[發明專利]基于量子上轉換原理的相干測風激光雷達及風場探測方法

在審

• 申請號: 202011532989.2
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112698359A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 王沖;尚祥;申屠國樑;陶嵐
• 申請（專利權）人: 山東國耀量子雷達科技有限公司
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/481;G01S7/484;G01S7/486;G01S7/499
• 代理公司: 合肥市澤信專利代理事務所(普通合伙) 34144
• 代理人: 方榮肖

本發明公開了基于量子上轉換原理的相干測風激光雷達及風場探測方法。相干測風激光雷達包括連續波激光器、光纖分束器、聲光調制器、激光放大器、環形器、發射接收望遠鏡、耦合器、泵浦激光器、上轉換波導、探測器、采集卡、數字信號處理模塊。本發明通過使用泵浦激光器和上轉換波導，將長波光的相干拍頻信號轉換為短波光的拍頻信號，再進行光電探測轉換。本發明同時利用了相干探測和直接探測的優點。在相干探測中，利用本振光對單光子回波信號具有的放大作用，并通過窄帶相干拍頻原理消除背景光噪聲；在直接探測中，利用量子上轉換波導對光子的頻率上轉換，將低量子探測效率的長波紅外光信號轉換為高量子探測效率的短波光信號，提高量子探測效率。提高了相干測風激光雷達的性能，實現相干測風激光雷達對不同波長的覆蓋。

技術領域

本發明涉及激光雷達技術領域，具體涉及一種基于量子上轉換原理的相干測風激光雷達及基于量子上轉換原理的風場探測方法。

背景技術

在相干探測測風激光雷達領域，1.5μm的全光纖相干測風激光雷達具有體積小，高測量精度，高時間和高空間分辨率等優點，是世界各國爭相發展的領域。日本三菱機電有限公司報道了世界上第一臺1.5μm的相干測風激光雷達。法國LEOSPHERE公司生產了可以商用的WINDCUBE相干測風激光雷達，法國航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干測風激光雷達，英國SgurrEnergy推出了搭配風力發電設備使用的Galion系列相干測風激光雷達，英國QinetiQ公司開發出了ZephIR系列基于光纖技術的1.548μm脈沖相干測風激光雷達，美國國家大氣研究中心(NCAR)擁有機載的基于連續激光的相干測風激光雷達(LAMS)。國內的哈爾濱工業大學姚勇課題組在2010年搭建了采用1.5μm波長連續波激光器的相干測風激光雷達。中國海洋大學在2014年報道了其研制的用于風能研究和開發利用的1.55μm相干測風激光雷達。中國電子科技集團公司第二十七研究所2010年報道了采用1.5μm連續波零差頻的激光雷達，并在2013年報道了一套全光纖化的相干測風激光雷達。中國科學院上海光學精密機械研究所在2012年研制了1.064μm的相干測風激光雷達，在2014年又報道了用于邊界層風廓線探測的1.54μm全光纖相干測風激光雷達。但是，以上傳統相干測風激光雷達都只利用了相干拍頻原理，以銦鎵砷探測器為主要探測器，存在以下問題：

(1)1.5μm銦鎵砷平衡探測器的光電響應度普遍在1A/W，相對于量子探測器，光電效率低。

(2)因為相干探測是基于光的波動性的探測，因此更長波長的中遠紅外光，更適合相干探測的應用，但是中遠紅外光電探測器尚不成熟。

以上兩個問題導致相干測風激光雷達量子效率不高，長波應用不成熟的問題。

在量子探測激光雷達領域，主要分為使用超導探測器和量子上轉換探測器兩個領域。中電十四所主要研究以超導探測器為主的量子探測激光雷達領域。中國科學技術大學同時研究以量子上轉換探測器和超導探測器為主的量子探測激光雷達，并取得部分成果。但是量子探測激光雷達也存在不足：

(1)量子探測屬于直接探測方法，相對于相干探測方法，量子探測無法直接探測光子頻率變化，需要使用鑒頻器，而鑒頻器的穩定性和透過率造成量子探測激光雷達的穩定性和整體雷達量子效率低。

(2)量子探測激光雷達在白天會受到天空背景光干擾，需要使用濾波器，而濾波器易受環境變化影響。

(3)量子探測激光雷達對激光器功率穩定性、整機器件的光學透過率穩定性和探測器的穩定性要求高，或這需要引入光功率校準模塊，導致雷達系統復雜程度增加。

因此，單相干測風激光雷達或者單量子激光雷達都無法同時兼顧高量子探測效率、全波長適用、受背景光影響小、系統穩定緊湊的需求。

發明內容

為了解決傳統相干測風激光雷達的量子探測效率不高的技術問題，本發明提供一種基于量子上轉換原理的相干測風激光雷達及基于量子上轉換原理的風場探測方法。