近日，西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室刘志刚教授团队成功研制出一款基于单探测光束的新型谐波发生梳状干涉（Harmonic-Generated Comb Interferometry, HGCI）测量系统。该系统首次在远程非合作目标上，实现了对绝对空间位置与微观动态振动（频率、振幅）的高时空分辨率同步解耦测量。这一重要突破为高端装备制造、精密装配等复杂工业环境提供了全新的集成化多维参数观测工具，研究成果发表在国际著名光电期刊《Laser & Photonics Reviews》。

研究背景：非合作目标多维参数同步测量的技术挑战

在精密光学测量领域，绝对距离和振动是表征复杂工业环境中目标状态的核心物理量。全面解析这一过程，需要同时获取高精度的空间定位与动态数据。

然而，现有的传统扫频干涉法（FSI）面临着两大严峻挑战。第一，远程非合作目标表面的反射光极其微弱，难以实现长距离探测。第二，目标不可避免的微观机械振动会引入严重的Doppler（多普勒）相位串扰，导致绝对距离测量精度大幅退化。

为应对这一难题，现有的方法大多采用“被动抑制”策略，例如利用双扫频激光源抵消Doppler频移，或者引入卡尔曼滤波（Kalman filtering）等处理算法。但这些方法仅仅将目标的动态运动视为“干扰”，不仅彻底丢失了目标关键的动态物理特征，还导致了系统架构臃肿与计算成本的激增。因此，开发一种兼顾高精密距离定位与动态振动特征提取、且架构高度紧凑的测量系统，是精密传感与计量领域的迫切需求。

技术核心：单光束多维解耦系统集成与性能突破

研究团队的核心创新在于打破常规测量局限，仅使用单束探测光构建了HGCI多维感知平台。该系统成功解决了微弱回馈光检测与多维参数交织的难题。

1.谐振腔放大与高灵敏度扫频载波提取

传统的微弱光检测信噪比极低，为此团队提出了基于激光回馈干涉和调频解调的复合解决方案：

• 谐振腔振荡增强：利用自研外腔可调谐激光器（ECTL），携带目标信息的微弱非合作反馈光在重新注入激光腔后，其光功率得到显著增强。随后该信号被调制到主光频上，生成了高信噪比的激光回馈扫频载波（LFSC）。
• 高灵敏度FM解调：团队摒弃传统的幅度调制（AM）检测，创新引入马赫-曾德尔干涉仪（MZI）进行频率（FM）解调。该策略将微弱信号探测能力提升约150倍，信噪比实现了22 dB的大幅跃升。

2. 梳状光谱构建与非线性多谐波重构算法

针对扫频非线性与高频振动引入的复合计算误差，团队在信号处理算法层面进行了重构：

• “梳状”特征构建：解调后的干涉信号在频域内呈现出独特的物理形态。其以指示目标绝对距离的“主峰”为中心，两侧完美对称分布着表征目标振动特征的“谐波梳齿”。
• Bessel能量拟合重建：系统结合等光频重采样（EFRS）技术，并提出了局部能量积分的Bessel（贝塞尔）多谐波拟合算法。该算法通过自适应计算对称高阶谐波的能量占比，彻底解决了高频振动下因相位噪声导致的振幅解算衰减与非线性误差问题。

图1 HGCI测量系统原理

实验验证：揭示复杂非合作目标的高精度动态响应

利用HGCI系统的多维同步测量能力，研究团队在不同频率与振幅驱动下的真实非合作目标（表面氧化发黑的铝柱）上进行了实验验证，该系统展现出很高的测量精度：

• 极佳的距离收敛性：在1kHz高频振动干扰下，HGCI系统能够抵抗动态散斑去相关效应。其距离测算仅需约10个扫频周期（约5秒）即可快速收敛至高稳定的微米级基准线。
• 高精度的微米级定位：对于8.9米外的非合作目标，连续步进测量的单次标准差（STD）严格控制在90 μm以下。同时，其距离非线性度极低(1.43×10-3)，残余误差小于60 μm。
• 极限精度的振动重构：在500 Hz至3000 Hz的超宽频带内，系统均成功解析出靶标的高频振动特征。在长距离非合作条件下，系统的测量频率绝对误差严格低于0.06%。得益于Bessel能量拟合算法，系统的振幅测量误差相较于商业级参考传感器被精准控制在1.93%以内。

图2 HGCI测量系统实验光路图及采集信号

图3 HGCI系统对非合作目标绝对距离、振动频率、振幅的测量结果

技术拓展：突破采样极限的多维多参数感知体系

为满足各种复杂测试场景对动力学提取的需求，HGCI系统突破了传统物理限制，构筑了全新的硬件与算法融合感知体系：

1. 超越Nyquist限制的超低速扫描体系：传统测振要求激光扫频速率至少达到振动频率的两倍，这严重限制了相干测量的应用范围。HGCI通过频域谐波映射解除了该限制，系统仅以2 Hz的极低扫频速率，便能精准提取高达3 kHz的高频微观振动，极大拓展了仪器的可探测频谱上限。

2. 极端复杂波形的抗干扰解算能力：针对工业现场真实的非正弦复杂运动，系统在80 Hz方波与200 Hz锯齿波驱动下进行了深度测试。验证表明，系统依然能保持极高的光谱对称性，有效克服了非正弦物理轨迹带来的频域复杂卷积干扰，精确解调出绝对距离与等效振动频率、振幅。

图4 HGCI系统对目标不同振动规律的测量结果

总结与展望

本研究成功研制了HGCI新型测量系统，实现了在长距离非合作目标尺度上，对空间绝对距离、高频振动频率与振幅的同步、高分辨率观测。该系统克服了微弱信号信噪比低、不同测量参数相互串扰的技术挑战，并通过真实的复杂机械振动模型，展示了其在精密组装、自动驾驶以及结构健康监测等场景中的强大应用潜力。

该高度集成的光学系统之核心部件，涵盖了由LBTEK提供的多款高精密光学元器件。其中，环形器（FCIR-1550-FA, LBTEK）凭借极其优异的低插入损耗与卓越的隔离度，成功将含有多维参数的微弱反馈光精准分离并导引，在多维信号的高保真解调中起到了关键作用。此外，光路系统选用的运动学反射镜/调整架（AMM-1A, LBTEK）与光纤准直器（LBFC40-APC-C, LBTEK），完美保障了空间探测光束的准直和聚焦。这些器件十分适用于此类要求严苛的高精度干涉系统，为新一代测量装备的研发夯实了关键硬件基础。

图5 实验室实拍

本文作者

西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室光电测量与智能感知课题组