多脈沖激光的微弱信號探測能力分析研究

門琳琳,龍明亮,張海峰,3,鄧華榮,吳志波,3,張忠萍,3

(1.中國科學院上海天文臺,上海 200030;2.中國科學院大學,北京 100049;3.中國科學院衛星與碎片觀測重點實驗室,江蘇 南京 210008)

1 引 言

激光測距技術不斷追求測量精度和探測能力上的提升,對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、高能量的激光發射,對提升地面測量系統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現激光測距技術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頻率,但由于后向散射干擾問題和探測系統其他軟硬件制約,都限制了重復頻率的發展；另一種方法是通過增加激光器的放大級方式提升激光功率,但這會使激光器的系統組成結構復雜,控制難度大,且多級放大會對光束性能產生影響[5-6]。目前,大能量高功率的皮秒激光器一方面系統復雜、成本高,另一方面受光學器件的影響,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比較近的包絡里,分散到多脈沖內的每個脈沖上,降低了多脈沖內各脈沖的能量,避免了器件的損壞,提高了激光輸出的功率,且包絡內脈沖的重復頻率往往能夠上兆赫茲甚至吉赫茲,實現局部高重頻大能量的脈沖包絡輸出。這樣在放大過程中,能夠有效地提取放大介質的存蓄能量,提高放大效率。相較于單脈沖皮秒激光器,更容易實現高功率大能量的皮秒脈沖激光輸出。國內已有通過采用皮秒多脈沖放大方式,實現高功率輸出的文獻報道[6,8],由一根皮秒脈沖可獲得多根皮秒脈沖的方法。該技術的優點是在不改變后續放大器重頻和原有放大級數情況下,增加皮秒激光器的輸出功率。

目前衛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,易對光學器件造成損壞,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,實現單個脈沖、雙脈沖、四脈沖的2 kHz重復頻率及等功率的532 nm皮秒多脈沖(burst)輸出方式,實現了衛星激光測距,結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算分析

激光測距雷達方程是評估激光測距系統測量能力的基礎。根據所設計的激光測距系統參數可估算出系統接收到激光回波數,以評估測距系統對目標的測量能力。激光測距雷達方程由前章所述,如下[1,4]:

(1)

對于光電探測器,光電轉換服從泊松分布,發射n個光電子的概率P(n)滿足泊松分布:

(2)

由式(2)可知產生零個光電子概率為:

P(0)=e-n0,則產生至少一個光電子的概率為:

P(n≥1)=1-P(0)=1-e-n0

(3)

激光重復頻率為f,則m秒鐘可接收的激光回波數N=P(n≥1)×f×m。

化簡為:

PN(n≥1)=e-(N-1)n0(1-e-n0)

(4)

發射N個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

對于N個脈沖接收探測成功的概率為:

P1→N=1-e-Nn0

(6)

由此,多脈沖望遠鏡接收的探測率隨脈沖數的增多而增強。對于微弱信號的光子探測,微弱回波信號n0→0下,由泰勒級數展開:

P1→N=Nn0

(7)

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

同理對于非等幅值的脈沖,假設第一個脈沖對應的光子數為n0,第N脈沖的光子數為bNn0。N個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。即多個脈沖的能量之和與單個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,無論是單個還是多個不同的脈沖的數目或幅值,探測成功率不變。

3 多脈沖生成設計

四脈沖的實現光路如圖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45°高反鏡M1、M2反射至TPF2,由TPF2反射。精確調節M1、M2及TPF2使得垂直偏振光與水平偏振光完全重合,從而實現了將單個脈沖分成雙脈沖,且雙脈沖中的各脈沖的偏振態不同。此時,脈沖的間距為:

(9)

其中,C為光速。通過調節距離差ΔL,可以實現脈沖之間的間距改變。皮秒激光輸出的雙脈沖激光,偏振態是一樣的,脈沖之間的間距為腔長,經偏振分光合束的雙脈沖中的單個脈沖生成雙脈沖,從而可以實現四個脈沖的輸出。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,可以實現第二,第四根脈沖與第一根,第三根脈沖的間距變化。

4 結果及分析

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序調節,再生放大建立的周期[6,9],可實現脈沖強度的調節。圖3中各脈沖的強度依次遞減,即第一根脈沖的強度強于第二根,第二根強于第三根,第三根的強于第四根。其中圖3(a)為單脈沖,圖3(b)為偏振法實現的雙脈沖,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)為再生放大實現的雙脈沖,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現的四脈沖,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,采用上海天文臺衛星激光測距的地面靶目標的方法[10],對四脈沖的脈沖間距進行測量,如圖4所示。

圖4 地面靶目標的四脈沖測試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,即對應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。此時第二根與第四根在擋光片插入的時候測量強度增強,由此說明單光子探測器C-SPAD接光子時,接收前面的光子后,探測器即關門,后面的光子探測器將不再響應,若前面的光子被擋住,后面的光子接收將增強。

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

4.2 多脈沖的測距

基于上海天文臺佘山站的60 cm的測距系統[11],將多脈沖的激光通過準直擴束,在夜間進行衛星的跟蹤與測量,同時進行多脈沖的之間的切換,進行單脈沖,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,重復頻率為2 kHz,在天氣較好即很短的時間內進行脈沖切換,實現近地軌道LEO Ajisai,lageos1及高軌MEO Glonass107的目標測量,如圖6所示。

(a)Ajisai

(b)lageos1

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

圖6中近地星Ajiasai的信號比較強,四個脈沖測得的衛星回波信號比較明顯,lageos1與Glonass107由于距離較遠測得的回波信號相對較弱,特別是在第三根,第四根較弱的脈沖強度下,相對的脈沖回波較弱。對lageos1的雙脈沖與四脈沖的測量數據及Glonass107的單脈沖、雙脈沖、四脈沖的結果進行回波的精度及回波點數在相同的距離門控內,以及采用前面測得的對應的脈沖間距2.2 ns及12.1 ns將多脈沖的數據均疊加至第一根脈沖進行處理,其統計結果如表1所示。

表1 多脈沖的回波數據及測量精度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,多脈沖的測量數據疊加后,其數據總的測量精度相差在1 mm左右；lageos1的四脈沖的回波點數比雙脈沖的回波點數基本一種相差僅11個；Glonass107的四脈沖的回波點數比雙脈沖及單脈沖的回波點數均多,同時測量精度也相差增大。Glonass107的四脈沖中,第四個脈沖的回波較弱,在疊加過程中將部分噪聲疊加至第一個脈沖,致使數據點數增多,并影響到測量精度略下降。由此,通過測星的數據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 論

在不考慮背景噪聲情況下,從激光雷達方程分析表明了多脈沖包絡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現了單個脈沖、雙脈沖、四脈沖的2 kHz重復頻率及等功率的532 nm皮秒多脈沖輸出方式,以上海天文臺千赫茲衛星激光測距系統為平臺,進行四脈沖的地面靶目標測量,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。同時在夜間低噪聲下實現多脈沖下近地軌道Ajisai,lageos1及高軌Glonass107的目標測量,并將測得的多脈沖數據均疊加至第一根脈沖進行處理,分析衛星回波的有效總點數及回波疊加后的精度,結果表明其數據總的測量精度相差在1 mm左右；四脈沖的回波點數比雙脈沖及單脈沖的回波點數均多,主要受疊加過程中的噪聲點數的影響。以上測量結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探測的發射激光功率與能量的增強提供了有效的途徑。

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