CN106680828A - 基于量子关联的量子雷达及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于量子关联的量子雷达，可以从根本上解决雷达在探测时雷达脉冲被目标，或第三方截获并相应发送错误信号干扰探测的问题,包括探测信号发生装置及回波信号处理装置，所述探测信号发生装置包括信号装置、控制装置，所述回波信号处理装置包括监测装置、分束装置及成像装置；所述信号装置包含激光光源和强度调制器；监测装置包括不等臂干涉仪和光子计数器，当连续两个强脉冲进入监测装置而所述光子计数器有计数,则可判断探测信号被截获且回波信号存在干扰信号。本发明整体的稳定性得到提高。且因器件的简化，使得实施、操作也更为简便。本发明只需要比对光子计数器的计数情况即可判断是否干扰，判断方式简便，降低了错误率。

Description

基于量子关联的量子雷达及其处理方法

技术领域

本发明属于一种量子探测及量子信息领域，尤其涉及基于量子关联的量子雷达及其处理方法。

背景技术

随着互联网技术的发展，各种安全问题层出不穷，这使得信息安全成为当前世界共同面临的巨大挑战。量子信息作为物理学和信息学的交叉学科，在近十年发展迅速，并得到各个国家的极大重视。量子密钥分发作为量子信息领域的一个重点研究方向，将从根本上解决信息安全的问题。通过一次一密的方式，量子密钥分发机制可以在各种窃听存在的环境中使双方或者多方能够共享安全的密钥，其基本原理基于量子力学的基本定律因此是完全安全的。量子密钥分发机制主要借助于现有的光学和电学器件，因此具备快速地从实验室推广到市场的潜力。

量子密钥机制的提出最早是为了解决通信安全的问题。但随着对其研究的日益深入，该机制的内涵思想正不断地被其他各个领域所借鉴，以期能解决本领域内相应地问题。量子雷达因此应运而生。

量子雷达概念提出的时间并不长，但其迅速得到各国的高度重视并被普遍认为是今后雷达发展的主要方向。随着现代雷达技术的发展，雷达不但要能在长距离内精确探测同时也需要具备很强的抗干扰和生存能力。而现有的雷达方案，均基于经典的电磁学理论，经典雷达已经发展到了瓶颈期，急需新的思路和方向来在上面两方面得到突破。

现有量子雷达的研究主要集中在以下两个方向：

1. 通过巧妙借用量子密钥分发机制，来解决雷达受到干扰的问题。

2. 利用量子探测的相关技术，借助非经典光（量子态）或者借助于量子纠缠来明显提升雷达的分辨率，可以将雷达的分辨率由经典极限提升到量子极限（海森堡极限）。

可以简单把着眼于上面两个不同方向的量子雷达分别称为第一类量子雷达和第二类量子雷达。而所有研究者的终极目标，就是能够研究出综合上述两种优势的雷达方案（完美量子雷达）。

关于第一类量子雷达，最早的理论方案和实验验证由Mehul Malik等人于2012年提出，并以Quantum-secured imaging 为题发表在Applied Physics Letters 杂志上。下面就简单介绍以下文献中提供的第一类量子雷达的方案。

方案的具体步骤如下（参照图1）：

1、氦氖激光器发出的激光先经过声光调制器（AOM）的调制生成平均光子数为1的脉冲序列。冲。

2、脉冲经过一个放置在电动旋转平台上的半波片(HWPa)，从而将光子随机的极化到以下四种情况：水平偏振（H），垂直偏振(V)，对角偏振(D)和反对角偏振(A)。此即量子密钥分发中的编码。

3、将编码完成的光脉冲对准目标物体发射。

4、利用干扰滤波器(IF)将反射光子中的源于环境的背景噪声干扰去掉。

5、利用半波片（HWPb）和偏振分束器(PBS)构成一个偏振测量装置对收到的光脉冲进行测量。当半波片和垂直偏振方向平行时，测量光脉冲处于水平偏振态还是垂直偏振态。而当半波片和垂直偏振方向成22.5°夹角时，测量光脉冲处于对角还是反对角偏振态。

6、在偏振分束器的两侧放置两个镜头，分别用于不同偏振光脉冲的成像。最后利用电子倍增CCD(EMCCD)成像。

该量子雷达系统的方案脱胎于量子密钥分发中的BB84协议。当反射光子的偏振和入射时相比出现超过25%的错误率的时候，即可判定目标在干扰探测。

从上面背景技术的介绍可以清晰的看到现有的技术方案运用的是弱脉冲光源（平均光子数为1），偏振编码，，编码通过电动机械装置进行同时需要非常精细的成像装置。这就使得现有技术方案在以下方面存在问题：

1、已有文献研究表明，光的偏振经由物体（非镜面）散射后会发生明显变化，这就会造成原有方案在未有任何干扰的情况下就会产生非常大的错误率。因此该方案在探测实际物体上并不可行。

2、由于采用弱脉冲，其探测距离极为有限。同时相应的回波信号会更弱，需要非常精细的成像装置，这增加了成本，降低了装置的可靠性。

3.其采用电动机械装置编码，编码速率将会很低。同时，电动机械装置长期使用的可靠性也成问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于量子关联的量子雷达，可以从根本上解决雷达在探测时雷达脉冲被目标，或第三方截获并相应发送错误信号干扰探测的问题。为此，本发明提供以下技术方案：

基于量子关联的量子雷达，包括探测信号发生装置及回波信号处理装置，所述探测信号发生装置包括信号装置、控制装置，所述回波信号处理装置包括监测装置、分束装置及成像装置；

所述信号装置包含激光光源和强度调制器；所述控制装置包含两个频率不同的时钟，两个时钟分别调制脉冲序列内脉冲之间的时间差以及脉冲序列之间的时间差；所述控制装置控制强度调制器生成包含多个光子的强脉冲，以及光子数趋近于0的弱脉冲，上述两种脉冲构成的脉冲序列作为量子雷达的探测信号；

分束装置将探测信号经物体反射后的回波信号分束形成透射信号及反射信号两部分，所述透射信号进入成像装置成像，反射信号进入监测装置监测；

监测装置包括不等臂干涉仪和光子计数器，当连续两个强脉冲进入监测装置而所述光子计数器有计数,则可判断探测信号被截获且回波信号存在干扰信号。

所述信号装置、控制装置、监测装置、分束装置及成像装置均可模块化。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述量子雷达还包括透射率高于反射率的不平衡分束器，所述不平衡分束器用于分束回波信号形成透射信号及反射信号。

所述不等臂干涉仪包括平衡分束器，光纤延迟线和法拉第反射镜，所述平衡分束器一路经过光纤延迟线和法拉第反射镜光路连接, 所述平衡分束器另一路直接与法拉第反射镜光路连接；

两个连续脉冲通过光路连接进入不等臂干涉仪，先进入的脉冲通过光纤延迟线延迟，经过延迟后的脉冲与后进入的脉冲经法拉第镜反射后同时回到平衡分束器，形成干涉，并通过不等臂干涉仪的出射端进入光子计数器。

本发明还包括一种基于量子关联的量子雷达的处理方法，包括以下步骤：

S1.生成连续激光；

S2.将连续激光调制生成两种脉冲：包含多个光子的强脉冲，以及光子数趋近于0的弱脉冲，上述两种脉冲构成的脉冲序列作为量子雷达的探测信号；

S3. 探测信号遇到目标物体反射后形成回波信号，回波信号分束后形成透射信号及反射信号两部分，所述透射信号进入成像装置成像，反射信号进入监测装置监测；

S4.所述反射信号中两个连续脉冲进入不等臂干涉仪，形成干涉，所述光子计数器检测两路连续脉冲干涉相消时的出射信号,当连续两个强脉冲进入监测装置而所述光子计数器有计数,则可判定探测信号被截获且回波信号存在干扰信号。

进一步的，利用所述光子计数器第一次有计数的时间点测算目标物的距离。

进一步的，所述脉冲序列至少包含一组两个连续脉冲为强脉冲。

进一步的，时钟频率较高的时钟C1调制强脉冲和弱脉冲之间的时间间隔t1，时钟频率较低的时钟C2用于调节脉冲序列之间的时间间隔t2。

进一步的，时钟C1的时钟频率为MHz量级而时钟C2的时钟频率为kHz量级。

进一步的，所述步骤S4中，先进入的脉冲通过光纤延迟线延迟，经过延迟后的脉冲与后进入的脉冲反射后同时回到分束器，形成干涉。

进一步的，步骤S4中不等臂干涉仪的两路脉冲的时间延迟为t1，所述时间延迟为t1和脉冲序列内脉冲间的时间间隔相同。

上述所述光子计数器有计数时，也可同时发出声响或者灯光闪烁等方式作为提示。

下面简述本发明的理论。强脉冲可以用相干态来描述，而弱脉冲可以近似用真空态来描述，而两者之间并不正交。根据量子不可克隆定理，任何外部装置都无法完全正确地复制这两种量子态。因此截获重发后的干扰信号必然和原有的信号存在差别。上述就是要调制强弱两种脉冲的理论基础。

本发明通过光子计数器D的结果来判明回波是否被干扰，其机制源于量子关联。当进入干涉仪的两路信号为弱脉冲和强脉冲时，光子计数器D有50%的几率被触发。脉冲由连续锁模激光调制而成，相邻的连续脉冲具有很好的量子关联，因而当两个连续的强脉冲进入干涉仪后，会完全相干相消而不会触发光子计数器D。而任何对此类信号的外部操作（如截获重发）都会破坏量子关联，从而导致计数器D的触发。通过比对发射信号和接收信号，以及光子计数器D的计数情况（只需要知晓其是否被触发），即可知晓回波脉冲序列中量子关联被破坏的情况。一旦发生此类情况，即可判定回波信号中存在敌方干扰信号。但现有光子计数器都存在暗计数的情况，即当没有信号光子进入计数器时，由于环境的影响计数器依然有很小几率被触发。因此，需要监测当连续强脉冲进入计数器的情况下，计数器被触发的几率。若几率明显高于暗计数的几率，则判定存在干扰。

由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果为：本发明利用量子关联作为信号干扰的判据，解决了原有方案中采用偏振存在的问题。同时在自由空间中，环境导致的退相干效应非常微弱，因此本发明技术方案的可靠性极佳。

本发明采用的脉冲包含多个光子，和原有方案的单光子相比提高了探测距离。

本发明可以独立的作为一种量子雷达装备进行探测任务，但同时也可以作为现有经典雷达的辅助模块，当经典雷达显示探测到目标时，可以利用该模块来检验该目标是否为真实目标。

本发明和原有方案相比器件简化，使得整体的稳定性得到提高。且因器件的简化，使得实施、操作也更为简便。原有方案要统计四种偏振态的光子数并进行相应比对，本发明只需要比对光子计数器的计数情况即可判断是否干扰，判断方式简便，降低了错误率。

附图说明

图1为背景技术中指出的量子雷达的方法示意图。

图2为本发明提供的基于量子关联的量子雷达示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明量子雷达包括探测信号发生装置及回波信号处理装置，所述探测信号发生装置包括信号装置、控制装置，所述回波信号处理装置包括监测装置及成像装置；

信号装置包含激光光源和强度调制器；控制装置包含两个频率不同的时钟；监测装置包括不等臂干涉仪和光子计数器。

所述量子雷达还包括透射高于反射的不平衡分束器，所述不平衡分束器用于分束回波信号形成透射信号及反射信号。 所述不等臂干涉仪包括平衡分束器，光纤延迟线和法拉第反射镜。

本发明量子雷达具体实施步骤如下：

1、激光光源优选锁模激光器发出连续激光。优选地，激光器可选择常见的DFB激光器，其发射的波长为1550nm。

2、激光经由FPGA控制的强度调制器调制形成所需的脉冲序列，包含多个光子且强脉冲的强度相同的强脉冲（图中黑色填充的脉冲所示），以及几乎不包含任何光子的弱脉冲（图中未填充的脉冲所示），上述两种脉冲构成的脉冲序列作为量子雷达的探测信号。并利用光学望远镜发射到自由空间中探测目标。

所述脉冲序列至少包含一组两个连续脉冲为强脉冲。时钟频率较高的时钟C1调制强脉冲和弱脉冲之间的时间间隔t1，时钟频率较的时钟C2用于调节脉冲序列之间的时间间隔t2。时钟C1的时钟频率为MHz量级而时钟C2的时钟频率为kHz量级。优选地，不调制连续为弱脉冲的脉冲组。

3、利用同一个光学望远镜接收回波信号并利用环流器实现收发分离，让回波信号进入雷达的接收装置进行分析。

4、回波信号先经过一个窄带干涉滤波器（IF），滤波器的中心波长为1550nm（和发射激光波长相同），半峰宽为10nm。以降低背景噪声。

5、滤波后，回波信号经过一个不平衡分束器BS(90:10)分成两路。优选地：不平衡分束器的透射和反射比为90：10。如图2所示。

6、经由分束器透射的脉冲信号进入成像模块。通过成像透镜和CCD完成对目标的成像。

7、经由分束器反射的信号光进入监测模块。信号先进入不等臂干涉仪。不等臂干涉仪由平衡分束器BS(50:50)，光纤延迟线和两面法拉第反射镜（FM）构成。法拉第反射镜（FM）将用于偏振补偿。如图2所示。

8、在不等臂干涉仪的出射端由光子计数器D来探测干涉信号。光子计数器D探测两路光相消干涉时的出射信号。根据具光子计数器D记录有信号的时间点，精确计算出目标的距离。根据光子计数器D计数的情况，以及和探测信号比对，判断信号是否被干扰。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于量子关联的量子雷达，其特征在于，包括探测信号发生装置及回波信号处理装置，所述探测信号发生装置包括信号装置、控制装置，所述回波信号处理装置包括监测装置、分束装置及成像装置；

所述信号装置包含激光光源和强度调制器；所述控制装置包含两个频率不同的时钟，两个时钟分别调制脉冲序列内脉冲之间的时间差以及脉冲序列之间的时间差；所述控制装置控制强度调制器生成包含多个光子的强脉冲，以及光子数趋近于0的弱脉冲，上述两种脉冲构成的脉冲序列作为量子雷达的探测信号；

分束装置将探测信号经物体反射后的回波信号分束形成透射信号及反射信号两部分，所述透射信号进入成像装置成像，反射信号进入监测装置监测；

监测装置包括不等臂干涉仪和光子计数器，当连续两个强脉冲进入监测装置而所述光子计数器有计数,则可判断探测信号被截获且回波信号存在干扰信号。

2.如权利要求1所述基于量子关联的量子雷达，其特征在于，所述量子雷达还包括透射率高于反射率的不平衡分束器，所述不平衡分束器用于分束回波信号形成透射信号及反射信号。

3.如权利要求1所述基于量子关联的量子雷达，其特征在于，所述不等臂干涉仪包括平衡分束器，光纤延迟线和法拉第反射镜，所述平衡分束器一路经过光纤延迟线和法拉第反射镜光路连接, 所述平衡分束器另一路直接与法拉第反射镜光路连接；

两个连续脉冲通过光路连接进入不等臂干涉仪，先进入的脉冲通过光纤延迟线延迟，经过延迟后的脉冲与后进入的脉冲经法拉第镜反射后同时回到平衡分束器，形成干涉，并通过不等臂干涉仪的出射端进入光子计数器。

4.一种基于量子关联的量子雷达的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.生成连续激光；

S2.将连续激光调制生成两种脉冲：包含多个光子的强脉冲，以及光子数趋近于0的弱脉冲，上述两种脉冲构成的脉冲序列作为量子雷达的探测信号；

S3. 探测信号遇到目标物体反射后形成回波信号，回波信号分束后形成透射信号及反射信号两部分，所述透射信号进入成像装置成像，反射信号进入监测装置监测；

S4.所述反射信号中两个连续脉冲进入不等臂干涉仪，形成干涉，所述光子计数器检测两路连续脉冲干涉相消时的出射信号,当连续两个强脉冲进入监测装置而所述光子计数器有计数,则可判定探测信号被截获且回波信号存在干扰信号。

5.如权利要求4一种基于量子关联的量子雷达的处理方法，其特征在于，利用所述光子计数器第一次有计数的时间点测算目标物的距离。

6.如权利要求4一种基于量子关联的量子雷达的处理方法，其特征在于，步骤S2中，所述脉冲序列至少包含一组两个连续强脉冲。

7.如权利要求4一种基于量子关联的量子雷达的处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，先进入的脉冲通过光纤延迟线延迟，经过延迟后的脉冲与后进入的脉冲反射后同时回到分束器，形成干涉。

8.如权利要求4一种基于量子关联的量子雷达的处理方法，其特征在于，步骤S4中不等臂干涉仪的两路脉冲的时间延迟为t1，所述时间延迟为t1和脉冲序列内脉冲间的时间间隔相同。