多脉冲激光的微弱信号探测能力分析研究

门琳琳,龙明亮,张海峰,3,邓华荣,吴志波,3,张忠萍,3

(1.中国科学院上海天文台,上海 200030;2.中国科学院大学,北京 100049;3.中国科学院卫星与碎片观测重点实验室,江苏 南京 210008)

1 引 言

激光测距技术不断追求测量精度和探测能力上的提升,对激光器的输出能量和脉宽提出了越来越高的要求。激光测距系统中激光器的性能直接影响着激光探测能力和测量性能,提高功率、高能量的激光发射,对提升地面测量系统探测能力是十分有利的[1-4]。通过提升皮秒激光器的输出功率来实现激光测距技术用于深空和空间碎片探测的途径有两种:一种方法是增加激光的重复频率,但由于后向散射干扰问题和探测系统其他软硬件制约,都限制了重复频率的发展；另一种方法是通过增加激光器的放大级方式提升激光功率,但这会使激光器的系统组成结构复杂,控制难度大,且多级放大会对光束性能产生影响[5-6]。目前,大能量高功率的皮秒激光器一方面系统复杂、成本高,另一方面受光学器件的影响,大能量高功率的皮秒激光器往往也很难获得。对于1064 nm皮秒激光的获得一般以SESAM锁模Nd∶YVO4激光器输出10 ps左右的脉冲作为种子源,再进行放大。皮秒放大过程中,由于脉冲过窄、增益提取小,峰值功率过高,极易造成光学器件的损伤,从而限制了皮秒脉冲能量的提高[7]。多脉冲的方式,将脉冲能量集中在一个比较近的包络里,分散到多脉冲内的每个脉冲上,降低了多脉冲内各脉冲的能量,避免了器件的损坏,提高了激光输出的功率,且包络内脉冲的重复频率往往能够上兆赫兹甚至吉赫兹,实现局部高重频大能量的脉冲包络输出。这样在放大过程中,能够有效地提取放大介质的存蓄能量,提高放大效率。相较于单脉冲皮秒激光器,更容易实现高功率大能量的皮秒脉冲激光输出。国内已有通过采用皮秒多脉冲放大方式,实现高功率输出的文献报道[6,8],由一根皮秒脉冲可获得多根皮秒脉冲的方法。该技术的优点是在不改变后续放大器重频和原有放大级数情况下,增加皮秒激光器的输出功率。

目前卫星激光测距普遍采用的是单脉冲皮秒激光器[2],皮秒激光脉宽窄,峰值功率高,易对光学器件造成损坏,不容易获得大能量或高功率的激光输出,限制了激光探测能力的提升。本文采用偏振及皮秒再生放大的特性,实现单个脉冲、双脉冲、四脉冲的2 kHz重复频率及等功率的532 nm皮秒多脉冲(burst)输出方式,实现了卫星激光测距,结果表明多脉冲总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力。

2 多脉冲的探测能力计算分析

激光测距雷达方程是评估激光测距系统测量能力的基础。根据所设计的激光测距系统参数可估算出系统接收到激光回波数,以评估测距系统对目标的测量能力。激光测距雷达方程由前章所述,如下[1,4]:

(1)

对于光电探测器,光电转换服从泊松分布,发射n个光电子的概率P(n)满足泊松分布:

(2)

由式(2)可知产生零个光电子概率为:

P(0)=e-n0,则产生至少一个光电子的概率为:

P(n≥1)=1-P(0)=1-e-n0

(3)

激光重复频率为f,则m秒钟可接收的激光回波数N=P(n≥1)×f×m。

化简为:

PN(n≥1)=e-(N-1)n0(1-e-n0)

(4)

发射N个脉冲接收到的光电子的总概率P1→N为:

(5)

即:

P1→N=(1-e-n0)(1+e-n0+…+e-(N-1)n0)

=1-e-Nn0

对于N个脉冲接收探测成功的概率为:

P1→N=1-e-Nn0

(6)

由此,多脉冲望远镜接收的探测率随脉冲数的增多而增强。对于微弱信号的光子探测,微弱回波信号n0→0下,由泰勒级数展开:

P1→N=Nn0

(7)

探测成功的概率随脉冲数的增多而线性增大。以上说明,多脉冲的望远镜接收探测能够显著提高弱信号的探测几率,增强探测能力。

同理对于非等幅值的脉冲,假设第一个脉冲对应的光子数为n0,第N脉冲的光子数为bNn0。N个脉冲接收到的光电子的总概率为:

即:

P1→N=1-e-n0+e-b1n0(1-e-b2n0)+…+

e-(b1+b2+…+bN-1)n0(1-e-bNn0)

化简得:

P1→N=1-e-(1+b2+…+bN-1+bN)n0

(8)

式(8)表明多脉冲的探测成功率可等效于脉冲能量之和的单脉冲探测概率。即多个脉冲的能量之和与单个大能量脉冲相等的情况下,其探测效率相一致。以上表明探测成功率受脉冲总能量的影响比较大,同样能量下,无论是单个还是多个不同的脉冲的数目或幅值,探测成功率不变。

3 多脉冲生成设计

四脉冲的实现光路如图1所示,偏振分光合束的可以将单脉冲分成双脉冲,且各脉冲的偏振态不一致[9]。

图1 偏振分光合束的双脉冲生成方法Fig.1 Double-pulses generation for polarization beam

图1中,光束偏振光通过二分之一波片后,光束内含有水平偏振以及垂直偏振光,偏振片TPF1、TPF2透过水平偏振光,反射垂直偏振光。由此水平偏振光透过偏振片TPF1、TPF2,垂直偏振光经45°高反镜M1、M2反射至TPF2,由TPF2反射。精确调节M1、M2及TPF2使得垂直偏振光与水平偏振光完全重合,从而实现了将单个脉冲分成双脉冲,且双脉冲中的各脉冲的偏振态不同。此时,脉冲的间距为:

(9)

其中,C为光速。通过调节距离差ΔL,可以实现脉冲之间的间距改变。皮秒激光输出的双脉冲激光,偏振态是一样的,脉冲之间的间距为腔长,经偏振分光合束的双脉冲中的单个脉冲生成双脉冲,从而可以实现四个脉冲的输出。其中各脉冲之间的间距如图2所示。

图2 双脉冲经偏振分光合束后生成的四脉冲Fig.2 Fourpulse generated for double-pulses

图2中,腔长周期双脉冲的间距不可变,ΔL的改变,可以实现第二,第四根脉冲与第一根,第三根脉冲的间距变化。

4 结果及分析

4.1 多脉冲及脉冲间距测量

采用由45°的偏振片,按图1的光路搭建光路,保证经TPF1反射与透射的两路光,在TPF2处完全的重合。测得的单脉冲,双脉冲,四脉冲如图3所示。

图3 多脉冲的生成Fig.3 Burst pulses generation

通过二分之一波片及皮秒再生放大的时序调节,再生放大建立的周期[6,9],可实现脉冲强度的调节。图3中各脉冲的强度依次递减,即第一根脉冲的强度强于第二根,第二根强于第三根,第三根的强于第四根。其中图3(a)为单脉冲,图3(b)为偏振法实现的双脉冲,脉冲之间的间距为距离差ΔL/c,间距测量ΔL=66 cm,即为2.2 ns。图3(c)为再生放大实现的双脉冲,脉冲之间的间距为再生腔周期,约12 ns。图3(d)为偏振法与再生放大实现的四脉冲,第一根脉冲与第二根脉冲、第三根脉冲与第四根脉冲的间距为偏振法间距,第一根脉冲与第三根脉冲、第二根脉冲与第四根脉冲的间距为再生放大中再生腔的间距。

为了更好地测量四脉冲之间的间距及脉冲的测距精度情况,采用上海天文台卫星激光测距的地面靶目标的方法[10],对四脉冲的脉冲间距进行测量,如图4所示。

图4 地面靶目标的四脉冲测试Fig.4 Ranging measurement in ground target for four pulses

测到四脉冲的精度与地面靶目标均值如图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,即对应的脉冲间距第一根脉冲与第二根脉冲为106.293-102.088=2.204 ns,同理第一根脉冲与第三根脉冲间距为:12.102 ns,第二根脉冲与第四根脉冲的间距12.095 ns,第三根脉冲与第四根脉冲的间距2.198 ns。由此多次测的各值得,偏振法间距为2.20 ns,再生放大中再生腔的间距为12.10 ns,测距精度7～8 mm,约23～27 ps。地靶测量中挡住第一根与第三根脉冲,即偏振偏TPF1与TPF2之间插入挡光片,如图5,图中第一根与第三根空白的地方为光路TPF1与TPF2之间插入挡光片,然后再拿开挡光片。此时第二根与第四根在挡光片插入的时候测量强度增强,由此说明单光子探测器C-SPAD接光子时,接收前面的光子后,探测器即关门,后面的光子探测器将不再响应,若前面的光子被挡住,后面的光子接收将增强。

图5 脉冲挡住的地面靶目标测量Fig.5 Ranging measurement in ground target with keep off pulses

4.2 多脉冲的测距

基于上海天文台佘山站的60 cm的测距系统[11],将多脉冲的激光通过准直扩束,在夜间进行卫星的跟踪与测量,同时进行多脉冲的之间的切换,进行单脉冲,双脉冲以及四脉冲测距,切换过程中偏振片TPF2后的输出功率在各脉冲形式下,输出功率不变,功率为2.2 W,重复频率为2 kHz,在天气较好即很短的时间内进行脉冲切换,实现近地轨道LEO Ajisai,lageos1及高轨MEO Glonass107的目标测量,如图6所示。

(a)Ajisai

(b)lageos1

(b)Glonass107 图6 多脉冲的卫星激光测距Fig.6 6 burst pulses′ SLR

图6中近地星Ajiasai的信号比较强,四个脉冲测得的卫星回波信号比较明显,lageos1与Glonass107由于距离较远测得的回波信号相对较弱,特别是在第三根,第四根较弱的脉冲强度下,相对的脉冲回波较弱。对lageos1的双脉冲与四脉冲的测量数据及Glonass107的单脉冲、双脉冲、四脉冲的结果进行回波的精度及回波点数在相同的距离门控内,以及采用前面测得的对应的脉冲间距2.2 ns及12.1 ns将多脉冲的数据均叠加至第一根脉冲进行处理,其统计结果如表1所示。

表1 多脉冲的回波数据及测量精度Tab.1 Echo data and precision for burst pulses′ SLR

从表1中可以看出,由多脉冲之间的间距比较精确,多脉冲的测量数据叠加后,其数据总的测量精度相差在1 mm左右；lageos1的四脉冲的回波点数比双脉冲的回波点数基本一种相差仅11个；Glonass107的四脉冲的回波点数比双脉冲及单脉冲的回波点数均多,同时测量精度也相差增大。Glonass107的四脉冲中,第四个脉冲的回波较弱,在叠加过程中将部分噪声叠加至第一个脉冲,致使数据点数增多,并影响到测量精度略下降。由此,通过测星的数据表明相同功率的多脉冲与单脉冲的具有基本一致的回波与测距精度,其探测能力相同,与前面的理论分析相同。

5 结 论

在不考虑背景噪声情况下,从激光雷达方程分析表明了多脉冲包络总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力。提出采用偏振合束的方法以及皮秒再生放大的特性实现了单个脉冲、双脉冲、四脉冲的2 kHz重复频率及等功率的532 nm皮秒多脉冲输出方式,以上海天文台千赫兹卫星激光测距系统为平台,进行四脉冲的地面靶目标测量,获得多脉冲中偏振法间距为2.20 ns,再生放大中再生腔的间距为12.10 ns,各脉冲的测距精度7～8 mm。同时在夜间低噪声下实现多脉冲下近地轨道Ajisai,lageos1及高轨Glonass107的目标测量,并将测得的多脉冲数据均叠加至第一根脉冲进行处理,分析卫星回波的有效总点数及回波叠加后的精度,结果表明其数据总的测量精度相差在1 mm左右；四脉冲的回波点数比双脉冲及单脉冲的回波点数均多,主要受叠加过程中的噪声点数的影响。以上测量结果与理论分析相一致,充分的说明了,多脉冲总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力,为空间碎片及深空探测的微弱信号探测的发射激光功率与能量的增强提供了有效的途径。

致 谢:本文得到大恒新纪元科技股份公司在皮秒激光器系统与技术指导及北京风启科技公司在45°偏振片的大力支持,在此表示感谢。