飞秒激光频率梳绝对距离测量技术

宋有建，天津大学精密仪器与光电子工程学院，英才副教授，中国光学学会、美国光学学会高级会员，国际激光与电光会议（CLEO）的程序委员会委员。主要从事飞秒激光技术及其在精密测量领域的研究，主持多项国家自然科学基金项目及1项863课题，于2009年获教育部高校科技优秀成果奖技术发明一等奖 （排名第三），发表SCI收录论文百余篇。

本书介绍飞秒激光、光学频率梳精密测距技术的基本原理与前沿进展。全书共11章。主要内容包括：长度测量的基础知识与激光绝对测距技术、飞秒激光脉冲与光学频率梳原理、飞秒激光脉冲飞行时间绝对距离测量、飞秒激光频率梳合成波长绝对测距技术、双光梳绝对距离测量、飞秒激光调频连续波激光雷达、飞秒激光频率梳光谱成像方法、飞秒激光精密位移测量方法、空气测量环境中的折射率修正技术、应用于飞秒激光绝对测距的新的距离解算算法、飞秒激光任意长度绝对距离测量的应用。本书可以作为从事精密测量科学与技术、超短脉冲激光技术基础研究与工业应用的科技人员的参考书；同时可用于促进精密测量、先进激光复合专业人才的培养，适合作为光学、仪器仪表类专业的研究生和高年级本科生的教材。

目 录

第1章 绪论 1
1．1 测距技术及性能评价指标 1
1．2 激光绝对测距技术简介 6
1．2．1 脉冲飞行时间测量 6
1．2．2 激光调制绝对测距 7
1．2．3 多波长干涉测距 9
1．3 飞秒激光频率梳测距的发展现状 13
参考文献 15
第2章 飞秒激光脉冲与光学频率梳原理 20
2．1 飞秒激光的时间-频率性质 20
2．1．1 飞秒激光脉冲的数学描述 20
2．1．2 飞秒脉冲的色散与啁啾 21
2．1．3 飞秒脉冲的光谱相位 23
2．2 飞秒激光脉冲产生技术 25
2．2．1 被动锁模原理 25
2．2．2 光纤飞秒激光技术 27
2．2．3 脉冲序列的定时抖动 34
2．2．4 超连续光谱产生技术 38
2．3 光学频率梳 41
2．3．1 f?2f自参考技术 42
2．3．2 光学频率梳的稳频 44
2．3．3 电光调制频率梳 52
2．3．4 微腔频率梳产生技术 55
参考文献 59
第3章 飞秒激光脉冲飞行时间绝对距离测量 62
3．1 基于一阶互相关的飞秒激光频率梳绝对测距原理 62
3．2 一阶互相关绝对测距实验 65
3．2．1 群速度色散对测距精度的影响及修正方法 65
3．2．2 大量程测距精度提升技术 68
3．2．3 减小测量死区的技术手段 70
3．3 基于一阶互相关的飞行时间三维形貌测量 73
3．4 基于强度互相关的飞秒激光绝对测距 75
3．4．1 非共线式强度互相关提取脉冲飞行时间 76
3．4．2 干涉条纹分辨的强度互相关提取脉冲飞行时间 78
3．5 平衡光学互相关飞行时间绝对测距技术 81
3．5．1 平衡光学互相关原理 81
3．5．2 通信波段的平衡光学互相关飞行时间绝对距离测量 82
3．5．3 1 μm波段的平衡光学互相关飞行时间绝对距离测量 83
参考文献 88
第4章 飞秒激光频率梳合成波长绝对测距技术 91
4．1 基于光频梳模间拍频的合成波长绝对测距 91
4．1．1 测量分辨力 93
4．1．2 空气群折射率的自校准 94
4．1．3 绝对距离测量 95
4．2 参考至光学频率梳的合成波长绝对测距 96
4．2．1 多波长干涉测距 97
4．2．2 扫频干涉测距 101
4．2．3 合成波长测距在大台阶结构的三维面型测量中的应用 104
4．3 基于电光频率梳的外差式多波长干涉绝对测距 106
参考文献 110
第5章 双光梳绝对距离测量 113
5．1 基于线性光学采样的双光梳绝对测距技术 113
5．1．1 基本原理与演示实验 113
5．1．2 避免测量死区的方法 118
5．1．3 微腔光频梳高速、高精度绝对测距 120
5．2 基于非线性异步光学采样的双光梳绝对测距技术 121
5．3 影响双光梳绝对测距精度的关键系统设计参数 124
5．3．1 线性光学采样绝对测距的最佳脉冲重复频率差 124
5．3．2 非线性异步光学采样绝对测距中的脉冲定时抖动的影响 130
5．4 基于单台飞秒激光器的双光梳绝对测距 141
5．4．1 双波长光纤飞秒激光器应用于线性光学采样绝对测距 142
5．4．2 双波长飞秒激光器应用于非线性异步光学采样绝对测距及
测量精度极限 144
5．4．3 双向微腔光频梳线性光学采样绝对测距 147
5．4．4 双重复频率电光调制光频梳的绝对测距 148
5．5 基于双光梳测距的三自由度传感 150
参考文献 153
第6章 飞秒激光调频连续波（FMCW）激光雷达 156
6．1 调频连续波激光雷达概述 156
6．2 飞秒激光频率梳矫正的成像FMCW激光雷达 157
6．3 基于线性啁啾飞秒激光频率梳的FMCW绝对测距 161
6．4 基于微腔孤子光频梳的多路FMCW绝对测距 164
参考文献 166
第7章 飞秒激光频率梳光谱成像方法 168
7．1 光频梳光谱干涉绝对距离测量 168
7．2 基于虚像相位阵列（VIPA）的单梳齿分辨的光谱干涉
绝对测距 172
7．3 啁啾光学频率梳单次曝光光谱干涉成像 176
7．3．1 啁啾光学频率梳的光谱干涉成像原理 176
7．3．2 单点测距的实验装置与距离值定标方法 177
7．3．3 单次曝光的台阶测量实验结果 179
7．4 基于实时光谱技术的高速成像 180
7．4．1 时间拉伸-色散傅里叶变换（TS-DFT）实时光谱技术 180
7．4．2 TS-DFT技术实现高速振动测量 182
7．5 基于双光梳光谱测量的三维成像 185
7．5．1 双光梳光谱技术 185
7．5．2 基于双光梳光谱的线扫描三维成像 187
7．6 全波形主动高光谱激光雷达 191
7．6．1 高光谱激光雷达技术概述 191
7．6．2 基于超连续光谱的全波形主动高光谱雷达技术 192
7．6．3 双光梳高光谱成像技术 195
7．6．4 双光梳高光谱单像素成像技术 197
参考文献 202
第8章 飞秒激光精密位移测量方法 206
8．1 飞秒激光频率梳精密位移测量技术 206
8．1．1 基于光外差变焦干涉仪的精密位移测量 207
8．1．2 基于法布里-珀罗谐振腔的微位移测量技术 208
8．2 基于精密光学-微波相位探测的飞行时间位移测量技术 212
8．2．1 光纤环路光学-微波鉴相器 213
8．2．2 飞行时间微位移测量 218
8．2．3 微结构元器件的三维形貌测量技术 219
8．3 基于微位移测量的光纤应变传感技术 220
8．3．1 飞秒激光频率梳直接测量光学频率的应变传感 221
8．3．2 双光梳精密光谱应用于应变传感 223
8．3．3 基于光学-微波相位探测的高分辨力光纤应变传感 224
参考文献 226
第9章 大气测量环境中的折射率修正技术 229
9．1 空气折射率对测距精度的影响及现有的折射率修正技术 229
9．1．1 大气环境中的激光干涉测距的精度限制 229
9．1．2 基于经验公式的空气折射率修正方法 231
9．1．3 空气折射率的自动修正方法 233
9．2 基于光学频率梳的双色法空气折射率自动修正技术 235
9．2．1 利用双色光学频率梳提升空气折射率自动修正准确度 235
9．2．2 利用参考至光学频率梳的双色激光进行空气折射率的自动修正 240
9．3 利用飞秒激光飞行时间法直接测量空气群折射率 241
参考文献 244
第10章 应用于飞秒激光绝对测距的新的距离解算算法 246
10．1 卡尔曼滤波提升飞秒激光测距精度的方法 246
10．1．1 卡尔曼滤波模型 247
10．1．2 双光梳绝对测距和测速实验 251
10．2 无参数频谱估计技术在飞秒激光绝对测距数据解算中的
应用 259
10．2．1 奇异谱分析模型 259
10．2．2 提升双光梳绝对测距信噪比的实验 261
参考文献 267
第11章 飞秒激光任意长度绝对距离测量的应用 269
11．1 工业与精密制造业的应用 269
11．1．1 微米精度的大尺寸三维表面形貌测量 269
11．1．2 工业现场的大尺寸、多站点、可溯源绝对测距网络 276
11．2 空间探测领域的潜在应用 279
11．2．1 航天搭载的光纤飞秒激光频率梳 279
11．2．2 基于大尺寸、高精度基线长度测量的遥感成像任务的潜在
应用 285
参考文献 297