CN106054209B - 基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达 - Google Patents

基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达。该发明由激光脉冲产生单元出射的光脉冲经发射望远镜和激光扫描单元指向探测大气，大气回波信号经光学预处理单元滤除背景噪声，由光学处理单元提取大气信息，由超导单光子探测单元探测大气回波信号，由数据采集卡采集信号，最后由后续数据反演和显示单元反演和显示大气参数信息。该发明同现有的大气探测激光雷达不同之处在于，本发明所述的大气激光雷达采用低暗计数、高量子效率、宽波长响应和低时间抖动的超导单光子探测器作为探测单元。本发明采用超导单光子探测器，其具有空间分辨率好、时间分辨率高、探测距离远、探测精度高等优点。

Description

基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达。
背景技术
大气探测激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测等优点，已广泛应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、密度探测等领域。大气探测激光雷达通过发射激光脉冲至大气中，通过探测大气回波信号，从而反演大气的能见度、大气成分、密度、风速、温度等信息。
大气探测激光雷达的主要指标有：时间分辨率、距离分辨率、探测距离、探测精度等。探测器的性能直接影响着激光雷达指标高低。探测器的指标包括探测效率、等效噪声功率、时间抖动、可探测波长等，其中，探测效率影响激光雷达的探测距离和时间分辨率，等效噪声功率影响激光雷达的探测距离和探测精度，探测器的时间抖动影响激光雷达的距离分辨率，探测器的动态范围影响着激光雷达的可探测动态范围。
当前，应用于激光雷达的探测器种类繁多，如光电倍增管(PMT)、基于半导体(硅、镉、铟镓砷)的雪崩光电二极管(APD)、CCD和上转换单光子探测器等。相比而言，超导单光子探测器是一种新型的单光子探测器，其具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应谱宽、电路简单等优势，尤其值得注意的是其综合性能在红外波段已经明显超越传统的半导体探测器。超导单光子探测器已经成功应用于量子通信、空间激光通信，单光子成像、芯片检测、荧光光谱、光纤温度传感和单光子源表征等。在激光遥感领域，得益于其低的时间抖动，超导单光子探测器已经应用于激光测距。2007年，英国Heriot-Watt大学Buller教授小组首次报道了1550nm工作波长基于超导纳米探测技术的激光测距试验，其测距精度达1cm。2013年，该小组首次报道了利用时间抖动约为100ps的超导单光子探测器实现了距离约1km的1560nm的单光子成像，精度达厘米量级。2013年，上海微系统所将时间抖动减小到30ps以下，实现了精度优于3.5mm的测距精度。
然而，到目前为止尚未发现将超导单光子探测器应用于大气探测激光雷达的专利资料和文献。鉴于此，有必要针对超导单光子探测器在大气探测激光雷达中的应用进行深入研究，以提高测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，其具时间分辨率和空间分辨率高、探测动态范围大、测量精度高等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、激光扫描单元300、光学预处理单元400、光学处理单元500、超导探测单元600、数据采集单元700和后续数据反演和显示单元800；其中：
激光脉冲产生单元100发射的脉冲光经收发望远镜单元200扩束后指向探测大气，回波信号由收发望远镜单元接收；所述回波信号先经光学预处理单元400滤除背景噪声，再经光学处理单元500进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元600进行探测，探测的电信号通过数据采集单元700进行采集记录，最后，通过后续数据反演和显示单元800反演和显示大气风场或者温度信息；
所述的激光扫描单元300，用于当收发望远镜单元200将脉冲光扩束指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测。
所述激光脉冲产生单元100包括：激光光源101、脉冲发生器102与放大单元103；其中，激光光源101出射的探测光经脉冲发生器102制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元103进行光放大。
所述收发望远镜单元200中的发送单元与接收单元为收发同轴结构，或者收发离轴结构。
所述的光学预处理单元400用于滤除大气背景噪声，其包括相互连接的光纤环形器401和光纤布拉格光栅402，其中光纤布拉格光栅402的中心波长与激光出射波长一致。
当用于探测大气风场时，所述光学处理单元500用于多普勒信息的提取，其包括：光纤环形器501、扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502、光纤法布里-帕罗干涉仪控制器504和温控装置503；从光学预处理单元400中的光纤环形器401出射的激光进入光纤环形器501，光纤环形器501的A端口与扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502连接，扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的透射信号进入超导单光子探测单元01，而扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的反射信号先后经过光纤环形器501的A端口和B端口后接入超导单光子探测单元02；所述温控装置503用于确保扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502在恒温下工作；并且，在测风前，通过控制光纤法布里-帕罗干涉仪控制器504的输出电压使激光频率位于扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502自由谱间距的中心位置，从而通过鉴别大气气溶胶谱相对参考激光谱的位置确定大气多普勒频移的符号；
当用于大气温度探测时，该光学处理单元500为干涉滤光片、光栅或者光纤布拉格光栅。
所述超导探测单元600包括两个由超导单光子探测器和读出电路组成的超导单光子探测单元；其中，第一超导单光子探测单元01接收扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的透射信号；第二超导单光子探测单元02接收扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的反射信号；
所述数据采集单元700包括两个数据采集器，分别独立的与一超导单光子探测单元相连。
一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、激光扫描单元300、光学预处理单元400、超导探测单元600、数据采集单元700和后续数据反演和显示单元800；其中：
激光脉冲产生单元100发射的脉冲光经收发望远镜单元200扩束后指向探测大气，回波信号由收发望远镜单元接收；所述回波信号先经光学预处理单元400滤除背景噪声，再由超导探测单元600进行探测，探测的电信号通过数据采集单元700进行采集记录，最后，通过后续数据反演和显示单元800反演和显示大气能见度信息；
所述的激光扫描单元300，用于当收发望远镜单元200将脉冲光扩束指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测。
所述激光脉冲产生单元100包括：激光光源101、脉冲发生器102与放大单元103；其中，激光光源101出射的探测光经脉冲发生器102制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元103进行光放大。
所述的光学预处理单元400用于滤除大气背景噪声，其包括相互连接的光纤环形器401和光纤布拉格光栅402，其中光纤布拉格光栅402的中心波长与激光出射波长一致。
所述超导探测单元600相互连接的超导单光子探测器和读出电路。
由上述本发明提供的技术方案可以看出：1)将超导单光子探测器应用于大气探测激光雷达系统中，为大气遥感添加了一种光子计数的信号探测和处理方法。2)应用超导单光子探测器的大气探测激光雷达系统具有高时间分辨率、高的距离分辨率和高探测精度等优点。超导单光子探测器具有低的抖动时间(典型值50ps)、低暗计数率和高量子效率的优点。与模拟探测器相比，其最小可探测功率约小7个量级，与基于APD的单光子探测器相比，其最小可探测功率约小3个数量级，因此，采用超导纳米单光子探测器的大气探测激光雷达的空间分辨率和测量精度将大幅提高。3)超导单光子探测器的光子计数率高(可达100MHz)，因此可提高大气探测激光雷达的动态范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达的总体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于探测大气风场的基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达结构示意图；
图3为本发明实施例提供的用于探测大气能见度信息的基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，如图1所示，其主要包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、激光扫描单元300、光学预处理单元400、光学处理单元500、超导探测单元600、数据采集单元700和后续数据反演和显示单元800；其中：
激光脉冲产生单元100发射的脉冲光经收发望远镜单元200扩束后指向探测大气，回波信号由收发望远镜单元接收；所述回波信号先经光学预处理单元400滤除背景噪声，再经光学处理单元500进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元600进行探测，探测的电信号通过数据采集单元700进行采集记录，最后，通过后续数据反演和显示单元800反演和显示大气风场或者温度信息；
所述的激光扫描单元300，用于当收发望远镜单元200将脉冲光扩束指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测。
本发明实施例中，所述激光脉冲产生单元100包括：激光光源101、脉冲发生器102与放大单元103；其中，激光光源101出射的探测光经脉冲发生器102制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元103进行光放大。其中脉冲发生器102的调制频率视探测距离而定，调制脉冲光的脉宽视距离分辨率而定，激光波长视超导探测器可探测波长和大气探测目标而定，理论紫外波段到近红外波段均可。
示例性的，激光脉冲产生单元100生成的激光波长可以为1.5μm波段，激光光源101可以为1.5μm连续光，脉冲发生器102可以为声光调制器(AOM)或者强度调制器(EOM)，激光放大单元103可以为掺铒光纤放大器。
本发明实施例中，所述收发望远镜单元200中的发送单元与接收单元为收发同轴结构，或者收发离轴结构；具体视探测目标和探测要求而定。
如图2所示，所述的光学预处理单元400用于滤除大气背景噪声，其包括相互连接的光纤环形器401和光纤布拉格光栅402，其中光纤布拉格光栅402的中心波长与激光出射波长一致。
如图2所示，当用于探测大气风场时，所述光学处理单元500用于多普勒信息的提取，其包括：光纤环形器501、扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502、光纤法布里-帕罗干涉仪控制器504和温控装置503；从光学预处理单元400中的光纤环形器401出射的激光进入光纤环形器501，光纤环形器501的A端口与扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502连接，扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的透射信号进入超导单光子探测单元01，而扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的反射信号先后经过光纤环形器501的A端口和B端口后接入超导单光子探测单元02；所述温控装置503用于确保扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502在恒温下工作；并且，在测风前，通过控制光纤法布里-帕罗干涉仪控制器504的输出电压使激光频率位于扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502自由谱间距的中心位置，从而通过鉴别大气气溶胶谱相对参考激光谱的位置确定大气多普勒频移的符号；
当用于大气温度探测时，该光学处理单元500为干涉滤光片、光栅或者光纤布拉格光栅。
如图2所示，所述超导探测单元600包括两个由超导单光子探测器和读出电路组成的超导单光子探测单元；其中，第一超导单光子探测单元01接收扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的透射信号；第二超导单光子探测单元02接收扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪502的反射信号；
如图2所示，所述数据采集单元700包括两个数据采集器(记为701、702)，分别独立的与一超导单光子探测单元相连。
本发明实施例的所述的基于超导单光子探测器的测风激光雷达采用直接探测方式，将多普勒频移信息转化为能量信息。通过将窄带激光脉冲锁定在法布里-帕罗干涉仪的陡峭边缘上，当大气回波信号发生多普勒频移时，将引起法布里-帕罗干涉仪透射信号增强而反射信号减弱，或者引起法布里-帕罗干涉仪透射信号减弱而反射信号增强，通过检测反射信号和透射信号的能量变化从而提取多普勒频移信息，进而反演风速。
本发明的另一实施例中提供的基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达可用于探测大气能见度信息。如图3所示，其主要包括：激光脉冲产生单元100、收发望远镜单元200、激光扫描单元300、光学预处理单元400、超导探测单元600、数据采集单元700和后续数据反演和显示单元800；其中：
激光脉冲产生单元100发射的脉冲光经收发望远镜单元200扩束后指向探测大气，回波信号由收发望远镜单元接收；所述回波信号先经光学预处理单元400滤除背景噪声，再由超导探测单元600进行探测，探测的电信号通过数据采集单元700进行采集记录，最后，通过后续数据反演和显示单元800反演和显示大气能见度信息；
所述的激光扫描单元300，用于当收发望远镜单元200将脉冲光扩束指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测。
本发明实施例中，所述激光脉冲产生单元100包括：激光光源101、脉冲发生器102与放大单元103；其中，激光光源101出射的探测光经脉冲发生器102制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元103进行光放大。其中调制频率视探测距离而定，调制脉冲光的脉宽视距离分辨率而定。
示例性的，激光脉冲产生单元100生成的激光波长可以为1.5μm波段，激光光源101可以为1.5μm连续光，脉冲发生器102可以为声光调制器AOM)或者强度调制器EOM)，激光放大单元103可以为掺铒光纤放大器。
本发明实施例中，所述收发望远镜单元200中的发送单元与接收单元为收发同轴结构，或者收发离轴结构；具体视探测目标和探测要求而定。
如图3所示，所述的光学预处理单元400用于滤除大气背景噪声，其包括相互连接的光纤环形器401和光纤布拉格光栅402，其中光纤布拉格光栅402的中心波长与激光出射波长一致。
本发明实施例中，所述超导探测单元600相互连接的超导单光子探测器和读出电路。
本发明所提供的基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达主要具有如下优点：
1、将超导单光子探测器应用于大气探测激光雷达系统中，为激光雷达添加了一种光子计数的信号探测和处理方法。
2、应用超导单光子探测器的大气探测激光雷达系统具有高时间分辨率、高空间分辨率和高探测精度的优点。超导单光子探测器具有低的抖动时间(典型值50ps)、低暗计数率和高量子效率的优点。与模拟探测器相比，其最小可探测功率约小7个量级，于基于APD的单光子探测器相比，其最小可探测功率约小3个数量级，因此，采用超导纳米单光子探测器的大气探测激光雷达的空间分辨率和测量精度将大幅提高。
3、超导单光子探测器的光子计数率高(可达100MHz)，因此可提高大气探测激光雷达的动态范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，其特征在于，包括：激光脉冲产生单元(100)、收发望远镜单元(200)、激光扫描单元(300)、光学预处理单元(400)、光学处理单元(500)、超导探测单元(600)、数据采集单元(700)和后续数据反演和显示单元(800)；其中：
激光脉冲产生单元(100)发射的脉冲光经收发望远镜单元(200)扩束后指向探测大气，回波信号由收发望远镜单元接收；所述回波信号先经光学预处理单元(400)滤除背景噪声，再经光学处理单元(500)进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元(600)进行探测，探测的电信号通过数据采集单元(700)进行采集记录，最后，通过后续数据反演和显示单元(800)反演和显示大气风场；
所述的激光扫描单元(300)，用于当收发望远镜单元(200)将脉冲光扩束指向探测大气后，对探测大气进行激光三维扫描，从而实现大气风矢量的探测；
其中，所述超导探测单元(600)包括：第一超导单光子探测单元(01)与第二超导单光子探测单元(02)；所述光学处理单元(500)用于多普勒信息的提取，其包括：光纤环形器(501)、扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)、光纤法布里-帕罗干涉仪控制器(504)和温控装置(503)；从光学预处理单元(400)中的光纤环形器(401)出射的激光进入光纤环形器(501)，光纤环形器(501)的A端口与扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)连接，扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)的透射信号进入第一超导单光子探测单元(01)，而扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)的反射信号先后经过光纤环形器(501)的A端口和B端口后接入第二超导单光子探测单元(02)；所述温控装置(503)用于确保扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)在恒温下工作；并且，在测风前，通过控制光纤法布里-帕罗干涉仪控制器(504)的输出电压使激光频率位于扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)自由谱间距的中心位置，从而通过鉴别大气气溶胶谱相对参考激光谱的位置确定大气多普勒频移的符号。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，其特征在于，所述激光脉冲产生单元(100)包括：激光光源(101)、脉冲发生器(102)与放大单元(103)；其中，激光光源(101)出射的探测光经脉冲发生器(102)制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元(103)进行光放大。
3.根据权利要求1所述的一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，其特征在于，所述收发望远镜单元(200)中的发送单元与接收单元为收发同轴结构，或者收发离轴结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，其特征在于，所述的光学预处理单元(400)用于滤除大气背景噪声，其包括相互连接的光纤环形器(401)和光纤布拉格光栅(402)，其中光纤布拉格光栅(402)的中心波长与激光出射波长一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于超导单光子探测器的大气探测激光雷达，其特征在于，
所述超导探测单元(600)包括两个由超导单光子探测器和读出电路组成的超导单光子探测单元；其中，第一超导单光子探测单元(01)接收扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)的透射信号；第二超导单光子探测单元(02)接收扫描式光纤法布里-帕罗干涉仪(502)的反射信号；
所述数据采集单元(700)包括两个数据采集器，分别独立的与两个超导单光子探测单元相连。
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