1、激光以其單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于精密工程與測(cè)量領(lǐng)域。激光測(cè)距技術(shù)是目前動(dòng)態(tài)量程最大、精度最高的長(zhǎng)度和距離測(cè)量手段，在工業(yè)生產(chǎn)、裝備制造、國(guó)防科技和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)大尺寸精密測(cè)量和定位技術(shù)需求的不斷提升，傳統(tǒng)的激光非相干和相干測(cè)距方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足大尺寸高精度距離測(cè)量的需求。飛秒激光光學(xué)頻率梳作為本世紀(jì)初最偉大的物理學(xué)貢獻(xiàn)之一，不僅實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頻率和微波頻率的對(duì)接，而且?guī)?lái)了距離測(cè)量技術(shù)和

2、長(zhǎng)度計(jì)量實(shí)現(xiàn)手段的革新，其通過(guò)在傳統(tǒng)激光脈沖測(cè)距中引入光學(xué)相干技術(shù)，將非相干和相干測(cè)量完美地融合在一起，創(chuàng)新性地解決了大距離和高精度的突出矛盾，為實(shí)現(xiàn)大尺寸高精度激光絕對(duì)測(cè)距提供了諸多新方法和新技術(shù)。
　　論文以實(shí)現(xiàn)大尺寸高精度實(shí)時(shí)絕對(duì)距離測(cè)量為任務(wù)，開(kāi)展利用飛秒光梳時(shí)頻特性來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)距的理論和方法研究，特別是圍繞基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距方法進(jìn)行了系統(tǒng)的深入研究。論文的主要工作總結(jié)如下：
　　1、提出了

3、一種雙飛秒光梳多外差絕對(duì)測(cè)距方法。結(jié)合雙光梳互相關(guān)多外差測(cè)量和梳間拍頻測(cè)量，構(gòu)建微波合成波長(zhǎng)鏈，不需要掃描重復(fù)頻率便可在km量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)理論精度為亞微米量級(jí)的絕對(duì)測(cè)距；建立了該方法的測(cè)距理論模型，并仿真驗(yàn)證了該方法用于開(kāi)展大尺寸高精度絕對(duì)測(cè)距的可行性；利用飛秒脈沖的強(qiáng)度互相關(guān)特性建立了掃描重復(fù)頻率的互相關(guān)空間絕對(duì)測(cè)距模型，對(duì)現(xiàn)有的光梳時(shí)域互相關(guān)測(cè)距方法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)建模與仿真分析證明了其可行性。
　　2、提出了基于飛秒光梳同步鎖

4、頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距方法。針對(duì)傳統(tǒng)多波長(zhǎng)干涉光源難以制備以及使用波長(zhǎng)掃描干涉難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)量需求等大尺寸絕對(duì)測(cè)距問(wèn)題，從飛秒光梳的精密頻率尺特性出發(fā)，本文提出了基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距方法。該方法以飛秒光梳作為激光頻率參考源，利用光學(xué)鎖相技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生多路波長(zhǎng)相異、頻率穩(wěn)定度高的單波長(zhǎng)激光來(lái)進(jìn)行干涉測(cè)量，并通過(guò)多波長(zhǎng)干涉相位的同步探測(cè)和小數(shù)重合算法拓展實(shí)時(shí)測(cè)距的非模糊度量程，測(cè)量結(jié)果不僅能保留單波長(zhǎng)激光干涉測(cè)量的

5、分辨力和精度，而且可溯源至微波頻率基準(zhǔn)，對(duì)復(fù)現(xiàn)“米”的定義和長(zhǎng)度計(jì)量具有重要意義。
　　3、提出了二次等效合成波長(zhǎng)拓展測(cè)距非模糊度的方法。針對(duì)多波長(zhǎng)干涉中僅靠一次等效合成波長(zhǎng)難以滿(mǎn)足大尺寸絕對(duì)測(cè)距中波長(zhǎng)解調(diào)的問(wèn)題，本文提出了二次等效合成波長(zhǎng)的方法，通過(guò)兩個(gè)一次等效合成波長(zhǎng)的再次合成克服了波長(zhǎng)間隔的限制；在此基礎(chǔ)上，還深入研究了多波長(zhǎng)干涉測(cè)距解調(diào)算法、波長(zhǎng)選擇和非模糊度量程等問(wèn)題，并仿真驗(yàn)證了基于飛秒光梳同步鎖頻的四波長(zhǎng)干涉非模糊度

6、量程一般能達(dá)到36mm，五波長(zhǎng)干涉能達(dá)到米量級(jí)。
　　4、圍繞產(chǎn)生高頻率穩(wěn)定度的多波長(zhǎng)激光光源，在光纖飛秒脈沖激光光源基礎(chǔ)上，利用光學(xué)倍頻、f-2f自參考干涉和鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率和載波包絡(luò)頻移的鎖定，使用Allan方差表征的相對(duì)頻率穩(wěn)定度分別達(dá)到1.1×10-12和5.1×10-15，實(shí)現(xiàn)了飛秒光梳的制備；在所搭建的飛秒光梳頻率參考源基礎(chǔ)上，利用光學(xué)鎖相技術(shù)將多個(gè)可調(diào)諧單波長(zhǎng)激光同時(shí)鎖頻到不同的光梳梳模上，得到了相對(duì)鎖頻穩(wěn)定度

7、為1.9×10-15的連續(xù)波輸出，實(shí)現(xiàn)了高頻率穩(wěn)定度的多波長(zhǎng)光學(xué)頻率發(fā)生器裝置；針對(duì)所提多波長(zhǎng)干涉法實(shí)現(xiàn)多路同步干涉測(cè)量的需求，研制了多波長(zhǎng)外差干涉儀光路和多路同步相位解調(diào)模塊，實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)的無(wú)混疊干涉、波長(zhǎng)解調(diào)和小數(shù)相位精度優(yōu)于0.001(相對(duì)弧度制相位2π）的同步相位測(cè)量；研制了實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距算法及軟件，提高了小數(shù)重合法計(jì)算整數(shù)相位的效率，實(shí)現(xiàn)了更新速率為10ms的連續(xù)測(cè)量，較好地滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距的需求。
　　5、搭建

8、了基于飛秒光梳同步鎖頻的多波長(zhǎng)干涉絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用頻率掃描法實(shí)現(xiàn)了mm精度的初始絕對(duì)距離值的粗測(cè)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了非模糊度量程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和線性位移對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)與雙頻激光干涉儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，證明了四波長(zhǎng)干涉非模糊度量程達(dá)到44.6mm，且1m線性位移內(nèi)測(cè)量殘余誤差的P.V值為61.9nm，相對(duì)測(cè)距精度達(dá)到了10-8量級(jí)，證明了所搭建的多波長(zhǎng)干涉絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)開(kāi)展大尺寸納米精度距離測(cè)量的可行性。
　　6、提出了結(jié)合微波

9、合成波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)干涉進(jìn)一步拓展非模糊度量程的方法。針對(duì)五波長(zhǎng)干涉中使用二次等效合成波長(zhǎng)拓展非模糊度量程的有限性，提出在四波長(zhǎng)干涉基礎(chǔ)上融合微波合成波長(zhǎng)測(cè)距的思想，大大提高了合成波長(zhǎng)鏈拓展測(cè)距量程的效率。在所提方法基礎(chǔ)上，開(kāi)展了3m大量程的線性位移對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)，與參考位移值的擬合殘差的P.V值為35.3nm；同時(shí)，開(kāi)展了抗光路中斷實(shí)時(shí)絕對(duì)測(cè)距實(shí)驗(yàn)、短時(shí)測(cè)量性能對(duì)比試驗(yàn)和24h長(zhǎng)時(shí)測(cè)距性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從抗光路擾斷、測(cè)量分辨力、短時(shí)精度、長(zhǎng)時(shí)間