基于双光梳绝对测距技术实现113公里纳米级精度的突破性研究

本研究针对长距离绝对测距中精度与模糊范围的矛盾问题，提出创新的双站双光梳测距(BDCR)方法。通过相位锁定光学频率梳(OFC)和超稳激光源，结合大气色散分析与合成重复频率技术，在113公里开放路径上实现82 nm@21 s的测距精度，将现有测距范围扩展2.5倍。该技术为卫星编队飞行、黑洞成像等空间任务提供了革命性的测量手段。

　　

在空间科学和地球观测领域，精确的绝对距离测量是支撑众多前沿研究的核心技术。从构建X射线波段的大型合成孔径望远镜，到监测地球重力场变化的卫星重力测量，都需要在百公里量级实现纳米级精度的距离测定。然而传统测距技术面临根本性矛盾：基于连续波激光干涉的方法虽能达到亚纳米分辨率，但受限于相位周期性，其模糊范围仅半波长；而脉冲激光或射频调制方法虽可扩展测量范围，但精度仅达亚毫米级。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了空间科学仪器的性能提升。

为解决这一挑战，中国科学技术大学潘建伟团队在《National Science Review》发表创新性研究。研究人员创造性地提出双站双光梳测距(BDCR)方案，通过将光学频率梳(OFC)相位锁定到超稳激光源，结合时间频率传递技术，在新疆乌鲁木齐成功完成113公里自由空间绝对距离测量实验。该工作首次将百公里级测距精度推进至纳米尺度，为未来空间任务提供了关键技术储备。

关键技术方法包括：1) 双站架构设计降低传输损耗53 dB；2) 1瓦高功率OFC与400 mm大口径望远镜组合；3) 大气色散分析实现10⁸ km模糊范围；4) 合成重复频率技术提供30 km模糊范围；5) 双波长(1545 nm/1563 nm)独立验证系统；6) 3.5 pW/√Hz超低噪声探测器。实验场地横跨天山山脉，两端分别部署完全对称的测量终端。

【PRINCIPLE】部分阐述了BDCR的核心原理。与传统单站架构相比，双站设计使信号仅单向传输，避免反射镜尺寸限制导致的功率损失。通过建立两端时钟同步系统，测量公式L=c(T_A+T_B)/2n有效消除了时钟差异影响。理论计算表明，在100公里以上距离，双站方案可降低74 dB功率需求。

【SETUP】详细描述了实验配置。研究团队在两地部署了完全对称的测量系统：超稳激光(稳定度3×10^-15@1 s)、高功率OFC(1 W输出)、WDMs波长复用设备和Rb原子钟。特别设计的共光路结构将本地参考镜置于距望远镜0.1米处，确保系统校准精度。通过精确控制两端OFC重复频率差(约kHz量级)，产生规律性干涉信号。

【RESULTS AND DISCUSSION】展示了突破性成果。图4(a)显示通过378,268.82±0.26个周期数的精确测定，结合亚波长相位测量d₁/d₂，实现了绝对距离解算。图4(b)的艾伦偏差曲线表明：113 km测距精度达681 nm@1 s，比5.8 km路径的274 nm@1 s精度有所降低，这验证了大气噪声的累积效应。图5的对比分析显示，BDCR将同等距离下的测距精度提高了3个数量级。

研究团队特别分析了大气折射率不确定度(约10^-7)对地面测量的限制，指出该技术在太空环境中可将不确定度降至10^-16以下。图6展示的6000秒连续测量数据，证实系统对大气扰动的鲁棒性。通过PC-8气象站实时监测，研究人员确认折射率波动是当前精度的主要限制因素。

在【CONCLUSION】部分，作者强调了该研究的双重创新：方法学上首创BDCR架构突破功率限制，技术上集成多项尖端测量手段。82 nm@21 s的百公里级测距精度，为MAXIM任务等空间科学计划提供了关键技术支撑。未来在太空应用中，该技术有望实现7.3×10^-13的相对测距不确定度，推动微角秒级X射线成像和厘米级重力场反演等前沿研究。

这项研究标志着长距离精密测量领域的重大突破，其技术路线不仅解决了"既高精度又大范围"的经典难题，更为引力波探测、地球系统监测等重大科学工程提供了新的技术范式。随着后续太空验证的开展，这项由中国团队主导的研究成果或将重塑空间计量学的技术格局。