中國科大實現綜合性能最優的測風激光雷達

　　中國科學技術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構實現了系統最高穩定性，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。研究成果發表在《光學學報》上。9月6日，美國光學協會（OSA）、美國科學促進會（AAAS）官方網站以“新聞發布(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據可應用于大氣污染溯源和擴散預報、航空氣象保障、氣象氣候學研究、風電系統的管理和調配等，此外還可應用于軍事。

　　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，傳統相干探測激光雷達的相干效率就會下降，實時數據采集和處理均面臨挑戰。相干激光雷達本質是單模探測，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。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、太陽和天空輻射背景低。該工作波長屬于光纖通信C波段，光電集成器件成熟。全光纖構造的系統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。這種最精簡的構造提高了系統穩定性，并可以模塊分離式安裝。因此，該系統更適合在機載、艦載、星載等大溫差、強震動平臺上運行。該系統采用雙頻激光器替代傳統的多通道鑒頻器，實現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噪聲保證了最高的探測信噪比；其100兆/秒的最大計數率避免了激光雷達的信號飽和現象。該激光雷達采用時分復用技術，基于集成光電子學器件實現不同方向的徑向風探測，無機械掃描器件。

　　在實驗室內，該系統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據與超聲波風速傳感器的數據進行了比對，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，實現了2.7km高度以下大氣的風切變探測。