基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外波段的激光雷達(dá)能見度儀，其包括：發(fā)射系統(tǒng)、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)、信號采集和處理系統(tǒng)，激光器輸出的光信號波段為近紅外波段，望遠(yuǎn)鏡為近紅外波段收發(fā)一體式望遠(yuǎn)鏡。本發(fā)明采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)作為接收探測系統(tǒng)，解決了基于硅單光子探測器的可見光光源的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)及基于銦鎵砷單光子探測器或超導(dǎo)單光子探測器的近紅外光源的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)所面臨的諸多劣勢，可以實現(xiàn)高動態(tài)范圍，體積小，重量輕、便攜式的安全的全光纖激光雷達(dá)能見度儀。
【專利說明】基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域，尤其涉及基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀。

【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，由于環(huán)境污染的不斷加重，部分城市的霧霾情況已經(jīng)開始對居民的生活健康、出行交通以及機(jī)場和高速公路的安全性等造成了巨大的威脅，因此測量作為衡量大氣混濁程度的能見度指標(biāo)具有重要的實際意義。
[0003]基于后向散射的激光雷達(dá)能見度儀可以精確的測量大氣的能見度，其通過向大氣中發(fā)射一束脈沖激光束，所發(fā)射的脈沖激光束與空氣中的粒子相互作用將產(chǎn)生背向散射光子，利用望遠(yuǎn)鏡接收信號光束在空氣中產(chǎn)生的背向散射光子并實現(xiàn)探測，從而記錄下不同距離(對應(yīng)的不同的時間)上的背向散射光子數(shù)。通過對不同距離上的背向散射光子數(shù)的計算，可以精確的得到大氣的衰減系數(shù)，然后通過對衰減系數(shù)的分析即可得到大氣的能見度指標(biāo)?；诤笙蛏⑸涞募す饫走_(dá)能見度儀可以被廣泛的應(yīng)用與環(huán)境監(jiān)測、高速公路、港口、機(jī)場等重要領(lǐng)域。
[0004]目前，傳統(tǒng)激光雷達(dá)能見度儀的激光光源主要有可見光和近紅外兩個波段，基于可見光光源的激光雷達(dá)系統(tǒng)多采用高效率的硅單光子探測器最為接收探測系統(tǒng)，但是其具有以下的缺點:
[0005]1.采用可見光波段光源，隱蔽性極差，不利于特殊場合應(yīng)用。
[0006]2.采用可見光波段光源，需要高功率激光光源(高于10毫焦每脈沖)，對人眼的安全性不高。
[0007]而基于近紅外光光源的激光雷達(dá)系統(tǒng)雖然能非常有效的解決可見光光源面臨的諸多問題，但是其由于近紅外接收的探測器性能的限制，同樣也面臨的以下的問題:
[0008]1.近紅外波段中基于銦鎵砷單光子探測器的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)，其低探測效率限制了系統(tǒng)的可測量動態(tài)范圍；其工作的門控模式大幅延長了測量時間，這就限制了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新率；其實現(xiàn)的寬譜探測提高了系統(tǒng)噪聲，進(jìn)一步降低了可測量動態(tài)范圍。
[0009]2.近紅外波段中基于超導(dǎo)單光子探測器的激光能見度儀系統(tǒng)，由于超導(dǎo)探測器需要液氦進(jìn)行制冷，體積龐大，這就限制了其實用化；其實現(xiàn)的寬譜探測提高了系統(tǒng)噪聲，進(jìn)一步降低了可測量動態(tài)范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明專利的目的就是為了解決所有上述問題，提出了一種基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外波段的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測器作為接收探測系統(tǒng)，由于其高效的探測效率，在同樣的可測動態(tài)范圍內(nèi)，大幅降低了對近紅外波段的脈沖信號激光光源的功率要求，便于實現(xiàn)低功率輸出的小型化便捷式的近紅外全光纖的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明提供的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其包括:發(fā)射系統(tǒng)、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)、信號采集和處理系統(tǒng)，其中:
[0012]所述發(fā)射系統(tǒng)包括激光器，所述激光器輸出的光信號波段為近紅外波段，所述望遠(yuǎn)鏡為近紅外波段收發(fā)一體式望遠(yuǎn)鏡，
[0013]所述環(huán)形器設(shè)置在所述發(fā)射系統(tǒng)與望遠(yuǎn)鏡的光路之間，所述環(huán)形器具有輸入端、輸出端和第三端，
[0014]所述發(fā)射系統(tǒng)與望遠(yuǎn)鏡分別通過光纖連接到所述環(huán)形器的輸入端與輸出端，
[0015]所述環(huán)形器的第三端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)的輸入端連接，所述信號采集和處理系統(tǒng)的輸入端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)的輸出端連接。
[0016]優(yōu)選地，所述環(huán)形器為光纖環(huán)形器。
[0017]優(yōu)選地，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)包括泵浦種子光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分復(fù)用器、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、U型自由空間耦合器、硅單光子探測器，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)的輸入端輸入的光信號與泵浦種子光源輸出的光信號分別通過所述第一偏振控制器與所述第二偏振控制器后輸入到所述波分復(fù)用器，所述波分復(fù)用器輸出的光信號依次通過所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、U型自由空間耦合器后輸入到所述硅單光子探測器，所述U型自由空間耦合器內(nèi)設(shè)置有干涉濾波片，所述波分復(fù)用器為與泵浦種子光源和激光器的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)與U型自由空間耦合器之間采用多模光纖連接，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)為雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。U型自由空間耦合器也叫多模光纖耦合u-bench。
[0018]可替換地，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)包括泵浦種子光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分復(fù)用器、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、非球面物鏡、DM 二向色鏡、低通濾波片、帶通濾波片、棱鏡、硅單光子探測器，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)的輸入端與泵浦種子光源輸出的光信號分別經(jīng)過所述第一偏振控制器與所述第二偏振控制器后輸入到所述波分復(fù)用器，所述波分復(fù)用器輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、非球面物鏡、DM 二向色鏡、低通濾波片、帶通濾波片和棱鏡后輸入到所述硅單光子探測器，所述波分復(fù)用器為與泵浦種子光源和激光器的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
[0019]可替換地，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)包括泵浦種子光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分復(fù)用器、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、非球面物鏡、DM 二向色鏡、體布拉格光柵、低通濾波片、帶通濾波片、硅單光子探測器，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)的輸入端與泵浦種子光源輸出的光信號分別經(jīng)過所述第一偏振控制器與所述第二偏振控制器后輸入到所述波分復(fù)用器，所述波分復(fù)用器輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、非球面物鏡、DM 二向色鏡、體布拉格光柵、低通濾波片和通濾波片后輸入到所述硅單光子探測器，所述波分復(fù)用器為與泵浦種子光源和激光器的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
[0020]為了提高光束質(zhì)量，所述發(fā)射系統(tǒng)還包括第一光學(xué)放大器和隔離器，所述第一光學(xué)放大器和所述隔離器依次設(shè)置在所述激光器與所述環(huán)形器之間，所述泵浦種子光源與所述第二偏振控制器之間設(shè)置有第二光學(xué)放大器。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述激光器為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源為連續(xù)光纖激光器，所述激光器輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠(yuǎn)鏡的傳輸波段與激光器輸出的光信號波長相匹配。
[0022]優(yōu)選地，所述激光器輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述泵浦種子光源輸出的光信號波長接近2um ;或所述泵浦種子光源輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器輸出的光信號波長接近2um。
[0023]優(yōu)選地，所述激光器輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學(xué)放大器為摻鉺光纖放大器；所述泵浦種子光源輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器為摻錢光纖放大器，所述波分復(fù)用器為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
[0024]可替換地，所述泵浦種子光源輸出的光信號波長為1550nm，所述第一光學(xué)放大器為摻錢光纖放大器；所述激光器輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器為摻鉺光纖放大器，所述波分復(fù)用器為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
[0025]具體地，所述信號采集和處理系統(tǒng)包括時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和中央處理器，所述時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出端與中央處理器的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換效率不低于99%。
[0026]優(yōu)選地，所述發(fā)射系統(tǒng)、環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡和上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)的各組件之間均用光纖連接。
[0027]C-band通訊波段的波長范圍為1530nm?1570nm。
[0028]本發(fā)明中，低功率的近紅外脈沖信號激光光源的輸出端通過一個環(huán)形器與近紅外波段收發(fā)一體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)相連接，通過收發(fā)一體的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)發(fā)射進(jìn)入大氣，大氣中信號光束的背向散射光子經(jīng)過收發(fā)一體的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)耦合接收重新進(jìn)入環(huán)形器，從環(huán)形器的另一端口輸出后接入高效低噪的上轉(zhuǎn)換單光子探測器進(jìn)行探測，所探測到的電信號經(jīng)過后期處理程序進(jìn)行分析得到大氣能見度。
[0029]所述的上轉(zhuǎn)換單光子探測器的U型自由空間耦合器的耦合率不低于85%。
[0030]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0031]1、本發(fā)明采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測器作為接收探測系統(tǒng)，由于其高效的探測效率，在同樣的可測動態(tài)范圍內(nèi)，大幅降低了對近紅外波段的脈沖信號激光光源的功率要求，便于實現(xiàn)低功率輸出的小型化便捷式的近紅外全光纖的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)。
[0032]2、本發(fā)明解決了基于硅單光子探測器的可見光光源的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)及基于銦鎵砷單光子探測器或超導(dǎo)單光子探測器的近紅外光源的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)所面臨的諸多劣勢，可以實現(xiàn)高動態(tài)范圍，體積小，重量輕、便攜式的安全的全光纖激光雷達(dá)能見度儀。
[0033]3、本發(fā)明采用C-band通訊波段作為激光探測波段，對人眼安全，且采用該波段探測極大地提高了能見度探測的隱蔽性，且可與通訊光纖實現(xiàn)無縫連接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案和優(yōu)點，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。
[0035]圖1是本發(fā)明實施例一提供的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0036]圖2是本發(fā)明實施例二提供的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0037]圖3是本發(fā)明實施例三提供的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0038]圖中:100-發(fā)射系統(tǒng)，101-激光器，102-第一光學(xué)放大器，103-隔離器，200-環(huán)形器，300-望遠(yuǎn)鏡，400-上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)，401-泵浦種子光源，402-第一偏振控制器，403-第二偏振控制器，404-波分復(fù)用器，405-周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)，406-U型自由空間耦合器，407-干涉濾光片，408-硅單光子探測器，409-第二光學(xué)放大器，410-非球面物鏡，411-DM 二向色鏡，412-低通濾波片，413-帶通濾波片，414-棱鏡，415-體布拉格光柵，500-信號采集和處理系統(tǒng)，501-時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，502-中央處理器。

【具體實施方式】
[0039]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0040]實施例一:
[0041]請參見圖1，本發(fā)明實施例一提供了一種基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，發(fā)射系統(tǒng)100、環(huán)形器200、望遠(yuǎn)鏡300、上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400、信號采集和處理系統(tǒng)500，其中:
[0042]所述發(fā)射系統(tǒng)100包括激光器101，所述激光器101輸出的光信號波段為近紅外波段，所述望遠(yuǎn)鏡300為近紅外波段收發(fā)一體式望遠(yuǎn)鏡，
[0043]所述環(huán)形器200設(shè)置在所述發(fā)射系統(tǒng)100與望遠(yuǎn)鏡300的光路之間，所述環(huán)形器200具有輸入端、輸出端和第三端，
[0044]所述發(fā)射系統(tǒng)100與望遠(yuǎn)鏡300分別通過光纖連接到所述環(huán)形器200的輸入端與環(huán)形器輸出端，
[0045]所述環(huán)形器200的第三端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸入端連接，所述信號采集和處理系統(tǒng)500的輸入端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸出端連接。
[0046]優(yōu)選地，所述環(huán)形器200為光纖環(huán)形器。
[0047]其中所述激光器101為信號光源,其出射端口為光纖輸出，其輸出的端口通過光學(xué)放大器102實現(xiàn)脈沖信號光的放大，脈沖信號光隨后經(jīng)過隔離器103和環(huán)形器200進(jìn)入近紅外波段收發(fā)一體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)300出射進(jìn)入大氣，信號光的大氣散射回波信號經(jīng)過近紅外收發(fā)一體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)300回收進(jìn)入光纖環(huán)形器200，背向散射信號耦合進(jìn)入上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)400進(jìn)行探測，其輸出的電信號經(jīng)過時間數(shù)模轉(zhuǎn)換器后輸入嵌入式計算機(jī)進(jìn)行處理。
[0048]所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400包括泵浦種子光源401、第一偏振控制器402、第二偏振控制器403、波分復(fù)用器404、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405、U型自由空間耦合器406、硅單光子探測器408，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸入端輸入的光信號與泵浦種子光源401輸出的光信號分別通過所述第一偏振控制器402與所述第二偏振控制器403后輸入到所述波分復(fù)用器404，所述波分復(fù)用器404輸出的光信號依次通過所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405、U型自由空間耦合器406后輸入到所述硅單光子探測器408，所述U型自由空間耦合器406內(nèi)設(shè)置有干涉濾波片407，所述波分復(fù)用器404為與泵浦種子光源401和激光器101的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405與U型自由空間耦合器406之間采用多模光纖連接，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405為雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。U型自由空間耦合器也叫多模光纖耦合U-bench。U型自由空間耦合器406與硅單光子探測器408之間通過多模光纖連接。
[0049]優(yōu)選地，所述的上轉(zhuǎn)換單光子探測器的U型自由空間耦合器406的耦合率不低于85%。
[0050]所述發(fā)射系統(tǒng)100還包括第一光學(xué)放大器102和隔離器103,所述第一光學(xué)放大器102和所述隔離器103依次設(shè)置在所述激光器101與所述環(huán)形器200之間，所述泵浦種子光源401與所述第二偏振控制器403之間設(shè)置有第二光學(xué)放大器409。
[0051]優(yōu)選地，所述激光器101為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源401為連續(xù)光纖激光器，所述激光器101輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠(yuǎn)鏡300的傳輸波段與激光器101輸出的光信號波長相匹配。
[0052]優(yōu)選地，所述激光器101輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長接近2um。
[0053]優(yōu)選地,所述激光器101輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學(xué)放大器102為摻鉺光纖放大器；所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器409為摻錢光纖放大器,所述波分復(fù)用器404為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
[0054]所述信號采集和處理系統(tǒng)500包括時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)501和中央處理器502，所述時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)501的輸出端與中央處理器502的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405的轉(zhuǎn)換效率不低于99%。所述信號采集和處理系統(tǒng)500利用脈沖甄別技術(shù)模塊實現(xiàn)對探測器輸出的電信號進(jìn)行計數(shù)，利用時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，記錄不同時刻對應(yīng)的計數(shù)值，利用軟件處理得到不同時刻下的計數(shù)率的衰減信息。
[0055]所述發(fā)射系統(tǒng)100、環(huán)形器200、望遠(yuǎn)鏡300和上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的各組件之間均用光纖連接。
[0056]所述1950nm泵浦種子光經(jīng)過摻銩光纖放大器進(jìn)行放大，經(jīng)過1950/1550nm波分復(fù)用器耦合進(jìn)入雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)與信號光束的背向散射光子發(fā)生非線性和頻作用，將信號光束背向散射光子轉(zhuǎn)換為可見光光子。
[0057]所述的信號光束背向散射光子經(jīng)過近紅外波段收發(fā)一體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)耦合進(jìn)入環(huán)形器，經(jīng)過偏振控制器接入上轉(zhuǎn)換探測器系統(tǒng)，經(jīng)過1950/1550nm波分復(fù)用器耦合進(jìn)入雙端光纖耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)與泵浦光源發(fā)生非線性和頻作用，被轉(zhuǎn)換為可見光光子。
[0058]所述的雙端光纖耦合周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)為單模光纖輸入，多模光纖輸出。其輸出的和頻可見光光子經(jīng)過U型自由空間耦合器406以及干涉濾波片濾除非線性噪聲，接入硅單光子探測器進(jìn)行探測計數(shù)。
[0059]所述U型自由空間I禹合器406為多模光纖輸入,多模光纖輸出。
[0060]在上述實施例中，優(yōu)選的，所述近紅外信號光激光器為光纖激光器，其發(fā)射波長接近1.5微米。
[0061]在本實施例中，所有的器件均為光纖器件，所實現(xiàn)的能見度儀為全光纖器件的能見度儀。
[0062]實施例的具體實現(xiàn)方法如下:
[0063]1、如圖1所示，連接上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)400的光路。先后打開上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)的泵浦種子光源401的激光器及摻銩光纖放大器，將泵浦信號光輸入至雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)，打開近紅外信號光激光器，將其直接通過偏振控制器接入至雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
[0064]2、通過調(diào)節(jié)兩個偏振控制器，找到雙端耦合周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)的最優(yōu)匹配點，使得U型自由空間耦合器406的輸出端和頻可見光光強(qiáng)最大，從而使得上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最優(yōu)。
[0065]3、如圖1所不連接好光路,打開激光器101和第一光學(xué)放大器102,激光器101輸出的光為近紅外信號光，將近紅外信號光通過隔離器103和環(huán)形器200后輸入至近紅外收發(fā)一體望遠(yuǎn)鏡發(fā)射進(jìn)入大氣，信號光束在大氣中的背向散射光子被收集進(jìn)入上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)400，調(diào)節(jié)近紅外收發(fā)一體望遠(yuǎn)鏡使得上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)的探測計數(shù)達(dá)到最大值。探測輸出的電信號接入時間數(shù)模轉(zhuǎn)換器501和計算機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)處理得到大氣能見度指標(biāo)。
[0066]實施例二:
[0067]請參見圖2，本發(fā)明實施例二提供了一種基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，發(fā)射系統(tǒng)100、環(huán)形器200、望遠(yuǎn)鏡300、上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400、信號采集和處理系統(tǒng)500，其中:
[0068]所述發(fā)射系統(tǒng)100包括激光器101，所述激光器101輸出的光信號波段為近紅外波段，
[0069]所述環(huán)形器200設(shè)置在所述發(fā)射系統(tǒng)100與望遠(yuǎn)鏡300的光路之間，所述環(huán)形器200具有輸入端、輸出端和第三端，
[0070]所述發(fā)射系統(tǒng)100與望遠(yuǎn)鏡300分別通過光纖連接到所述環(huán)形器200的輸入端與輸出端，
[0071]所述環(huán)形器200的第三端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸入端連接，所述信號采集和處理系統(tǒng)500的輸入端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸出端連接。
[0072]優(yōu)選地，所述環(huán)形器200為光纖環(huán)形器。
[0073]所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400包括泵浦種子光源401、第一偏振控制器402、第二偏振控制器403、波分復(fù)用器404、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、低通濾波片412、帶通濾波片413、棱鏡414、硅單光子探測器408，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸入端與泵浦種子光源401輸出的光信號分別經(jīng)過所述第一偏振控制器402與所述第二偏振控制器403后輸入到所述波分復(fù)用器404，所述波分復(fù)用器404輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、低通濾波片412、帶通濾波片413和棱鏡414后輸入到所述硅單光子探測器408，所述波分復(fù)用器404為與泵浦種子光源401和激光器101的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
[0074]所述發(fā)射系統(tǒng)100還包括第一光學(xué)放大器102和隔離器103,所述第一光學(xué)放大器102和所述隔離器103依次設(shè)置在所述激光器101與所述環(huán)形器200之間，所述泵浦種子光源401與所述第二偏振控制器403之間設(shè)置有第二光學(xué)放大器409。
[0075]優(yōu)選地，所述激光器101為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源401為連續(xù)光纖激光器，所述激光器101輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠(yuǎn)鏡300的傳輸波段與激光器101輸出的光信號波長相匹配。
[0076]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器101輸出的光信號波長接近2um。
[0077]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學(xué)放大器102為摻錢光纖放大器；所述激光器101輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器409為摻鉺光纖放大器，所述波分復(fù)用器404為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
[0078]所述信號采集和處理系統(tǒng)500包括時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)501和中央處理器502，所述時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)501的輸出端與中央處理器502的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405的轉(zhuǎn)換效率不低于99%。
[0079]實施例三:
[0080]請參見圖3，本發(fā)明實施例三提供了一種基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，發(fā)射系統(tǒng)100、環(huán)形器200、望遠(yuǎn)鏡300、上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400、信號采集和處理系統(tǒng)500，其中:
[0081]所述發(fā)射系統(tǒng)100包括激光器101，所述激光器101輸出的光信號波段為近紅外波段，
[0082]所述環(huán)形器200設(shè)置在所述發(fā)射系統(tǒng)100與望遠(yuǎn)鏡300的光路之間，所述環(huán)形器200具有輸入端、輸出端和第三端，
[0083]所述發(fā)射系統(tǒng)100與望遠(yuǎn)鏡300分別通過光纖連接到所述環(huán)形器200的輸入端與輸出端，
[0084]所述環(huán)形器200的第三端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸入端連接，所述信號采集和處理系統(tǒng)500的輸入端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸出端連接。
[0085]優(yōu)選地，所述環(huán)形器200為光纖環(huán)形器。
[0086]所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400包括泵浦種子光源401、第一偏振控制器402、第二偏振控制器403、波分復(fù)用器404、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、體布拉格光柵415、低通濾波片412、帶通濾波片413、硅單光子探測器408，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)400的輸入端與泵浦種子光源401輸出的光信號分別經(jīng)過所述第一偏振控制器402與所述第二偏振控制器403后輸入到所述波分復(fù)用器404，所述波分復(fù)用器404輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、體布拉格光柵415、低通濾波片412和通濾波片413后輸入到所述硅單光子探測器408，所述波分復(fù)用器404為與泵浦種子光源401和激光器101的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
[0087]所述發(fā)射系統(tǒng)100還包括第一光學(xué)放大器102和隔離器103,所述第一光學(xué)放大器102和所述隔離器103依次設(shè)置在所述激光器101與所述環(huán)形器200之間，所述泵浦種子光源401與所述第二偏振控制器403之間設(shè)置有第二光學(xué)放大器409。
[0088]優(yōu)選地，所述激光器101為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源401為連續(xù)光纖激光器，所述激光器101輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠(yuǎn)鏡300的傳輸波段與激光器101輸出的光信號波長相匹配。
[0089]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器101輸出的光信號波長接近2um。
[0090]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學(xué)放大器102為摻錢光纖放大器；所述激光器101輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器409為摻鉺光纖放大器，所述波分復(fù)用器404為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
[0091]所述信號采集和處理系統(tǒng)500包括時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)501和中央處理器502，所述時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)501的輸出端與中央處理器502的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)405的轉(zhuǎn)換效率不低于99%。
[0092]實施本發(fā)明實施例一、二、三，具有如下有益效果:
[0093]1、本發(fā)明采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測器作為接收探測系統(tǒng)，由于其高效的探測效率，在同樣的可測動態(tài)范圍內(nèi)，大幅降低了對近紅外波段的脈沖信號激光光源的功率要求，便于實現(xiàn)低功率輸出的小型化便捷式的近紅外全光纖的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)。
[0094]2、本發(fā)明解決了基于硅單光子探測器的可見光光源的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)及基于銦鎵砷單光子探測器或超導(dǎo)單光子探測器的近紅外光源的激光雷達(dá)能見度儀系統(tǒng)所面臨的諸多劣勢，可以實現(xiàn)高動態(tài)范圍，體積小，重量輕、便攜式的安全的全光纖激光雷達(dá)能見度儀。
[0095]3、本發(fā)明采用C-band通訊波段作為激光探測波段，對人眼安全，且采用該波段探測極大地提高了能見度探測的隱蔽性，且可與通訊光纖實現(xiàn)無縫連接。
[0096]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，包括:發(fā)射系統(tǒng)(100)、環(huán)形器(200)、望遠(yuǎn)鏡(300)、上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)、信號采集和處理系統(tǒng)(500)，其中: 所述發(fā)射系統(tǒng)(100)包括激光器(101)，所述激光器(101)輸出的光信號波段為近紅外波段，所述望遠(yuǎn)鏡(300)為近紅外波段收發(fā)一體式望遠(yuǎn)鏡， 所述環(huán)形器(200)設(shè)置在所述發(fā)射系統(tǒng)(100)與望遠(yuǎn)鏡(300)的光路之間，所述環(huán)形器(200)具有輸入端、輸出端和第三端， 所述發(fā)射系統(tǒng)(100)與望遠(yuǎn)鏡(300)分別通過光纖連接到所述環(huán)形器(200)的輸入端與輸出端， 所述環(huán)形器(200)的第三端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)的輸入端連接，所述信號采集和處理系統(tǒng)(500)的輸入端與所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)的輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)包括泵浦種子光源(401)、第一偏振控制器(402)、第二偏振控制器(403)、波分復(fù)用器(404)、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)、U型自由空間耦合器(406)、硅單光子探測器(408)，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)的輸入端輸入的光信號與泵浦種子光源(401)輸出的光信號分別通過所述第一偏振控制器(402)與所述第二偏振控制器(403)后輸入到所述波分復(fù)用器(404)，所述波分復(fù)用器(404)輸出的光信號依次通過所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)、U型自由空間耦合器(406)后輸入到所述硅單光子探測器(408)，所述U型自由空間耦合器(406)內(nèi)設(shè)置有干涉濾波片(407)，所述波分復(fù)用器(404)為與泵浦種子光源(401)和激光器(101)的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)與U型自由空間耦合器(406)之間采用多模光纖連接，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)為雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)包括泵浦種子光源(401)、第一偏振控制器(402)、第二偏振控制器(403)、波分復(fù)用器(404)、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)、非球面物鏡(410)、DM二向色鏡(411)、低通濾波片(412)、帶通濾波片(413)、棱鏡(414)、硅單光子探測器(408)，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)的輸入端與泵浦種子光源(401)輸出的光信號分別經(jīng)過所述第一偏振控制器(402)與所述第二偏振控制器(403)后輸入到所述波分復(fù)用器(404)，所述波分復(fù)用器(404)輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)、非球面物鏡(410)、DM 二向色鏡(411)、低通濾波片(412)、帶通濾波片(413)和棱鏡(414)后輸入到所述硅單光子探測器(408)，所述波分復(fù)用器(404)為與泵浦種子光源(401)和激光器(101)的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)包括泵浦種子光源(401)、第一偏振控制器(402)、第二偏振控制器(403)、波分復(fù)用器(404)、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)、非球面物鏡(410)、DM 二向色鏡(411)、體布拉格光柵(415)、低通濾波片(412)、帶通濾波片(413)、硅單光子探測器(408)，所述上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)的輸入端與泵浦種子光源(401)輸出的光信號分別經(jīng)過所述第一偏振控制器(402)與所述第二偏振控制器(403)后輸入到所述波分復(fù)用器(404)，所述波分復(fù)用器(404)輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)、非球面物鏡(410)、DM 二向色鏡(411)、體布拉格光柵(415)、低通濾波片(412)和通濾波片(413)后輸入到所述硅單光子探測器(408)，所述波分復(fù)用器(404)為與泵浦種子光源(401)和激光器(101)的輸出波長對應(yīng)的波分復(fù)用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項權(quán)利要求所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述發(fā)射系統(tǒng)(100)還包括第一光學(xué)放大器(102)和隔離器(103)，所述第一光學(xué)放大器(102)和所述隔離器(103)依次設(shè)置在所述激光器(101)與所述環(huán)形器(200)形成的光路之間，所述泵浦種子光源(401)與所述第二偏振控制器(403)形成的光路之間設(shè)置有第二光學(xué)放大器(409)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述激光器(101)為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源(401)為連續(xù)光纖激光器，所述激光器(101)輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖,所述望遠(yuǎn)鏡(300)的傳輸波段與激光器(101)輸出的光信號波長相匹配；其中: 所述激光器(101)輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波長接近2um;或所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器(101)輸出的光信號波長接近2um。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述激光器(101)輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學(xué)放大器(102)為摻鉺光纖放大器；所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器(409)為摻錢光纖放大器，所述波分復(fù)用器(404)為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學(xué)放大器(102)為摻錢光纖放大器；所述激光器(101)輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學(xué)放大器(409)為摻鉺光纖放大器，所述波分復(fù)用器(404)為1950nm/1550nm波分復(fù)用器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述信號采集和處理系統(tǒng)(500)包括時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(501)和中央處理器(502)，所述時間數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(501)的輸出端與中央處理器(502)的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(405)的轉(zhuǎn)換效率不低于99%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項權(quán)利要求所述的基于上轉(zhuǎn)換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述發(fā)射系統(tǒng)(100)、環(huán)形器(200)、望遠(yuǎn)鏡(300)和上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)(400)的各組件之間均用光纖連接。
【文檔編號】G01N21/53GK104390940SQ201410697295
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】張強(qiáng), 夏海云, 潘建偉, 竇賢康, 申屠國樑, 上官明佳 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院