CN111474554A - 一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法，所述系统包括：发射模块、接收模块、信号处理模块、模型生成模块以及输出模块。本发明在发射端通过太赫兹QCL源重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号，在接收端对太赫兹单光子回波信号的探测和接收，通过对回波信号进行单光子计数统计方式获取目标的距离和多普勒频率信息，通过建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型并分析时域分布特性最终得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级；将太赫兹雷达技术与单光子探测技术进行有机结合，可以实现对远程非合作目标极弱回波信号的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹单光子探测成像技术领域，特别是涉及一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1～10THz、波长在30～3000μm范围内的电磁波，对应的光子能量为0.414～41.4meV。太赫兹波介于微波和红外之间，处于电子学向光学的过渡频段。近年来，随着太赫兹波产生、探测、传输等技术的逐步发展，太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略制高点，太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微波雷达，太赫兹雷达波长短、带宽大，具有极高的“空时频”分辨力：在空间上意味着成像分辨率高，同时目标粗糙和细微结构变得可见，能够对目标特征进行精细刻画；在时间上意味着成像帧率高，有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打击；在频谱上意味着多普勒敏感，有利于微动探测和高精度速度估计。相比于激光雷达，太赫兹波穿透烟雾、浮尘的能力更强，且对空间高速运动目标的气动光学效应与热环境效应不敏感，可用于复杂环境作战与非合作运动目标探测。因此，太赫兹技术和太赫兹雷达在目标探测与识别、生物医学、环境科学等领域具有广阔的应用前景。
单光子又称为光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子。在光学频段，得益于工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Geiger Mode-Avalanche Photo Diode，GM-APD)探测器的出现，国内外相关科研机构相继开展了大量单光子激光雷达探测与成像方面的技术研究，并取得了诸多可喜的成果。单光子激光雷达探测技术中的信息载体为单个或数个光子，具有极低的噪声水平和极高的探测灵敏度，相比传统雷达的接收机，单光子雷达接收机灵敏度要高出若干个数量级，反过来，相当于使雷达作用距离大幅提升数倍甚至数十倍，使得单光子雷达可以探测到回波信号极小的微弱目标，在微弱光电信号探测、雷达增程以及反隐身方面极具应用价值。
在实际探测应用中，根据雷达作用方程，目标后向散射即照射在目标上的电磁波沿入射方向散射回去的回波功率与作用距离的四次方成反比，远距离处目标的回波信号功率极弱，再加上现阶段太赫兹雷达发射功率较低，太赫兹波大气衰减较为严重，使得回波中的目标信息被淹没在噪声信号中难以有效检测。因此，常规太赫兹雷达难以满足对远距离非合作目标及时准确的探测预警需求，限制了太赫兹体制目标探测技术、太赫兹器件的发展；然而单光子雷达刚好可以弥补这一方面的缺陷。
鉴于此，有必要对太赫兹雷达技术和单光子雷达技术进行有机结合设计一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种太赫兹频段单光子雷达系统及目标探测方法，可以实现低信噪比下极弱目标回波的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种太赫兹频段单光子雷达系统，所述系统包括：
发射模块，用于通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；
接收模块，用于通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；
信号处理模块，用于对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；
模型生成模块，用于根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；
输出模块，用于根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
本发明还提供一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法，所述方法包括以下步骤：
S1，通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；
S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；
S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；
S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；
S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
S1，通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；
S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；
S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；
S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；
S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
S1，通过太赫兹QCL源重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号；
S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号；
S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；
S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；
S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
本发明提供的太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法、计算机设备以及可读存储介质，在发射端通过太赫兹QCL源重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号，在接收端使用量子电容探测器实现对太赫兹单光子回波信号的探测和接收，通过对回波信号进行单光子计数统计方式获取目标的距离和多普勒频率信息，通过建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型并分析时域分布特性最终得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。本发明通过将太赫兹雷达技术与单光子探测技术进行有机结合，可以实现对远程非合作目标极弱回波信号的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题，进而推动太赫兹新体制目标探测技术、太赫兹器件等发展。
附图说明
图1为一个实施例中太赫兹频段单光子雷达系统的结构框图；
图2为一个实施例中太赫兹频段单光子雷达系统的部署示意图；
图3为一个实施例中太赫兹频段单光子雷达系统的探测方法应用场景图；
图4为一个实施例中太赫兹频段单光子雷达系统的探测方法的工作流程图；
图5为一个实施例中发射太赫兹波脉冲信号形状图；
图6为一个实施例中接收太赫兹波脉冲信号形状图；
图7为一个实施例中回波信号单光子计数统计结果图；
图8为一个实施例中回波信号单光子计数统计频谱图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图；
1、发射模块；2、接收模块；3、信号处理模块；4、模型生成模块；5、输出模块；11、太赫兹QCL源；12、第一分束镜；13、太赫兹信号发射前端；14、波束控制组件；15、发射天线；21、接收天线；22、滤波组件；23、太赫兹信号接收前端；24、第二分束镜；25、量子电容探测器；31、技术统计模块；32、信号处理与控制端；102、终端；104、服务器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1至图2所示的一种太赫兹频段单光子雷达系统，主要包括相互连接和通讯的发射模块1、接收模块2、信号处理模块3、模型生成模块4以及输出模块5。
所述发射模块1用于通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；太赫兹QCL源能够不断重复产生高功率太赫兹波脉冲信号，用来作为雷达系统的发射信号光子。
所述接收模块2用于通过量子电容探测器25探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号；太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后由于雷达系统与目标之间的距离很远，目标回波信号仅包含几个太赫兹光子，在接收端采用量子电容探测器25可以实现对太赫兹单光子的高灵敏度探测。
所述信号处理模块3用于对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；采用单光子计数技术对回波信号光子进行统计，可以精确地提取出目标的距离和多普勒频率信息。
所述模型生成模块4用于根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；根据发射的太赫兹波脉冲信号形式，可以推导得到回波信号的表达式，获得信号瞬时功率，在此基础上得到光子数分布函数和初始光子数分布函数，为目标距离信息和多普勒频率信息的获取提供了基础。
所述输出模块5用于根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。首先给出基于互相关法的高精度目标距离测量方法；其次，提出了基于单光子计数统计的目标多普勒频率提取方法。
在其中一个实施例中，所述发射模块1包括依次设置的太赫兹QCL源11、第一分束镜12、太赫兹信号发射前端13、波束控制组件14以及发射天线15；所述第一分束镜12为长方形的半透半反镜，与脉冲信号呈45°角安装；
所述接收模块2包括依次设置的接收天线21、滤波组件22、太赫兹信号接收前端23、第二分束镜24以及量子电容探测器25；所述第二分束镜24为长方形的半透半反镜，与脉冲信号呈45°角安装；
所述信号处理模块3包括依次设置的技术统计模块31、信号处理与控制端32，所述技术统计模块31连接到所述量子电容探测器25。
具体部署和流程如图2所示，所述发射模块1、接收模块2和信号处理模块3形成一个完整的信号发射、接收、处理回路，由太赫兹QCL源11发射太赫兹波脉冲信号，一部分穿过第一分束镜12进入到太赫兹信号发射前端13、一部分反射到第二分束镜24进而进入到量子电容探测器25；进入太赫兹信号发射前端13经波束控制组件14进行波束控制后经发射天线15向目标发射；太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成回波信号，回波信号被接收天线21探测到并接收，经滤波组件22进行滤波后经太赫兹信号接收前端23、第二分束镜24进入到量子电容探测器25；最后转入技术统计模块31由技术统计模块31进行基于单光子计数技术的统计、由信号处理与控制端32提取出目标的距离和多普勒频率信息并同时反馈到太赫兹QCL源11。
在一个实施例中，所述量子电容探测器25包括相互连接的天线、超导吸收器、单库伯电子对箱以及超导射频谐振器；其中所述超导吸收器中内置有准粒子，所述单库伯电子对箱包括超导约瑟夫森结和超导岛，所述超导岛与所述超导射频谐振器电容性耦合；当所述超导吸收器中的准粒子经所述约瑟夫森结隧穿进入所述超导岛时，引起所述单库伯电子对箱的电容变化，电容变化引起所述超导射频谐振器的频率发生较大变化，响应信号经过后续读出电路进一步处理，可以实现太赫兹单光子的高灵敏度探测。
在其中一个实施例中，所述太赫兹QCL源11为太赫兹量子级联激光器(Quantum-cascade Laser，QCL)，可以产生高功率太赫兹波，频段为2～5THz，通过光抽运作用电子在不同子带间跃迁来辐射太赫兹波脉冲信号。
本发明所述太赫兹频段单光子雷达系统的基本原理是：通过太赫兹QCL源11发射经典态的太赫兹波脉冲信号，使用量子电容探测器25接收太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号，利用太赫兹频段光子检测技术以提升系统的性能，基于这一工作原理，提出太赫兹频段单光子雷达系统实现方案；然后，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；最后，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
在具体应用时包括以下步骤：
步骤一，构建太赫兹频段单光子雷达系统实现框图。单光子雷达可定义为在低回波强度时，光电转换器件中回波信号产生的平均初始光子数小于10，且噪声引起的虚警远小于信号光子触发的探测概率的探测成像雷达。如图1至图2所示，所述太赫兹频段单光子雷达系统主要包括：太赫兹QCL源11、第一分束镜12、太赫兹信号发射前端13、波束控制组件14、发射天线15、接收天线21、滤波组件22、太赫兹信号接收前端23、第二分束镜24、量子电容探测器25、技术统计模块31以及信号处理与控制端32等部分。通过太赫兹QCL源11重复产生并发射太赫兹波脉冲信号，依次经第一分束镜12、太赫兹信号发射前端13、波束控制组件14以及发射天线15向目标发射。通过接收天线21接收太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号，依次经滤波组件22、太赫兹信号接收前端23、第二分束镜24、量子电容探测器25进入到技术统计模块31，最后由技术统计模块31进行基于单光子计数技术的统计、由信号处理与控制端32提取出目标的距离和多普勒频率信息并同时反馈到太赫兹QCL源11。
步骤二，建立太赫兹频段单光子的探测目标回波模型。根据步骤一描述的太赫兹频段单光子雷达系统实现框图推导建立太赫兹频段单光子探测目标回波模型。假设太赫兹QCL源发射的太赫兹波脉冲信号表示为：
式中，
表示太赫兹波脉冲信号的时间包络，A表示信号幅度，ωs表示发射信号角频率，τ表示调节脉冲宽度pw的参数，i表示虚数。当τ＝pt/3.5时，发射太赫兹波脉冲信号形状如图5所示。
发射太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后的回波信号为：
式中，As表示回波信号幅度，且As＝σA/R2，R表示雷达系统与目标之间的距离，σ表示目标的散射系数，且
td表示回波信号的延时，t表示时间变量。
假设太赫兹QCL源输出的本振信号表示为：
式中，Al表示本振信号幅度，ωl表示本振信号角频率；
根据光外差探测原理，光外差探测原理属于现有技术，所述回波信号与本振信号相干叠加后瞬时功率可以表示为：
式中，
表示差拍频率，ωIF表示差拍频率；其中，差拍频率指发射端与接收端不使用同一个频率。外差接收太赫兹波脉冲信号形状如图6所示。
由此得到所述量子电容探测器的回波信号光子数函数为：
其中，Nl表示本振信号平均光子率，其值为
Ns表示回波信号平均光子率，其值为
由此得到所述量子电容探测器25响应的初始光电子数函数为：
式中，η表示量子电容探测器的探测效率。。
步骤三，基于目标回波模型，得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法。量子电容探测器25检测太赫兹单光子的工作原理是：当激发的初始光电子数为一个或多于一个时，系统增加一次光子技术操作。根据上述初始光电子数函数可以得到单光子统计结果如图7所示，结果表明回波信号中光子的统计含有直流分量和调制分量，其中调制分量的包络与发射信号形状相同，其变化规律周期与目标多普勒频率相关。根据图7对时间相关单光子计数结果采用均值法，将时间轴上的所有计数点，根据对应的纵坐标及横坐标进行均值运算，得到目标时延为9.48μs，对应的距离为1422m(理论值为1420m)；去除直流分量后，对单光子统计结果进行离散傅里叶变换得到其频谱如图8所示，图中峰值位置表明目标多普勒率频率为10.82MHz(理论值为10MHz)。
本发明提供的太赫兹频段单光子雷达技术将传统的太赫兹雷达技术与单光子探测技术进行了有机结合，发射端利用大功率太赫兹QCL源发射经典态太赫兹波照射目标，接收端采用量子电容探测器接收单光子量级的极弱太赫兹回波信号，再通过时间相关单光子计数统计，实现目标探测。
本发明所述太赫兹频段单光子雷达系统可以应用于如图3所示的应用环境中。其中，终端102与服务器104通过网络进行通信，终端102可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备，服务器104可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，该方法以应用于图3所示环境为例进行说明，主要包括以下步骤：
S1，通过太赫兹QCL源11重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号。更具体的，太赫兹QCL源11重复产生并发射太赫兹波脉冲信号，依次经第一分束镜12、太赫兹信号发射前端13、波束控制组件14以及发射天线15向目标发射。
在其中一个实施例中，所述太赫兹QCL源发射的太赫兹波脉冲信号表示为：
式中，
表示太赫兹波脉冲信号的时间包络，A表示信号幅度，ωs表示发射信号角频率，τ表示调节脉冲宽度pw的参数，i表示虚数。当τ＝pt/3.5时，发射太赫兹波脉冲信号形状如图5所示。
S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号。更具体的，由接收天线21接收太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号，依次经滤波组件22、太赫兹信号接收前端23、第二分束镜24进入到量子电容探测器25。
在其中一个实施例中，太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号表示为：
式中，As表示回波信号幅度，且As＝σA/R2，R表示雷达系统与目标之间的距离，σ表示目标的散射系数，且
td表示回波信号的延时，t表示时间变量。
S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息。更具体的，量子电容探测器25中的回波信号进入到技术统计模块31，由技术统计模块31进行基于单光子计数技术的统计、由信号处理与控制端32提取出目标的距离和多普勒频率信息并反馈到太赫兹QCL源11。
S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性。
在其中一个实施例中，所述太赫兹QCL源输出的本振信号表示为：
式中，Al表示本振信号幅度，ωl表示本振信号角频率；
根据光外差探测原理，所述回波信号与本振信号相干叠加后瞬时功率可以表示为：
式中，
表示差拍频率，ωIF表示差拍频率；
由此得到所述量子电容探测器的回波信号光子数函数为：
其中，Nl表示本振信号平均光子率，其值为
Ns表示回波信号平均光子率，其值为
由此得到所述量子电容探测器响应的初始光电子数函数为：
式中，η表示量子电容探测器的探测效率。
S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
本发明在发射端通过太赫兹QCL源重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号，在接收端使用量子电容探测器实现对太赫兹单光子回波信号的探测和接收，通过对回波信号进行单光子计数统计方式获取目标的距离和多普勒频率信息，通过建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型并分析时域分布特性最终得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。本发明通过将传统的太赫兹雷达技术与单光子探测技术进行有机结合，可以实现对远程非合作目标极弱回波信号的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题，进而推动太赫兹新体制目标探测技术、太赫兹器件等发展。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储基本模型组件数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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 (10)
1.一种太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述系统包括：
发射模块，用于通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；
接收模块，用于通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；
信号处理模块，用于对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；
模型生成模块，用于根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；
输出模块，用于根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法。
2.根据权利要求1所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述发射模块包括依次设置的太赫兹QCL源、第一分束镜、太赫兹信号发射前端、波束控制组件以及发射天线；
所述接收模块包括依次设置的接收天线、滤波组件、太赫兹信号接收前端、第二分束镜以及量子电容探测器；
所述信号处理模块包括依次设置的技术统计模块、信号处理与控制端，所述技术统计模块连接到所述量子电容探测器。
3.根据权利要求2所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述量子电容探测器包括相互连接的天线、超导吸收器、单库伯电子对箱以及超导射频谐振器；其中所述超导吸收器中内置有准粒子，所述单库伯电子对箱包括超导约瑟夫森结和超导岛，所述超导岛与所述超导射频谐振器电容性耦合；
当所述超导吸收器中的准粒子经所述约瑟夫森结隧穿进入所述超导岛时，引起所述单库伯电子对箱的电容变化，电容变化引起所述超导射频谐振器的频率变化。
4.根据权利要求2所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述太赫兹QCL源为太赫兹量子级联激光器，频段为2～5THz，通过光抽运作用电子在不同子带间跃迁来辐射所述太赫兹波脉冲信号。
5.一种太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，所述方法包括以下步骤：
S1，通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；
S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；
S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；
S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；
S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。
6.根据权利要求5所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，步骤S1中，所述太赫兹QCL源发射的太赫兹波脉冲信号表示为：
式中，
表示太赫兹波脉冲信号的时间包络，A表示信号幅度，ωs表示发射信号角频率，τ表示调节脉冲宽度pw的参数，i表示虚数。
7.根据权利要求6所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，步骤S2中，太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号表示为：
式中，As表示回波信号幅度，且As＝σA/R2，R表示雷达系统与目标之间的距离，σ表示目标的散射系数，
td表示回波信号的延时，t表示时间变量。
8.根据权利要求7所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，所述太赫兹QCL源输出的本振信号表示为：
式中，Al表示本振信号幅度，ωl表示本振信号角频率；
根据光外差探测原理，所述回波信号与本振信号相干叠加后瞬时功率可以表示为：
式中，ωIF表示差拍频率；
由此得到所述量子电容探测器的回波信号光子数函数为：
其中，Nl表示本振信号平均光子率，其值为
Ns表示回波信号平均光子率，其值为
由此得到所述量子电容探测器响应的初始光电子数函数为：
式中，η表示量子电容探测器的探测效率。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至8任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5至8任一项所述方法的步骤。
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