多脈沖激光的微弱信號(hào)探測能力分析研究

門琳琳,龍明亮,張海峰,3,鄧華榮,吳志波,3,張忠萍,3

(1.中國科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.中國科學(xué)院衛(wèi)星與碎片觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008)

1 引 言

激光測距技術(shù)不斷追求測量精度和探測能力上的提升,對(duì)激光器的輸出能量和脈寬提出了越來越高的要求。激光測距系統(tǒng)中激光器的性能直接影響著激光探測能力和測量性能,提高功率、高能量的激光發(fā)射,對(duì)提升地面測量系統(tǒng)探測能力是十分有利的[1-4]。通過提升皮秒激光器的輸出功率來實(shí)現(xiàn)激光測距技術(shù)用于深空和空間碎片探測的途徑有兩種:一種方法是增加激光的重復(fù)頻率,但由于后向散射干擾問題和探測系統(tǒng)其他軟硬件制約,都限制了重復(fù)頻率的發(fā)展；另一種方法是通過增加激光器的放大級(jí)方式提升激光功率,但這會(huì)使激光器的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制難度大,且多級(jí)放大會(huì)對(duì)光束性能產(chǎn)生影響[5-6]。目前,大能量高功率的皮秒激光器一方面系統(tǒng)復(fù)雜、成本高,另一方面受光學(xué)器件的影響,大能量高功率的皮秒激光器往往也很難獲得。對(duì)于1064 nm皮秒激光的獲得一般以SESAM鎖模Nd∶YVO4激光器輸出10 ps左右的脈沖作為種子源,再進(jìn)行放大。皮秒放大過程中,由于脈沖過窄、增益提取小,峰值功率過高,極易造成光學(xué)器件的損傷,從而限制了皮秒脈沖能量的提高[7]。多脈沖的方式,將脈沖能量集中在一個(gè)比較近的包絡(luò)里,分散到多脈沖內(nèi)的每個(gè)脈沖上,降低了多脈沖內(nèi)各脈沖的能量,避免了器件的損壞,提高了激光輸出的功率,且包絡(luò)內(nèi)脈沖的重復(fù)頻率往往能夠上兆赫茲甚至吉赫茲,實(shí)現(xiàn)局部高重頻大能量的脈沖包絡(luò)輸出。這樣在放大過程中,能夠有效地提取放大介質(zhì)的存蓄能量,提高放大效率。相較于單脈沖皮秒激光器,更容易實(shí)現(xiàn)高功率大能量的皮秒脈沖激光輸出。國內(nèi)已有通過采用皮秒多脈沖放大方式,實(shí)現(xiàn)高功率輸出的文獻(xiàn)報(bào)道[6,8],由一根皮秒脈沖可獲得多根皮秒脈沖的方法。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是在不改變后續(xù)放大器重頻和原有放大級(jí)數(shù)情況下,增加皮秒激光器的輸出功率。

目前衛(wèi)星激光測距普遍采用的是單脈沖皮秒激光器[2],皮秒激光脈寬窄,峰值功率高,易對(duì)光學(xué)器件造成損壞,不容易獲得大能量或高功率的激光輸出,限制了激光探測能力的提升。本文采用偏振及皮秒再生放大的特性,實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖、雙脈沖、四脈沖的2 kHz重復(fù)頻率及等功率的532 nm皮秒多脈沖(burst)輸出方式,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星激光測距,結(jié)果表明多脈沖總能量與脈沖能量相等單脈沖具有相同的測距能力。

2 多脈沖的探測能力計(jì)算分析

激光測距雷達(dá)方程是評(píng)估激光測距系統(tǒng)測量能力的基礎(chǔ)。根據(jù)所設(shè)計(jì)的激光測距系統(tǒng)參數(shù)可估算出系統(tǒng)接收到激光回波數(shù),以評(píng)估測距系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的測量能力。激光測距雷達(dá)方程由前章所述,如下[1,4]:

(1)

對(duì)于光電探測器,光電轉(zhuǎn)換服從泊松分布,發(fā)射n個(gè)光電子的概率P(n)滿足泊松分布:

(2)

由式(2)可知產(chǎn)生零個(gè)光電子概率為:

P(0)=e-n0,則產(chǎn)生至少一個(gè)光電子的概率為:

P(n≥1)=1-P(0)=1-e-n0

(3)

激光重復(fù)頻率為f,則m秒鐘可接收的激光回波數(shù)N=P(n≥1)×f×m。

化簡為:

PN(n≥1)=e-(N-1)n0(1-e-n0)

(4)

發(fā)射N個(gè)脈沖接收到的光電子的總概率P1→N為:

(5)

即:

P1→N=(1-e-n0)(1+e-n0+…+e-(N-1)n0)

=1-e-Nn0

對(duì)于N個(gè)脈沖接收探測成功的概率為:

P1→N=1-e-Nn0

(6)

由此,多脈沖望遠(yuǎn)鏡接收的探測率隨脈沖數(shù)的增多而增強(qiáng)。對(duì)于微弱信號(hào)的光子探測,微弱回波信號(hào)n0→0下,由泰勒級(jí)數(shù)展開:

P1→N=Nn0

(7)

探測成功的概率隨脈沖數(shù)的增多而線性增大。以上說明,多脈沖的望遠(yuǎn)鏡接收探測能夠顯著提高弱信號(hào)的探測幾率,增強(qiáng)探測能力。

同理對(duì)于非等幅值的脈沖,假設(shè)第一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的光子數(shù)為n0,第N脈沖的光子數(shù)為bNn0。N個(gè)脈沖接收到的光電子的總概率為:

即:

P1→N=1-e-n0+e-b1n0(1-e-b2n0)+…+

e-(b1+b2+…+bN-1)n0(1-e-bNn0)

化簡得:

P1→N=1-e-(1+b2+…+bN-1+bN)n0

(8)

式(8)表明多脈沖的探測成功率可等效于脈沖能量之和的單脈沖探測概率。即多個(gè)脈沖的能量之和與單個(gè)大能量脈沖相等的情況下,其探測效率相一致。以上表明探測成功率受脈沖總能量的影響比較大,同樣能量下,無論是單個(gè)還是多個(gè)不同的脈沖的數(shù)目或幅值,探測成功率不變。

3 多脈沖生成設(shè)計(jì)

四脈沖的實(shí)現(xiàn)光路如圖1所示,偏振分光合束的可以將單脈沖分成雙脈沖,且各脈沖的偏振態(tài)不一致[9]。

圖1 偏振分光合束的雙脈沖生成方法Fig.1 Double-pulses generation for polarization beam

圖1中,光束偏振光通過二分之一波片后,光束內(nèi)含有水平偏振以及垂直偏振光,偏振片TPF1、TPF2透過水平偏振光,反射垂直偏振光。由此水平偏振光透過偏振片TPF1、TPF2,垂直偏振光經(jīng)45°高反鏡M1、M2反射至TPF2,由TPF2反射。精確調(diào)節(jié)M1、M2及TPF2使得垂直偏振光與水平偏振光完全重合,從而實(shí)現(xiàn)了將單個(gè)脈沖分成雙脈沖,且雙脈沖中的各脈沖的偏振態(tài)不同。此時(shí),脈沖的間距為:

(9)

其中,C為光速。通過調(diào)節(jié)距離差ΔL,可以實(shí)現(xiàn)脈沖之間的間距改變。皮秒激光輸出的雙脈沖激光,偏振態(tài)是一樣的,脈沖之間的間距為腔長,經(jīng)偏振分光合束的雙脈沖中的單個(gè)脈沖生成雙脈沖,從而可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)脈沖的輸出。其中各脈沖之間的間距如圖2所示。

圖2 雙脈沖經(jīng)偏振分光合束后生成的四脈沖Fig.2 Fourpulse generated for double-pulses

圖2中,腔長周期雙脈沖的間距不可變,ΔL的改變,可以實(shí)現(xiàn)第二,第四根脈沖與第一根,第三根脈沖的間距變化。

4 結(jié)果及分析

4.1 多脈沖及脈沖間距測量

采用由45°的偏振片,按圖1的光路搭建光路,保證經(jīng)TPF1反射與透射的兩路光,在TPF2處完全的重合。測得的單脈沖,雙脈沖,四脈沖如圖3所示。

圖3 多脈沖的生成Fig.3 Burst pulses generation

通過二分之一波片及皮秒再生放大的時(shí)序調(diào)節(jié),再生放大建立的周期[6,9],可實(shí)現(xiàn)脈沖強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。圖3中各脈沖的強(qiáng)度依次遞減,即第一根脈沖的強(qiáng)度強(qiáng)于第二根,第二根強(qiáng)于第三根,第三根的強(qiáng)于第四根。其中圖3(a)為單脈沖,圖3(b)為偏振法實(shí)現(xiàn)的雙脈沖,脈沖之間的間距為距離差ΔL/c,間距測量ΔL=66 cm,即為2.2 ns。圖3(c)為再生放大實(shí)現(xiàn)的雙脈沖,脈沖之間的間距為再生腔周期,約12 ns。圖3(d)為偏振法與再生放大實(shí)現(xiàn)的四脈沖,第一根脈沖與第二根脈沖、第三根脈沖與第四根脈沖的間距為偏振法間距,第一根脈沖與第三根脈沖、第二根脈沖與第四根脈沖的間距為再生放大中再生腔的間距。

為了更好地測量四脈沖之間的間距及脈沖的測距精度情況,采用上海天文臺(tái)衛(wèi)星激光測距的地面靶目標(biāo)的方法[10],對(duì)四脈沖的脈沖間距進(jìn)行測量,如圖4所示。

圖4 地面靶目標(biāo)的四脈沖測試Fig.4 Ranging measurement in ground target for four pulses

測到四脈沖的精度與地面靶目標(biāo)均值如圖4所示,第一根:精度0.75 cm,均值102.088 ns；第二根:精度0.73 cm,均值104.293 ns；第三根:精度0.77 cm,均值114.190 ns；第四根:精度0.81 cm,均值116.388 ns,即對(duì)應(yīng)的脈沖間距第一根脈沖與第二根脈沖為106.293-102.088=2.204 ns,同理第一根脈沖與第三根脈沖間距為:12.102 ns,第二根脈沖與第四根脈沖的間距12.095 ns,第三根脈沖與第四根脈沖的間距2.198 ns。由此多次測的各值得,偏振法間距為2.20 ns,再生放大中再生腔的間距為12.10 ns,測距精度7～8 mm,約23～27 ps。地靶測量中擋住第一根與第三根脈沖,即偏振偏TPF1與TPF2之間插入擋光片,如圖5,圖中第一根與第三根空白的地方為光路TPF1與TPF2之間插入擋光片,然后再拿開擋光片。此時(shí)第二根與第四根在擋光片插入的時(shí)候測量強(qiáng)度增強(qiáng),由此說明單光子探測器C-SPAD接光子時(shí),接收前面的光子后,探測器即關(guān)門,后面的光子探測器將不再響應(yīng),若前面的光子被擋住,后面的光子接收將增強(qiáng)。

圖5 脈沖擋住的地面靶目標(biāo)測量Fig.5 Ranging measurement in ground target with keep off pulses

4.2 多脈沖的測距

基于上海天文臺(tái)佘山站的60 cm的測距系統(tǒng)[11],將多脈沖的激光通過準(zhǔn)直擴(kuò)束,在夜間進(jìn)行衛(wèi)星的跟蹤與測量,同時(shí)進(jìn)行多脈沖的之間的切換,進(jìn)行單脈沖,雙脈沖以及四脈沖測距,切換過程中偏振片TPF2后的輸出功率在各脈沖形式下,輸出功率不變,功率為2.2 W,重復(fù)頻率為2 kHz,在天氣較好即很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行脈沖切換,實(shí)現(xiàn)近地軌道LEO Ajisai,lageos1及高軌MEO Glonass107的目標(biāo)測量,如圖6所示。

(a)Ajisai

(b)lageos1

(b)Glonass107 圖6 多脈沖的衛(wèi)星激光測距Fig.6 6 burst pulses′ SLR

圖6中近地星Ajiasai的信號(hào)比較強(qiáng),四個(gè)脈沖測得的衛(wèi)星回波信號(hào)比較明顯,lageos1與Glonass107由于距離較遠(yuǎn)測得的回波信號(hào)相對(duì)較弱,特別是在第三根,第四根較弱的脈沖強(qiáng)度下,相對(duì)的脈沖回波較弱。對(duì)lageos1的雙脈沖與四脈沖的測量數(shù)據(jù)及Glonass107的單脈沖、雙脈沖、四脈沖的結(jié)果進(jìn)行回波的精度及回波點(diǎn)數(shù)在相同的距離門控內(nèi),以及采用前面測得的對(duì)應(yīng)的脈沖間距2.2 ns及12.1 ns將多脈沖的數(shù)據(jù)均疊加至第一根脈沖進(jìn)行處理,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 多脈沖的回波數(shù)據(jù)及測量精度Tab.1 Echo data and precision for burst pulses′ SLR

從表1中可以看出,由多脈沖之間的間距比較精確,多脈沖的測量數(shù)據(jù)疊加后,其數(shù)據(jù)總的測量精度相差在1 mm左右；lageos1的四脈沖的回波點(diǎn)數(shù)比雙脈沖的回波點(diǎn)數(shù)基本一種相差僅11個(gè)；Glonass107的四脈沖的回波點(diǎn)數(shù)比雙脈沖及單脈沖的回波點(diǎn)數(shù)均多,同時(shí)測量精度也相差增大。Glonass107的四脈沖中,第四個(gè)脈沖的回波較弱,在疊加過程中將部分噪聲疊加至第一個(gè)脈沖,致使數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)增多,并影響到測量精度略下降。由此,通過測星的數(shù)據(jù)表明相同功率的多脈沖與單脈沖的具有基本一致的回波與測距精度,其探測能力相同,與前面的理論分析相同。

5 結(jié) 論

在不考慮背景噪聲情況下,從激光雷達(dá)方程分析表明了多脈沖包絡(luò)總能量與脈沖能量相等單脈沖具有相同的測距能力。提出采用偏振合束的方法以及皮秒再生放大的特性實(shí)現(xiàn)了單個(gè)脈沖、雙脈沖、四脈沖的2 kHz重復(fù)頻率及等功率的532 nm皮秒多脈沖輸出方式,以上海天文臺(tái)千赫茲衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)為平臺(tái),進(jìn)行四脈沖的地面靶目標(biāo)測量,獲得多脈沖中偏振法間距為2.20 ns,再生放大中再生腔的間距為12.10 ns,各脈沖的測距精度7～8 mm。同時(shí)在夜間低噪聲下實(shí)現(xiàn)多脈沖下近地軌道Ajisai,lageos1及高軌Glonass107的目標(biāo)測量,并將測得的多脈沖數(shù)據(jù)均疊加至第一根脈沖進(jìn)行處理,分析衛(wèi)星回波的有效總點(diǎn)數(shù)及回波疊加后的精度,結(jié)果表明其數(shù)據(jù)總的測量精度相差在1 mm左右；四脈沖的回波點(diǎn)數(shù)比雙脈沖及單脈沖的回波點(diǎn)數(shù)均多,主要受疊加過程中的噪聲點(diǎn)數(shù)的影響。以上測量結(jié)果與理論分析相一致,充分的說明了,多脈沖總能量與脈沖能量相等單脈沖具有相同的測距能力,為空間碎片及深空探測的微弱信號(hào)探測的發(fā)射激光功率與能量的增強(qiáng)提供了有效的途徑。

致 謝:本文得到大恒新紀(jì)元科技股份公司在皮秒激光器系統(tǒng)與技術(shù)指導(dǎo)及北京風(fēng)啟科技公司在45°偏振片的大力支持,在此表示感謝。