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作为一项重大的前沿基础科学研究,引力波的高精度太空探测对激光测距技术提出了百万千米量级测量范围、皮米量级测量精度的极限挑战。在卫星编队飞行等尖端航天领域中,对激光测距技术的需求也达到了数千米至数百千米范围内纳米量级的测量精度。现有经典的激光绝对距离测量技术已经完全无法满足上述需求。近十年来,光学频率梳的出现促进了激光绝对距离测量技术的发展,为满足上述需求提供了潜在可能。但现有基于光学频率梳的多波长激光干涉测距方法仍存在难以同步生成多尺度合成波长以兼顾测量范围、速度与精度,现有频率梳模型与生成方法影响测量精度和各梳齿干涉测距相位难以高精度、快速分离与提取的问题,无法完全满足上述科学与技术领域对绝对距离测量的要求。本课题旨在针对上述问题,为激光绝对距离测量技术提出一种具备兼顾大范围、快速和高精度测距潜力,且便于实现量值溯源的多波长激光干涉测量方法,对该方法进行原理分析及实验室条件20米范围的实验验证。研究成果经继续改进及优化,可推广应用于空间引力波探测和卫星编队飞行控制等前沿科学技术领域。本课题主要研究内容如下:针对现有基于光学频率梳的多波长干涉测距法难以同步生成多尺度合成波长导致测量范围、速度与精度难以兼顾的问题,结合经典多波长激光干涉测距原理和光学频率梳等间隔梳状多光谱的特性,提出了一种基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法,该方法以中心梳齿偏频锁定、梳齿间距稍有不同的外差双光学频率梳作为光源,利用其中的众多梳齿同步生成了多个不同尺度的粗测和精测合成波长,对光学频率梳中多梳齿的干涉测距信息进行了融合处理,以此建立了基于外差双光学频率梳多波长干涉测距方法的完整理论模型。分析及实验结果表明,该方法可实现大范围、快速、高精度距离测量,对中心15条光学频率梳梳齿所生成第8阶合成波长的干涉测距信息进行有机融合,可将距离20m处静止目标30min连续监测过程中,测相误差引入的距离测量不确定度从21.3?m减小为8?m。针对现有谐振腔增强相位调制型光学频率梳的梳齿功率模型不精确、频率梳生成腔的稳定控制方法引入附加调制等影响多波长干涉测距精度的问题,通过对激光电场强度的叠加计算建立了该类型光学频率梳的精确梳齿功率模型,仿真分析了模型中各参数对频率梳光谱的影响,在此基础上提出了一种基于Pound-Drever-Hall原理的频率梳生成腔腔长稳定控制方法,该方法通过探测谐振腔反射光中包含的梳齿间干涉信号,利用相位调制信号对其解调得到反馈控制所需的误差信号,对该方法中误差信号的生成机理进行了深入讨论和完整建模。仿真及实验结果表明,本文所提出光学频率梳精确梳齿功率模型的模型精度相比现有近似模型提高了一个数量级,利用上述稳定控制方法可以持续稳定的生成梳齿数量达到33条,光谱范围达到294.4GHz的光学频率梳。针对现有信号探测技术仅能提取特定波长干涉测距信息、易受噪声频谱干扰导致难以高精度、快速分离与提取光学频率梳中各梳齿干涉测距相位的问题,提出了一种基于外差双光学频率梳和数字锁相放大的多梳齿测距相位分离与提取方法,该方法利用双声光移频和同步异频驱动技术生成了多波长干涉测距所需的中心梳齿偏频锁定、梳齿间距稍有不同的外差双光学频率梳,通过参考原子时间基准的同步异频驱动信号保证了测量结果向米定义的直接溯源,并根据干涉信号频谱特点,利用数字锁相放大探测技术实现了多梳齿测距相位信息的分离与提取。仿真结果表明,利用上述多梳齿测距相位分离与提取方法对中心15条梳齿的相位测量误差小于±0.01°,相位测量分辨力优于0.001°。最后,根据上述内容对基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距系统进行了优化设计,并针对光学频率梳的稳定控制过程、外差双光学频率梳的干涉信号频谱、多梳齿测距相位的分离与提取特性进行了实验验证。在此基础上,结合现有的实验条件测试了所研制的多波长干涉测距系统的稳定性,并参考激光干涉仪对其20m范围内的距离测量不确定度进行了比对测试。实验结果表明,其30min内的测量相对稳定性可达到4.1×10-7,20m范围内的距离测量不确定度小于10.6?m,20m距离处的测量相对不确定度达到5.3×10-7。