[发明专利]基于上转换单光子探测器的近红外激光能见度仪

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。