圖1 100 km光纖鏈路的時(shí)延測(cè)量結(jié)果

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部楊飛研究員團(tuán)隊(duì)在基于激光時(shí)頻同步的精密測(cè)量研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果分別以“Highly accurate absolute optical transfer delay measurement over a long distance assisted by the pulse time signal”和“High-performance motion parameter measurement based on optical phase locking and multi-signal combination”為題發(fā)表于Optics Express和Journal of Lightwave Technology。

高精度激光時(shí)頻同步技術(shù)不僅在導(dǎo)航定位、通信網(wǎng)絡(luò)、深空探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，還帶動(dòng)了其他基本物理量定義、物理常數(shù)測(cè)量和物理定律檢驗(yàn)精度的不斷提高，特別是在精密測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。通過實(shí)現(xiàn)皮秒甚至飛秒級(jí)別的時(shí)間同步，激光時(shí)頻同步技術(shù)能夠顯著提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，推動(dòng)精密測(cè)量技術(shù)邁向新高度。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種脈沖時(shí)間信號(hào)輔助的遠(yuǎn)距離高精度時(shí)延測(cè)量方法，首次將時(shí)頻同步中常用的脈沖時(shí)間信號(hào)應(yīng)用到遠(yuǎn)距離時(shí)延測(cè)量中，并配合偽碼信號(hào)和正弦微波信號(hào)共同完成三級(jí)時(shí)延測(cè)量。脈沖時(shí)間信號(hào)得到的時(shí)延測(cè)量值無模糊范圍大，但測(cè)量精度低;偽碼得到的時(shí)延測(cè)量值無模糊范圍適中，測(cè)量精度也適中;正弦微波得到的時(shí)延測(cè)量值測(cè)量精度最高，但無模糊范圍也最小。因此，用較大范圍、較低精度時(shí)延測(cè)量值解除較小范圍、較高精度時(shí)延測(cè)量值的周期模糊，通過兩級(jí)解模糊的方式，在保證亞皮秒測(cè)量精度的同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)上萬公里的測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)室搭建的光纖測(cè)試系統(tǒng)，采用了1 PPS時(shí)間信號(hào)、250 Mbps偽碼信號(hào)和1 GHz的正弦微波信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度優(yōu)于±0.1 ps，采樣率達(dá)到100 ms，可測(cè)量的光纖范圍超過100 km。

在上述研究基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)又提出了一種基于光學(xué)鎖相和多制式信號(hào)融合的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)測(cè)量方法，利用主動(dòng)光學(xué)鎖相系統(tǒng)中的光相位補(bǔ)償量來反演出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)利用激光幅度調(diào)制的1 PPS時(shí)間信號(hào)和偽碼信號(hào)得到目標(biāo)的初始位置信息。在速度測(cè)量中，主動(dòng)光學(xué)鎖相技術(shù)將高精度測(cè)速對(duì)探測(cè)帶寬的要求轉(zhuǎn)移到相位跟蹤帶寬上，解決了測(cè)量精度與探測(cè)器帶寬之間的矛盾。在實(shí)驗(yàn)室通過101 km光纖和7 m自由空間組成的光纖-空間混合鏈路與一維移動(dòng)平臺(tái)上搭載的角反射鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，目標(biāo)線速度測(cè)量在4 s的積分時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4.6 μm /s的測(cè)量誤差，可以持續(xù)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)范圍，距離測(cè)量誤差為26 μm。相關(guān)研究表明高精度時(shí)頻同步中的相關(guān)技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域，特別是遠(yuǎn)距離高精度測(cè)量場(chǎng)景中具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖2 目標(biāo)速度測(cè)量結(jié)果與測(cè)量誤差

相關(guān)工作得到了得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略優(yōu)先研究計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

審核編輯 黃宇