基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于上轉換單光子探測器的近紅外波段的激光雷達能見度儀，其包括：發射系統、環形器、望遠鏡、上轉換單光子探測器系統、信號采集和處理系統，激光器輸出的光信號波段為近紅外波段，望遠鏡為近紅外波段收發一體式望遠鏡。本發明采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉換單光子探測系統作為接收探測系統，解決了基于硅單光子探測器的可見光光源的激光雷達能見度儀系統及基于銦鎵砷單光子探測器或超導單光子探測器的近紅外光源的激光雷達能見度儀系統所面臨的諸多劣勢，可以實現高動態范圍，體積小，重量輕、便攜式的安全的全光纖激光雷達能見度儀。
【專利說明】基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及激光雷達領域，尤其涉及基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀。
【背景技術】
[0002]近幾年來，由于環境污染的不斷加重，部分城市的霧霾情況已經開始對居民的生活健康、出行交通以及機場和高速公路的安全性等造成了巨大的威脅，因此測量作為衡量大氣混濁程度的能見度指標具有重要的實際意義。
[0003]基于后向散射的激光雷達能見度儀可以精確的測量大氣的能見度，其通過向大氣中發射一束脈沖激光束，所發射的脈沖激光束與空氣中的粒子相互作用將產生背向散射光子，利用望遠鏡接收信號光束在空氣中產生的背向散射光子并實現探測，從而記錄下不同距離(對應的不同的時間)上的背向散射光子數。通過對不同距離上的背向散射光子數的計算，可以精確的得到大氣的衰減系數，然后通過對衰減系數的分析即可得到大氣的能見度指標。基于后向散射的激光雷達能見度儀可以被廣泛的應用與環境監測、高速公路、港口、機場等重要領域。
[0004]目前，傳統激光雷達能見度儀的激光光源主要有可見光和近紅外兩個波段，基于可見光光源的激光雷達系統多采用高效率的硅單光子探測器最為接收探測系統，但是其具有以下的缺點:
[0005]1.采用可見光波段光源，隱蔽性極差，不利于特殊場合應用。
[0006]2.采用可見光波段光源，需要高功率激光光源(高于10毫焦每脈沖)，對人眼的安全性不高。
[0007]而基于近紅外光光源的激光雷達系統雖然能非常有效的解決可見光光源面臨的諸多問題，但是其由于近紅外接收的探測器性能的限制，同樣也面臨的以下的問題:
[0008]1.近紅外波段中基于銦鎵砷單光子探測器的激光雷達能見度儀系統，其低探測效率限制了系統的可測量動態范圍；其工作的門控模式大幅延長了測量時間，這就限制了系統的數據更新率；其實現的寬譜探測提高了系統噪聲，進一步降低了可測量動態范圍。
[0009]2.近紅外波段中基于超導單光子探測器的激光能見度儀系統，由于超導探測器需要液氦進行制冷，體積龐大，這就限制了其實用化；其實現的寬譜探測提高了系統噪聲，進一步降低了可測量動態范圍。
【發明內容】
[0010]本發明專利的目的就是為了解決所有上述問題，提出了一種基于上轉換單光子探測器的近紅外波段的激光雷達能見度儀系統，該系統采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉換單光子探測器作為接收探測系統，由于其高效的探測效率，在同樣的可測動態范圍內，大幅降低了對近紅外波段的脈沖信號激光光源的功率要求，便于實現低功率輸出的小型化便捷式的近紅外全光纖的激光雷達能見度儀系統。
[0011]本發明提供的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其包括:發射系統、環形器、望遠鏡、上轉換單光子探測器系統、信號采集和處理系統，其中:
[0012]所述發射系統包括激光器，所述激光器輸出的光信號波段為近紅外波段，所述望遠鏡為近紅外波段收發一體式望遠鏡，
[0013]所述環形器設置在所述發射系統與望遠鏡的光路之間，所述環形器具有輸入端、輸出端和第三端，
[0014]所述發射系統與望遠鏡分別通過光纖連接到所述環形器的輸入端與輸出端，
[0015]所述環形器的第三端與所述上轉換單光子探測器系統的輸入端連接，所述信號采集和處理系統的輸入端與所述上轉換單光子探測器系統的輸出端連接。
[0016]優選地，所述環形器為光纖環形器。
[0017]優選地，所述上轉換單光子探測器系統包括泵浦種子光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分復用器、周期性極化鈮酸鋰波導、U型自由空間耦合器、硅單光子探測器，所述上轉換單光子探測器系統的輸入端輸入的光信號與泵浦種子光源輸出的光信號分別通過所述第一偏振控制器與所述第二偏振控制器后輸入到所述波分復用器，所述波分復用器輸出的光信號依次通過所述周期性極化鈮酸鋰波導、U型自由空間耦合器后輸入到所述硅單光子探測器，所述U型自由空間耦合器內設置有干涉濾波片，所述波分復用器為與泵浦種子光源和激光器的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導與U型自由空間耦合器之間采用多模光纖連接，所述周期性極化鈮酸鋰波導為雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。U型自由空間耦合器也叫多模光纖耦合u-bench。
[0018]可替換地，所述上轉換單光子探測器系統包括泵浦種子光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分復用器、周期性極化鈮酸鋰波導、非球面物鏡、DM 二向色鏡、低通濾波片、帶通濾波片、棱鏡、硅單光子探測器，所述上轉換單光子探測器系統的輸入端與泵浦種子光源輸出的光信號分別經過所述第一偏振控制器與所述第二偏振控制器后輸入到所述波分復用器，所述波分復用器輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導、非球面物鏡、DM 二向色鏡、低通濾波片、帶通濾波片和棱鏡后輸入到所述硅單光子探測器，所述波分復用器為與泵浦種子光源和激光器的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
[0019]可替換地，所述上轉換單光子探測器系統包括泵浦種子光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、波分復用器、周期性極化鈮酸鋰波導、非球面物鏡、DM 二向色鏡、體布拉格光柵、低通濾波片、帶通濾波片、硅單光子探測器，所述上轉換單光子探測器系統的輸入端與泵浦種子光源輸出的光信號分別經過所述第一偏振控制器與所述第二偏振控制器后輸入到所述波分復用器，所述波分復用器輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導、非球面物鏡、DM 二向色鏡、體布拉格光柵、低通濾波片和通濾波片后輸入到所述硅單光子探測器，所述波分復用器為與泵浦種子光源和激光器的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
[0020]為了提高光束質量，所述發射系統還包括第一光學放大器和隔離器，所述第一光學放大器和所述隔離器依次設置在所述激光器與所述環形器之間，所述泵浦種子光源與所述第二偏振控制器之間設置有第二光學放大器。
[0021 ] 優選地，所述激光器為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源為連續光纖激光器，所述激光器輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠鏡的傳輸波段與激光器輸出的光信號波長相匹配。
[0022]優選地，所述激光器輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述泵浦種子光源輸出的光信號波長接近2um ;或所述泵浦種子光源輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器輸出的光信號波長接近2um。
[0023]優選地，所述激光器輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學放大器為摻鉺光纖放大器；所述泵浦種子光源輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器為摻錢光纖放大器，所述波分復用器為1950nm/1550nm波分復用器。
[0024]可替換地，所述泵浦種子光源輸出的光信號波長為1550nm，所述第一光學放大器為摻錢光纖放大器；所述激光器輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器為摻鉺光纖放大器，所述波分復用器為1950nm/1550nm波分復用器。
[0025]具體地，所述信號采集和處理系統包括時間數模轉換系統和中央處理器，所述時間數模轉換系統的輸出端與中央處理器的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導的轉換效率不低于99%。
[0026]優選地，所述發射系統、環形器、望遠鏡和上轉換單光子探測器系統的各組件之間均用光纖連接。
[0027]C-band通訊波段的波長范圍為1530nm?1570nm。
[0028]本發明中，低功率的近紅外脈沖信號激光光源的輸出端通過一個環形器與近紅外波段收發一體望遠鏡系統相連接，通過收發一體的望遠鏡系統發射進入大氣，大氣中信號光束的背向散射光子經過收發一體的望遠鏡系統耦合接收重新進入環形器，從環形器的另一端口輸出后接入高效低噪的上轉換單光子探測器進行探測，所探測到的電信號經過后期處理程序進行分析得到大氣能見度。
[0029]所述的上轉換單光子探測器的U型自由空間耦合器的耦合率不低于85%。
[0030]本發明具有如下有益效果:
[0031]1、本發明采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉換單光子探測器作為接收探測系統，由于其高效的探測效率，在同樣的可測動態范圍內，大幅降低了對近紅外波段的脈沖信號激光光源的功率要求，便于實現低功率輸出的小型化便捷式的近紅外全光纖的激光雷達能見度儀系統。
[0032]2、本發明解決了基于硅單光子探測器的可見光光源的激光雷達能見度儀系統及基于銦鎵砷單光子探測器或超導單光子探測器的近紅外光源的激光雷達能見度儀系統所面臨的諸多劣勢，可以實現高動態范圍，體積小，重量輕、便攜式的安全的全光纖激光雷達能見度儀。
[0033]3、本發明采用C-band通訊波段作為激光探測波段，對人眼安全，且采用該波段探測極大地提高了能見度探測的隱蔽性，且可與通訊光纖實現無縫連接。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案和優點，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。
[0035]圖1是本發明實施例一提供的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的結構不意圖；
[0036]圖2是本發明實施例二提供的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的結構不意圖；
[0037]圖3是本發明實施例三提供的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀的結構不意圖；
[0038]圖中:100-發射系統，101-激光器，102-第一光學放大器，103-隔離器，200-環形器，300-望遠鏡，400-上轉換單光子探測器系統，401-泵浦種子光源，402-第一偏振控制器，403-第二偏振控制器，404-波分復用器，405-周期性極化鈮酸鋰波導，406-U型自由空間耦合器，407-干涉濾光片，408-硅單光子探測器，409-第二光學放大器，410-非球面物鏡，411-DM 二向色鏡，412-低通濾波片，413-帶通濾波片，414-棱鏡，415-體布拉格光柵，500-信號采集和處理系統，501-時間數模轉換系統，502-中央處理器。
【具體實施方式】
[0039]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0040]實施例一:
[0041]請參見圖1，本發明實施例一提供了一種基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，發射系統100、環形器200、望遠鏡300、上轉換單光子探測器系統400、信號采集和處理系統500，其中:
[0042]所述發射系統100包括激光器101，所述激光器101輸出的光信號波段為近紅外波段，所述望遠鏡300為近紅外波段收發一體式望遠鏡，
[0043]所述環形器200設置在所述發射系統100與望遠鏡300的光路之間，所述環形器200具有輸入端、輸出端和第三端，
[0044]所述發射系統100與望遠鏡300分別通過光纖連接到所述環形器200的輸入端與環形器輸出端，
[0045]所述環形器200的第三端與所述上轉換單光子探測器系統400的輸入端連接，所述信號采集和處理系統500的輸入端與所述上轉換單光子探測器系統400的輸出端連接。
[0046]優選地，所述環形器200為光纖環形器。
[0047]其中所述激光器101為信號光源,其出射端口為光纖輸出，其輸出的端口通過光學放大器102實現脈沖信號光的放大，脈沖信號光隨后經過隔離器103和環形器200進入近紅外波段收發一體望遠鏡系統300出射進入大氣，信號光的大氣散射回波信號經過近紅外收發一體望遠鏡系統300回收進入光纖環形器200，背向散射信號耦合進入上轉換單光子探測系統400進行探測，其輸出的電信號經過時間數模轉換器后輸入嵌入式計算機進行處理。
[0048]所述上轉換單光子探測器系統400包括泵浦種子光源401、第一偏振控制器402、第二偏振控制器403、波分復用器404、周期性極化鈮酸鋰波導405、U型自由空間耦合器406、硅單光子探測器408，所述上轉換單光子探測器系統400的輸入端輸入的光信號與泵浦種子光源401輸出的光信號分別通過所述第一偏振控制器402與所述第二偏振控制器403后輸入到所述波分復用器404，所述波分復用器404輸出的光信號依次通過所述周期性極化鈮酸鋰波導405、U型自由空間耦合器406后輸入到所述硅單光子探測器408，所述U型自由空間耦合器406內設置有干涉濾波片407，所述波分復用器404為與泵浦種子光源401和激光器101的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導405與U型自由空間耦合器406之間采用多模光纖連接，所述周期性極化鈮酸鋰波導405為雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。U型自由空間耦合器也叫多模光纖耦合U-bench。U型自由空間耦合器406與硅單光子探測器408之間通過多模光纖連接。
[0049]優選地，所述的上轉換單光子探測器的U型自由空間耦合器406的耦合率不低于85%。
[0050]所述發射系統100還包括第一光學放大器102和隔離器103,所述第一光學放大器102和所述隔離器103依次設置在所述激光器101與所述環形器200之間，所述泵浦種子光源401與所述第二偏振控制器403之間設置有第二光學放大器409。
[0051]優選地，所述激光器101為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源401為連續光纖激光器，所述激光器101輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠鏡300的傳輸波段與激光器101輸出的光信號波長相匹配。
[0052]優選地，所述激光器101輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長接近2um。
[0053]優選地,所述激光器101輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學放大器102為摻鉺光纖放大器；所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器409為摻錢光纖放大器,所述波分復用器404為1950nm/1550nm波分復用器。
[0054]所述信號采集和處理系統500包括時間數模轉換系統501和中央處理器502，所述時間數模轉換系統501的輸出端與中央處理器502的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導405的轉換效率不低于99%。所述信號采集和處理系統500利用脈沖甄別技術模塊實現對探測器輸出的電信號進行計數，利用時間數模轉換系統，記錄不同時刻對應的計數值，利用軟件處理得到不同時刻下的計數率的衰減信息。
[0055]所述發射系統100、環形器200、望遠鏡300和上轉換單光子探測器系統400的各組件之間均用光纖連接。
[0056]所述1950nm泵浦種子光經過摻銩光纖放大器進行放大，經過1950/1550nm波分復用器耦合進入雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導與信號光束的背向散射光子發生非線性和頻作用，將信號光束背向散射光子轉換為可見光光子。
[0057]所述的信號光束背向散射光子經過近紅外波段收發一體望遠鏡系統耦合進入環形器，經過偏振控制器接入上轉換探測器系統，經過1950/1550nm波分復用器耦合進入雙端光纖耦合的周期性極化鈮酸鋰波導與泵浦光源發生非線性和頻作用，被轉換為可見光光子。
[0058]所述的雙端光纖耦合周期性極化鈮酸鋰波導為單模光纖輸入，多模光纖輸出。其輸出的和頻可見光光子經過U型自由空間耦合器406以及干涉濾波片濾除非線性噪聲，接入硅單光子探測器進行探測計數。
[0059]所述U型自由空間I禹合器406為多模光纖輸入,多模光纖輸出。
[0060]在上述實施例中，優選的，所述近紅外信號光激光器為光纖激光器，其發射波長接近1.5微米。
[0061]在本實施例中，所有的器件均為光纖器件，所實現的能見度儀為全光纖器件的能見度儀。
[0062]實施例的具體實現方法如下:
[0063]1、如圖1所示，連接上轉換單光子探測系統400的光路。先后打開上轉換單光子探測系統的泵浦種子光源401的激光器及摻銩光纖放大器，將泵浦信號光輸入至雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導，打開近紅外信號光激光器，將其直接通過偏振控制器接入至雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
[0064]2、通過調節兩個偏振控制器，找到雙端耦合周期性極化鈮酸鋰波導的最優匹配點，使得U型自由空間耦合器406的輸出端和頻可見光光強最大，從而使得上轉換單光子探測系統的波導轉換效率達到最優。
[0065]3、如圖1所不連接好光路,打開激光器101和第一光學放大器102,激光器101輸出的光為近紅外信號光，將近紅外信號光通過隔離器103和環形器200后輸入至近紅外收發一體望遠鏡發射進入大氣，信號光束在大氣中的背向散射光子被收集進入上轉換單光子探測系統400，調節近紅外收發一體望遠鏡使得上轉換探測系統的探測計數達到最大值。探測輸出的電信號接入時間數模轉換器501和計算機，進行相應處理得到大氣能見度指標。
[0066]實施例二:
[0067]請參見圖2，本發明實施例二提供了一種基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，發射系統100、環形器200、望遠鏡300、上轉換單光子探測器系統400、信號采集和處理系統500，其中:
[0068]所述發射系統100包括激光器101，所述激光器101輸出的光信號波段為近紅外波段，
[0069]所述環形器200設置在所述發射系統100與望遠鏡300的光路之間，所述環形器200具有輸入端、輸出端和第三端，
[0070]所述發射系統100與望遠鏡300分別通過光纖連接到所述環形器200的輸入端與輸出端，
[0071]所述環形器200的第三端與所述上轉換單光子探測器系統400的輸入端連接，所述信號采集和處理系統500的輸入端與所述上轉換單光子探測器系統400的輸出端連接。
[0072]優選地，所述環形器200為光纖環形器。
[0073]所述上轉換單光子探測器系統400包括泵浦種子光源401、第一偏振控制器402、第二偏振控制器403、波分復用器404、周期性極化鈮酸鋰波導405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、低通濾波片412、帶通濾波片413、棱鏡414、硅單光子探測器408，所述上轉換單光子探測器系統400的輸入端與泵浦種子光源401輸出的光信號分別經過所述第一偏振控制器402與所述第二偏振控制器403后輸入到所述波分復用器404，所述波分復用器404輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、低通濾波片412、帶通濾波片413和棱鏡414后輸入到所述硅單光子探測器408，所述波分復用器404為與泵浦種子光源401和激光器101的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導405為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
[0074]所述發射系統100還包括第一光學放大器102和隔離器103,所述第一光學放大器102和所述隔離器103依次設置在所述激光器101與所述環形器200之間，所述泵浦種子光源401與所述第二偏振控制器403之間設置有第二光學放大器409。
[0075]優選地，所述激光器101為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源401為連續光纖激光器，所述激光器101輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠鏡300的傳輸波段與激光器101輸出的光信號波長相匹配。
[0076]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器101輸出的光信號波長接近2um。
[0077]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學放大器102為摻錢光纖放大器；所述激光器101輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器409為摻鉺光纖放大器，所述波分復用器404為1950nm/1550nm波分復用器。
[0078]所述信號采集和處理系統500包括時間數模轉換系統501和中央處理器502，所述時間數模轉換系統501的輸出端與中央處理器502的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導405的轉換效率不低于99%。
[0079]實施例三:
[0080]請參見圖3，本發明實施例三提供了一種基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，發射系統100、環形器200、望遠鏡300、上轉換單光子探測器系統400、信號采集和處理系統500，其中:
[0081]所述發射系統100包括激光器101，所述激光器101輸出的光信號波段為近紅外波段，
[0082]所述環形器200設置在所述發射系統100與望遠鏡300的光路之間，所述環形器200具有輸入端、輸出端和第三端，
[0083]所述發射系統100與望遠鏡300分別通過光纖連接到所述環形器200的輸入端與輸出端，
[0084]所述環形器200的第三端與所述上轉換單光子探測器系統400的輸入端連接，所述信號采集和處理系統500的輸入端與所述上轉換單光子探測器系統400的輸出端連接。
[0085]優選地，所述環形器200為光纖環形器。
[0086]所述上轉換單光子探測器系統400包括泵浦種子光源401、第一偏振控制器402、第二偏振控制器403、波分復用器404、周期性極化鈮酸鋰波導405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、體布拉格光柵415、低通濾波片412、帶通濾波片413、硅單光子探測器408，所述上轉換單光子探測器系統400的輸入端與泵浦種子光源401輸出的光信號分別經過所述第一偏振控制器402與所述第二偏振控制器403后輸入到所述波分復用器404，所述波分復用器404輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導405、非球面物鏡410、DM 二向色鏡411、體布拉格光柵415、低通濾波片412和通濾波片413后輸入到所述硅單光子探測器408，所述波分復用器404為與泵浦種子光源401和激光器101的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導405為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
[0087]所述發射系統100還包括第一光學放大器102和隔離器103,所述第一光學放大器102和所述隔離器103依次設置在所述激光器101與所述環形器200之間，所述泵浦種子光源401與所述第二偏振控制器403之間設置有第二光學放大器409。
[0088]優選地，所述激光器101為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源401為連續光纖激光器，所述激光器101輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖，所述望遠鏡300的傳輸波段與激光器101輸出的光信號波長相匹配。
[0089]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器101輸出的光信號波長接近2um。
[0090]所述泵浦種子光源401輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學放大器102為摻錢光纖放大器；所述激光器101輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器409為摻鉺光纖放大器，所述波分復用器404為1950nm/1550nm波分復用器。
[0091]所述信號采集和處理系統500包括時間數模轉換系統501和中央處理器502，所述時間數模轉換系統501的輸出端與中央處理器502的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導405的轉換效率不低于99%。
[0092]實施本發明實施例一、二、三，具有如下有益效果:
[0093]1、本發明采用了近紅外波段高效低噪聲的上轉換單光子探測器作為接收探測系統，由于其高效的探測效率，在同樣的可測動態范圍內，大幅降低了對近紅外波段的脈沖信號激光光源的功率要求，便于實現低功率輸出的小型化便捷式的近紅外全光纖的激光雷達能見度儀系統。
[0094]2、本發明解決了基于硅單光子探測器的可見光光源的激光雷達能見度儀系統及基于銦鎵砷單光子探測器或超導單光子探測器的近紅外光源的激光雷達能見度儀系統所面臨的諸多劣勢，可以實現高動態范圍，體積小，重量輕、便攜式的安全的全光纖激光雷達能見度儀。
[0095]3、本發明采用C-band通訊波段作為激光探測波段，對人眼安全，且采用該波段探測極大地提高了能見度探測的隱蔽性，且可與通訊光纖實現無縫連接。
[0096]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，包括:發射系統(100)、環形器(200)、望遠鏡(300)、上轉換單光子探測器系統(400)、信號采集和處理系統(500)，其中: 所述發射系統(100)包括激光器(101)，所述激光器(101)輸出的光信號波段為近紅外波段，所述望遠鏡(300)為近紅外波段收發一體式望遠鏡， 所述環形器(200)設置在所述發射系統(100)與望遠鏡(300)的光路之間，所述環形器(200)具有輸入端、輸出端和第三端， 所述發射系統(100)與望遠鏡(300)分別通過光纖連接到所述環形器(200)的輸入端與輸出端， 所述環形器(200)的第三端與所述上轉換單光子探測器系統(400)的輸入端連接，所述信號采集和處理系統(500)的輸入端與所述上轉換單光子探測器系統(400)的輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述上轉換單光子探測器系統(400)包括泵浦種子光源(401)、第一偏振控制器(402)、第二偏振控制器(403)、波分復用器(404)、周期性極化鈮酸鋰波導(405)、U型自由空間耦合器(406)、硅單光子探測器(408)，所述上轉換單光子探測器系統(400)的輸入端輸入的光信號與泵浦種子光源(401)輸出的光信號分別通過所述第一偏振控制器(402)與所述第二偏振控制器(403)后輸入到所述波分復用器(404)，所述波分復用器(404)輸出的光信號依次通過所述周期性極化鈮酸鋰波導(405)、U型自由空間耦合器(406)后輸入到所述硅單光子探測器(408)，所述U型自由空間耦合器(406)內設置有干涉濾波片(407)，所述波分復用器(404)為與泵浦種子光源(401)和激光器(101)的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(405)與U型自由空間耦合器(406)之間采用多模光纖連接，所述周期性極化鈮酸鋰波導(405)為雙端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
3.根據權利要求1所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述上轉換單光子探測器系統(400)包括泵浦種子光源(401)、第一偏振控制器(402)、第二偏振控制器(403)、波分復用器(404)、周期性極化鈮酸鋰波導(405)、非球面物鏡(410)、DM二向色鏡(411)、低通濾波片(412)、帶通濾波片(413)、棱鏡(414)、硅單光子探測器(408)，所述上轉換單光子探測器系統(400)的輸入端與泵浦種子光源(401)輸出的光信號分別經過所述第一偏振控制器(402)與所述第二偏振控制器(403)后輸入到所述波分復用器(404)，所述波分復用器(404)輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(405)、非球面物鏡(410)、DM 二向色鏡(411)、低通濾波片(412)、帶通濾波片(413)和棱鏡(414)后輸入到所述硅單光子探測器(408)，所述波分復用器(404)為與泵浦種子光源(401)和激光器(101)的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(405)為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
4.根據權利要求1所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述上轉換單光子探測器系統(400)包括泵浦種子光源(401)、第一偏振控制器(402)、第二偏振控制器(403)、波分復用器(404)、周期性極化鈮酸鋰波導(405)、非球面物鏡(410)、DM 二向色鏡(411)、體布拉格光柵(415)、低通濾波片(412)、帶通濾波片(413)、硅單光子探測器(408)，所述上轉換單光子探測器系統(400)的輸入端與泵浦種子光源(401)輸出的光信號分別經過所述第一偏振控制器(402)與所述第二偏振控制器(403)后輸入到所述波分復用器(404)，所述波分復用器(404)輸出的光信號依次通過周期性極化鈮酸鋰波導(405)、非球面物鏡(410)、DM 二向色鏡(411)、體布拉格光柵(415)、低通濾波片(412)和通濾波片(413)后輸入到所述硅單光子探測器(408)，所述波分復用器(404)為與泵浦種子光源(401)和激光器(101)的輸出波長對應的波分復用器，所述周期性極化鈮酸鋰波導(405)為單端耦合的周期性極化鈮酸鋰波導。
5.根據權利要求1-4中任意一項權利要求所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述發射系統(100)還包括第一光學放大器(102)和隔離器(103)，所述第一光學放大器(102)和所述隔離器(103)依次設置在所述激光器(101)與所述環形器(200)形成的光路之間，所述泵浦種子光源(401)與所述第二偏振控制器(403)形成的光路之間設置有第二光學放大器(409)。
6.根據權利要求5所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述激光器(101)為脈沖光纖激光器，所述泵浦種子光源(401)為連續光纖激光器，所述激光器(101)輸出的光信號能量小于200微焦每脈沖,所述望遠鏡(300)的傳輸波段與激光器(101)輸出的光信號波長相匹配；其中: 所述激光器(101)輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波長接近2um;或所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波段為C-band通訊波段，所述激光器(101)輸出的光信號波長接近2um。
7.根據權利要求5所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述激光器(101)輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學放大器(102)為摻鉺光纖放大器；所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器(409)為摻錢光纖放大器，所述波分復用器(404)為1950nm/1550nm波分復用器。
8.根據權利要求5所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述泵浦種子光源(401)輸出的光信號波長為1550nm,所述第一光學放大器(102)為摻錢光纖放大器；所述激光器(101)輸出的光信號波長為1950nm,所述第二光學放大器(409)為摻鉺光纖放大器，所述波分復用器(404)為1950nm/1550nm波分復用器。
9.根據權利要求5所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述信號采集和處理系統(500)包括時間數模轉換系統(501)和中央處理器(502)，所述時間數模轉換系統(501)的輸出端與中央處理器(502)的輸入端連接；所述的周期性極化鈮酸鋰波導(405)的轉換效率不低于99%。
10.根據權利要求1-9中任意一項權利要求所述的基于上轉換單光子探測器的近紅外激光能見度儀，其特征在于，所述發射系統(100)、環形器(200)、望遠鏡(300)和上轉換單光子探測器系統(400)的各組件之間均用光纖連接。
【文檔編號】G01N21/53GK104390940SQ201410697295
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】張強, 夏海云, 潘建偉, 竇賢康, 申屠國樑, 上官明佳 申請人:中國科學技術大學先進技術研究院