。目前，以低探针光功率实现远距离的非合作目标测量仍是一个挑战，而激光回馈干涉技术为这一难题的解决提供了思路。本文将激光回馈干涉技术与扫频干涉原理结合，提出了一种高回波灵敏度的测距方法，并对系统性能和技术优势展开介绍。

技术突破

      提升回波灵敏度的核心思路是使微弱的回波信号返回到激光器谐振腔中，进而实现自发放大。如图1所示，在扫频干涉回馈测距系统中，激光器输出频率连续调制的激光，探针光信号经外部物体反射或散射后沿原路返回到激光器谐振腔，与本振光发生干涉。由于返回的探针光（回馈光）信号经历了时间延时，因而与腔内的本振光存在频差。若已知调谐速率，则可根据所得拍频信号的频率推算出飞行时间，进而计算出绝对距离。这一过程与传统的扫频干涉测距系统类似，不同之处在于，回馈光信号回到激光器的谐振腔内，参与到激光的受激辐射过程，实现自发放大。这种放大表现为：回馈光与本振光干涉产生的拍频信号与激光器的弛豫振荡发生谐振作用，使得拍频信号的调制对比度增强，当拍频频率与弛豫振荡频率接近时，其调制对比度增益可达10⁴。借助激光回馈技术的这一特性，系统的回波灵敏度得以显著提升，即使在出射光功率和回波功率都很低的情况下，也可不受探测器噪声的限制，达到散粒噪声极限。灵敏度提升效果在实验中得到了验证：探针光功率为160μW时，系统可响应127dB衰减的回波信号；测量460m外的墙壁时，信噪比仍超过20dB；较传统扫频干涉测距方法，其灵敏度提升可达30dB。

      另一方面，为提升系统测量精度，本文搭建了补偿干涉系统。在扫频干涉测距系统中，需要对单次扫描过程中的干涉信号进行频谱分析，测量结果的准确性依赖于能否准确获取拍频信号频率。然而，扫频过程中的光程漂移将会引起拍频信号频谱展宽，从而导致测距精度下降，在长靶距测量中，这种影响更为明显。针对这一问题，搭建准共路外差干涉系统实时记录光程漂移，用于后续补偿，系统设置如图1（d）所示。需要注意的是，考虑到长距离传输的能量衰减和被测目标反光弱的特性，选取激光移频回馈干涉系统（FS-LFI）进行漂移监测更符合系统要求。图2（a）展示了对160m距离外的铁块进行测量时补偿前后的结果，图2（b）为测得的光程漂移，从图中可以看出，经过补偿后，不仅频谱展宽得到抑制，而且可以反演出测量时间内任意时刻的绝对距离，等效于提升了测量的时间分辨率。图2（c）和（d）为精密度和线性度的测试结果，10次测量下的标准差优于70μm，可清晰分辨目标0.5mm的步进运动，线性度优于8.3×10^-4。

观点评述

      本文提出的测距方法，将激光回馈技术与扫频干涉原理进行结合，借助激光回馈技术自发增益的优势，提升了系统对弱回波信号的灵敏度，实现了以亚毫瓦级功率探针光对百米级靶距非合作目标的距离测量。即使在探测器噪声水平很高的条件下，也可达到散粒噪声极限。另一方面，提出了一种光程漂移补偿方法抑制拍频信号展宽，以保证系统在时间和空间上的测量精度。相比于传统扫频干涉测距方法，本文所提出的方法具有高精度、高回波灵敏度、低探针光功率和大测量范围等优点，在大型设备装配、3D轮廓扫描和远距离探测等领域具有广泛应用前景。

主要作者

      王一帆，清华大学精密仪器系博士研究生，研究方向为外差调制激光回馈干涉测量技术。

      王璞，北京工业大学教授、博士生导师，国家级人才计划入选者。主要从事高功率超快激光技术，中红外光纤激光技术以及特种光纤技术等方面的研究，发表研究论文100余篇，受邀国际、国内学术会议报告40余次，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器及国基金重点项目等科研任务多项。任国际Photonics West会议光纤激光委员会委员，中国光学学会理事、中国光学工程学会理事等。已培养博士研究生近二十人，硕士研究生40余人，其中三人次获中国光学学会优秀博士学位论文（含提名），研究成果获“中国光学重要成果”、“中国光学十大进展”等奖项。

      谈宜东，清华大学精密仪器系副教授，博士生导师，国家基金委优秀青年科学基金获得者，英国皇家学会牛顿高级学者，教育部联合基金创新团队负责人。担任多个专委会委员和常务理事，多个期刊的编委和青年编委。在Nature Communications, PhotoniX, Optica, Bioelectronics and Biosensors, IEEE Transactions on Industrial Electronics等期刊发表 SCI 论文 100余篇，其中第一/通讯作者发表 SCI 论文50余篇, 被引1200余次, H因子19(Google Scholar),授权发明专利32项。获2022年日内瓦国际发明展金奖，国内省部级科技奖励6项，其中一等奖2项。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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