上海光機所在基于激光時頻同步的精密測量方面取得進展

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

研究團隊提出了一種脈沖時間信號輔助的遠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現(xiàn)上萬公里的測量范圍。實驗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，可實現(xiàn)的測量精度優(yōu)于±0.1 ps，采樣率達到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，該研究團隊又提出了一種基于光學(xué)鎖相和多制式信號融合的運動目標(biāo)參數(shù)測量方法，利用主動光學(xué)鎖相系統(tǒng)中的光相位補償量來反演出目標(biāo)的運動速度，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。在實驗室通過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行了實驗演示，目標(biāo)線速度測量在4 s的積分時間內(nèi)實現(xiàn)了4.6 µm /s的測量誤差，可以持續(xù)跟蹤目標(biāo)運動范圍，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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略優(yōu)先研究計劃和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會的支持。

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