CN110488266B - 基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及测速方法 - Google Patents

基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及测速方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及方法，所述系统包括：微波源、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，提供信号微波，所述信号微波被待测速运动物体散射而产生多普勒频移，从而携带待测速运动物体的速度信息；所述微波源，提供本征微波，所述本征微波作为信号微波的载波，与所述信号微波相叠加被所述原子接收天线所接收；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；所述原子天线接收本征微波和信号微波，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、避免热噪声的影响，并且易于小型化和集成化。

Description

基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及测速方法
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超外差测量的雷达测速系统及测速方法。
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。并且传统雷达的尺寸相对较大。
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超外差测量的雷达测速系统及测速方法，能够提高探测灵敏度、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超外差测量的雷达测速系统，所述系统包括：微波源、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，提供信号微波，所述信号微波被待测速运动物体散射而产生多普勒频移，从而携带待测速运动物体的速度信息；
所述微波源，提供本征微波，所述本征微波作为信号微波的载波，与所述信号微波相叠加被所述原子接收天线所接收；
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，接收本征微波和信号微波，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。
所述信号微波与所述本征微波的频率及初始相位一致，所述信号微波的电场幅值小于所述本征微波的电场幅值。
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。
所述本征微波的频率与碱金属原子里德堡态的跃迁频率相等。
一种基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，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；
利用发射天线提供信号微波，所述信号微波被待测速运动物体散射而产生多普勒频移，从而携带待测速运动物体的速度信息；
利用微波源提供本征微波，所述本征微波作为信号微波的载波，与所述信号微波相叠加被所述原子接收天线所接收；
利用原子接收天线接收本征微波和信号微波，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。
所述信号微波与所述本征微波的频率及初始相位一致，所述信号微波的电场幅值小于所述本征微波的电场幅值。
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。
所述本征微波的频率与碱金属原子里德堡态的跃迁频率相等。
所述利用原子接收天线接收本征微波和信号微波，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：
所述信号微波被待测速运动物体散射产生的多普勒频移Δω＝2(2πv/λsig)＝4πv/λsig，其中v为待测速运动物体相对雷达测速系统的速度，λSig为信号微波的波长；
原子接收天线接收的微波形式为E＝cos(ωLOt+φLO)(ELO+ESigcos(Δωt))，其中ωLO为本征微波的角频率，φLO为本征微波的初始相位，ELO和ESig分别为本征微波和信号微波的电场幅值；
EIT分裂峰两峰间距与原子接收天线所接收的微波场的关系：
Figure BDA0002121893310000031
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超外差测量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超外差测量的雷达测速系统及其方法，其方法的微波探测灵敏度精确至μHz量级，很大限度地提升了雷达的抗干扰能力；与此同时既适用于高速物体也适用于低速物体的速度测量；
(3)本发明基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及其方法，其还可测量出物体反射微波的相位，且作为接收端的铯泡，其尺寸减小并不会影响精度，易于进行小型化、集成化，因而可应用于相控阵雷达天线中。
附图说明
图1为本发明基于里德堡原子超外差测量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超外差测量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，基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统，包括发射天线1、微波源3和原子接收天线4，其中：
发射天线1，用于发射信号微波，信号微波被运动物体散射而产生多普勒频移；
微波源3，用于产生和信号微波频率及初始相位均一致的本征微波；
原子接收天线4，用于接收本征微波和信号微波，并从中获取物体的速度信息；
其中信号微波的电场幅值远远小于本征微波的电场幅值；
原子接收天线主要包含铯泡、激光器和光电探测器。铯泡提供室温饱和蒸气压下的铯原子气体，所述铯原子气体在里德堡EIT-AT分裂效应中将微波段的幅值测量转化为光波段的频率测量。激光器提供探测光和耦合光，将铯原子制备到里德堡态，同时产生EIT效应。光电探测器将接收到的光信号转化为电信号。
进行测速时，发射天线1向待测速运动物体2发射信号微波，信号微波被运动物体2散射而产生多普勒频移，所以信号微波的频率信息里携带了物体的速度信息。微波源3所发射的本征微波和信号微波叠加在一起被原子接收天线4所接收，原子接收天线4通过EIT-AT分裂过程将信号微波的频率信息提取出来，最终获得运动物体的速度信息。
如图2所示为原子接收天线4内铯原子发生里德堡EIT-AT分裂过程的能级结构图。在能级中，10(6S1/2,F＝4)为铯原子的基态，11(6P3/2,F＝4)为铯原子的中间激发态，12(34D5/2)和13(35P3/2)分别为铯原子的两个里德堡态；5为波长为852nm的探测光，6为波长为511nm的耦合光；3为本征微波，与里德堡态34D5/2→35P3/2间跃迁共振，频率是19.626000GHz的微波；1为信号微波，其初始频率19.626000GHz，后因被运动物体散射产生多普勒效应而产生10Hz的蓝失谐。探测光5入射至铯泡内时，探测光5与铯原子的基态10和中间激发态11间的跃迁频率相等，此时探测光5被铯原子吸收，光电探测器没有信号。当入射的耦合光6的频率与中间激发态11和里德堡态12之间的跃迁频率相等时，铯原子对探测光5不再吸收，这种现象称为EIT效应。此时，光电探测器能够接收到探测光5的透射峰，这个峰就是我们所说的EIT峰。此时只加入微波3，若微波3能引起铯原子在里德堡态12和13之间的跃迁，则EIT峰会发生劈裂形成两个EIT峰，且EIT峰的间距和微波3的强度直接相关。若再加入微波1，则微波3的幅值受微波1频率的调制。因而可以从EIT峰间距获取微波1的频率信息，再通过多普勒效应获取运动物体的速度信息，最终实现对速度的测量。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超外差测量的雷达测速方法，包括以下步骤：
1)激光器所产生的探测光和耦合光共线反向地入射至原子天线内的铯泡中，产生电磁诱导透明效应，此时出现EIT透射峰；
2)雷达发射天线向运动物体发射信号微波，信号微波被目标散射而产生多普勒频移，信号微波和本征微波叠加在一起被原子天线接收；
3)由于微波的影响，原子天线的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，步骤2)中所述信号微波被运动物体散射产生的多普勒频移为：
Δω＝2(2πv/λsig)＝4πv/λsig
上式中V为物体相对雷达的速度，λSig为微波的波长。
步骤2)中所述信号微波和本征微波叠加后，被原子天线实际接收到的微波形式为：E＝cos(ωLOt+φLO)(ELO+ESigcos(Δωt))
其中ωLO为本征微波的角频率，φLO为本征微波的初始相位，ELO和ESig分别为本征微波和信号微波的电场幅值。
步骤3)中所述两峰分裂间距和原子天线所接收到的微波场的关系为：
Figure BDA0002121893310000051
由两峰分裂间距获得运动物体速度可根据下式实现：
Figure BDA0002121893310000061
由上式可知，由两峰分裂间距可获得E，而E的振荡频率则为Δω，最后由v＝ΔωλSig/4π可获得运动物体的速度。
综上所述，本发明的基于里德堡原子超外差测量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，大幅度提高了微波探测频率分辨率，从而使雷达测速系统既适用于高速物体也适用于低速物体的速度测量；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；另外还可对微波的相位进行测量，因而可用于相控阵雷达天线。
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 (11)

1.一种基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统，其特征在于，所述系统包括：微波源、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，提供信号微波，所述信号微波被待测速运动物体散射而产生多普勒频移，从而携带待测速运动物体的速度信息；
所述微波源，提供本征微波，所述本征微波作为信号微波的载波，与所述信号微波相叠加被所述原子接收天线所接收；
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，接收本征微波和信号微波，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超外差测量的雷达测速系统，其特征在于，所述信号微波与所述本征微波的频率及初始相位一致，所述信号微波的电场幅值小于所述本征微波的电场幅值。
3.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统，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。
4.根据权利要求3所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统，其特征在于，所述探测光波长为852nm，所述耦合光波长为511nm。
5.根据权利要求1所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统，其特征在于，所述本征微波的频率与碱金属原子里德堡态的跃迁频率相等。
6.一种基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，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；
利用发射天线提供信号微波，所述信号微波被待测速运动物体散射而产生多普勒频移，从而携带待测速运动物体的速度信息；
利用微波源提供本征微波，所述本征微波作为信号微波的载波，与所述信号微波相叠加被所述原子接收天线所接收；
利用原子接收天线接收本征微波和信号微波，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。
7.根据权利要求6所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，其特征在于，所述信号微波与所述本征微波的频率及初始相位一致，所述信号微波的电场幅值小于所述本征微波的电场幅值。
8.根据权利要求6所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，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。
9.根据权利要求8所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，其特征在于，所述探测光波长为852nm，所述耦合光波长为511nm。
10.根据权利要求8所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，其特征在于所述本征微波的频率与碱金属原子里德堡态的跃迁频率相等。
11.根据权利要求6所述的基于里德堡原子超外差测量的雷达测速方法，其特征在于，所述利用原子接收天线接收本征微波和信号微波，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：
所述信号微波被待测速运动物体散射产生的多普勒频移Δω＝2(2πν/λsig)＝4πv/λsig，其中v为待测速运动物体相对雷达测速系统的速度，λSig为信号微波的波长；
原子接收天线接收的微波形式为E＝cos(ωLOt+φLO)(ELO+ESigcos(Δωt))，其中ωLO为本征微波的角频率，φLO为本征微波的初始相位，ELO和ESig分别为本征微波和信号微波的电场幅值；
EIT分裂峰两峰间距与原子接收天线所接收的微波场的关系：
Figure FDA0003994526800000031
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