工程师面临的一项关键挑战是越来越精确地测量距离。近年来，在几米的距离上实现纳米分辨率的测量已经成为可能。这意味着精度相当于人类DNA链的宽度。尽管令人印象深刻，但工程师们非常希望在更长的距离上也能达到这种精度。
现在，中国科学技术大学的陈延伟（Yan-Wei Chen）和他的同事们找到了一种方法。他们表示，他们可以在100多公里的距离上实现纳米级精度，而且他们的突破将在广泛的前沿科学和工程项目中立即得到应用。
多年来，最精确的测距技术一直采用基于光的技术，如激光雷达（lidar）。它测量光子飞行时间来确定它们传播的距离。其最终限制是计时设备的精度，但即使如此，在多公里距离上也能达到几十微米的精度。
干涉条纹
这听起来可能很了不起，但通过与干涉测量技术相结合，可以得到显著的改进。该技术将激光束反射到远处的镜子上，产生一个干涉条纹，该条纹取决于距离以及距离的任何变化。
尽管更好，但该技术的精度受限于电磁波的周期性，这会引入不可避免的模糊性。
因此，物理学家通过结合跨越电磁频谱的多种波长的测量来减少这种模糊性。他们用来做到这一点的工具叫做光频梳，它产生一系列间隔均匀的光学频率，类似于梳子的牙齿。
虽然梳子的“牙齿”具有特定的光学频率，但“牙齿”之间的间隙由较低频率的无线电信号决定。通过这种方式，光频梳跨越了整个电磁频谱，使其成为提高测距精度的理想选择。事实上，正是这项技术使得在几米距离上实现纳米级精度的测量成为可能。
然而，由于传输损耗以及由气压、温度和湿度变化引起的大气噪声，无法实现更长距离的测量。这些因素会扭曲光信号并降低测量精度。
这时，陈延伟及其同事们提出了一种克服这些问题的方法。传统的光频梳测量反射光束的往返距离。相比之下，陈延伟及其同事的创新使用了两个梳子，一个位于待测距离的两端。然后，光束在实验的每一端发生干涉，产生可以推断出距离的条纹。
相反方向的束
尽管两个梳子是相同的，但它们在两端产生的干涉条纹却不相同，因为大气对它们的略微影响不同，因为光束是沿相反方向传播的。“通过比较两个独立的光频梳干涉系统的结果，我们可以有效地捕捉实时的空气漂移并减轻其影响，”他们说。
结果是一个具有惊人精度的系统。“通过使用这些技术，我们在113公里的路径上实现了82纳米的精度进行高精度绝对测距，”团队说。“据我们所知，这项研究首次在超过100公里的路径上实现了如此精确的绝对测距。”
这立即暗示了各种应用。例如，精确的距离测量对于卫星编队飞行至关重要，这需要探测器之间有精确的间隔以实现协调观测。通过保持卫星之间精确的基线，研究人员可以创建大型合成孔径，用于高分辨率成像和天体物理观测，例如用于射电天文学的甚长基线干涉测量。
世界各地的各种项目都在设计这些类型的系统，这就是为什么这项突破具有即时应用的原因。原则上，它可以在任何应用的地方显著提高测距精度。令人印象深刻的工作！
参考：113公里高精度绝对测距：arxiv.org/abs/2412.05542
