1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用

摘要

单光子探测器作为最精密的测量仪器，可探测到光的最小单元，单个光子。单光子检测技术已广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前，1.5μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器、频率上转换单光子探测器、InGaAs/InP单光子雪崩二极管。1.5μm波段气溶胶激光雷达具有人眼安全，大气透过率高，受瑞利散射干扰小，太阳背景辐射弱的优点。本论文针对这三个探测器的特点，分别研制了不同类型的激光遥感设备。
　　本论文的主要工作如下:
　　1.研制了基于上转换单光子探测器的人眼安全1.5μm微脉冲气溶胶激光雷达。采用高探测效率和超低噪声的上转换单光子探测器，实现了大气回波信号的高信噪比探测。在脉冲能量为110μJ，望远镜口径100mm，时间分辨率5分钟，激光雷达实现了水平距离7km的大气气溶胶探测。在验证实验中，上转换气溶胶激光雷达实现了对大气能见度的昼夜连续24小时的观测。
　　2.研制了1.5μm波段的全光纤、微脉冲、人眼安全的高光谱分辨测风激光雷达。通过采用基于扫描Fabry-Perot干涉仪的高光谱分辨率技术，以及单光子检测技术，同时获得了大气气溶胶谱的频移和谱宽信息。在验证实验中，当时间分辨率1分钟时，水平探测距离达到4km。在距离为1.8km的位置，距离分辨率由30m变换到60m。对比实验中，高光谱分辨测风激光雷达的径向风速测量结果与超声风场传感器Vaisala所得测量结果吻合。根据经验公式，风速的标准偏差在1.8km处为0.76m/s，光谱展宽的标准偏差在1.8km处为2.07MHz。
　　3.研制了基于1.5μm波段的结构紧凑、人眼安全、双边缘直接探测多普勒测风激光雷达。通过采用全光纤保偏结构，保证了光学耦合效率，提高了系统稳定性。通过采用时分复用技术，仅采用单通道Fabry-Peort干涉仪和单通道上转换单光子探测器，实现了双边缘探测技术。校准实验中，系统的相对误差低于0.1％。验证实验中，双边缘测风激光雷达实现了连续48小时的大气的风场和能见度探测。该激光雷达的测量结果与超声测风传感器具有很好的一致性，速度的标准偏差为1.04m/s，方向的标准偏差为12.3°。
　　4.研制了基于自由运行InGaAs/InP单光子探测器的1.5气溶胶激光雷达。针对激光雷达应用，对自由运转单光子探测器探测效率、暗计数率、后脉冲概率、最大计数率进行了优化。通过优化，探测器的最大计数率为1.6Mcps，探测效率10％，暗计数率950cps，后脉冲概率18％。针对InGaAs/InP单光子探测器后脉冲概率大的特点，提出了一种针对后脉冲和计数率修正的算法。在外场实验中，经算法修正后，基于InGaAs/InP单光子探测器的气溶胶激光雷达探测的Pr2与基于超导单光子纳米线探测器探测的结果吻合，相对误差约为2％。
　　5.研制了基于超导纳米线单光子探测器的双频多普勒测风激光雷达。采用双频激光器代替传统的多通道Fabry-Perot干涉仪，实现了激光器和光学鉴频器的高精度锁频。采用高量子效率和低暗计数噪声超导纳米线单光子探测器，提高了探测信噪比，其100Mcps的最大计数率避免了激光雷达的信号饱和现象。采用时分复用技术，基于集成光电子学器件实现不同方向的径向风探测，无机械扫描器件。采用微弱光源、小口径望远镜，在10米高度分辨率、10秒时间分辨率条件下，超导双频激光雷达实现了2.7km高度以下大气的风切变探测。
　　6.研制了基于上转换光子计数探测器和全光纤法布里-珀罗扫描干涉仪的直接探测布里渊时域反射计。由于上转换单光子探测器超低的噪声等效功率，以及Fabry-Perot干涉仪高光谱分辨率的优点，沿保偏光纤的布里渊谱可以直接在光学频域进行分析。采用高光谱分辨方法，同时获得光纤中布里渊散射谱的频移、功率和谱宽信息，实现了分布式温度传感。采用双边缘技术，实现了动态应变的快速探测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 激光雷达的应用方向

1．1．2 星载大气探测激光雷达的发展

1．1．3 1．5μm激光雷达的优势

1．1．4 1．5μm激光雷达的发展

1．2 1．5μm单光子探测器的发展

1．2．1 单光子探测器介绍

1．2．2 1．5μm单光子探测的发展

1．3 本文研究内容

第二章 能见度激光雷达

2．1 大气能见度探测的意义和手段

2．1．1 大气能见度探测的定义

2．1．2 大气能见度探测的意义

2．1．3 能见度探测的手段

2．2 大气能见度反演算法

2．2．1 大气消光系数反演算法

2．2．2 1．5μm能见度反演算法

2．3 基于上转换单光子探测器的1．5μm气溶胶激光雷达

2．3．1 系统结构

2．3．2 核心器件

2．3．3 外场实验

2．4 InGaAs／InP单光子探测器在激光雷达中的应用

2．4．1 基于InGaAs／InP单光子探测器的1．5μm气溶胶激光雷达

2．4．2 InGaAs／Inp单光子探测器的优化

2．4．3 后脉冲和计数率修正算法

2．5 小结

第三章 测风激光雷达

3．1 风速探测的意义和发展

3．1．1 大气风场探测的意义

3．1．2 各类测风设备

3．1．3 相干测风激光雷达综述

3．1．3 直接探测测风激光雷达综述

3．1．4 相干测风激光雷达和直接测风激光雷达的比较

3．2 基于上转换单光子探测器的高光谱分辨测风激光雷达

3．2．1 高光谱分辨测风原理

3．2．2 系统结构

3．2．3 核心器件

3．2．4 外场实验

3．3 基于上转换单光子探测器的双边缘测风激光雷达

3．3．1 单FPI的透射和反射双边缘测风原理

3．3．2 系统结构

3．3．3 激光雷达工作时序

3．3．4 核心器件

3．3．7 外场实验

3．4 基于超导纳米线单光子探测器的双频测风激光雷达

3．4．1 双频直接探测测风原理

3．4．2 系统结构

3．4．3 核心器件

3．4．4 外场实验

3．5 小结

第四章 基于上转换单光子探测器的BOTDR

4．1 分布式光纤传感的意义和发展

4．1．1 分布式光纤传感的意义

4．1．2 分布式光纤传感的发展

4．2 基于高光谱分辨技术的BOTDR

4．2．1 测量原理

4．2．2 系统结构

4．2．3 实验

4．3 基于双边缘技术的高速应力传感BOTDR

4．3．1 测量原理

4．3．2 系统结构

4．3．3 实验

4．4 小结

第五章 总结

参考文献

攻读博士期间取得的科研成果

致谢

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