双梳绝对测距技术成功应用于轨道任务

《Light-Science & Applications》：Dual-comb absolute ranging reaches orbit

　　**摘要**
搭载在“天舟九号”上的双梳式绝对测距载荷被送到了中国的天宫空间站，并在轨展示了在舱外环境中持续获取干涉图的能力。该系统能够以1千赫的更新频率实现13微米的精度，并在数月内保持稳定运行，为编队飞行和可部署天文台的可追溯空间计量学研究提供了有力支持。空间中的测量问题往往隐藏着几何学挑战。分布式孔径望远镜、稀疏孔径相机、干涉测量的地球观测载荷以及编队飞行星座系统都依赖于相对位置和校准状态的精确知识，而这些参数的估计偏差和尺度需要在热循环、老化和长期环境作用下保持稳定。当几何因素决定了误差范围时，计量学便成为仪器本身的核心组成部分，而不再仅仅是辅助功能。

目前，有两种主流的测距技术广泛应用于太空：飞行时间（ToF）和调幅连续波（AMCW）测距技术，它们能在长距离内提供明确的距离测量结果并具有优异的工程性能，但其绝对精度通常限于毫米级别。外差干涉仪虽然能分辨出遥远航天器之间的亚波长距离波动（例如GRACE后续激光测距干涉仪的示例），但其测量结果反映的是位移而非绝对距离。同时实现绝对测距和微米级精度仍是许多空间任务的核心难点。

双梳式测距（DCR）技术在I. Coddington等人的开创性研究之后开始备受关注，他们证明了两个相互相位锁定的宽带频率梳可以结合飞行时间的确定性和干涉测量的高精度，从而实现微米级重复性的快速绝对距离测量。此后，相关研究在多个方面推动了这一技术的发展：通过合成波长策略实现了更快速、更可靠的相位连接；建立了噪声建模框架以指导系统设计并在实际性能偏离预期时辅助故障诊断；改进了单腔或强共用路径的双梳光源设计，既提升了相互相位锁定能力，又减小了系统体积和复杂性。这些进步共同使DCR成为当前实现高精度远距离测量的重要方法。

这种方法在太空领域特别适用，因为它生成的干涉图无需外部光电调制即可完成，且由于重复率略有差异，异步光学采样能将光信号的时间和相位信息转换为标准光电探测器和数字处理器可以直接处理的慢时间干涉图，从而减少了辅助高频电子设备和动态子系统的需求。此外，频率梳与光学时钟系统的兼容性也为未来的超高精度空间测距和测量网络提供了统一的参考基准。

频率梳技术进入太空已有十多年的历史，最初是出于对时间和频率精度的追求以及对坚固、超快光子学技术的需求。早期的重要里程碑包括韩国科学技术院主导的SESAM项目中的飞秒光纤激光器太空测试，证明了激光器在发射和在轨运行过程中的稳定性。Menlo Systems及其合作团队展示了在探空火箭环境下使用频率梳进行空间测量的能力，并开发了紧凑型、耐用的频率梳平台（如FOKUS II），填补了实验室设备与实际太空应用之间的差距。中国科学院也逐步在其空间站上部署高精度时频基础设施（例如Mengtian模块内的光学时钟相关载荷），进一步增强了基于频率梳的系统的在轨应用能力。预计Menlo公司计划在2026年发射的COMPASSO载荷将标志着从短期演示向长期、适用于太空环境的频率梳及参考系统架构的转变。

“天舟九号”货运任务为DCR技术在轨验证提供了理想的机会。该飞船于2025年7月15日北京时间5:34从文昌航天发射场发射，并于8:52与天和舱核心模块的后端对接（见图1a）。此次任务携带了由清华大学、北京控制工程研究所和广东广途科技有限公司联合开发的高精度测距载荷，专门用于验证双梳式测距技术在太空环境中的性能。该载荷安装在航天器外部，整个任务期间始终处于太空环境中。

**图1：天舟九号DCR载荷及其性能**
- a：安装在航天器外部、直接暴露于太空环境中的载荷照片。
- b：包含双梳光源、信号处理器、测距干涉仪和数据存储单元的飞行硬件组件照片。
- c：测距干涉仪的原理示意图。其中，“Comb 1”和“Comb 2”分别代表信号梳和本地产生的参考梳。信号梳的一部分能量（3%）用于生成参考信号，其余能量分为两条路径：一条用于外部目标測量，另一条用于内部校准。
- 其他部件包括：偏振保持（PM）耦合器、PM循环器、PM光纤反射器、光纤准直器、带通滤波器、光电探测器、低通滤波器以及快速转向镜。外部目标为 hollow 角锥形反射器。
- d：校准臂产生的时域测距信号，显示测距脉冲与参考脉冲之间的延迟约为0.15毫秒，测得平均距离为451.834毫米。
- e：自校准测距结果的精度（Allan偏差）随平均时间的变化情况。Allan偏差基于60秒数据记录计算得出，该数据记录包含以1千赫频率采集的连续距离样本。

该载荷集成了双梳光源、信号处理器和测距干涉仪（见图1b）。双梳光源采用了非线性放大环镜（NALM）锁相技术，实现紧凑且适合载荷空间的设计。信号梳和本地产生参考梳的重复率分别为50 MHz和50.001 MHz。通过多个压电致动器调节光纤腔体的长度来实现精细的重复率控制，同时使用热电制冷器（TEC）维持腔体温度稳定。干涉仪采用全光纤结构以降低光学损耗并增强抗振动能力，光纤组件经过共同封装和温度稳定处理以保证长期稳定性。测距干涉仪包括外部目标臂和内部校准臂，外部臂通过快速转向镜照射外部反射目标，内部臂通过光纤反射器进行现场校准。

干涉图由带宽为22 MHz的交流（AC）耦合光电探测器检测。干涉信号幅度约为基线噪声均方根（RMS）的10倍，表明信号有足够的裕度以确保可靠检测。由于载波-包络偏移（CEO）频率未完全锁定，下转换后的干涉图中心频率会发生变化，但载荷通过动态泵浦电流调节来缓解这一问题。系统稳定性通过基于60秒数据的Allan偏差指标评估，该数据记录包含以1千赫频率采集的连续距离样本（见图1e）。实验结果显示，在全更新频率下测距精度为13微米，平均至1赫兹时精度可提高至0.5微米以下。对于这种部署在非加压模块外的空间飞行演示器而言，千赫更新频率、微米级重复性和多月运行稳定性为舱外空间计量学提供了可追溯的性能基准。

这一在轨验证标志着空间激光测距技术的重大突破。它证明了双梳式绝对测距技术在舱外环境中的稳定运行能力，不仅能实现微米级精度，还能以千赫更新频率工作，显著超越了许多现有空间测距系统的性能上限，为未来需要高精度几何控制和可追溯长度测量的复杂科学任务奠定了基础。下一步的发展方向将是长基线卫星间跟踪和测距，基于频率梳的技术有望充分发挥其可扩展性，在公里级距离下仍保持微米级测距精度，为编队飞行、分布式孔径系统和精密科学载荷提供新的空间计量学解决方案。