使用頻率梳分辨率進行長距離測量

介紹

精密測距在工業計量、測量、自主導航、機器人和遙感等眾多領域發揮著至關重要的作用。它能夠精確定位和映射物體，檢測距離的微小變化，并高精度地監控動態環境。

精密測距采用各種方法，包括基于激光的技術，例如飛行時間 （ToF） 測量、干涉測量和調頻連續波 （FMCW） 雷達（光檢測和測距）。這些方法利用光波或電磁波的原理，根據傳播時間或相移的測量來確定距離。

雙光梳激光雷達

雙光梳激光雷達是一項前沿的傳感技術，它結合了飛行時間（ToF）和干涉測量的原理，同時還借鑒了調頻連續波（FMCW）激光雷達的相干信號放大技術。這種創新方法融合了這些技術的優勢，能夠實現高精度、快速的絕對距離測量。

傳統的激光雷達系統通常依靠飛行時間法或干涉測量法來進行距離測量。飛行時間法測量激光脈沖往返目標物體所需的時間，而干涉測量法則分析激光束的干涉圖樣。然而，這兩種方法在測量精度、速度或范圍方面都存在局限性。

雙光梳激光雷達通過使用兩個重復頻率略有不同的頻率梳克服了這些局限性。當發射的光與目標物體相互作用時，一部分光會被反射回來。還有一部分光會被參考反射鏡反射。通過使一個頻率梳經目標和參考反射鏡反射后的光與另一個頻率梳的光發生干涉，并測量所產生干涉圖之間的延遲，就可以獲得精確的距離測量結果。

雙光梳激光雷達的關鍵決定因素包括脈沖帶寬、重復頻率和重復頻率差。通過利用游標效應（即在同一測量過程中交換本地振蕩器和采樣振蕩器的角色），雙光梳激光雷達可以實現極長的無模糊測量范圍。這個范圍可以延伸到數百公里，超過了大多數實際應用的需求。同時，該系統能夠保持微米級的精度，這由脈沖持續時間（通常在亞皮秒范圍內）和數據采集速度決定。此外，雙光梳激光雷達可以獲取干涉信號，從而實現亞波長級的測量精度。這些綜合特性使雙光梳激光雷達成為一項強大的技術。

雙光梳激光雷達中距離測量信號的示意圖。距離測量每隔 1/Δf??? 重復一次。目標脈沖和參考脈沖之間的時間間隔編碼了距離信息。距離可以僅根據飛行時間來確定，也可以使用光學相位來優化距離測量。

基于單腔雙光梳激光器的雙光梳激光雷達

在雙光梳激光雷達系統中使用單腔雙光梳激光器對于推動該技術的實際應用至關重要。通過采用單腔設計，系統變得更加緊湊，這對于集成到各種平臺和設備中非常理想。使用單一激光源消除了復雜的同步需求，簡化了整個系統架構。

此外，單腔雙光梳激光器方法在生產方面具有可擴展性。由于設計簡化，制造過程更加高效，能夠實現雙光梳激光雷達系統的高效且經濟的生產。這種可擴展性對于該技術的廣泛應用和商業化尤為重要。

K2 Photonics 精密測距的優勢

• 掃描速度快

單腔雙光梳激光器能夠以較快的更新速率進行高分辨率測量，速度高達 100 kHz，在特殊情況下甚至接近 1 MHz。

• 精度高

雙光梳激光雷達 通過利用時間拉伸因子進行光學采樣，提供優異的測量精度，確保飛秒級精度記錄返回脈沖。此外，光學相位信息的利用進一步提高了測量的精度，實現了精確和詳細的測距功能。

• 體積小
利用緊湊型單腔雙光梳激光器，尤其是那些以 GHz 重復頻率或更高頻率運行的激光器，可以開發緊湊的 雷達 系統。

• 敏感性高

雙光梳激光雷達 中本振的相干放大可以獲得對返回反射的高靈敏度檢測。此外，鎖模固態激光器在高頻下產生具有超低噪聲（RIN 和定時）的激光，從而實現高靈敏度、散粒噪聲受限的測量。