【文献笔记】Dual-frequency Doppler lidar for wind detection with a superconducting nanowire single-photon
Dual-frequency Doppler lidar for wind detection with a superconducting nanowire single-photon detector
文章来源：https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-18-3541
摘要
利用超导纳米线单光子测量器（SNSPD）在1.5 μ m \mu m μm波段实现了双频直接探测多普勒激光雷达。
双边沿技术是通过一种双频激光脉冲来实现的，这种方式在系统层面上增强了频率的稳定性。
通过时分复用技术，在光接收器中只需要一片SNSPD
SNSPD可以提升时间分辨率，因为它有着高量子效率，暗计数噪声低，无后脉冲概率，并且具有较高的最大计数率。
该设备可以达到10m的空间分辨率和10s的时间分辨率。
方法
为了提升相干探测激光雷达的空间分辨率，一般采用持续时间较短的激光脉冲。
直接探测激光雷达（DDL）能够以非常宽的光谱来反演大气后向散射所携带的多普勒频移。DDL可以通过优化鉴频器对短激光脉冲的响应函数来实现高空间分辨率的风场探测。
DDL的双边沿技术可以用来探测多普勒频移，双边沿技术是通过多通道的法布里-珀罗干涉仪来实现的，然而，包括太阳背景噪声和激光器的放大自发辐射( ASE )噪声在内的背景噪声在FPI的反射通道中并没有被抑制。
SNSPD具有高量子效率，低暗计数率，从而微弱的后向散射信号也可以用较高的信噪比来进行检测。此外，SNSPD还具有很高的最大计数率，因为大气后向散射沿着探测距离快速衰减，使得后向散射具有较大的动态范围，因此，较高的最大计数率可以避免探测器饱和，特别是在近距离范围内。
在这种双频方案中，激光脉冲的频率偏移由馈送到声光调制器( AOM )的射频( RF )频率决定，实现了千赫兹的频率精度。
SNSPD的结构图如上，CWL是波长为1548.1nm的连续波激光器，通过光开关（OS1）在可调谐衰减器（TA1）和光纤耦合AOM之间交替切换，进入电光调制器EOM作为CW光束在未偏移 f 0 f_0 f0和上偏移 ( f s = f 0 + 80 M H z ) (f_s=f_0+80MHz) (fs=f0+80MHz)频率之间，间隔54 μ s \mu s μs。
单个脉冲之间的时间设置为27 μ s，对应的最大无模糊探测距离为4.05 km。
激光脉冲通过前置放大器（Pre-EDFA）进行放大，通过插入带宽为8pm的光纤布拉格光栅（FBG）来滤除Pre-EDFA的ASE发射。
一个风探测周期由四个脉冲组成。OS2挑选出的奇数脉冲经过EDFA1放大后通过西向望远镜送入大气，而OS2挑选出的偶数脉冲经过另一个EDFA2放大后再送入北向望远镜。
利用两个指向天顶角为30 °的不同方向的望远镜对水平风的正交分量进行探测。
脉冲能量设置为50 μ J。激光脉冲的FWHM设置为77 ns。
利用(80mm)望远镜采集的大气后向散射信号由OS3选择并依次送入光接收器。这里，使用OS3而不是使用3dB光纤耦合器，因为光开关提供了- 35 dB抑制来自另一个望远镜的背景噪声。仅引入0.8 d B的插入损耗。
一小部分激光能量被分离出来并衰减到单光子水平作为参考激光。通过插入带宽为0.3 nm的干涉滤波器( IF )滤除背景噪声。
采用自由光谱范围为4.02 GHz的全光纤无透镜FPI作为鉴频器。视线风速为1 m / s时，在1548 nm处会引起1.29 MHz的频域多普勒频移。
FPI的FWHM为97.6 MHz，优化后可覆盖约35 m / s的大气边界层测风动态范围。
SNSPD上接收到的光子对应的TTL信号被记录在多通道定标器( MCS )上，然后在计算机中进行处理。
本文的响应方程是：
Q ( ν ) = [ T 0 ( ν ) − T s ( ν ) ] / [ T 0 ( ν ) + T s ( ν ) ] Q(\nu)=\left[T_0(\nu)-T_s(\nu)\right] /\left[T_0(\nu)+T_s(\nu)\right] Q(ν)=[T0(ν)−Ts(ν)]/[T0(ν)+Ts(ν)]
T 0 ( v ) T_0(v) T0(v)和 T s ( v ) T_s(v) Ts(v)分别是采用非频移 f 0 f_0 f0和上频移 f s f_s fs激光器时，后向散射通过FPI的传输函数。
两条传输曲线的频率间隔等于双频激光器的频率偏移量。
为了测量风速，输出激光的频率被锁定在交叉点处，在交叉点处灵敏度达到最大。
将激光能量的一小部分作为参考信号，实现了每秒0.1 MHz (等于0 . 08m / s)精度的激光到FPI的频率锁定。最后，利用式( 1 )计算响应值，并绘于图4 ( c )。
实验
将时间分辨率为10 s的实验原始数据绘制在图5中。
后向散射信号的强度在1 h内变化较大，这是由于实验是在18：00雷阵雨发生前进行的。17时12分至17时36分，由于气溶胶浓度急剧下降，原始信号在约1.5 km高度处突然下降。在海拔高度约2.6 km处探测到雨凇云。
图6展示了一个典型的检测结果。误差量的计算假设探测噪声由光子计数涨落主导，服从泊松分布。本文中径向风的容许误差为2 m / s。风向定义为相对于正北方向的顺时针角度。为了验证测量的准确性，将激光雷达的水平测风结果与超声波测风传感器(Vaisala windcap WMT52)的结果进行了比较，如前期工作[16]中所做的那样。
未偏移 f 0 f_0 f0和上偏移 ( f s = f 0 + 80 M H z ) (f_s=f_0+80MHz) (fs=f0+80MHz)频率， N N N表示利用( 80mm)望远镜采集的大气后向散射信号，W表示西向，N表示北向，这是两个望远镜的朝向。
捕捉雷暴大风发生前大气边界层内的风演变。水平风速和风向由经向风和纬向风计算得到，如图7所示。值得注意的是，在反演水平风时，应将垂直风考虑在内。在本文中，风被假定为水平的。
综上，本文提出了一种搭载SNSPD的双频直接探测多普勒测风激光雷达，其探测高度可达2.7 km，垂直空间分辨率为10 m，时间分辨率为10 s。采用单通道FPI和双频激光器实现双边沿技术，并结合时分复用方法。该方案在抑制激光器的背景噪声和ASE噪声方面具有优异的性能。此外，这样的实现大大简化了系统，增强了系统的稳定性。在现场实验中，探测了风速和风向随高度的风切变。