基于1.5μm单光子探测的机载偏振激光雷达

【摘要】：自1971年偏振激光雷达诞生以来,其在大气探测中一直发挥着重要的作用。由于偏振激光雷达的双路探测属性,相对于普通大气探测激光雷达如能见度雷达和云雷达,它需求更高的系统稳定性。传统偏振激光雷达采用增加激光出射功率、增大望远镜接收面积的方法来提高探测信噪比,但由于技术和工艺限制,现阶段已达极限。本文采用1.5μm单光子探测的方案,提升系统的探测效率,降低探测噪声,大幅提升探测信噪比。并且利用1.5μm波段能够使用全光纤光路的优势,将偏振激光雷达进行小型化设计,研发机载平台雷达系统,旨在提升激光雷达可重部署能力,解决地基激光雷达视野受限的问题。本工作涉及三套1.5μm单光子探测激光雷达系统的研发:1、基于多模InGaAs/InP单光子探测器的气溶胶和云探测激光雷达;2、基于超导纳米线单光子探测器的偏振激光雷达;3、无人机载偏振激光雷达。本文的主要工作如下:1.研发了基于多模InGaAs/InP单光子探测器的气溶胶和云探测激光雷达。优化设计了InGaAs/InP单光子探测器的工作参数;提出了死时间和后脉冲几率修正算法,提升了动态响应范围和信噪比。多模探测器搭配商用150mm 口径望远镜,实现了大气气溶胶和云的高时空分辨率连续探测。数据显示多模系统具有穿透多层云进行探测的能力。对比实验中,使用了同一发射机,单/多模InGaAs/InP单光子探测器的接收机。对比结果显示:基于多模InGaAs/InP单光子探测器的雷达接收机可提高信噪比约5倍。2.研发了世界首台基于超导纳米线单光子探测器的1.5μm偏振激光雷达。该雷达充分发挥了超导纳米线单光子探测器的优点,实现了合肥市连续48小时大气气溶胶的浓度和退偏比高时空分辨率探测。实验中利用全光纤的优势,在接收机中搭建了时分复用模块,仅采用单通道探测器实现偏振雷达的正交回波信号的分时探测,消除了双路探测器效率波动带来的误差的同时节省了成本。此次实验成功记录了 2016年冬天合肥市发生的一次空气污染过程,并且监测到了建筑工地排放建筑扬尘的过程,证明了系统的污染源识别能力。3.研发了无人机载平台偏振激光雷达。该雷达采用全光纤光路和结构紧凑的发射接收机,搭配精密设计的机械、电学和热学模块,实现了重量23kg,尺寸60厘米×50厘米×45厘米的小型化封装。为了实现光学稳定性,该雷达的望远镜从选材、结构设计、温度控制方面进行了综合优化,保证了轻量化和稳定性。为了验证雷达对目标的偏振识别性能,该雷达首先在地面扫描平台上实现了大楼的强度和退偏振成像,角分辨率达1/800度。为了验证其目标识别性能,对多种典型空中障碍物进行退偏比探测实验。之后与北航无人直升机研究所合作,进行了雷达平台稳定性试验,改进磨合了无人直升机与偏振激光雷达的机械结构,解决了振动等难题。2019年春于河北廊坊进行了外场飞行扫描实验。无人直升机驱动雷达实现了水平扫描,获得了不同高度处、直径12km的大气气溶胶分布图像,并且通过退偏比识别出了多种空中障碍物,展现了该雷达在城市污染监测和保障飞行安全方面的能力。