[发明专利]基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达

摘要

本发明公开了一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达。本专利将大光敏面的超导单光子探测器应用于高空大气探测激光雷达系统中，从而可通过增大望远镜的面积以实现高空大气参数探测。相比于现有的应用于高空大气探测激光雷达的探测器，所采用的超导单光子探测器具有大光敏面、好计数率、高量子效率、低暗计数、高光子计数率和低抖动时间的优点。因此，采用大光敏面的超导单光子探测器的高空探测激光雷达在距离分辨率、空间分辨率和探测精度上具有更大优势。换句话说，在实现相同探测指标的情况下，采用大光敏面的超导单光子探测器的激光雷达可采用更小口径的望远镜或者更低功率的激光器。

主权项

1.一种基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达，其特征在于，包括：激光脉冲产生单元(10)、参考激光提取单元(20)、扩束器(30)、望远镜(40)、光学滤波单元(50)、合束器(01)、光学处理单元(60)、超导探测单元(70)、数据采集单元(80)和后续数据反演和显示单元(90)；其中：激光脉冲产生单元(10)产生的脉冲光经参考激光提取单元(20)分成探测光和标定频率用的参考光，其中的参考光接入合束器(01)的a端口，探测光经扩束器(30)后发射到探测大气中，探测光与大气相互作用的后向散射信号由望远镜(40)接收，后向散射信号经延时光纤(41)后进入光学滤波单元(50)滤除背景噪声，滤除背景噪声的后向散射信号到达合束器(01)的b端口；参考光和滤除背景噪声的后向散射信号通过延时光纤(41)在时域上分开，并先后进入光学处理单元(60)进行信息的提取，提取的光学信号由超导探测单元(70)进行探测，探测的电信号通过数据采集单元(80)进行采集记录，并通过后续数据反演和显示单元(90)反演和显示大气参数；望远镜的视场角θ_R大于激光器的视场角θ_T，即θ_R＞θ_T；假设激光器的发射角为θ_laser，扩束器的扩束倍率为M，光束不确定性为θ_u，出射激光器的视场角为：θ_T＝θ_laser/M+θ_u；望远镜的视场角为：θ_R＝a/f，式中，a为光纤的数值孔径，f为望远镜的焦距；望远镜的焦距f表示为：f＝D/2tan[arcsin(NA)]，式中，D为望远镜口径，NA为光纤的数值口径；由上述式子得到：θ_laser/M+θ_u＜2a·tan[arcsin(NA)]/f·D；在光纤的数值口径一定时，焦距越小，望远镜的口径越小，从而不利于高空大气探测，解决的办法是，通过增加光纤的数值孔径以提高望远镜的视场角。