[发明专利]基于量子上转换原理的相干测风激光雷达及风场探测方法

说明书

本发明公开了基于量子上转换原理的相干测风激光雷达及风场探测方法。相干测风激光雷达包括连续波激光器、光纤分束器、声光调制器、激光放大器、环形器、发射接收望远镜、耦合器、泵浦激光器、上转换波导、探测器、采集卡、数字信号处理模块。本发明通过使用泵浦激光器和上转换波导，将长波光的相干拍频信号转换为短波光的拍频信号，再进行光电探测转换。本发明同时利用了相干探测和直接探测的优点。在相干探测中，利用本振光对单光子回波信号具有的放大作用，并通过窄带相干拍频原理消除背景光噪声；在直接探测中，利用量子上转换波导对光子的频率上转换，将低量子探测效率的长波红外光信号转换为高量子探测效率的短波光信号，提高量子探测效率。提高了相干测风激光雷达的性能，实现相干测风激光雷达对不同波长的覆盖。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于量子上转换原理的相干测风激光雷达及基于量子上转换原理的风场探测方法。

背景技术

在相干探测测风激光雷达领域，1.5μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2012年研制了1.064μm的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。但是，以上传统相干测风激光雷达都只利用了相干拍频原理，以铟镓砷探测器为主要探测器，存在以下问题：

(1)1.5μm铟镓砷平衡探测器的光电响应度普遍在1A/W，相对于量子探测器，光电效率低。

(2)因为相干探测是基于光的波动性的探测，因此更长波长的中远红外光，更适合相干探测的应用，但是中远红外光电探测器尚不成熟。

以上两个问题导致相干测风激光雷达量子效率不高，长波应用不成熟的问题。

在量子探测激光雷达领域，主要分为使用超导探测器和量子上转换探测器两个领域。中电十四所主要研究以超导探测器为主的量子探测激光雷达领域。中国科学技术大学同时研究以量子上转换探测器和超导探测器为主的量子探测激光雷达，并取得部分成果。但是量子探测激光雷达也存在不足：

(1)量子探测属于直接探测方法，相对于相干探测方法，量子探测无法直接探测光子频率变化，需要使用鉴频器，而鉴频器的稳定性和透过率造成量子探测激光雷达的稳定性和整体雷达量子效率低。

(2)量子探测激光雷达在白天会受到天空背景光干扰，需要使用滤波器，而滤波器易受环境变化影响。

(3)量子探测激光雷达对激光器功率稳定性、整机器件的光学透过率稳定性和探测器的稳定性要求高，或这需要引入光功率校准模块，导致雷达系统复杂程度增加。

因此，单相干测风激光雷达或者单量子激光雷达都无法同时兼顾高量子探测效率、全波长适用、受背景光影响小、系统稳定紧凑的需求。

发明内容

为了解决传统相干测风激光雷达的量子探测效率不高的技术问题，本发明提供一种基于量子上转换原理的相干测风激光雷达及基于量子上转换原理的风场探测方法。