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2017-09

中國科大實現(xiàn)綜合性能最優(yōu)的測風激光雷達

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中國科學技術(shù)大學竇賢康課題組夏海云與潘建偉課題組張強合作，在國際上首次實現(xiàn)基于超導納米線單光子探測器的雙頻多普勒測風激光雷達。

采用最精簡的光學結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了系統(tǒng)最高穩(wěn)定性，提高了測風激光雷達的實用性和可靠性，更適合機載、星載平臺運行。成果發(fā)表在國際著名光學期刊《光學學報》。

9月6日，美國光學協(xié)會（OSA）、美國科學促進會（AAAS）官方網(wǎng)站以“新聞發(fā)布（News Release）”形式，首次對我國激光雷達研究進行了專題采訪報道。

測風激光雷達具有廣泛的社會效益，如精確的大氣風場數(shù)據(jù)可應(yīng)用于大氣污染溯源和擴散預報、航空氣象保障、氣象氣候?qū)W研究、風電系統(tǒng)的管理和調(diào)配等，此外還可應(yīng)用于軍事。

當采用更短激光脈沖提高多普勒激光雷達的距離分辨率時，傳統(tǒng)相干探測激光雷達的相干效率就會下降，實時數(shù)據(jù)采集和處理均面臨巨大挑戰(zhàn)。相干激光雷達本質(zhì)是單模探測，需要大氣回波和本振信號波前匹配，增加了制造和運行難度。

而直接探測激光雷達則可以避免這些問題。由于直接探測測風激光雷達可以利用大氣分子、氣溶膠的回波信號反演風場，其工作波長可以覆蓋紫外到紅外。

該直接探測激光雷達工作在1548.1納米，該紅外波長人眼允許曝光功率最高、大氣透過率最優(yōu)、太陽和天空輻射背景低。同時，該工作波長屬于光纖通信C波段，光電集成器件成熟。

全光纖構(gòu)造的系統(tǒng)采用了單個雙頻光纖激光器、單個單通道光學鑒頻器、單個單模探測器，不需要重復校準。這種最精簡的構(gòu)造提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可以模塊分離式安裝。

因此，該系統(tǒng)更適合在機載、艦載、星載等大溫差、強震動平臺上運行。該系統(tǒng)采用雙頻激光器替代了傳統(tǒng)的多通道鑒頻器，實現(xiàn)了激光器和光學鑒頻器的高精度鎖頻（誤差小于0.08米/秒）。

該激光雷達采用超導納米線單光子探測器：其理想的高量子效率和低暗計數(shù)噪聲保證了最高的探測信噪比；其100兆/秒的最大計數(shù)率避免了激光雷達的信號飽和現(xiàn)象。該激光雷達采用時分復用技術(shù)，基于集成光電子學器件實現(xiàn)不同方向的徑向風探測，無機械掃描器件。

在實驗室內(nèi)，該系統(tǒng)10天重復測量誤差小于0.2米/秒。在比對試驗中，將激光雷達測量的水平風速數(shù)據(jù)與超聲波風速傳感器的數(shù)據(jù)進行了比對，風速和風向的平均誤差分別小于0.1米/秒和1度。

在外場試驗中，采用弱激光光源（脈沖能量50微焦）、小望遠鏡（口徑80毫米），在10米高度分辨率、10秒時間分辨率條件下，實現(xiàn)了2.7km高度以下大氣的風切變探測。

論文鏈接：

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