CN106353770A - 基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达 - Google Patents

基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达。本发明将大光敏面的超导单光子探测器应用于高空大气探测激光雷达系统中，从而可通过增大望远镜的面积以实现高空大气参数探测。相比于现有的应用于高空大气探测激光雷达的探测器，所采用的超导单光子探测器具有大光敏面、好计数率、高量子效率、低暗计数、高光子计数率和低抖动时间的优点。因此，采用大光敏面的超导单光子探测器的高空探测激光雷达在距离分辨率、空间分辨率和探测精度上具有更大优势。换句话说，在实现相同探测指标的情况下，采用大光敏面的超导单光子探测器的激光雷达可采用更小口径的望远镜或者更低功率的激光器。

Description

基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达。
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，已应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、密度探测等领域。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、电路简单等优点，尤其值得注意的是，在红外波段其综合性能已经明显超越传统的半导体探测器。在紫外到可见光波段，虽然Si-APD和PMT已被广泛采用。但是，超导探测器以其高的计数率、高的探测效率、低的暗计数，使其仍具有很大吸引力。得益于其突出的探测性能，超导探测器已经广泛应用于量子通信、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，超导单光子探测器已成功用于激光测距和3D成像。2007年，英国Heriot-Watt大学Buller教授小组首次报道了基于超导纳米探测技术的1550nm激光测距试验，其测距精度达1cm。2013年，该小组接着报道了距离约1km的1560nm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。
到目前为止尚未发现将大感光面的超导探测器应用于高空大气探测激光雷达的专利资料。本发明着眼于高空大气探测，提出了将具有大感光面的超导单光子探测器应用于高空探测激光雷达。在激光雷达中，为保证信号的收集效率，需满足光束经光学系统后，后一级的光学扩展量(Etendue＝Ω·A，Ω为接收立体角，A为通光面积)大于前一级的光学扩展量，即要求探测器的光学扩展量大于鉴频器的光学扩展量，鉴频器的光学扩展量大于耦合光纤的光学扩展量，耦合光纤的光学扩展量大于望远镜的光学扩展量。因此，单模光纤耦合的小感光面的探测器限制了望远镜系统的口径，从而限制了激光雷达的探测高度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，其具有高时间分辨率和空间分辨率、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：
一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，包括：激光脉冲产生单元10、参考激光提取单元20、扩束器30、望远镜40、光学滤波单元50、合束器01、光学处理单元60、超导探测单元70、数据采集单元80和后续数据反演和显示单元90；其中：
激光脉冲产生单元10产生的脉冲光经参考激光提取单元20分成探测光和标定频率用的参考光，其中的参考光接入合束器01的a端口，探测光经扩束器30后发射到探测大气中，探测光与大气相互作用的后向散射信号由望远镜40接收，后向散射信号经延时光纤41后进入光学滤波单元50滤除背景噪声，滤除背景噪声的后向散射信号到达合束器01的b端口；参考光和滤除背景噪声的后向散射信号通过延时光纤41在时域上分开，并先后进入光学处理单元60进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元70进行探测，探测的电信号通过数据采集单元80进行采集记录，并通过后续数据反演和显示单元90反演和显示大气参数。
所述超导探测单元70为大光敏面超导单光子单元。
所述的激光脉冲产生单元10包括：激光种子光源11、振荡器12及激光放大单元13；其中：
激光种子光源11出射的激光经振荡器12制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元13进行光放大，放大的光源用于大气探测；
当利用大气分子信号进行高空大气探测时，激光波长选为355nm；当采用气溶胶回波信号进行高空大气参数探测时，激光波长选为1064nm。
所述参考激光提取单元20包括：分束器21和衰减器22；其中：
激光经分束器21一分为二，其中激光的大部分作为探测光用于大气探测，另外一小部分作为标定频率用的参考光；所述参考光经衰减器22衰减至单光子水平。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，将大光敏面的超导单光子探测器应用于高空大气探测激光雷达系统中，从而可通过增大望远镜的面积以实现高空大气参数探测。此外，相比于现有的应用于高空大气探测激光雷达的探测器，大光敏面的超导单光子探测器具有高量子效率、低暗计数、高光子计数率和低的抖动时间(典型值50ps)的优点。因此，采用超导纳米单光子探测器的高空探测激光雷达在距离分辨率、空间分辨率和探测精度上具有更大优势。换句话说，在实现相同探测指标的情况下，采用超导探测的激光雷达可采用更小口径的望远镜或者更低功率的激光器。
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大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种双轴系统的示意图。
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大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，如图1所示，其主要包括：激光脉冲产生单元10、参考激光提取单元20、扩束器30、望远镜40、光学滤波单元50、合束器01、光学处理单元60、超导探测单元70、数据采集单元80和后续数据反演和显示单元90；其中：
激光脉冲产生单元10产生的脉冲光经参考激光提取单元20分成探测光和标定频率用的参考光，其中的参考光接入合束器01的a端口，探测光经扩束器30后发射到探测大气中，探测光与大气相互作用的后向散射信号由望远镜40接收，后向散射信号经延时光纤41后进入光学滤波单元50滤除背景噪声，滤除背景噪声的后向散射信号到达合束器01的b端口；参考光和滤除背景噪声的后向散射信号通过延时光纤41在时域上分开，并先后进入光学处理单元60进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元70进行探测，探测的电信号通过数据采集单元80进行采集记录，并通过后续数据反演和显示单元90反演和显示大气参数。
所述的激光脉冲产生单元10包括：激光种子光源11、振荡器12及激光放大单元13；其中：激光种子光源11出射的激光经振荡器12制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元13进行光放大，放大的光源用于大气探测；
由于大气分子后向散射信号与波长的负四次方成正比，因此当利用分子信号进行高空大气探测时，激光波长选为355nm；当采用气溶胶回波信号进行高空大气参数探测时，激光波长选为1064nm。
此外，所述的激光脉冲产生单元10也可以为满足大气探测要求的其他类型脉冲激光器。
所述参考激光提取单元20包括：分束器21和衰减器22；其中：激光经分束器21一分为二，其中激光的大部分作为探测光用于大气探测，另外一小部分作为标定频率用的参考光；为了防止过强的激光信号损伤探测器，所述参考光经衰减器22衰减至单光子水平。
所述光学处理单元60用于光学信号的处理，视探测目标而定，当本发明所述激光雷达用于探测高空大气风场时，该光学处理单元60为光学鉴频器，鉴频器包括但不限于法布里-帕罗干涉仪、马赫泽德干涉仪、分子吸收滤波器、迈克耳孙干涉仪和菲佐型干涉仪。当本发明所述激光雷达用于高空大气温度探测时，该光学处理单元60可为干涉滤光片、光栅和光纤布拉格光栅等。
所述超导探测单元70为大光敏面超导单光子单元，其感光面积大。
本发明实施例采用了双轴系统，参见图2所示，几何重叠因子O(R)是与探测距离相关，当发射激光视场与望远镜接收视场不重合时，0＜O(R)＜1；当发射激光视场与望远镜接收视场完全重合时，O(R)＝1。为了保证望远镜能够接收远处的激光雷达回波信号，这就要求望远镜的视场角大于激光器的视场角，即
θR＞θT. (1)
假设激光器的发射角为θlaser，扩束器的扩束倍率为M，光束不确定性为θu，出射激光器的视场角为
θT＝θlaser/M+θu. (2)
而望远镜的视场角为
θR＝a/f, (3)
式中，a为光纤的数值孔径，f为望远镜的焦距。其中望远镜的焦距f可表示为
f＝D/2tan[arcsin(NA)], (4)
式中，D为望远镜口径，NA为光纤的数值口径。由式(1)至式(4)可得，
θlaser/M+θu＜2a·tan[arcsin(NA)]/f·D (5)
本发明实施例的方案着眼于高空大气探测，为了探测高空大气，需采用大口径望远镜。由式(1)可知，为使望远镜能完全接收大气回波信号，需满足望远镜的视场角大于激光器的视场角。由式(2)可知，为增大望远镜的视场角，在光纤数值孔径一定时，需减小焦距。由式(4)可知，在光纤的数值口径一定时，焦距越小，望远镜的口径越小，从而不利于高空大气探测。因此解决的办法是，通过增加光纤的数值孔径以提高望远镜的视场角，即采用大光敏面、高效率和低噪声的超导探测器。本发明提出采用具有大感光面的超导探测器以实现高空大气的探测。
本发明实施例提供的基于大光敏面超导单光子探测器的大气参数探测激光雷达主要具有如下优点：
1)将大光敏面的超导单光子探测器应用于高空大气探测激光雷达系统中，从而可通过增大望远镜的面积以实现高空大气参数探测。
2)相比于现有的应用于高空大气探测激光雷达的探测器，大光敏面的超导单光子探测器具有高量子效率、低暗计数、高光子计数率和低的抖动时间(典型值50ps)的优点。因此，采用大光敏面的超导单光子探测器的高空探测激光雷达在距离分辨率、空间分辨率和探测精度上具有更大优势。换句话说，在实现相同探测指标的情况下，采用大光敏面的超导单光子探测器的激光雷达可采用更小口径的望远镜或者更低功率的激光器。
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 (4)

1.一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，其特征在于，包括：激光脉冲产生单元(10)、参考激光提取单元(20)、扩束器(30)、望远镜(40)、光学滤波单元(50)、合束器(01)、光学处理单元(60)、超导探测单元(70)、数据采集单元(80)和后续数据反演和显示单元(90)；其中：
激光脉冲产生单元(10)产生的脉冲光经参考激光提取单元(20)分成探测光和标定频率用的参考光，其中的参考光接入合束器(01)的a端口，探测光经扩束器(30)后发射到探测大气中，探测光与大气相互作用的后向散射信号由望远镜(40)接收，后向散射信号经延时光纤(41)后进入光学滤波单元(50)滤除背景噪声，滤除背景噪声的后向散射信号到达合束器(01)的b端口；参考光和滤除背景噪声的后向散射信号通过延时光纤(41)在时域上分开，并先后进入光学处理单元(60)进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元(70)进行探测，探测的电信号通过数据采集单元(80)进行采集记录，并通过后续数据反演和显示单元(90)反演和显示大气参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，其特征在于，所述超导探测单元(70)为大光敏面超导单光子单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，其特征在于，所述的激光脉冲产生单元(10)包括：激光种子光源(11)、振荡器(12)及激光放大单元(13)；其中：
激光种子光源(11)出射的激光经振荡器(12)制成脉冲光，脉冲光再由激光放大单元(13)进行光放大，放大的光源用于大气探测；
当利用大气分子信号进行高空大气探测时，激光波长选为355nm；当采用气溶胶回波信号进行高空大气参数探测时，激光波长选为1064nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，其特征在于，所述参考激光提取单元(20)包括：分束器(21)和衰减器(22)；其中：
激光经分束器(21)一分为二，其中激光的大部分作为探测光用于大气探测，另外一小部分作为标定频率用的参考光；所述参考光经衰减器(22)衰减至单光子水平。
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