CN104330802A - 量子雷达及其实现目标探测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子雷达及其实现目标探测的方法，该量子雷达包括：用于产生光信号的激光源；用于将所述激光源产生的光信号衰减成单光子信号的衰减器；用于将所述单光子信号转变为几率波干涉信号的量子光栅；用于将所述几率波干涉信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分的分光器；用于将所述第一干涉波射向目标的信号发射镜；用于根据几率关联效应，输出电压信号的单光子检测器；以及用于根据所述电压信号计算出目标的位置目标判断输出模块。本发明量子雷达进行目标探测采用非因果的并行事件测量，通过对目标发射几率干涉波，但不用测量(接收)回波而获得目标信息，提高了雷达的性能。

Description

量子雷达及其实现目标探测的方法
技术领域
本发明涉及一种用于空间目标探测的光电设备，具体地指一种量子雷达及其实现目标探测的方法。
背景技术
未来战争是高科技、信息化战争，对战略预警体系要求越来越高。雷达作为战略预警体系的核心更是优先发展的重点。目前，常规体制雷达主要存在如下几方面缺点：一是发射功率大(几十千瓦)，电磁泄漏大；二是反隐身能力差；三是成像能力弱；四是信号处理复杂，实时性弱。
此外，现有常规体制雷达发展方向主要是通过提高接收机灵敏度来提高雷达的整机性能。而常规体制雷达利用电磁波探测目标，采用实波因果测量方案，即需要通过测量到回波信号后来确定目标，由于电磁波受热噪声叠加影响，电子设备也受热噪声影响，因此，常规体制雷达灵敏度是信噪比极限下的(SNL，shot-noise limit)，所以常规体制雷达灵敏度的进一步提高已达极限。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种量子雷达及其实现目标探测的方法，该量子雷达采用非因果的并行事件测量，通过对目标发射几率干涉波，但不用测量(接收)回波而获得目标信息，提高了雷达的性能。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种量子雷达，包括：
激光源，用于产生光信号；
衰减器，用于将所述光信号衰减成单光子信号；
量子光栅，用于将所述单光子信号转变为几率波干涉条纹信号；
分光器，用于将所述几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波射向目标，第二干涉波用于感应第一干涉波遇到目标时引起的几率干涉波的相位偏移；
信号发射镜，用于将所述第一干涉波射向待测区域；
单光子检测器，利用超导的超导态随着库珀对破坏而转变为普通电阻状态，根据第二干涉波输出电压信号；
目标判断输出模块，用于根据所述电压信号计算出待测区域中目标的位置；以及
光纤放大器，用于将所述单光子检测器的透射光放大恢复后反馈至所述量子光栅的输入端；
所述量子光栅将光纤放大器放大恢复后的透射光传入分光器。
此外，本发明还提供一种上述量子雷达实现目标探测的方法，该方法包括：激光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号，单光子信号经量子光栅获得几率波干涉信号，所述几率波干涉信号中的一部分几率波经过分光器送入信号发射镜射向目标；另一部分几率波送入单光子检测器，单光子检测栅格处于光子透射状态，透射的光子被送入光纤放大器进行放大，再送入量子光栅；
当有目标出现时，则会引起量子干涉条纹在单光子检测栅格上的移动，从而引起单光子检测器有信号电压输出，这个电压输出信号送入目标判断输出模块进行目标辨识输出。
本发明还提供第二种量子雷达，该量子雷达包括：
激光源，用于产生光信号；
衰减器，用于将所述激光源产生的光信号衰减成单光子信号；
量子光栅，用于将所述单光子信号转变为几率波干涉条纹信号；
单光子检测器，所述几率波干涉条纹信号传入该单光子检测器；
分光器，用于将单光子检测器传出的几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波射向目标，第二干涉波用于感应第一干涉波遇到目标时引起的几率干涉波的相位偏移；
信号发射镜，用于将所述第一干涉波射向待测区域；
光纤放大器，用于将所述第二干涉波放大反馈至所述量子光栅，所述量子光栅将放大后的第二干涉波转化为后续几率波干涉条纹信号；单光子检测器利用超导的超导态随着库珀对破坏而转变为普通电阻状态，根据后续几率波干涉条纹信号输出电压信号；以及
目标判断输出模块，用于根据所述电压信号计算出待测区域中目标的位置
本发明通过上述第二种量子雷达实现目标探测的方法，包括以下步骤：
激光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号；单光子信号经量子光栅获得几率波干涉条纹信号，所述几率波干涉条纹信号通过单光子检测器后进入分光器，分光器将所述几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波送入信号发射镜射向目标；第二干涉波经过光纤放大器送入量子光栅；
当有目标出现时，则会引起量子干涉条纹在单光子检测栅格上的移动，从而引起单光子检测器有信号电压输出，这个电压输出信号送入目标判断输出模块进行目标辨识输出。
本发明具有以下优点：
一、信号不同，常规体制雷采用米波段至毫米波段电磁波，而本发明量子雷达信号采用单光子信号，因此，本发明量子雷达的灵敏度比常规雷达灵敏度高5个数量级以上(根据常规雷达接收机最小接收信号在皮瓦量级，通过皮瓦与单光子能量换算得出)。
二、目标探测机制不同，常规体制雷达采用实波因果测量方案，即对目标主动发射电磁波，然后通过辨识目标反射的回波获得空间目标信息；而本发明采用的几率波非因果的并行事件测量方案，即通过对目标发射几率干涉波，通过几率干涉波的几率关联特性，实现不用测量(接收)回波而获得目标信息，而不用测量(接收)回波来获得目标信息。
三、信号辨识方式不同，常规雷达是对大量光子组成的电磁波进行辨识，而本发明量子雷达是对单个光子和单光子的“子波”进行辨识。
四、本发明所用超导单光子检测器为光栅形式，对单光子信号的辨识是在量子光栅和超导单光子检测器联合使用下完成。
五、本发明通过光纤放大器将所述单光子检测器的透射光反馈至量子光栅的输入端形成闭环，从而实现无回波测量需要的，且与时序无关的稳定参照状态。
附图说明
图1为实施例1量子雷达的结构框图。
图2为量子光栅的结构示意图，图2-1为矩形光栅的结构示意图，图2-2为圆形光栅的结构示意图。
图3为超导单光子检测器结构示意图。
图4为实施例2量子雷达的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例量子雷达包括：激光源、衰减器、量子光栅、分光器、信号发射镜、单光子检测器、光纤放大器以及目标判决输出模块。
本实施例所用激光光源要求强相干性，例如采用红外光(1.5μm或0.85μm等)。
本实施例所用量子光栅用于将单光子信号转变为几率干涉波信号，产生几率波干涉的量子光栅需满足以下条件：一是产生路径不确定性选择，如单粒子流面对双缝(几何对称的)将产生路径不确定性选择；二是光栅栅格宽度及栅格之间的间隔与粒子波长同量级；三是光栅与屏(超导栅格)的距离要合适。
如图2所示量子光栅可分为双缝和多缝；还可分为电子等费米子光栅(真空缝或晶格)和光子等玻色子光栅(缝由透光介质组成)。光栅几何形式可以是光栅缝竖缝排列，也可是光栅缝对称分布在圆上。图2-1所示的量子光栅缝宽、缝间隔和缝高与光子几何尺寸(光波长)同量级，如2-2所示的多缝圆形光栅还要求缝在圆上对称分布。光栅采用蒸镀溅射法将压电晶体和半导体材料合成。
本实施例所用分光器将量子光栅输出的干涉波(干涉条纹)分为两部分：一部分输入信号发射镜，用于扫描目标；另一部分输入单光子检测器。
本实施例所用单光子检测器为超导单光子检测器，如图3所示，将超导做成透射光的栅格形式，超导薄膜贴于栅格不透光的间隔上，利用超导的温度电阻特性检测量子干涉波条纹的移动。当量子干涉条纹的亮纹移动照射到超导薄膜上时，由于光子对超导体的库珀对破坏，将超导体由超导状态转变为通常电阻状态，从而在超导薄膜上产生电压输出信号。
本实施例所用光纤放大器是利用超导单光子检测器的透射光，经光纤放大器反馈至量子光栅输入端，以此形成自激光振荡回路，实现无回波测量需要的且与时序无关的稳定参照状态。当没有目标出现时，整个系统处于一种自激振荡状态，激光光源没有输入；当有目标出现时，由于干涉条纹的移动使得没有光子反馈，自激振荡中断，激光光源重新启动输入信号，新的一轮探测计时开始。
本实施例所用信号发射镜的作用在于：一是使信号具有方向性，便于光束对空间目标的扫描搜索和目标方位的计算；二是使多源单光子束形成并行发射，即可将多个量子光栅发来的几率波干涉信号通过一个发射镜发射。
使用本实施例量子雷达实现目标探测的方法包括以下步骤：
S100、激光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号。
S200、单光子信号经量子光栅获得几率波干涉条纹信号。
S300、几率波干涉条纹信号中的一部分几率波(第一干涉波)经过分光器送入信号发射镜射向目标；另一部分(第二干涉波)送入单光子检测器。
干涉波仍然是一完备子空间，如果第一干涉波仍然是一子空间，第二干涉波受到的扰动可能不会影响第一干涉波状态，反之第一干涉波可引起第二干涉波的相位移动。第二干涉波透射波只需其携带原始状态信息，类似生物DNA，光纤放大器就可以根据这个“DNA”恢复出原始态光子。
S400、超导单光子检测栅格处于光子透射状态，即使得量子干涉的亮条纹处于超导栅格缝上，透射的光子被送入光纤放大器进行放大，再送入量子光栅。当信号发射镜射出的几率波遇到目标时，由于量子干涉波的几率关联效应，将会引起量子干涉条纹在单光子检测栅格上的移动，亮纹将移动至超导薄膜上，超导薄膜将由超导状态转变为电阻状态，从而有信号电压输出。
S500、目标判决输出模块根据单光子检测器的输出信号电压判定目标出现的时刻，然后根据发射信号的起始时刻、出现两个信号的间隔时间，再加上发射镜的信号发射角度值，综合判断计算出目标方位。
本发明的创新是利用量子光栅产生的干涉几率波探测目标，将量子光栅和超导单光子检测器结合使用，一方面极大提高超导单光子检测器的灵敏度，另一方面将几率波的最重要的特性---几率关联特性开发应用出来。
本发明在超导单光子检测器前增加了量子干涉器(量子光栅)，使得整个单光子检测器性能在三个方面获得巨大提高：一是光子经过量子干涉使其精确分布在一定空间；二是由于量子干涉条纹是一序列光子共同作用形成的空间几率，本发明利用了一序列光子共同参与进行单光子检测；三是光栅将光子波函数在几率空间展开，量子干涉条纹可以看作光子的一组基态，超导薄膜栅格分别感应各基态，将其转换为脉冲输出，这样不仅可获得单光子的存在，而且还可精确获知其携带的信息(状态)。
设光子由n个基态(本征态)的量子系统产生，则光子波函数可表示为：
＜ψ(r，t)|＝c1＜ψ1(r，t)|+c2＜ψ2(r，t)|+…+cn＜ψn(r，t)|这里＜ψ1(r，t)|，＜ψ2(r，t)|，…，＜ψn(r，t)|为系统的一组基态，ci为任意复常数，且 Σ i = 1 n | c i | 2 = 1 .
光波通过光栅相当于经过一线性变换，量子干涉条纹强度由几率常数c′i表示，波函数可表示为：
＜ψ（r，t)|＝c′1＜ψ1(r，t)|+c′2＜ψ2(r，t)|+…+c′m＜ψm(r，t)|其中 Σ i = 1 m | c i ′ | 2 = 1 .
设光栅与超导单光子检测器距离固定，光栅栅格宽度不变。当某一条纹落在超导薄膜的某一栅格上时，其引起的热效应大小与(c′i)2成正比，因此，超导薄膜栅格上的输出电压与(c′i)2成正比。
设超导单光子检测器一个栅格输出电压为Ui，
Ui＝|c′i|2E0
则系统电压输出为：
U = Σ i = 1 m U i
其中E0为超导单光子检测器电源电压，m为引起超导栅格有电脉冲输出的的量子干涉条纹数。
由超导薄膜的电阻-温度特性曲线(相应地转化为电压-温度曲线)，可看出超导薄膜响应阈值的设定值影响接收机灵敏度，只要|c′i|2大于阈值几乎就有相应脉冲输出。假设响应阈值为0.05hν(h为普朗克常数，ν为光子频率)，则当|c′i|2＜0.05时，相应的干涉条纹能量不被吸收而被反射和隧穿。如果有k条条纹|c′i|2＞0.05，则将有k倍的对单个光子的响应，相当于单光子检测器灵敏度增加k倍。
实施例2
如图4所示，本实施例量子雷达包括：激光源、衰减器、量子光栅、分光器、信号发射镜、单光子检测器、光纤放大器以及目标判决输出模块，上述各器件均与实施例1中相同，此处不再赘述。与实施例1量子雷达结构不同的是：本实施例量子雷达中的单光子检测器位于量子光栅与分光器之间，分光器将单光子检测器传出的几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波射向目标，第二干涉波用于感应第一干涉波遇到目标时引起的几率干涉波的相位偏移。
本实施例量子雷达中的激光光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号，单光子信号经量子光栅获得几率波干涉信号，几率波干涉条纹信号对应于单光子检测栅格缝，使几率波干涉条纹处于透射状态。透射出的干涉条纹经过分光器，将其一半送入信号发射镜射向目标；另一半送入光纤放大器进行放大，然后反馈至量子光栅。使用该量子雷达实现目标探测的方法具体包括以下步骤：
S100、激光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号。
S200、单光子信号经量子光栅得到几率波干涉条纹信号。
S300、几率波干涉条纹信号通过单光子检测器后进入分光器，分光器将几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波送入信号发射镜射向目标；第二干涉波经过光纤放大器送入量子光栅。
当有目标出现时，则会引起量子干涉条纹在单光子检测栅格上的移动，从而引起单光子检测器有信号电压输出，这个电压输出信号送入目标判断输出模块进行目标辨识输出。
S500、目标判断输出模块根据单光子检测器的输出信号判定目标出现的时刻，然后根据发射信号的起始时刻、出现两个信号的间隔时间，再加上发射镜的信号发射角度值，综合判断计算出目标方位。
此外，本实施例还可以增加一个单光子检测器的位置调节，利用单光子检测器的压电晶体材料感应电压获得机械位移。系统初始状态，当单光子检测器与量子光栅不匹配时，即量子干涉信号不处于透射状态时，这时单光子检测器有信号(电压)输出，利用压电晶体的压电效应，利用此信号调节单光子检测器位置使其趋于匹配状态。

Claims (10)

1.一种量子雷达，其特征在于，包括： 
激光源，用于产生光信号； 
衰减器，用于将所述光信号衰减成单光子信号； 
量子光栅，用于将所述单光子信号转变为几率波干涉条纹信号； 
分光器，用于将所述几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波射向目标，第二干涉波用于感应第一干涉波遇到目标时引起的几率干涉波的相位偏移； 
信号发射镜，用于将所述第一干涉波射向待测区域； 
单光子检测器，利用超导的超导态随着库珀对破坏而转变为普通电阻状态，根据第二干涉波输出电压信号； 
目标判断输出模块，用于根据所述电压信号计算出待测区域中目标的位置；以及 
光纤放大器，用于将所述单光子检测器的透射光放大恢复后反馈至所述量子光栅的输入端； 
所述量子光栅将光纤放大器放大恢复后的透射光传入分光器。 
2.根据权利要求1所述的量子雷达，其特征在于：所述单光子检测器为超导单光子检测器，所述超导单光子检测器是超导做成透射光的栅格，超导薄膜贴于栅格不透光的间隔上。 
3.一种通过权利要求1所述量子雷达实现目标探测的方法，其特征在于：激光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号，单光子信号经量子光栅获得几率波干涉信号，所述几率波干涉信号中的一部分几率波经过分光器送入信号发射镜射向目标；另一部分几率波送入单光子检测器，单光子检测栅格处于光子透射状态，透射的光子被送入光纤放大器进行放大，再送入量子光栅； 
当有目标出现时，则会引起量子干涉条纹在单光子检测栅格上的移动，从而引起单光子检测器有信号电压输出，这个电压输出信号送入目标判断输出模块进行目标辨识输出。 
4.根据权利要求3所述量子雷达实现目标探测的方法，其特征在于：所述目标判断输出模块根据单光子检测器的输出信号判定目标出现的时刻，然后根据发射信号的起始时刻、出现两个信号的间隔时间，再加上发射镜的信号发射角度值，综合判断计算出目标方位。 
5.根据权利要求4所述量子雷达实现目标探测的方法，其特征在于：所述单光子检测器为超导单光子检测器，当量子干涉条纹的亮纹移动照射到超导薄膜上时，由于光子对超导的库珀对破坏，将超导体由超导状态转变为通常电阻状态，从而在超导薄膜上产生电压输出信号。 
6.一种量子雷达，其特征在于，包括： 
激光源，用于产生光信号； 
衰减器，用于将所述激光源产生的光信号衰减成单光子信号； 
量子光栅，用于将所述单光子信号转变为几率波干涉条纹信号； 
单光子检测器，所述几率波干涉条纹信号传入该单光子检测器； 
分光器，用于将单光子检测器传出的几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波射向目标，第二干涉波用于感应第一干涉波遇到目标时引起的几率干涉波的相位偏移； 
信号发射镜，用于将所述第一干涉波射向待测区域； 
光纤放大器，用于将所述第二干涉波放大反馈至所述量子光栅，所述量子光栅将放大后的第二干涉波转化为后续几率波干涉条纹信号；单光子检测器利用超导的超导态随着库珀对破坏而转变为普通电阻状态，根据后续几率波干涉条纹信号输出电压信号；以及 
目标判断输出模块，用于根据所述电压信号计算出待测区域中目标的位置。 
7.根据权利要求6所述的量子雷达，其特征在于：所述单光子检测器为超导单光子检测器，所述超导单光子检测器是超导做成透射光的栅格，超导薄膜贴于栅格不透光的间隔上。 
8.一种通过权利要求6所述量子雷达实现目标探测的方法，其特征在于包括： 
激光源产生的光信号经衰减器衰减成为单光子信号；单光子信号经量子光栅获得几率波干涉条纹信号，所述几率波干涉条纹信号通过单光子检测器后进入分光器，分光器将所述几率波干涉条纹信号分为第一干涉波和第二干涉波两部分；第一干涉波送入信号发射镜射向目标；第二干涉波经过光纤放大器送入量子光栅； 
当有目标出现时，则会引起量子干涉条纹在单光子检测栅格上的移动，从而引起单光子检测器有信号电压输出，这个电压输出信号送入目标判断输出模块进行目标辨识输出。 
9.根据权利要求8所述量子雷达实现目标探测的方法，其特征在于：所述目标判断输出模块根据单光子检测器的输出信号判定目标出现的时刻，然后根据发射信号的起始时刻、出现两个信号的间隔时间，再加上发射镜的信号发射角度值，综合判断计算出目标方位。 
10.根据权利要求8所述量子雷达实现目标探测的方法，其特征在于：所述单光子检测器为超导单光子检测器，当量子干涉条纹的亮纹移动照射到超导薄膜上时，由于光子对超导的库珀对破坏，将超导体由超导状态转变为通常电阻状态，从而在超导薄膜上产生电压输出信号。 
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