基于上转换单光子探测器的近红外激光能见度仪

摘要

本发明公开了一种基于上转换单光子探测器的近红外波段的激光雷达能见度仪，其包括：发射系统、环形器、望远镜、上转换单光子探测器系统、信号采集和处理系统，激光器输出的光信号波段为近红外波段，望远镜为近红外波段收发一体式望远镜。本发明采用了近红外波段高效低噪声的上转换单光子探测系统作为接收探测系统，解决了基于硅单光子探测器的可见光光源的激光雷达能见度仪系统及基于铟镓砷单光子探测器或超导单光子探测器的近红外光源的激光雷达能见度仪系统所面临的诸多劣势，可以实现高动态范围，体积小，重量轻、便携式的安全的全光纤激光雷达能见度仪。

说明书

技术领域

本发明专利涉及激光雷达领域，尤其涉及基于上转换单光子探测器的近红 外激光能见度仪。

背景技术

近几年来，由于环境污染的不断加重，部分城市的雾霾情况已经开始对居 民的生活健康、出行交通以及机场和高速公路的安全性等造成了巨大的威胁， 因此测量作为衡量大气混浊程度的能见度指标具有重要的实际意义。

基于后向散射的激光雷达能见度仪可以精确的测量大气的能见度，其通过 向大气中发射一束脉冲激光束，所发射的脉冲激光束与空气中的粒子相互作用 将产生背向散射光子，利用望远镜接收信号光束在空气中产生的背向散射光子 并实现探测，从而记录下不同距离(对应的不同的时间)上的背向散射光子数。 通过对不同距离上的背向散射光子数的计算，可以精确的得到大气的衰减系数， 然后通过对衰减系数的分析即可得到大气的能见度指标。基于后向散射的激光 雷达能见度仪可以被广泛的应用与环境监测、高速公路、港口、机场等重要领 域。

目前，传统激光雷达能见度仪的激光光源主要有可见光和近红外两个波段， 基于可见光光源的激光雷达系统多采用高效率的硅单光子探测器最为接收探测 系统，但是其具有以下的缺点：

1.采用可见光波段光源，隐蔽性极差，不利于特殊场合应用。

2.采用可见光波段光源，需要高功率激光光源(高于10毫焦每脉冲)，对人 眼的安全性不高。

而基于近红外光光源的激光雷达系统虽然能非常有效的解决可见光光源面 临的诸多问题，但是其由于近红外接收的探测器性能的限制，同样也面临的以 下的问题：

1.近红外波段中基于铟镓砷单光子探测器的激光雷达能见度仪系统，其低探 测效率限制了系统的可测量动态范围；其工作的门控模式大幅延长了测量时间， 这就限制了系统的数据更新率；其实现的宽谱探测提高了系统噪声，进一步降 低了可测量动态范围。

2.近红外波段中基于超导单光子探测器的激光能见度仪系统，由于超导探测 器需要液氦进行制冷，体积庞大，这就限制了其实用化；其实现的宽谱探测提 高了系统噪声，进一步降低了可测量动态范围。

发明内容

本发明专利的目的就是为了解决所有上述问题，提出了一种基于上转换单 光子探测器的近红外波段的激光雷达能见度仪系统，该系统采用了近红外波段 高效低噪声的上转换单光子探测器作为接收探测系统，由于其高效的探测效率， 在同样的可测动态范围内，大幅降低了对近红外波段的脉冲信号激光光源的功 率要求，便于实现低功率输出的小型化便捷式的近红外全光纤的激光雷达能见 度仪系统。

本发明提供的基于上转换单光子探测器的近红外激光能见度仪，其包括： 发射系统、环形器、望远镜、上转换单光子探测器系统、信号采集和处理系统， 其中：

所述发射系统包括激光器，所述激光器输出的光信号波段为近红外波段， 所述望远镜为近红外波段收发一体式望远镜，

所述环形器设置在所述发射系统与望远镜的光路之间，所述环形器具有输 入端、输出端和第三端，

所述发射系统与望远镜分别通过光纤连接到所述环形器的输入端与输出端，

所述环形器的第三端与所述上转换单光子探测器系统的输入端连接，所述 信号采集和处理系统的输入端与所述上转换单光子探测器系统的输出端连接。

优选地，所述环形器为光纤环形器。

优选地，所述上转换单光子探测器系统包括泵浦种子光源、第一偏振控制 器、第二偏振控制器、波分复用器、周期性极化铌酸锂波导、U型自由空间耦 合器、硅单光子探测器，所述上转换单光子探测器系统的输入端输入的光信号 与泵浦种子光源输出的光信号分别通过所述第一偏振控制器与所述第二偏振控 制器后输入到所述波分复用器，所述波分复用器输出的光信号依次通过所述周 期性极化铌酸锂波导、U型自由空间耦合器后输入到所述硅单光子探测器，所 述U型自由空间耦合器内设置有干涉滤波片，所述波分复用器为与泵浦种子光 源和激光器的输出波长对应的波分复用器，所述周期性极化铌酸锂波导与U型 自由空间耦合器之间采用多模光纤连接，所述周期性极化铌酸锂波导为双端耦 合的周期性极化铌酸锂波导。U型自由空间耦合器也叫多模光纤耦合U-bench。

可替换地，所述上转换单光子探测器系统包括泵浦种子光源、第一偏振控 制器、第二偏振控制器、波分复用器、周期性极化铌酸锂波导、非球面物镜、 DM二向色镜、低通滤波片、带通滤波片、棱镜、硅单光子探测器，所述上转换 单光子探测器系统的输入端与泵浦种子光源输出的光信号分别经过所述第一偏 振控制器与所述第二偏振控制器后输入到所述波分复用器，所述波分复用器输 出的光信号依次通过周期性极化铌酸锂波导、非球面物镜、DM二向色镜、低通 滤波片、带通滤波片和棱镜后输入到所述硅单光子探测器，所述波分复用器为 与泵浦种子光源和激光器的输出波长对应的波分复用器，所述周期性极化铌酸 锂波导为单端耦合的周期性极化铌酸锂波导。

可替换地，所述上转换单光子探测器系统包括泵浦种子光源、第一偏振控 制器、第二偏振控制器、波分复用器、周期性极化铌酸锂波导、非球面物镜、 DM二向色镜、体布拉格光栅、低通滤波片、带通滤波片、硅单光子探测器，所 述上转换单光子探测器系统的输入端与泵浦种子光源输出的光信号分别经过所 述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器后输入到所述波分复用器，所述波分 复用器输出的光信号依次通过周期性极化铌酸锂波导、非球面物镜、DM二向色 镜、体布拉格光栅、低通滤波片和通滤波片后输入到所述硅单光子探测器，所 述波分复用器为与泵浦种子光源和激光器的输出波长对应的波分复用器，所述 周期性极化铌酸锂波导为单端耦合的周期性极化铌酸锂波导。

为了提高光束质量，所述发射系统还包括第一光学放大器和隔离器，所述 第一光学放大器和所述隔离器依次设置在所述激光器与所述环形器之间，所述 泵浦种子光源与所述第二偏振控制器之间设置有第二光学放大器。

优选地，所述激光器为脉冲光纤激光器，所述泵浦种子光源为连续光纤激 光器，所述激光器输出的光信号能量小于200微焦每脉冲，所述望远镜的传输 波段与激光器输出的光信号波长相匹配。

优选地，所述激光器输出的光信号波段为C-band通讯波段，所述泵浦种子 光源输出的光信号波长接近2um；或所述泵浦种子光源输出的光信号波段为 C-band通讯波段，所述激光器输出的光信号波长接近2um。

优选地，所述激光器输出的光信号波长为1550nm，所述第一光学放大器为 掺铒光纤放大器；所述泵浦种子光源输出的光信号波长为1950nm，所述第二光 学放大器为掺铥光纤放大器，所述波分复用器为1950nm/1550nm波分复用器。

可替换地，所述泵浦种子光源输出的光信号波长为1550nm，所述第一光学 放大器为掺铥光纤放大器；所述激光器输出的光信号波长为1950nm，所述第二 光学放大器为掺铒光纤放大器，所述波分复用器为1950nm/1550nm波分复用器。

具体地，所述信号采集和处理系统包括时间数模转换系统和中央处理器， 所述时间数模转换系统的输出端与中央处理器的输入端连接；所述的周期性极 化铌酸锂波导的转换效率不低于99％。

优选地，所述发射系统、环形器、望远镜和上转换单光子探测器系统的各 组件之间均用光纤连接。

C-band通讯波段的波长范围为1530nm～1570nm。

本发明中，低功率的近红外脉冲信号激光光源的输出端通过一个环形器与 近红外波段收发一体望远镜系统相连接，通过收发一体的望远镜系统发射进入 大气，大气中信号光束的背向散射光子经过收发一体的望远镜系统耦合接收重 新进入环形器，从环形器的另一端口输出后接入高效低噪的上转换单光子探测 器进行探测，所探测到的电信号经过后期处理程序进行分析得到大气能见度。

所述的上转换单光子探测器的U型自由空间耦合器的耦合率不低于85％。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用了近红外波段高效低噪声的上转换单光子探测器作为接收探 测系统，由于其高效的探测效率，在同样的可测动态范围内，大幅降低了对近 红外波段的脉冲信号激光光源的功率要求，便于实现低功率输出的小型化便捷 式的近红外全光纤的激光雷达能见度仪系统。

2、本发明解决了基于硅单光子探测器的可见光光源的激光雷达能见度仪系 统及基于铟镓砷单光子探测器或超导单光子探测器的近红外光源的激光雷达能 见度仪系统所面临的诸多劣势，可以实现高动态范围，体积小，重量轻、便携 式的安全的全光纤激光雷达能见度仪。

3、本发明采用C-band通讯波段作为激光探测波段，对人眼安全，且采用 该波段探测极大地提高了能见度探测的隐蔽性，且可与通讯光纤实现无缝连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。

图1是本发明实施例一提供的基于上转换单光子探测器的近红外激光能见 度仪的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的基于上转换单光子探测器的近红外激光能见 度仪的结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的基于上转换单光子探测器的近红外激光能见 度仪的结构示意图；

图中：100-发射系统，101-激光器，102-第一光学放大器，103-隔离器，200- 环形器，300-望远镜，400-上转换单光子探测器系统，401-泵浦种子光源，402- 第一偏振控制器，403-第二偏振控制器，404-波分复用器，405-周期性极化铌酸 锂波导，406-U型自由空间耦合器，407-干涉滤光片，408-硅单光子探测器，409- 第二光学放大器，410-非球面物镜，411-DM二向色镜，412-低通滤波片，413- 带通滤波片，414-棱镜，415-体布拉格光栅，500-信号采集和处理系统，501-时 间数模转换系统，502-中央处理器。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参见图1，本发明实施例一提供了一种基于上转换单光子探测器的近红外 激光能见度仪，发射系统100、环形器200、望远镜300、上转换单光子探测器 系统400、信号采集和处理系统500，其中：

所述发射系统100包括激光器101，所述激光器101输出的光信号波段为近 红外波段，所述望远镜300为近红外波段收发一体式望远镜，

所述环形器200设置在所述发射系统100与望远镜300的光路之间，所述 环形器200具有输入端、输出端和第三端，

所述发射系统100与望远镜300分别通过光纤连接到所述环形器200的输 入端与环形器输出端，

所述环形器200的第三端与所述上转换单光子探测器系统400的输入端连 接，所述信号采集和处理系统500的输入端与所述上转换单光子探测器系统400 的输出端连接。

优选地，所述环形器200为光纤环形器。

其中所述激光器101为信号光源，其出射端口为光纤输出，其输出的端口 通过光学放大器102实现脉冲信号光的放大，脉冲信号光随后经过隔离器103 和环形器200进入近红外波段收发一体望远镜系统300出射进入大气，信号光 的大气散射回波信号经过近红外收发一体望远镜系统300回收进入光纤环形器 200，背向散射信号耦合进入上转换单光子探测系统400进行探测，其输出的电 信号经过时间数模转换器后输入嵌入式计算机进行处理。

所述上转换单光子探测器系统400包括泵浦种子光源401、第一偏振控制器 402、第二偏振控制器403、波分复用器404、周期性极化铌酸锂波导405、U型 自由空间耦合器406、硅单光子探测器408，所述上转换单光子探测器系统400 的输入端输入的光信号与泵浦种子光源401输出的光信号分别通过所述第一偏 振控制器402与所述第二偏振控制器403后输入到所述波分复用器404，所述波 分复用器404输出的光信号依次通过所述周期性极化铌酸锂波导405、U型自由 空间耦合器406后输入到所述硅单光子探测器408，所述U型自由空间耦合器 406内设置有干涉滤波片407，所述波分复用器404为与泵浦种子光源401和激 光器101的输出波长对应的波分复用器，所述周期性极化铌酸锂波导405与U 型自由空间耦合器406之间采用多模光纤连接，所述周期性极化铌酸锂波导405 为双端耦合的周期性极化铌酸锂波导。U型自由空间耦合器也叫多模光纤耦合 U-bench。U型自由空间耦合器406与硅单光子探测器408之间通过多模光纤连 接。

优选地，所述的上转换单光子探测器的U型自由空间耦合器406的耦合率 不低于85％。

所述发射系统100还包括第一光学放大器102和隔离器103，所述第一光学 放大器102和所述隔离器103依次设置在所述激光器101与所述环形器200之 间，所述泵浦种子光源401与所述第二偏振控制器403之间设置有第二光学放 大器409。

优选地，所述激光器101为脉冲光纤激光器，所述泵浦种子光源401为连 续光纤激光器，所述激光器101输出的光信号能量小于200微焦每脉冲，所述 望远镜300的传输波段与激光器101输出的光信号波长相匹配。

优选地，所述激光器101输出的光信号波段为C-band通讯波段，所述泵浦 种子光源401输出的光信号波长接近2um。

优选地，所述激光器101输出的光信号波长为1550nm，所述第一光学放大 器102为掺铒光纤放大器；所述泵浦种子光源401输出的光信号波长为1950nm， 所述第二光学放大器409为掺铥光纤放大器，所述波分复用器404为 1950nm/1550nm波分复用器。

所述信号采集和处理系统500包括时间数模转换系统501和中央处理器502， 所述时间数模转换系统501的输出端与中央处理器502的输入端连接；所述的 周期性极化铌酸锂波导405的转换效率不低于99％。所述信号采集和处理系统 500利用脉冲甄别技术模块实现对探测器输出的电信号进行计数，利用时间数模 转换系统，记录不同时刻对应的计数值，利用软件处理得到不同时刻下的计数 率的衰减信息。

所述发射系统100、环形器200、望远镜300和上转换单光子探测器系统400 的各组件之间均用光纤连接。

所述1950nm泵浦种子光经过掺铥光纤放大器进行放大，经过1950/1550nm 波分复用器耦合进入双端耦合的周期性极化铌酸锂波导与信号光束的背向散射 光子发生非线性和频作用，将信号光束背向散射光子转换为可见光光子。

所述的信号光束背向散射光子经过近红外波段收发一体望远镜系统耦合进 入环形器，经过偏振控制器接入上转换探测器系统，经过1950/1550nm波分复 用器耦合进入双端光纤耦合的周期性极化铌酸锂波导与泵浦光源发生非线性和 频作用，被转换为可见光光子。

所述的双端光纤耦合周期性极化铌酸锂波导为单模光纤输入，多模光纤输 出。其输出的和频可见光光子经过U型自由空间耦合器406以及干涉滤波片滤 除非线性噪声，接入硅单光子探测器进行探测计数。

所述U型自由空间耦合器406为多模光纤输入，多模光纤输出。

在上述实施例中，优选的，所述近红外信号光激光器为光纤激光器，其发 射波长接近1.5微米。

在本实施例中，所有的器件均为光纤器件，所实现的能见度仪为全光纤器 件的能见度仪。

实施例的具体实现方法如下：

1、如图1所示，连接上转换单光子探测系统400的光路。先后打开上转换 单光子探测系统的泵浦种子光源401的激光器及掺铥光纤放大器，将泵浦信号 光输入至双端耦合的周期性极化铌酸锂波导，打开近红外信号光激光器，将其 直接通过偏振控制器接入至双端耦合的周期性极化铌酸锂波导。

2、通过调节两个偏振控制器，找到双端耦合周期性极化铌酸锂波导的最优 匹配点，使得U型自由空间耦合器406的输出端和频可见光光强最大，从而使 得上转换单光子探测系统的波导转换效率达到最优。

3、如图1所示连接好光路，打开激光器101和第一光学放大器102，激光 器101输出的光为近红外信号光，将近红外信号光通过隔离器103和环形器200 后输入至近红外收发一体望远镜发射进入大气，信号光束在大气中的背向散射 光子被收集进入上转换单光子探测系统400，调节近红外收发一体望远镜使得上 转换探测系统的探测计数达到最大值。探测输出的电信号接入时间数模转换器 501和计算机，进行相应处理得到大气能见度指标。

实施例二：

请参见图2，本发明实施例二提供了一种基于上转换单光子探测器的近红外 激光能见度仪，发射系统100、环形器200、望远镜300、上转换单光子探测器 系统400、信号采集和处理系统500，其中：

所述发射系统100包括激光器101，所述激光器101输出的光信号波段为近 红外波段，

所述环形器200设置在所述发射系统100与望远镜300的光路之间，所述 环形器200具有输入端、输出端和第三端，

所述发射系统100与望远镜300分别通过光纤连接到所述环形器200的输 入端与输出端，

所述环形器200的第三端与所述上转换单光子探测器系统400的输入端连 接，所述信号采集和处理系统500的输入端与所述上转换单光子探测器系统400 的输出端连接。

优选地，所述环形器200为光纤环形器。

所述上转换单光子探测器系统400包括泵浦种子光源401、第一偏振控制器 402、第二偏振控制器403、波分复用器404、周期性极化铌酸锂波导405、非球 面物镜410、DM二向色镜411、低通滤波片412、带通滤波片413、棱镜414、 硅单光子探测器408，所述上转换单光子探测器系统400的输入端与泵浦种子光 源401输出的光信号分别经过所述第一偏振控制器402与所述第二偏振控制器 403后输入到所述波分复用器404，所述波分复用器404输出的光信号依次通过 周期性极化铌酸锂波导405、非球面物镜410、DM二向色镜411、低通滤波片 412、带通滤波片413和棱镜414后输入到所述硅单光子探测器408，所述波分 复用器404为与泵浦种子光源401和激光器101的输出波长对应的波分复用器， 所述周期性极化铌酸锂波导405为单端耦合的周期性极化铌酸锂波导。

所述发射系统100还包括第一光学放大器102和隔离器103，所述第一光学 放大器102和所述隔离器103依次设置在所述激光器101与所述环形器200之 间，所述泵浦种子光源401与所述第二偏振控制器403之间设置有第二光学放 大器409。

优选地，所述激光器101为脉冲光纤激光器，所述泵浦种子光源401为连 续光纤激光器，所述激光器101输出的光信号能量小于200微焦每脉冲，所述 望远镜300的传输波段与激光器101输出的光信号波长相匹配。

所述泵浦种子光源401输出的光信号波段为C-band通讯波段，所述激光器 101输出的光信号波长接近2um。

所述泵浦种子光源401输出的光信号波长为1550nm，所述第一光学放大器 102为掺铥光纤放大器；所述激光器101输出的光信号波长为1950nm，所述第 二光学放大器409为掺铒光纤放大器，所述波分复用器404为1950nm/1550nm 波分复用器。

所述信号采集和处理系统500包括时间数模转换系统501和中央处理器502， 所述时间数模转换系统501的输出端与中央处理器502的输入端连接；所述的 周期性极化铌酸锂波导405的转换效率不低于99％。

实施例三：

请参见图3，本发明实施例三提供了一种基于上转换单光子探测器的近红外 激光能见度仪，发射系统100、环形器200、望远镜300、上转换单光子探测器 系统400、信号采集和处理系统500，其中：

所述发射系统100包括激光器101，所述激光器101输出的光信号波段为近 红外波段，

所述环形器200设置在所述发射系统100与望远镜300的光路之间，所述 环形器200具有输入端、输出端和第三端，

所述发射系统100与望远镜300分别通过光纤连接到所述环形器200的输 入端与输出端，

所述环形器200的第三端与所述上转换单光子探测器系统400的输入端连 接，所述信号采集和处理系统500的输入端与所述上转换单光子探测器系统400 的输出端连接。

优选地，所述环形器200为光纤环形器。

所述上转换单光子探测器系统400包括泵浦种子光源401、第一偏振控制器 402、第二偏振控制器403、波分复用器404、周期性极化铌酸锂波导405、非球 面物镜410、DM二向色镜411、体布拉格光栅415、低通滤波片412、带通滤波 片413、硅单光子探测器408，所述上转换单光子探测器系统400的输入端与泵 浦种子光源401输出的光信号分别经过所述第一偏振控制器402与所述第二偏 振控制器403后输入到所述波分复用器404，所述波分复用器404输出的光信号 依次通过周期性极化铌酸锂波导405、非球面物镜410、DM二向色镜411、体 布拉格光栅415、低通滤波片412和通滤波片413后输入到所述硅单光子探测器 408，所述波分复用器404为与泵浦种子光源401和激光器101的输出波长对应 的波分复用器，所述周期性极化铌酸锂波导405为单端耦合的周期性极化铌酸 锂波导。

所述发射系统100还包括第一光学放大器102和隔离器103，所述第一光学 放大器102和所述隔离器103依次设置在所述激光器101与所述环形器200之 间，所述泵浦种子光源401与所述第二偏振控制器403之间设置有第二光学放 大器409。

优选地，所述激光器101为脉冲光纤激光器，所述泵浦种子光源401为连 续光纤激光器，所述激光器101输出的光信号能量小于200微焦每脉冲，所述 望远镜300的传输波段与激光器101输出的光信号波长相匹配。

所述泵浦种子光源401输出的光信号波段为C-band通讯波段，所述激光器 101输出的光信号波长接近2um。

所述泵浦种子光源401输出的光信号波长为1550nm，所述第一光学放大器 102为掺铥光纤放大器；所述激光器101输出的光信号波长为1950nm，所述第 二光学放大器409为掺铒光纤放大器，所述波分复用器404为1950nm/1550nm 波分复用器。

所述信号采集和处理系统500包括时间数模转换系统501和中央处理器502， 所述时间数模转换系统501的输出端与中央处理器502的输入端连接；所述的 周期性极化铌酸锂波导405的转换效率不低于99％。

实施本发明实施例一、二、三，具有如下有益效果：

1、本发明采用了近红外波段高效低噪声的上转换单光子探测器作为接收探 测系统，由于其高效的探测效率，在同样的可测动态范围内，大幅降低了对近 红外波段的脉冲信号激光光源的功率要求，便于实现低功率输出的小型化便捷 式的近红外全光纤的激光雷达能见度仪系统。

2、本发明解决了基于硅单光子探测器的可见光光源的激光雷达能见度仪系 统及基于铟镓砷单光子探测器或超导单光子探测器的近红外光源的激光雷达能 见度仪系统所面临的诸多劣势，可以实现高动态范围，体积小，重量轻、便携 式的安全的全光纤激光雷达能见度仪。

3、本发明采用C-band通讯波段作为激光探测波段，对人眼安全，且采用 该波段探测极大地提高了能见度探测的隐蔽性，且可与通讯光纤实现无缝连接。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这 些改进和润饰也视为本发明的保护范围。