CN110488265B - 基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法 - Google Patents

基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法。所述系统包括：发射天线以及用于替换传统金属接收天线的原子接收天线；所述发射天线，发射微波，所述微波被待测速运动物体散射产生多普勒频移而造成失谐，从而携带待测速运动物体的速度信息；所述原子接收天线，提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰；所述原子接收天线，接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息。本发明能够提高探测灵敏度、提高频率响应范围、避免热噪声的影响，并且易于小型化和集成化。

Description

基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法
技术领域
本发明涉及雷达测速技术领域，尤其是涉及一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法。
背景技术
目前，雷达已经广泛应用于测速领域，雷达测速主要是利用多普勒效应：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。
发明人在研究中发现，传统技术的缺陷在于：现有雷达测速系统的接收天线通常都是金属构成的，对电磁信号的探测精度受到尺寸、形状、工作环境等各种制约，1mV/cm是被认可的最小探测电场强度。另外，传统雷达测速系统往往需要复杂的电路连接和滤波放大处理，热噪声较大。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及方法，能够提高探测灵敏度、提高频率响应范围、避免热噪声的影响，并且易于小型化和集成化。
一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统，所述系统包括：发射天线以及用于替换传统金属接收天线的原子接收天线；
所述发射天线，发射微波，所述微波被待测速运动物体散射产生多普勒频移而造成失谐，从而携带待测速运动物体的速度信息；
所述原子接收天线，提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰；所述原子接收天线，接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息。
所述原子接收天线具体包括铯泡、激光器以及光电探测器；
所述铯泡，提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；
所述激光器，提供共线反向入射的探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；
所述光电探测器，检测探测光信号，并将光信号转化为电信号，以检测EIT透射峰。
所述探测光波长为852nm，所述耦合光波长为511nm。
一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速方法，包括：
利用原子接收天线提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰；
利用发射天线发射微波，所述微波被待测速运动物体散射产生多普勒频移而造成失谐，从而携带待测速运动物体的速度信息；
利用原子接收天线接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息。
所述利用原子接收天线提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰的步骤，具体包括：
利用铯泡提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；
利用激光器提供共线反向入射的探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；
利用光电探测器检测探测光信号，并将光信号转化为电信号，以检测EIT透射峰。
所述探测光波长为852nm，所述耦合光波长为511nm。
所述利用原子接收天线接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息的步骤，具体是利用下列公式关系确定待测速运动物体的速度信息：
微波被待测速运动物体散射而产生的多普勒频移：δMW＝2v/λ，其中v为待测速运动物体相对于雷达测速系统的速度，λ为微波的波长；
EIT透射峰两峰分裂间距与微波多普勒频移的关系：
Figure BDA0002121894020000021
其中△fδ为两峰分裂间距，△f0为不存在多普勒频移，及待测速运动物体静止时的两峰分裂间距。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
(1)本发明基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及其方法，其接收端使用了原子接收端，相对于采用金属接收端的接收天线而言，原子接收端避免了热噪声；
(2)本发明基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及其方法，其方法结合了里德堡原子EIT-AT分裂过程，大大提高了微波探测的灵敏度，从而使雷达测速系统的抗干扰能力得到大幅度的提升。
(3)本发明基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及其方法，对射频电场频域的响应可以从1G赫兹到500G赫兹，即涵盖从微波区域到太赫兹下沿，响应范围远远高于传统的金属电偶极天线，这会使得基于里德堡原子的雷达测速系统工作频率能够非常方便地切换，提供了一机多能的便利。
(4)本发明基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及其方法，作为接收端的铯泡，其尺寸减小并不会影响精度，因而易于进行小型化、集成化、芯片化，对于当前器件小型化时代，具有广阔的应用前景和科研价值。
附图说明
图1为本发明基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统结构示意图；
图2为本发明基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统应用场景中铯原子能级结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统，包括发射天线1、运动物体2和原子接收天线3，其中：
发射天线1发射微波，微波因被运动物体2散射产生多普勒频移而造成蓝失谐；
原子接收天线3接收失谐的微波，并从中获取运动物体2的速度信息。
原子接收天线包括铯泡、激光器和光电探测器。铯泡内提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体，铯原子气体在里德堡电磁诱导透明效应中将微波段的幅值测量转化为光波段的频率测量。激光器产生波长为852nm的探测光和波长为511nm的耦合光，用于和铯原子相互作用形成里德堡原子电磁诱导透明效应。电磁诱导透明效应为在所述耦合光的作用下，所述铯原子不再吸收所述探测光的现象。光电探测器用于接收被测物体散射的微波对里德堡原子电磁诱导透明效应的影响。
进行测速时，原子接收天线内激光器产生探测光和耦合光，两束光与铯原子发生非线性量子相互作用，此时光电探测器可以接收到探测光的透射峰，我们称之为EIT透射峰。当运动物体散射的失谐微波入射至铯泡内时，EIT透射峰发生劈裂，其劈裂间距与微波的多普勒频移有关，因而可以由此推算出物体的运动速度。
如图2所示为原子接收天线内铯原子发生EIT-AT分裂效应的能级结构图。在能级中，4(6S1/2,F＝4)为铯原子的基态，5(6P3/2,F＝4)为铯原子的中间激发态，6(25D5/2)和7(25P3/2)分别为铯原子的两个里德堡态；8为波长为852nm的探测光，9为波长为511nm的耦合光，1为物体反射的微波。探测光8入射至铯泡内时，探测光8与铯原子的基态4和中间激发态5间的跃迁频率相等，此时探测光8被铯原子吸收，光电探测器没有信号。当入射的耦合光9的频率与中间激发态5和里德堡态6之间的跃迁频率相等时，铯原子对探测光8不再吸收，这种现象称为电磁诱导透明效应。此时，光电探测器能够接收到探测光8的透射峰，这个峰就是我们所说的EIT峰。如果物体反射回来的微波1能引起铯原子在里德堡态6和7之间的跃迁，则EIT峰会发生劈裂，形成两个EIT峰，而EIT峰的劈裂间距和微波1的失谐量δMW及电场强度有关，也就是说物体运动所造成的多普勒频移可以在EIT峰的劈裂间距上体现出来；上述S、P和D表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。
基于上述实施例的雷达测速系统，本发明还提供了一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速方法，包括以下步骤：
1)原子接收天线内的激光器产生探测光和耦合光共线反向地入射至铯泡内的铯原子气体中，产生电磁诱导透明效应，此时出现EIT透射峰；
2)发射天线向运动物体发射微波，微波被运动物体散射而产生多普勒频移，失谐微波被原子接收天线内铯原子气体接收；
3)由于微波的影响，铯原子气体的EIT透射峰由一个分裂为两个，由两峰分裂间距获得运动物体的速度；
其中，上述步骤2)中微波被运动物体散射产生的多普勒频移为：
δMW＝2v/λ
上式中v为物体相对雷达的速度，λ为微波的波长。
上述步骤3)中两峰分裂间距和微波多普勒频移的关系为：
Figure BDA0002121894020000051
则由两峰分裂间距获得运动物体速度可根据下式实现：
Figure BDA0002121894020000052
综上所述，本发明的基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统及其方法，结合了里德堡原子EIT-AT分裂过程，大大提高了微波探测的灵敏度，从而使雷达测速系统的抗干扰能力得到大幅度的提升；频率效应范围广，提供了一机多能的便利；同时由于使用原子接收端，避免了热噪声且易于小型化和集成化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统，其特征在于，所述系统包括：发射天线以及用于替换传统金属接收天线的原子接收天线；
所述发射天线，发射微波，所述微波被待测速运动物体散射产生多普勒频移而造成失谐，从而携带待测速运动物体的速度信息；
所述原子接收天线，提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰；所述原子接收天线，接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息。
2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统，其特征在于，所述原子接收天线具体包括铯泡、激光器以及光电探测器；
所述铯泡，提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；
所述激光器，提供共线反向入射的探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；
所述光电探测器，检测探测光信号，并将光信号转化为电信号，以检测EIT透射峰。
3.根据权利要求2所述的基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速系统，其特征在于，所述探测光波长为852nm，所述耦合光波长为511nm。
4.一种基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速方法，其特征在于，所述方法包括：
利用原子接收天线提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰；
利用发射天线发射微波，所述微波被待测速运动物体散射产生多普勒频移而造成失谐，从而携带待测速运动物体的速度信息；
利用原子接收天线接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息。
5.根据权利要求4所述的基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速方法，其特征在于，所述利用原子接收天线提供碱金属原子，并产生里德堡态下的EIT效应，出现EIT透射峰的步骤，具体包括：
利用铯泡提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体；
利用激光器提供共线反向入射的探测光和耦合光，将铯原子气体制备到里德堡态，并产生EIT效应；
利用光电探测器检测探测光信号，并将光信号转化为电信号，以检测EIT透射峰。
6.根据权利要求5所述的基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速方法，其特征在于，所述探测光波长为852nm，所述耦合光波长为511nm。
7.根据权利要求4-6任一项所述的基于里德堡原子电磁诱导透明效应的雷达测速方法，其特征在于，所述利用原子接收天线接收失谐的微波，使EIT透射峰产生分裂，由两峰分裂间距获取待测速运动物体的速度信息的步骤，具体是利用下列公式关系确定待测速运动物体的速度信息：
微波被待测速运动物体散射而产生的多普勒频移：δMW＝2v/λ，其中v为待测速运动物体相对于雷达测速系统的速度，λ为微波的波长；
EIT透射峰两峰分裂间距与微波多普勒频移的关系：
Figure FDA0002121894010000021
其中△fδ为两峰分裂间距，△f0为不存在多普勒频移，及待测速运动物体静止时的两峰分裂间距。
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