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中国科大实现综合性能最优的测风激光雷达

发布时间:2017-09-13来源于:中国科学技术大学
    中国科学技术大学窦贤康课题组夏海云与潘建伟课题组张强合作,在国际上首次实现基于超导纳米线单光子探测器的双频多普勒测风激光雷达。采用最精简的光学结构实现了系统最高稳定性,提高了测风激光雷达的实用性和可靠性,更适合机载、星载平台运行。成果发表在国际著名光学期刊《光学学报》。9月6日,美国光学协会(OSA)、美国科学促进会(AAAS)官方网站以“新闻发布(News Release)”形式,首次对我国激光雷达研究进行了专题采访报道。

团队成员窦贤康(中)、上官明佳(左)、夏海云(右)与双频超导测风激光雷达

测风激光雷达具有广泛的社会效益,如精确的大气风场数据可应用于大气污染溯源和扩散预报、航空气象保障、气象气候学研究、风电系统的管理和调配等,此外还可应用于军事。

当采用更短激光脉冲提高多普勒激光雷达的距离分辨率时,传统相干探测激光雷达的相干效率就会下降,实时数据采集和处理均面临巨大挑战。相干激光雷达本质是单模探测,需要大气回波和本振信号波前匹配,增加了制造和运行难度。而直接探测激光雷达则可以避免这些问题。由于直接探测测风激光雷达可以利用大气分子、气溶胶的回波信号反演风场,其工作波长可以覆盖紫外到红外。

该直接探测激光雷达工作在1548.1纳米,该红外波长人眼允许曝光功率最高、大气透过率最优、太阳和天空辐射背景低。同时,该工作波长属于光纤通信C波段,光电集成器件成熟。全光纤构造的系统采用了单个双频光纤激光器、单个单通道光学鉴频器、单个单模探测器,不需要重复校准。这种最精简的构造提高了系统的稳定性,并可以模块分离式安装。因此,该系统更适合在机载、舰载、星载等大温差、强震动平台上运行。该系统采用双频激光器替代了传统的多通道鉴频器,实现了激光器和光学鉴频器的高精度锁频(误差小于0.08米/秒)。该激光雷达采用超导纳米线单光子探测器:其理想的高量子效率和低暗计数噪声保证了最高的探测信噪比;其100兆/秒的最大计数率避免了激光雷达的信号饱和现象。该激光雷达采用时分复用技术,基于集成光电子学器件实现不同方向的径向风探测,无机械扫描器件。

在实验室内,该系统10天重复测量误差小于0.2米/秒。在比对试验中,将激光雷达测量的水平风速数据与超声波风速传感器的数据进行了比对,风速和风向的平均误差分别小于0.1米/秒和1度。在外场试验中,采用弱激光光源(脉冲能量50微焦)、小望远镜(口径80毫米),在10米高度分辨率、10秒时间分辨率条件下,实现了2.7km高度以下大气的风切变探测。

文章链接:

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-18-3541

新闻链接:

http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/light-based_method_improves_practicality_and_quali/

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-09/tos-lmi090617.php

 (中国科学技术大学地球和空间科学学院  量子信息和量子科技前沿创新中心   科研部)