引言
长距离高精度测量在空间探索、引力波探测等众多领域具有重要应用价值。研究人员利用创新的双频梳测距方法，在100公里以上距离实现了纳米级精度的测量，取得了突破[1]。
长距离测距的挑战
传统测距方法存在明显局限性。干涉测量技术通过测量光信号相位变化可达到亚纳米分辨率，但模糊度范围仅限于半个波长。而采用脉冲或射频调制信号的常规激光测距方法虽然具有较大的模糊度范围，但由于相位和时间分辨率的限制，精度只能达到亚毫米级。
图1：双频梳测距方法对比。(A)展示了传统的往返方式，光线从参考平面反射。(B)展示了新型双向方法，采用独立锁相的光梳。(C)显示了不同距离下所需的功率增益。(D)展示了新方法实现的距离扩展因子。
双向双频梳测距(TWDCR)方法有效解决了这些限制。该方法通过同步射频到光频的相位，实现高精度和宽模糊度范围的结合，这对卫星编队飞行和黑洞成像等应用极为重要。
TWDCR技术创新
TWDCR方法相比传统往返式双频梳测距有显著改进。传统方法中，信号光梳的光线经参考平面反射后与本地光梳干涉获取距离信息。而TWDCR方法在测量路径两端分别使用独立锁相的光梳。
图2：TWDCR系统实验装置。(A)展示了乌鲁木齐113公里实验路径。(B)详细展示了两个实验站点的主要设备，包括超稳激光器、光频梳和望远镜。
实验装置在两端均配备了精密设备，包括：
稳定度为3E-15@1秒的1550.12纳米超稳激光器
两台光谱范围约10纳米的高功率(1瓦)光频梳
中心波长分别为1545纳米和1563纳米
GPS接收机和铷原子钟
口径为400毫米的望远镜
技术实现与结果
系统通过多项关键技术的精确实施实现了卓越的精度。不同波长的光频梳信号通过波分复用器进行合并和分离，在终端之间建立共模路径。望远镜附近放置的角反射镜用作测距参考。
图3：TWDCR实验结果。(A)展示了绝对测距的周期数确定。(B)展示了在不同距离下达到的精度。(C)与各种测距方法的结果比较，突出显示了相对传统技术的显著改进。
系统达到了以下精度：
1.3毫秒时为11.5微米
1秒时为681纳米
21秒时为82纳米
通过两个独立系统的对比分析验证了这些结果。考虑到大气扰动和传输损耗等挑战，这一成就代表了测距技术的重大进步。
图4：长期测距结果显示系统的稳定性。蓝线表示距离测量结果，红线表示温度变化，展示了系统对环境变化的稳健性。
实际应用
这项技术在空间望远镜阵列领域可将角分辨率提高到约10^-9角秒，比最初设想提高两个数量级。在卫星重力测量方面，该技术实现了精确的卫星定位和轨道跟踪，避免了周期滑移，能够在地质事件期间实时捕捉地球重力场变化。
发展展望
目前的实现已达到很高精度，但仍有提升空间。可以通过增加气象监测站或双频梳光谱技术来减少大气折射的影响。在大气影响极小的空间应用中，系统可能实现更高精度，分数测距不确定度可低于7.3×10-13。
参考文献
[1] Y.-W. Chen et al., "113 km absolute ranging with nanometer precision," arXiv:2412.05542v1 [physics.optics], Dec. 2024.
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