基于SNSPD的激光雷达系统对海上雾气特性研究

发布时间：2020-08-12 19:23

【摘要】：超导单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器,具有探测效率高、暗计数低、探测速率快、灵敏度高、响应频谱宽等特点,在量子通信、集成电路检测、激光测距、气象检测预报等领域具有很大的应用潜力。海雾是一种常见的海面天气现象,对渔业生产、航海及飞行安全等有着重要影响。激光气象雷达是一种常用的海雾探测技术,具有优异的方位精度和距离分辨率,对背景噪声的抑制效果显著。基于SNSPD的激光气象雷达主要应用于探测云雾范围和浓度、大气湿度、空中风场、空气污染、污染物扩散和气象预报等。本文将SNSPD应用到Mie散射激光气象雷达系统当中,根据大气探测激光雷达方程推导出雾气浓度公式。本研究测量了距离90 km以内的回波信号分布,演算雾气分布范围和雾气浓度,探测到了 42.3 km～63.5 km、53.2 km～74.2 km范围的雾气回波信号,根据大气雾气浓度公式分别估算出不同时刻距离测量地点45 km处的雾气浓度为103 Cm-3,距离测量地点55km处的雾气浓度为303 cm-3,雾气沿激光发射方向运动速度分量为13km/h,与实验天气情况基本符合,论证了 SNSPD对远距离气象探测能力。为了进一步测量雾气浓度分布,验证基于SNSPD激光雷达精确气象测量、预报的可行性,本研究探测到了 31.6km～42.0km内的雾气回波信号,根据雾气浓度公式推导的雾气分布。在31.6 km～42.0 km范围雾气浓度为150 cm-3左右,在36.8 km～37.8 km,雾气浓度最大为265 cm-3,雾气总体呈现中间浓度大,边缘浓度小,符合雾气分布特点。我们将测量数据与青岛麦岛附近使用“三用滴谱仪”直接测量雾气浓度进行比较,发现雾气浓度变化区间基本吻合。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98;P715
【图文】：

照片,耗尽层,超导薄膜,钨膜

被超导薄膜吸收之后产生微小的热量，而这微小的热量使得超导薄膜变为电阻态，逡逑由此引起了薄膜内电流的变化，一般使用ＳＱＵＩＤ来检验电流的变化，从而达到逡逑探测单光子的目标。下图１．３是一种常见的超导钨膜ＴＥＳ的光学照片。逡逑３逡逑

钨膜,纳米线,探测效率,光子数

ＳＮＳＰＤ是利用光子吸收在超导纳米线条中激发非平衡态的热电子效应逡逑（ｎｏｎ－ｅｃｊｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｈｏｔ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ），来实现承光子检测。通常使用热岛（ｈｏｔｓｐｏｔ）逡逑模型来解释ＳＮＳＰＤ的基本工作原理，如下图１．４所示：１．纳米线被偏置在略低逡逑于临界电流Ｉｃ的电流处（一般选择９５％Ｉｃ）；邋２．超导纳米线吸收光子后，纳米线逡逑上的库珀对被打散，从而形成一个热点（ｈｏｔｓｐｏｔ），偏置电流只能从热点区域两边逡逑传输：３．热岛两边的电流密度超过材料的临界电流密度时，会导致超导纳米线逡逑上形成一个电阻态；４．在电流热效应的作用下电阻区域逐渐扩大，直至偏置电逡逑流被外接电阻吸收；５．纳米线上电流减小，焦耳热效应减弱，同时由于衬底的散逡逑热，纳米线上电阻区域减小；６．纳米线温度恢复到环境温度，电阻区域消失，重逡逑回超导态，等待下一个光子到达。逡逑４逡逑

照片,热岛,相关性能,光响应

：：ｖ逡逑１邋ｎｉｌ邋１１邋ｆｌｉ邋Ｉ逡逑图１．３超导钨膜的ＴＥＳ光学照片［１３］逡逑ＴＥＳ具有光子数分辨能力，而且对于通信波段１５５０邋＿的光子，其探测效率逡逑可达９５％以上，暗计数也极低，往往只有０．０１邋Ｈｚ，这对于量子通信具有极大的逡逑应用价值，可以大大提高量子通信的准确度，降低误码率。由于钨薄膜具有极低逡逑的超导转变温度，往往只有几十ｍＫ，对制冷环境提出了很高的要求，因此也限逡逑制了它的推广应用。逡逑１．邋１．４．逦超导纳米线单光子探测器（ＳＮＳＰＤ）逡逑ＳＮＳＰＤ是利用光子吸收在超导纳米线条中激发非平衡态的热电子效应逡逑（ｎｏｎ－ｅｃｊｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｈｏｔ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ），来实现承光子检测。通常使用热岛（ｈｏｔｓｐｏｔ）逡逑模型来解释ＳＮＳＰＤ的基本工作原理，如下图１．４所示：１．纳米线被偏置在略低逡逑于临界电流Ｉｃ的电流处（一般选择９５％Ｉｃ）；邋２．超导纳米线吸收光子后，纳米线逡逑上的库珀对被打散

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