近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授与闫明研究员团队在激光测距与精密光学计量领域取得重要进展。研究团队基于平衡非线性互相关原理，提出并实现了一种兼具长测量范围、纳米级精度和超高刷新速率的时间飞行测距新方案。相关成果发表于Laser & Photonics Reviews，并被选为封面论文。
精密激光测距在大型科学设施结构监测、工业制造过程控制以及卫星编队飞行等领域具有重要应用。上述应用场景对测距系统的精度、量程、更新速率方面提出了苛刻要求。传统基于飞行时间（ToF）或光学干涉的激光雷达技术，难以同时实现纳米级测距精度和MHz级刷新速率，且存在模糊距离的问题。双光梳测距技术虽然在精度和刷新率等方面表现突出，但仍面临多个技术缺陷：1、需要两套严格锁定的光梳，导致系统复杂，实用性受限；2、其本质是相干探测，难以适用于非合作目标；3、需要记录完整的干涉条纹，以确定目标位置，难以实现单数据点测距和多目标同时监测等任务。
针对上述瓶颈，本工作利用频率可快速扫描的飞秒电光梳，将目标距离编码到脉冲的往返飞行时间中，通过线性扫描重复频率，同时在平衡互相关信号中寻找“零交叉”点来反演目标距离。这相当于使用一把“时间游标卡尺”对目标距离进行精密读数。该系统的优势在于：1、不存在模糊距离和相干探测等问题；2、可在 500 ns 内完成一次绝对距离测量，刷新率可达 2 MHz；3、在相对位移跟踪模式下，刷新率达光梳重频，即 172 MHz；4、在 0.3 s 积分时间下，测距极限精度优于 5 nm，并支持多目标同时测距。该工作为构建新一代超高速、高精度、长距离激光测距系统提供了新的思路。该技术未来有望在大型工程结构的在线监测、高端制造实时定位、卫星与航天器精密编队控制等前沿应用中发挥作用。
图1: 调频平衡互相关飞秒光梳测距实验原理图。
图2: 实验结果。
论文原文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202501842
