《Optics & Laser Technology》：Absolute distance measurement based on narrow-linewidth optical carrier microwave scanning interferometry
编辑推荐：
基于窄线宽DFB激光器的OCMSI数学模型及紧凑高精度系统研究，解决了传统方法忽略光学干涉效应的问题，提出微波与光学干涉信号叠加增强的量化方法，实验验证在6米测距范围内误差±0.069毫米，100毫米位移重复性±0.013毫米。
郑文博|张振|曹玉蕾|任宇琪|康杰虎|郝宇|张建伟|吴斌
国家精密测试技术与仪器重点实验室，中国天津市南开区纬津路92号，300100
摘要
光载微波扫描干涉测量技术（OCMSI）在实现高精度和稳健的绝对距离测量方面展现出巨大潜力。然而，以往的OCMSI研究通常将激光视为非相干宽带光源，忽略了光学干涉效应和载波相干性的作用。缺乏能够捕捉这种效应的综合性数学模型，阻碍了测量精度和系统稳定性的进一步提升。为了解决这些限制，本研究开发了一个基于窄线宽光载波的OCMSI数学模型，使得光学干涉效应能够在绝对距离测量中得到定量表征。基于该模型，我们设计了一个采用分布式反馈（DFB）激光器作为窄线宽光载波的紧凑型高精度OCMSI测距系统。由于DFB激光器的高性能直接调制能力，所提出的系统实现了更紧凑的配置，并具有很强的系统集成潜力。此外，还开发了一种自适应阈值和局部二次拟合（AT-LQF）算法，有效抑制噪声并准确提取包络周期，以实现精确的距离估计。实验结果显示，在6米测量范围内，最大测量残差（MMR）为±0.069毫米；在100毫米位移范围内，测量残差为±0.051毫米，重复性为±0.013毫米，测距距离约为11.33米。
引言
作为几何计量学的基石，距离测量在科学研究、工业制造和航空航天应用等多个领域都至关重要[1]、[2]、[3]。近年来，基于激光的光学测距技术已成为精密测量的主流解决方案，这得益于它们的非接触式特性、高精度、强抗电磁干扰能力和快速响应[4]、[5]、[6]、[7]。当前的基于激光的距离测量技术在精度、系统复杂性和应用范围之间存在根本性的权衡。光频梳（OFC）为精密计量提供了可追溯的参考标准。基于OFC的绝对测距可以实现极高的精度，但这些系统通常较为复杂且对环境敏感，通常局限于受控的实验室环境[8]。频率调制连续波（FMCW）激光雷达也具备强大的绝对测距能力，但对其激光器性能有严格要求，以抑制非线性扫描误差和相位噪声[9]、[10]。相比之下，飞行时间（ToF）技术相对简单且易于集成，但其精度通常较低[11]、[12]。激光干涉测量可以提供出色的亚微米级分辨率，但它本质上适用于相对（增量）位移测量，而非绝对距离测量[3]。与此同时，微波雷达因其低成本和长测距能力而具有吸引力；然而，其较长的波长限制了空间分辨率和精度，使其不适合高精度计量[13]。
在这种背景下，近年来集成光学和射频（RF）领域优势的微波光子测量技术引起了越来越多的关注。这些系统具有宽频率覆盖范围、超宽瞬时带宽、低频率依赖性损耗以及强抗电磁干扰能力[14]、[15]、[16]。在微波光子技术中，光载微波扫描干涉测量技术（OCMSI）因其简单的架构和易于集成而备受关注。这种新兴方法将微波扫描信号调制到光载波上，结合了光的强空间指向性和微波干涉测量的高精度测距能力，实现了高精度的点对点绝对距离测量。利用光链路对电磁干扰的免疫性以及微波领域中的灵活信号处理，实现了性能的提升。因此，OCMSI具有高测量精度、宽微波工作带宽和强抗电磁干扰能力，并迅速发展成为了一个活跃的研究领域。迄今为止，它在分布式光纤传感、应变测量和空间距离估计等应用中展示了高灵敏度、高精度和动态跟踪能力[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。
尽管OCMSI已经展示了良好的测距性能，但仍存在一些挑战。特别是，现有的理论模型缺乏专门用于量化光域干涉贡献的框架。在传统实现中，这一成分通常通过使用宽带激光器来抑制，距离仅从微波干涉信号中提取[22]、[23]。然而，光学干涉项本质上包含距离信息，明确利用它可以提高测量的稳健性和完整性。此外，大多数报道的OCMSI系统依赖于外部调制的电光调制器（EOM）架构[24]、[25]、[26]，这些架构往往导致较高的插入损耗、庞大的复杂配置和有限的集成性，从而限制了便携性和实际工程应用。相比之下，直接调制分布式反馈（DFB）激光器提供了一个有吸引力的替代方案[27]、[28]，它提供了高效调制和宽带宽。这种方法实现了低损耗的微波调制，简化了系统架构，并支持紧凑型、高度集成的OCMSI测距系统的开发。
为了解决这些限制，本研究首次建立了基于窄线宽激光载波的OCMSI理论模型，该模型明确考虑了光域干涉的影响。分析表明，在固定测量距离下，随着微波扫描频率的变化，微波域和光域中的干涉信号在其包络幅度上表现出同步的周期性变化；这种周期性通常由自由光谱范围（FSR）来表征。将两个包络信号叠加可以增强周期性特征，从而提高FSR提取的可靠性并增强距离检索的稳健性。此外，所提出的模型证实了使用直接调制的窄线宽DFB激光器实现OCMSI的可行性。利用DFB激光器的优秀直接调制能力和宽调制带宽，大大简化了OCMSI信号生成模块，并促进了更高的系统集成。重要的是，由于测距精度主要取决于频率轴上幅度变化周期的确定精度，而不是光载波的严格单色性，因此对超高性能激光源的依赖显著降低。
基于窄线宽激光器的OCMSI原理
OCMSI测距系统使用光波作为载波，通过自由空间传输微波频率扫描信号，并利用干涉包络信号的幅度随微波扫描频率周期性变化的事实来获取距离。通过测量频率轴上的包络周期，可以确定距离。与传统OCMSI系统不同，所提出的方案不仅在微波域提取干涉包络
实验与结果
为了验证所提出的测距方法，我们构建了图5所示的实验系统。使用矢量网络分析仪（VNA，Keysight P9377B）的端口1提供阶梯频率扫描的微波激励，直接调制分布式反馈激光器（DML，Conquer KG-DML-15；中心波长：1550纳米）。DML模块包括驱动电路、温度补偿和功率稳定电路，以确保光输出的稳定性。调制后的光信号
讨论
由于使用了窄线宽激光器作为光载波，因此保留了光域干涉项。在幅度域中，光域和微波域的干涉包络表现出相同的周期性，因此它们的叠加产生的幅度响应与传统的OCMSI系统相似，如图10(a)所示。然而，在相位域中，窄线宽载波的高相干性导致了不可避免的周期性相位
结论
本研究开发了一种采用窄线宽激光器作为光载波的OCMSI理论模型，从而加深了对OCMSI系统中光学干涉机制的理解。在此基础上，提出并实验验证了一种基于直接调制窄线宽DFB激光器的OCMSI测距系统。得益于DFB激光器的高效率直接调制能力，该系统具有更紧凑的架构和强大的潜力
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金（52375545和62371339）和山东省重点研发计划（2023CXGC010209）的支持。
CRediT作者贡献声明
郑文博：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、数据管理、概念化。
张振：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。
曹玉蕾：撰写——审稿与编辑、方法论。
任宇琪：撰写——审稿与编辑、可视化。
康杰虎：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、形式分析。
郝宇：撰写——审稿与编辑、方法论。
张建伟：撰写——审稿与编辑、方法论。
吴斌：利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
