大尺寸激光绝对测距研究现状

近20多年，以工业制造为典型代表的计量场景对大尺寸激光测距方法除了有高精度要求外，还要求测距方法运用灵活，该类测量场景一般没有配备机械位移单元来保证测量目标的连续移动，为此相应地产生了一系列以绝对测距为核心手段的大尺寸测量仪器，如电子测距仪、全站仪、激光扫描仪和激光跟踪仪等 [8-9]。该类测量仪器有些是以单一的测量原理完成绝对测距，有些则组合了多种绝对测距原理协同完成不同测量场景的测距过程。如表1所示，其中典型的绝对距离测量方法包括脉冲飞行时间方法、调制波相位法、多波长方法和调频连续波法等[10-11]。但是现有的绝对距离测量方法无一例外地在测量系统复杂度、测距量程和测距精度上存在着制约关系。
表  1  大尺寸绝对长度测量方法的优劣势对比
Table  1.  Comparison of advantages and disadvantages of large-scale absolute length measurement methods
绝对测距方法 优势 局限
脉冲飞行时间法 可无合作目标测
量，应用广泛。 受限脉冲计时精度，时
间抖动影响明显。
调制波相位法 结构紧凑，灵
活性较好。 受到探测单元的电学带
宽和测相精度限制。
多波长法 量程大，精度高。 构建逐级合成波长链
导致测距系统复杂。
调频连续波法 动态范围大，可无
合作目标测量。 光频率扫描非线性将
影响测长精度。

脉冲飞行时间方法是最为传统的绝对测距方法，广泛应用于工业测量和大地测量等领域[12]，该方法具有激光脉宽短、脉冲能量集中和瞬时功率大等特点。脉冲激光绝对测距方法在配合合作目标时能够测得公里级别的超远距离，在精度需求不高的场合，同样可以采用非合作目标产生脉冲激光的漫反射进行绝对测距。但是该方法的测量精度受到脉冲计时方法中时刻鉴别单元和时间间隔测量单元的测量精度限制[13]，相对测量精度限制在10?6量级，很难进一步突破。

调制波相位法按照调制波产生的方式不同可以分为强度调制、光频调制、激光调制和激光拍频等方法[14-15]。其中广泛地采用声光调制器（AOM）和电光调制器（EOM）来实现光频和强度调制。通常AOM产生的调制频率较低，一般用来构建粗测合成波长；而EOM则在高压高频驱动的配合下，能够实现GHz量级的精测合成波长，配合相应的高精度相位测量方法，能够实现相对精度为10?7量级的绝对距离测量。但是该方法在精度要求较高时，需要构建粗测和精测多级合成波长链，导致系统复杂、技术难度高且测量成本高。

直接对激光器进行电流调制也能够实现激光的强度调制，但是随着激光调制频率的逐渐升高，其调制深度逐步降低，信号的扭曲将会对相位测量带来额外的误差，因此精度很难提升；另一种方法是基于正弦相位调制干涉的测距手段，采用对激光器光频的内调制（泵浦电流或光学内腔PZT）[16]或外调制（EOM）[17]等手段，在载波相位解调（PGC）中将高频载波信号的相位转换到载波频率及其谐波分量上，且奇次谐波和偶次谐波在相位上具有正交关系，该现象为正交解调鉴相提供了有利条件，该方法能够实现10?7量级的绝对距离测量；此外当两台激光器的频率均稳定时，通过激光器之间的光学拍频也可实现GHz量级的合成波长，并且频率可以通过调节电流和内腔PZT进行控制。

多波长方法采用多台光学波长相近的激光器构建激光多波长链，测量时不同的激光波长获取对应的解包相位。因此可以通过相位计算的小数部分和光波长的整数倍所构建的整数部分，利用小数重合法来高精度地解算待测的绝对距离。同时多波长的拍频也通常被用来解算待测距离的非模糊范围，但是受限于对多波长激光光源的高频率稳定度和波长跨越的高要求，进展缓慢[18]。

调频连续波法通过频率随时间变化的调制信号对激光光频率进行调制，在以传统的迈克尔逊光路结构中，依赖激光频率扫描与光波在参考光路和测量光路中传输的相位差之间的线性关系。通过光电探测器测量参考光和测量光之间的拍频信号，解算目标的待测距离。实际测量中因激光频率响应波动和调制电路噪声等原因，在光频率调制过程中容易受到非线性的影响，导致拍频信号的频谱展宽影响其测量精度。此外需要明确调制频率的初始和终止频率，该部分测量精度将会直接影响该方法的测距精度[19-22]。