[发明专利]双向飞秒脉冲高精度测距方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于激光测距领域，主要涉及一种超远距离高精度飞秒激光脉冲测距方法及装置。

背景技术

超远距离高精度激光测距是大型科学装置和空间飞行任务所必备的关键技术，随着科学技术的迅猛发展，其测程和精度的需求也在日益提高。例如，近年来引力波探测等大型科学装置的建造也是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；而中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里。此外，在分布式小卫星合成孔径雷达等空间编队飞行任务中，各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务，可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，并突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探测、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。该任务需要对卫星间基线进行高精度测量，其精度要求达到亚毫米甚至更高量级，而测程要求则达到上百公里甚至更高。

然而，在上述超远距离高精度激光测距任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统的回光功率与被测距离呈四次方关系剧烈衰减，系统最终探测到的回光能量仅为出射能量中很小的一部分。例如，空间引力波探测项目LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/10¹⁰，ASTROD中的系统回光能量仅为出射光能量的3/10¹⁴。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而测量精度无法满足需求，甚至根本无法测量。

在远距离激光测距领域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging and time transfer》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。且该方法需要在距离遥远的两个测量端之间实现高精度时钟同步和实时通信。

近年来，随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测距方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。此外，基于飞秒激光的测距方法相比于传统脉冲测距方法的精度更高。

在飞秒激光测距领域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了纳米量级的测距精度(用阿伦方差评价)。但该方法尚不足以满足深空引力波探测任务上亿公里的测程要求。

综上所述，目前在激光测距领域缺少一种超远距离高精度飞秒激光脉冲测距方法及装置。

发明内容