本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统及方法技术方案

本申请属于海洋流场速度测量领域，公开了一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统及方法，该系统在保留传统激光海洋流场测速系统高精度

【技术实现步骤摘要】
本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统及方法


[0001]本申请属于海洋流场速度测量领域，公开了一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统及方法
。

技术介绍

[0002]海流是海洋中广泛存在的一种海水流动现象
, 是海洋学研究中最为基础的观测要素之一，对全球气候稳定和生态平衡至关重要
。
精确的海流流速
、
流向信息是水下航行器导航
、
海底油气泄漏扩散研究
、
天然渔场选址
、
冷泉热液物质通量分析等的重要依据
。
目前应用最广泛的声学多普勒测流方法受声波物理特性限制，空间分辨率不高且对温度敏感
。
相比之下，激光多普勒技术利用相干探测原理，测量发射激光的多普勒频移
, 具有测速精度高
、
响应速度快
、
测速范围广
、
非接触测量等优势，是实现高精度
、
实时
、
温度不敏感的速度测量的有效方法
。
[0003]现有的激光多普勒测流系统通常采用传统线性相干探测体制，然而，由于水体的吸收和散射作用，导致回波信号弱且信噪比低
。
通过增大激光功率
、
接收系统口径提高回波信号强度的方法，不满足水下系统低载荷设计的原则
。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，采用单光子探测器使系统的探测灵敏度达到光子量级，并针对单光子探测器易饱和且当本振光与回波光强度在相同水平的特点，本专利技术提供了一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统，以单光子探测器取代传统的线性探测器，提高系统的探测灵敏度并降低系统数据采集与存储压力，促进海洋流场测速由线性体制迈入光子计数探测体制；同时采用全光纤设计提高系统的稳定度和可靠性
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统，包括光纤激光器
、
光纤分束器一
、
光学发射模块
、
光纤声光调制器
、
光纤衰减器
、
光纤分束器二
、
光学接收模块
、
光纤耦合器
、
单光子探测器一
、
单光子探测器二
、
时间相关单光子计数模块
、
光纤衰减器驱动器和信号处理模块；所述光纤激光器的输出端与光纤分束器一连接；光纤分束器一将入射的激光按照一定的比例分为两路，其中能量较多的一路光束进入光学发射模块，作为发射光路；能量较少的一路光束通过光纤声光调制器进入光纤衰减器，作为本振光路，光纤衰减器的输出直接与光纤分束器二相连，光纤分束器二按照
50:50
的比例将激光分为两束，一束传输至单光子探测器一，单光子探测器一的输出信号由时间光子计数模块记录，用于监测本振光子的强度；光纤分束器二的另一束直接进入光纤耦合器，等待与光学接收模块收集的信号光子进行相干混频，产生拍频信号；光纤耦合器直接将拍频信号传输至单光子探测器二，由单光子探测器二完成光电转换，并实现对拍频信号的离散稀疏采样，单光子探测器二输出的电脉冲序列由时间相关单光子计数模块采集并存储；信号处理模块一方面通过分析单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列计数值，并按照固定的比例给光纤衰
减器驱动器提供一个电压驱动信号，另一方面信号处理模块对单光子探测器二输出的电脉冲序列进行分析，获取海洋流场的流速信息
。
[0006]优选的，本振光子和信号光子在
50%
：
50%
的光纤耦合器完成混频，输入至单光子探测器二的拍频光强度记为： ；其中，和分别为接收的平均信号光子数和本振光光子数，和分别为系统的背景光噪声和暗计数噪声，和分别为拍频频率和拍频信号的初始相位，
t
为信号采集的时刻
。
[0007]优选的，单光子探测器二对拍频信号的响应服从参数为光强的泊松分布，其响应到拍频信号的光子计数事件可以表示为：；为单光子探测器二的量子效率；单光子探测器二响应的光子计数事件由时间相关单光子计数模块采集并存储，信号处理模块对光子计数模块存储的光子计数数据进行傅里叶变换，以获得海洋流场的多普勒频移；进而，确定海洋流场的速度信息； ；其中，为被测流场与探测系统间的相对速度，为激光波长
。
[0008]优选的，由信号处理模块分别统计单光子探测器一与单光子探测器二在相同时间内输出的电脉冲序列计数率，调节光纤衰减器的衰减比例，设计如下的调节系数： ；其中，
、
分别为单光子探测器一与单光子探测器二输出脉冲序列的计数率，
、
分别为单光子探测器一与单光子探测器二的量子效率，为光纤衰减器驱动器的调节系数；当时，给光纤衰减器驱动器提供负电压，逆时针调节光纤衰减器，降低光纤衰减器的衰减系数，增大本振光强度；当时，给光纤衰减器驱动器提供正电压，顺时针调节光纤衰减器，增大光纤衰减器的衰减系数，降低本振光强度
。
[0009]优选的，光纤激光器采用
532nm
光纤激光器，所述的
532nm
光纤激光器发射窄线宽连续激光，作为主动探测光源
。
[0010]优选的，信号处理模块按照固定的比例给光纤衰减器驱动器提供一个电压驱动信
号，自适应的调节光纤衰减器的衰减比例，保障输入光纤耦合器的本振光信号与回波信号强度在相同量级，并避免系统因本振光过强而导致探测器二饱和影响系统探测性能
。
[0011]优选的，单光子探测器一和单光子探测器二固有的死时间及二值输出特性，使其对海洋流场拍频信号实现1‑
bit
压缩采样，减轻水下系统数据存储与处理的压力
。
[0012]一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速方法，包括以下步骤：光纤激光器提供光源，光纤分束器一将入射的激光按照一定的比例分为两路，其中能量较多的一路光束进入光学发射模块，作为发射光路；能量较少的一路光束通过光纤声光调制器进入光纤衰减器，作为本振光路，光纤分束器二按照
50:50
的比例将激光分为两束，一束传输至单光子探测器一，单光子探测器一的输出信号由时间光子计数模块记录，用于监测本振光子的强度；光纤分束器二的另一束直接进入光纤耦合器，等待与光学接收模块收集的信号光子进行相干混频，产生拍频信号；光纤耦合器直接将拍频信号传输至单光子探测器二，由单光子探测器二完成光电转换，并实现对拍频信号的离散稀疏采样，单光子探测器二输出的电脉冲序列由时间相关单光子计数模块采集并存储，时间相关单光子计数模块将信息发送至信号处理模块；信号处理模块一方面通过分析单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列计数值，并按照固定的比例给光纤衰减器驱动器提供一个电压驱动信号，另一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统，其特征在于，包括光纤激光器
、
光纤分束器一
、
光学发射模块
、
光纤声光调制器
、
光纤衰减器
、
光纤分束器二
、
光学接收模块
、
光纤耦合器
、
单光子探测器一
、
单光子探测器二
、
时间相关单光子计数模块
、
光纤衰减器驱动器和信号处理模块；所述光纤激光器的输出端与光纤分束器一连接；光纤分束器一将入射的激光按照一定的比例分为两路，其中能量较多的一路光束进入光学发射模块，作为发射光路；能量较少的一路光束通过光纤声光调制器进入光纤衰减器，作为本振光路，光纤衰减器的输出直接与光纤分束器二相连，光纤分束器二按照
50:50
的比例将激光分为两束，一束传输至单光子探测器一，单光子探测器一的输出信号由时间光子计数模块记录，用于监测本振光子的强度；光纤分束器二的另一束直接进入光纤耦合器，等待与光学接收模块收集的信号光子进行相干混频，产生拍频信号；光纤耦合器直接将拍频信号传输至单光子探测器二，由单光子探测器二完成光电转换，并实现对拍频信号的离散稀疏采样，单光子探测器二输出的电脉冲序列由时间相关单光子计数模块采集并存储；信号处理模块一方面通过分析单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列计数值，并按照固定的比例给光纤衰减器驱动器提供一个电压驱动信号，另一方面信号处理模块对单光子探测器二输出的电脉冲序列进行分析，获取海洋流场的流速信息
。2.
根据权利要求1所述的一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统，其特征在于，本振光子和信号光子在
50%
：
50%
的光纤耦合器完成混频，输入至单光子探测器二的拍频光强度记为： ；其中，和分别为接收的平均信号光子数和本振光光子数，和分别为系统的背景光噪声和暗计数噪声，和分别为拍频频率和拍频信号的初始相位，
t
为信号采集的时刻
。3.
根据权利要求2所述的一种本振光自适应的光子计数相干海洋流场测速系统，其特征在于，单光子探测器二对拍频信号的响应服从参数为光强的泊松分布，其响应到拍频信号的光子计数事件可以表示为；为单光子探测器二的量子效率；单光子探测器二响应的光子计数事件由时间相关单光子计数模块采集并存储，信号处理模块对光子计数模块存储的光子计数数据进行傅里叶变换，以获得海洋流场的多普勒频移， ；进而，确定海洋流场的速度信息； ；
其中，为被测流场与探测系统间的相对速度，为激光波长
。4.
根据权利要求1所述的一种本振...

【专利技术属性】
技术研发人员：王章军，于洋，李辉，于长新，索铜声，于景坤，赵振雨，王秀芬，庄全风，潘新，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：