激光扫频干涉绝对测距中的相位噪声补偿方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30561

深空光电测量与智能感知技术专栏

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激光扫频干涉绝对测距中的相位噪声补偿方法

邓忠文¹^,², 郭绍刚³, 陈文军¹, 张恒康³(), 孙海峰¹, 沈利荣¹, 李小平¹

^1.西安电子科技大学空间科学与技术学院，西安 710071
^2.西安电子科技大学前沿交叉研究院，西安 710071
^3.北京控制工程研究所空间光电测量与感知实验室，北京 100190

收稿日期:2024-04-22 修回日期:2024-05-06 接受日期:2024-06-01 出版日期:2024-06-25 发布日期:2024-06-21
通讯作者: 张恒康 E-mail:zhk9321@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52205576);光电测量与智能感知中关村开放实验室开放基金(LabSOMP-2023-04);陕西省自然科学基础研究计划(2021JQ-187)

Laser phase noise compensation method in frequency scanning interferometry for absolute distance measurement

Zhongwen DENG¹^,², Shaogang GUO³, Wenjun CHEN¹, Hengkang ZHANG³(), Haifeng SUN¹, Lirong SHEN¹, Xiaoping LI¹

^1.School of Space Science and Technology，Xidian University，Xi’an 710071，China
^2.Academy of Advanced Interdisciplinary Research，Xidian University，Xi’an 710071，China
^3.Space Optoelectronic Measurement and Perception Lab，Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China

Received:2024-04-22 Revised:2024-05-06 Accepted:2024-06-01 Online:2024-06-25 Published:2024-06-21
Contact: Hengkang ZHANG E-mail:zhk9321@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52205576);Optoelectronic Measurement and Intelligent Perception Zhongguancun Open Lab(LabSOMP-2023-04);Natural Science Basic Research Program of Shaanxi(2021JQ-187)

摘要/Abstract

摘要：

激光扫频干涉（FSI）绝对测距技术在各类空间科学任务和航天工程中有着极大的应用潜力，然而调频光源的激光相位噪声会显著降低测量系统长距离下的测距分辨率。针对此问题，构建了具有光纤参考干涉仪的FSI绝对测距系统，并在此基础上提出了一种基于干涉信号噪声相位误差项级次分解的激光相位噪声补偿方法，并通过仿真和实验对所提出的激光相位噪声补偿方法进行了验证。仿真验证表明，在100 m、200 m、500 m距离下，利用所提出的激光相位噪声补偿方法，测量干涉信号的信噪比由-23.06 dB、-32.95 dB、-40.21 dB提升至33.97 dB、33.98 dB、33.97 dB，测距分辨率显著提升。测距实验结果表明，在114.887 m的被测光纤长度下，利用所提出的激光相位噪声补偿方法，测量干涉信号的信噪比由-19.08 dB提升至-2.22 dB，测距分辨率显著提升。

关键词: 光频扫描干涉, 绝对测距, 相位提取, 可调谐激光器, 激光相位噪声补偿

Abstract:

The technique of absolute distance measurement with laser Frequency Scanning Interferometry （FSI） holds immense potential for various space science missions and aerospace engineering applications. However， the laser phase noise from the tunable light source significantly degrades the distance measurement resolution over long distances. To address this issue， this paper establishes an FSI absolute distance measurement system with a fiber optic reference interferometer. On this basis， a laser phase noise compensation method is proposed based on the hierarchical decomposition of interferometric signal noise phase error terms. The effectiveness of the proposed laser phase noise compensation method is validated through simulation and experiment. Simulation results demonstrate that at distances of 100 m， 200 m， and 500 m， employing the proposed method enhances the signal-to-noise ratio of the interferometric signal from -23.06 dB， -32.95 dB， -40.21 dB to 33.97 dB， 33.98 dB， and 33.97 dB， respectively， significantly improving distance resolution. Experimental distance measurement results indicate that with a measured fiber length of 114.887 m， utilizing the proposed method elevates the signal-to-noise ratio of the interferometric signal from -19.08 dB to -2.22 dB， resulting in a notable enhancement in distance resolution.

Key words: frequency-scanning interferometry, absolute distance measurement, phase extraction, tunable laser, laser phase noise compensation

中图分类号:

邓忠文, 郭绍刚, 陈文军, 张恒康, 孙海峰, 沈利荣, 李小平. 激光扫频干涉绝对测距中的相位噪声补偿方法[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 630561.

Zhongwen DENG, Shaogang GUO, Wenjun CHEN, Hengkang ZHANG, Haifeng SUN, Lirong SHEN, Xiaoping LI. Laser phase noise compensation method in frequency scanning interferometry for absolute distance measurement[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(3): 630561.

图/表 7

图 1

图 2

图 3

表1

仿真参数设置

参数	名称	数值
$U 0$ /V	拍频信号幅值	1
$β$ /（Hz·s^-1）	调频速率	3.055 9×10¹²
$Δ υ$ /GHz	调频范围	60
$c$ /（m·s^-1）	光速	299 792 458
$n$	空气折射率	1.000 29
$L r$ /m	参考干涉仪绝对距离	2
$L$ /m	测量干涉仪绝对距离	100，200，500
$F s$ /（MHz·s^-1）	采样率	100
$S N R r$	参考干涉信号信噪比	22.20@2 m
$S N R$ /dB	测量干涉信号信噪比	-23.06@100 m -32.95@200 m -40.21@500 m

表1

图 4

表2

图 5

参考文献 22

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

标准距离/m	FSI测量距离/m		信噪比/dB
标准距离/m	补偿前	补偿后	补偿前	补偿后
100	100.007 4	100.002 5	-23.06	33.97
200	200.012 3	200.002 5	-32.95	33.98
500		500.002 5	-40.21	33.97

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Laser phase noise compensation method in frequency scanning interferometry for absolute distance measurement

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