[发明专利]基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统及方法

权利要求书

1.一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，包括控制处理组件(1)、激光源(5)、电光调制器(6)、激光准直器(7)、二分之一波片(8)、偏振分光棱镜(9)、四分之一波片(10)、扫描装置(11)、窄带滤光片(14)、汇聚透镜(15)和单光子探测器(16)；

成像系统的光路设置为：激光源(5)发射的连续激光依次进入电光调制器(6)、激光准直器(7)、二分之一波片(8)、偏振分光棱镜(9)、四分之一波片(10)、扫描装置(11)，扫描激光光束射入大气中，经过气体团(12)吸收激光被背景目标(13)散射回来，返收的激光信号再依次经过气体团(12)、扫描装置(11)、四分之一波片(10)、偏振分光棱镜(9)、滤光片(14)，最后经汇聚透镜(15)聚焦之后被单光子探测器(16)接收；

所述控制处理组件(1)用以控制激光源(5)和电光调制器(6)的工作，接收和处理单光子探测器(16)获取的气体在不同吸收波段的信号，得到气体浓度信息和背景距离信息，并结合扫描装置(11)的位置信息，将获取的气体浓度信息和位置信息进行匹配，获取气云成像结果图。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述控制处理组件(1)包括信号采集和处理单元(2)、温度和电流单元(3)及信号生成控制单元(4)；

所述信号采集和处理单元(2)与单光子探测器(16)信号连接，其接收和处理单光子探测器(16)获取的气体在不同吸收波段的信号，通过计算得到气体吸收强度和气体浓度；

所述温度和电流单元(3)与激光源(5)信号连接，其控制激光源(5)的工作；

所述信号生成控制单元(4)分别与电光调制器(6)和单光子探测器(16)信号连接，其用于生成调制信号给电光调制器(6)，并将调制同步信号给单光子探测器(16)。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述激光源(5)、电光调制器(6)、激光准直器(7)、二分之一波片(8)、偏振分光棱镜(9)、四分之一波片(10)、扫描装置(11)依次设置，所述偏振分光棱镜(9)、窄带滤光片(14)、聚透镜(15)和单光子探测器(16)依次设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述激光源(5)为DFB可调谐激光器，其发射的激光为近红外波段连续激光。

5.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述扫描装置(11)为双楔扫描镜，其可以通过电机控制转速和方向实现光束扫描。

6.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述激光源(5)和电光调制器(6)通过保偏光纤一(17)连接，所述电光调制器(6)和激光准直器(7)通过保偏光纤二(18)连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述电光调制器(6)可以通过外加信号对幅度和频率进行信号调制。

8.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述激光准直器(7)满足对激光光束的准直和实现空间光发射；所述二分之一波片(8)、偏振分光棱镜(9)和四分之一波片(10)实现对光束的P光和S光的转换，实现同轴接收。

9.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，其特征在于，所述窄带滤光片(14)用以实现对激光波长的噪声滤除，获取有效的回波信号；

所述汇聚透镜(15)用以将激光聚焦到单光子探测器(16)焦面；

所述单光子探测器(16)实现对极弱的激光回波信号的收集，可实现气体的极低浓度的检测。

10.一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像方法，其特征在于，包括：

步骤1，通过控制激光源(5)和电光调制器(6)产生脉冲调制下的不同波长的激光，激光源(5)发射的连续激光依次进入电光调制器(6)、激光准直器(7)、二分之一波片(8)、偏振分光棱镜(9)、四分之一波片(10)、扫描装置(11)，打进大气中实现对气体团(12)的探测，背景目标(13)反射激光回波信号；

步骤2，激光回波信号经相同的光路打到偏振分光棱镜(9)之后被分光到探测器通道，经窄带滤光片(14)和汇聚透镜(15)后打进单光子探测器(16)，实现弱回波信号的收集；

步骤3，通过单光子探测器(16)接收的激光回波信号经过控制处理组件(1)的处理，得到气体浓度信息和背景距离信息，结合中扫描装置(11)的位置信息，将获取的气体浓度和位置信息进行匹配，获取气云成像结果图。