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能源環(huán)境新聞

中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)綜合性能最優(yōu)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2017-09-14 我要評(píng)論(0 )   

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)竇賢康課題組夏海云與潘建偉課題組張強(qiáng)合作,在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的雙頻多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。采用最精簡(jiǎn)的光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)...

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)竇賢康課題組夏海云與潘建偉課題組張強(qiáng)合作,在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的雙頻多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。采用最精簡(jiǎn)的光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最高穩(wěn)定性,提高了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的實(shí)用性和可靠性,更適合機(jī)載、星載平臺(tái)運(yùn)行。成果發(fā)表在國(guó)際著名光學(xué)期刊《光學(xué)學(xué)報(bào)》。9月6日,美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)(OSA)、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)官方網(wǎng)站以“新聞發(fā)布(News Release)”形式,首次對(duì)我國(guó)激光雷達(dá)研究進(jìn)行了專題采訪報(bào)道。

團(tuán)隊(duì)成員竇賢康(中)、上官明佳(左)、夏海云(右)與雙頻超導(dǎo)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有廣泛的社會(huì)效益,如精確的大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于大氣污染溯源和擴(kuò)散預(yù)報(bào)、航空氣象保障、氣象氣候?qū)W研究、風(fēng)電系統(tǒng)的管理和調(diào)配等,此外還可應(yīng)用于軍事。


當(dāng)采用更短激光脈沖提高多普勒激光雷達(dá)的距離分辨率時(shí),傳統(tǒng)相干探測(cè)激光雷達(dá)的相干效率就會(huì)下降,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理均面臨巨大挑戰(zhàn)。相干激光雷達(dá)本質(zhì)是單模探測(cè),需要大氣回波和本振信號(hào)波前匹配,增加了制造和運(yùn)行難度。而直接探測(cè)激光雷達(dá)則可以避免這些問(wèn)題。由于直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)可以利用大氣分子、氣溶膠的回波信號(hào)反演風(fēng)場(chǎng),其工作波長(zhǎng)可以覆蓋紫外到紅外。

該直接探測(cè)激光雷達(dá)工作在1548.1納米,該紅外波長(zhǎng)人眼允許曝光功率最高、大氣透過(guò)率最優(yōu)、太陽(yáng)和天空輻射背景低。同時(shí),該工作波長(zhǎng)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(gè)雙頻光纖激光器、單個(gè)單通道光學(xué)鑒頻器、單個(gè)單模探測(cè)器,不需要重復(fù)校準(zhǔn)。這種最精簡(jiǎn)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(jī)載、艦載、星載等大溫差、強(qiáng)震動(dòng)平臺(tái)上運(yùn)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(shí)現(xiàn)了激光器和光學(xué)鑒頻器的高精度鎖頻(誤差小于0.08米/秒)。該激光雷達(dá)采用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器:其理想的高量子效率和低暗計(jì)數(shù)噪聲保證了最高的探測(cè)信噪比;其100兆/秒的最大計(jì)數(shù)率避免了激光雷達(dá)的信號(hào)飽和現(xiàn)象。該激光雷達(dá)采用時(shí)分復(fù)用技術(shù),基于集成光電子學(xué)器件實(shí)現(xiàn)不同方向的徑向風(fēng)探測(cè),無(wú)機(jī)械掃描器件。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),該系統(tǒng)10天重復(fù)測(cè)量誤差小于0.2米/秒。在比對(duì)試驗(yàn)中,將激光雷達(dá)測(cè)量的水平風(fēng)速數(shù)據(jù)與超聲波風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì),風(fēng)速和風(fēng)向的平均誤差分別小于0.1米/秒和1度。在外場(chǎng)試驗(yàn)中,采用弱激光光源(脈沖能量50微焦)、小望遠(yuǎn)鏡(口徑80毫米),在10米高度分辨率、10秒時(shí)間分辨率條件下,實(shí)現(xiàn)了2.7km高度以下大氣的風(fēng)切變探測(cè)。

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測(cè)風(fēng)技術(shù)激光雷達(dá)中科大
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