双光梳异步光学采样绝对距离测量

双光梳异步光学采样绝对距离测量系统包含两个具有微小重复频率差异的光频梳，其中一个作为探测光梳，另外一个作为本振光梳。如图1所示，本振光梳对探测光梳的参考脉冲和测量脉冲进行时域上的异步光学采样。该方法等效于飞行时间方法，原理如图2所示。通过降采样方式得到干涉信号，并利用探测相干图样的时域和频域之间的对应关系解算待测飞行时间，获取待测距离。该方法具有较高的测量分辨力、更快的测量速度和较大的非模糊范围，得到了广泛关注[35-36]。
2009年，美国国家标准与技术研究院（NIST）的I. Coddington提出了使用两台具有微小重频差的光学频率差进行异步光学采样的绝对距离测量方案。当采用脉冲的飞行时间法时，该方法能够在平均时间为200 μs，测距模糊范围为1.5 m时，测量重复性为3 μm；进一步采用脉冲干涉的光学载波相位进行绝对测距，当平均时间为60 ms时，测量重复性优于5 nm[37]。

2011年， NIST的T. Liu等又提出了基于两台自由运转的飞秒光纤激光器进行双光梳异步光学采样绝对测距，无需对本振光梳和探测光梳的重复频率和载波偏移频率进行精密锁定，降低了系统的复杂性。当待测距离为1 m，平均时间为0.8 ms时，测距精度可达1 μm；平均时间为20 ms时，测距精度优于200 nm[38]。

2013年，韩国科学技术院（KAIST）的J. Lee等提出了基于平衡互相关技术的非线性探测方法实现双光梳绝对测距，为了消除测量盲区影响，提出了将探测脉冲中的参考脉冲和测量脉冲进行偏振正交探测，并提出了一种微动探测光梳重复频率来拓展测距量程的方法。在待测距离为69.3 m时，当数据更新率为200 μs，平均时间为1 ms时，测量精度约为170 μm[39]。

同年，国防科技大学的王国超等提出了一种大尺寸多外差双光梳绝对测距方法，通过两个重复频率具有差异的光学频率梳进行多外差干涉，理论上结合单谱线解调技术能够实现大尺寸高精度绝对距离测量，并通过数值仿真进行了验证[40]。

2014年，清华大学的吴冠豪等提出了一种双光梳线性异步光学采样测距的精度优化方法并进行了实验验证，证实在满足奈奎斯特采样定律前提下，选择合理的光源参数区间能够优化相干图样质量，提高测量精度[41]；后续通过数值仿真方法进一步阐明选择合适的重复频率和重频差有利于提升线性异步光学采样的绝对测距精度[42]。

同年，清华大学的张弘元等提出了基于非线性倍频晶体二阶强度互相关的非线性探测方法实现双光梳绝对测距，平均时间为0.5 ms时，测量重复性为1.48 μm；平均时间为0.5 s时，测量重复性为82.9 nm。后续提出了通过将探测光束和本振光束合束进行探测消除测量盲区，该方法避免了调整重复频率过程中距离漂移对测距精度的影响[43]。

2015年，天津大学的师浩森等基于双光梳测距理论模型分析了激光器内量子噪声、重频稳定性、数据采集和处理等因素对测距系统的测距精度的影响，并使用两台自由运转的光纤飞秒激光器搭建了双光梳绝对测距系统进行了实验验证[44]。后续其搭建了基于双光梳的大尺寸绝对测距装置，并在超过65 m的范围内进行了比对测试，平均时间为0.5 s时，标准差小于6 μm[45]。

2016年，中国科学院的周维虎团队与清华大学的吴冠豪等合作开展了基于双光梳绝对测距的飞秒激光跟踪仪研究，通过集成粗测绝对测距与高精度双光梳测距构成跟踪仪的绝对测距部分[46]，并在跟踪仪精密跟踪和伺服系统设计[47]、轴系配合与误差校准[48]等方面进行了深入研究。

2017年，中国计量科学研究院的林百科和北京航空航天大学的郑铮等合作提出了一种利用单腔双梳光源系统并进行了大尺寸绝对测距尝试，在70 m范围内以10 m为步进间隔与激光干涉仪进行比对，估算的测距不确定度为6 μm+1×10?7L(k = 2)[49-50]。后续其设计了一种赫兹量级相对线宽相位稳定的双光梳测距系统，并在实验室环境内进行测试，通过从飞行时间过渡到干涉相位解算实现了纳米量级的测距分辨力[51]。

2018年，清华大学的朱泽斌等提出了一种基于稳定相位双光梳合成波长绝对测距系统，利用合成波长的逐级解模糊能够兼顾较大的测量非模糊范围和较高的测量精度，其平均前的测量精度1.2 μm，当平均时间为10 ms，重复性为3 nm，并且在1.5 m的距离处1.5 mm的范围内对该系统的测距性能进行了测试[52]。2019年，在该方法的基础上，进行了绝对测距中双色空气折射率自补偿的尝试，在2.7 m的模糊范围内实现了46 nm的测距精度[53]。

2020年，清华大学的周思宇等提出了一种双光梳多脉冲平均的异步光学采样绝对测距方法，其采用了光纤分束实现了四束探测脉冲和两束本振光束分别进行异步光学采样干涉绝对测距。当采用飞行时间法时，其在平均前的重复测量精度从3.85 μm提升到1.39 μm；当采用载波干涉法时，其重复性从25 nm提升到了11 nm[54]。

2021年，奥地利维也纳大学的J. Fellinger等提出了一种基于强度调制消除测距盲区的方法，其光源采用了单腔多波长光梳的产生模式，通过在探测脉冲和参考脉冲上进行强度标记的方式进行粗测，理论上能够实现150 km的量程拓展，最后在光学平台上的有限距离中进行了折叠光路验证，15次测量重复性优于100 μm[55]。

2022年，清华大学的蒋瑞林等提出了一对自由运转的双光梳进行绝对测距的方法，并在该方法中采用双通道光学滤波的结构避免了因奈奎斯特采样定理限制所产生的频率混叠；在自由运转情况下，实现了双光梳测距系统60 min的稳定运行，其在平均前的重复性为6 μm，并与激光干涉仪进行比对，取得了较好的一致性[56]。

此外东莞理工学院的孙敬华等[57]和北京长城计量测试技术研究所的武腾飞等[58]也开展了双光梳绝对测距的相关研究工作。