上海光機(jī)所在基于激光時頻同步的精密測量方面取得進(jìn)展

近期，中科院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部研究團(tuán)隊(duì)在基于激光時頻同步的精密測量研究方面取得進(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。

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

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

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圖1.100 km光纖鏈路的時延測量結(jié)果

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)鎖相和多制式信號融合的運(yùn)動目標(biāo)參數(shù)測量方法，利用主動光學(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)動速度，同時利用激光幅度調(diào)制的1 PPS時間信號和偽碼信號得到目標(biāo)的初始位置信息。在速度測量中，主動光學(xué)鎖相技術(shù)將高精度測速對探測帶寬的要求轉(zhuǎn)移到相位跟蹤帶寬上，解決了測量精度與探測器帶寬之間的矛盾。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平臺上搭載的角反射鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，目標(biāo)線速度測量在4 s的積分時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4.6 µm /s的測量誤差，可以持續(xù)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動范圍，距離測量誤差為26 µm。相關(guān)研究表明高精度時頻同步中的相關(guān)技術(shù)在精密測量領(lǐng)域，特別是遠(yuǎn)距離高精度測量場景中具有巨大的應(yīng)用潛力。

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圖2.目標(biāo)速度測量結(jié)果與測量誤差

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

相關(guān)鏈接：1.https://doi.org/10.1364/OE.540255；2.https://ieeexplore.ieee.org/document/10772406