CN112698344A - 基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法，该装置包括原子气室、探测光激光器、耦合光激光器、双色镜、光电探测器、发射机、天线和接收机。原子气室内部填充有设定密度的原子蒸汽。探测光激光器发射探测光将处于基态的原子激发至中间激发态。耦合光激光器发射耦合光将处于中间激发态的原子激发至里德堡态。双色镜透射耦合光并反射原子气室透射的探测光到光电探测器以转换为光电流信号。发射机输出测距信号给天线辐照被测目标，使被测目标散射的测距信号进入原子气室内，使其产生EIT‑AT效应；发射机还输出基带信号给接收机，以通知接收机进行光电流信号采集。达到大幅提高测距精度的目的。

Description

基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法

技术领域

本申请涉及距离测量技术领域，特别是涉及一种基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法。

背景技术

测距系统广泛应用于军事以及民用领域。现有的测距系统主要依赖于传统的金属天线结构来实现，此类天线由金属、介质或金属介质混合材料构成；而这些材料会影响电磁场的边界条件，对空间电磁波产生扰动，进而影响测量精度。此外，传统的天线单元孔径尺寸因受限于Chu-Harrington极限，其天线孔径尺寸必须与波长相比拟，需要测量的电磁波频率越低，波长越长，则所需角度测量系统的天线孔径尺寸越大。

里德堡原子是指原子中有一个电子处于高能态且其能级跃迁满足里德堡方程的一类原子。里德堡原子具有时间长、对射频电场响应敏感的特点，利用里德堡原子电磁感应透明 (Electromagnetically induced transparency，EIT) AT效应与射频电场的相互作用可实现空间电磁波的精确测量，包括静电场测量和时变电场测量等。里德堡原子不采用金属传感器感应射频电磁波，因此不会对空间中射频电磁场造成额外的扰动并且其具有自校准特性，无需额外的标准件进行校准。然而，在实现本发明过程中，发明人发现目前公开发表的文献中，尚未存在采用里德堡原子EIT效应进行连续波距离测量的公开发表文献，也即传统的测距系统仍然存在着距离测量精度不够高的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够大幅提高测距精度的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置以及一种距离测量方法。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，包括：

原子气室，设有光学透明的密封空腔，空腔内部填充有设定密度的原子蒸汽；原子包括铯或铷；

探测光激光器，用于向原子气室发射探测光，将处于基态的原子激发至中间激发态；

耦合光激光器，用于向原子气室发射耦合光，将处于中间激发态的原子激发至里德堡态；其中，耦合光和探测光在原子气室内共线反向传播；

双色镜，设置在耦合光激光器与原子气室之间的光路上，用于透射耦合光并反射原子气室透射出来的探测光；

光电探测器，用于接收双色镜反射的探测光并转换为光电流信号；

发射机，用于输出测距信号、时钟同步信号及测距信号的基带信号；其中，测距信号为步进频连续波信号，基带信号为步进幅度连续波信号；

天线，电连接发射机，用于发射测距信号到被测目标；测距信号用于经被测目标散射进入原子气室后，激发里德堡态的原子产生EIT-AT效应；

接收机，分别电连接发射机和光电探测器，用于在接收到时钟同步信号时，采集光电流信号和测距信号的基带信号；光电流信号和测距信号的基带信号用于确定被测目标的距离。

另一方面，还提供一种距离测量方法，应用于上述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，前述装置的探测光激光器和耦合光激光器的光频率均锁定；

包括步骤：

在测距开始后，获取接收机采集的光电流信号和测距信号的基带信号，分别得到周期有n个不同电平的光电流信号的采样值和周期有n个不同电平的测距信号的基带信号的采样值；其中，两种采样值的电平均按时间顺序依次抬高，在时间跨度跨过n个电平后，跳回最低电平，周期往复；

对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值的电平进行降噪处理；

分别对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值在数字域进行FM调制；其中，对于光电流信号的采样值中的不同电平值，以及测距信号的基带信号的采样值中的不同电平值，按照电平值从低到高，分别采用频率从低到高的单频载波进行调制；其中，对于光电流信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，以及测距信号的基带信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，进行FM调制的载波相位和频率相同；

对进行FM调制后的光电流信号和测距信号的基带信号，在数字域进行正交混频，得到差频信号；

对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标的复合距离分布；

在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标相应的幅度峰值处的无量纲量，根据无量纲量、FM调制的频率步进间隔和频率步进步数计算得到被测目标的距离。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置和方法，通过探测光激光器和耦合光激光器分别向原子气室中的原子蒸汽发射探测光和共线反向传播的耦合光，使得原子蒸汽中产生里德堡原子，然后发射机通过天线发射步进频连续波信号照射被测目标；被测目标散射进入原子气室中的测距信号将会使得原子气室中的里德堡原子产生EIT-AT效应，从而对EIT信号（即透射出原子气室的探测光）进行幅度调制。光电探测器接收EIT信号并转换为光电流信号后，输出到接收机中而得到采集。利用接收机采集的光电流信号以及接收到的测距信号的基带信号即可计算得到被测目标的距离。如此，与传统的测距系统和基于里德堡原子EIT效应的角度测量方法相比，上述技术方案不会对被测目标的回波造成干扰，而且由于里德堡原子具有自校准特性，无需额外的校准件进行校准，充分实现了大幅提高测距精度的目的。

附图说明

图1为一个实施例中基于里德堡原子的步进频连续波测距装置的第一结构示意图；

图2为一个实施例中基于里德堡原子的步进频连续波测距装置的第二结构示意图；

图3为一个实施例中基于里德堡原子的步进频连续波测距装置的第三结构示意图；

图4为一个实施例中时间步进间隔为200μs时对应的实验结果示意图；

图5为一个实施例中时间步进间隔为100μs时对应的实验结果示意图；

图6为一个实施例中时间步进间隔为50μs时对应的实验结果示意图；

图7为一个实施例中距离测量方法的流程示意图；

图8为另一个实施例中距离测量方法的流程示意图；

图9为一个实施例中距离测量装置的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件，即也可以是间接连接到另一个元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

里德堡原子是指原子中有一个电子处于高能态且其能级跃迁满足里德堡方程的一类原子。里德堡原子具有时间长、对射频电场响应敏感的特点，利用里德堡原子与射频电场的相互作用可实现空间电磁波的精确测量，包括静电场测量和时变电场测量等。里德堡原子不采用金属传感器感应射频电磁波，因此不会对空间中射频电磁场造成额外的扰动并且其具有自校准特性，无需额外的标准件进行校准。

在目前公开发表的文献中，里德堡原子对电场的响应可以达到30μV/cm，然而目前尚未出现采用里德堡原子进行连续波距离测量的公开发表的有关文献。针对传统的测距系统仍然存在着距离测量精度不够高的技术问题，发明人基于里德堡原子电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)AT效应对射频电磁场的高灵敏度响应，设计了一种测距装置以及一种距离测量方法，能够有效解决上述传统的测距系统中存在的技术问题，实现对被测目标的距离的更高精度的测量。本发明实施例提供了以下技术方案：

请参阅图1，在一个实施例中，本发明提供一种基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100，包括原子气室12、探测光激光器14、耦合光激光器16、双色镜18、光电探测器20、发射机22、天线24和接收机26。其中，原子气室12设有光学透明的密封空腔，空腔内部填充有设定密度的原子蒸汽；原子包括铯或铷。探测光激光器14用于向原子气室12发射探测光，将处于基态的原子激发至中间激发态。耦合光激光器16用于向原子气室12发射耦合光，将处于中间激发态的原子激发至里德堡态；其中，耦合光和探测光在原子气室12内共线反向传播。

双色镜18设置在耦合光激光器16与原子气室12之间的光路上，用于透射耦合光并反射原子气室12透射出来的探测光。光电探测器20用于接收双色镜18反射的探测光并转换为光电流信号。

发射机22用于输出测距信号、时钟同步信号及测距信号的基带信号；其中，测距信号为步进频连续波信号，基带信号为步进幅度连续波信号。天线24电连接发射机22，用于发射测距信号到被测目标101；测距信号用于经被测目标101散射进入原子气室12后，激发里德堡态的原子产生EIT-AT效应。接收机26分别电连接发射机22和光电探测器20，用于在接收到时钟同步信号时，采集光电流信号和测距信号的基带信号；光电流信号和测距信号的基带信号用于确定被测目标101的距离。

可以理解，原子气室12的形状可以是圆柱状、长方体状、椭圆柱状或者其他适于利用里德堡原子EIT-AT效应进行目标距离探测的气室形状。原子气室12中填充的可以是设定密度的铯蒸汽，或者可以填充设定密度的铷蒸汽，其中，设定密度可以根据里德堡原子的稳定产生的需要来确定。相应的，探测光激光器14和耦合光激光器16均可以是现有的激光器，具体选型可以根据里德堡原子EIT-AT效应的产生与稳定应用需要，灵活选择相应功率与波长的激光器。激光器的形状尺寸等可以根据基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100的应用环境或者整机体积设计要求来选择。

光电探测器20也可以是现有的各型光电探测器20，具体类型可以根据对反射的探测光的探测灵敏度、基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100的应用环境或者整机体积设计要求等因素确定，只要能够可靠且精确地实现对原子气室12透射出来的探测光信号（也即EIT信号）的探测即可。发射机22和接收机26均可以是通信领域中现有的电磁波信号发射设备和接收设备，具体可以根据探测需要，例如但不限于信号收发功率、被测目标101的距离远近等进行选择。

需要说明的是，图1中带箭头的虚线连接表示的是射频电磁波传播路径，不带箭头的虚线连接表示探测光和/或耦合光的传播路径，实线连接表示电连接或通信连接，下文附图2和图3中的连接线同理理解。

具体的，原子气室12中充有设定密度的原子蒸汽，例如铯蒸汽或者铷蒸汽。以铯蒸汽为例，铷蒸汽的应用原理同理理解：探测光激光器14发射探测光进入原子气室12中，利用探测光将原子气室12中的原子从基态激发至中间激发态，然后耦合光激光器16发射耦合光进入原子气室12中，利用耦合光将处于中间激发态的原子激发至里德堡态，此时，探测光能够透射出原子气室12，透射出原子气室12的探测光信号即EIT信号。探测光以及耦合光的频率均锁定，即可使得EIT信号的幅度能够随着设置的步进频连续波信号的频率单调变化，便于进行测距。

EIT信号经过双色镜18反射，即可引导进入光电探测器20，被光电探测器20转化为相应的光电流信号。

发射机22发射一组时钟同步信号到接收机26，以通知接收机26开始采集信号；同时，发射机22通过天线24发射测距信号，测距信号的信号形式为步进频连续波信号，其通过天线24辐射照射被测目标101；此外，发射机22还可同时发射一组该测距信号的基带信号到接收机26以便后续测距过程中使用。测距信号的基带信号为步进幅度连续波信号，将测距信号的基带信号进行FM调制可得到测距信号，即步进频连续波信号。

被测目标101感应到天线24辐射的测距信号后，对测距信号进行散射，散射后的测距信号返回上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100并被其原子气室12所感应。原子气室12中的里德堡原子感应到被测目标101散射过来的测距信号后，里德堡原子会发生受激辐射而跃迁至另一里德堡态，也即使得原子气室12内的里德堡原子可以利用被测目标101散射过来的测距信号产生EIT-AT效应；因此，使得原子气室12中的里德堡原子对进入原子气室12的探测光进行幅度调制，进而使得EIT信号的幅度会随着时间变化，也即使得EIT信号受到幅度调制。

得到幅度调制的EIT信号经过双色镜18引导进入光电探测器20，光电探测器20将EIT信号转化为光电流信号并传输至接收机26。利用接收机26收到的测距信号的基带信号以及采集的光电流信号进行信号解算处理，即可计算获得被测目标101的距离。

上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100，通过探测光激光器14和耦合光激光器16分别向原子气室12中的原子蒸汽发射探测光和共线反向传播的耦合光，使得原子蒸汽中产生里德堡原子，然后发射机22通过天线24发射步进频连续波信号照射被测目标101；被测目标101散射进入原子气室12中的测距信号将会使得原子气室12中的里德堡原子产生EIT-AT效应，从而对EIT信号（即透射出原子气室12的探测光）进行幅度调制。光电探测器20接收EIT信号并转换为光电流信号后，输出到接收机26中而得到采集。利用接收机26采集的光电流信号以及接收到的测距信号的基带信号即可计算得到被测目标101的距离。如此，与传统的测距系统和基于里德堡原子EIT效应的角度测量方法相比，上述技术方案不会对被测目标101的回波造成干扰，而且由于里德堡原子具有自校准特性，无需额外的校准件进行校准，充分实现了大幅提高测距精度的目的。

请参阅图2，在一个实施例中，上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100还包括计算设备28。计算设备28通信连接接收机26。计算设备28用于接收并根据光电流信号和测距信号的基带信号计算得到被测目标101的距离。

可以理解，计算设备28可以是现有的各类型具有信号处理与计算功能的设备或者电路模块。可选的，基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100还设置了计算设备28与接收机26通讯，从而可以实时或者定时地获取接收机26采集并输出的光电流信号以及测距信号的基带信号，对接收到的信号进行就地处理或者后台处理，进而计算输出被测目标101的距离。计算设备28与接收机26之间的通信连接可以是有线连接也可以是无线连接，具体可以根据计算设备28和接收机26两者之间具备的通信接口类型确定。

在一个实施例中，计算设备28包括单片机、微处理器或电脑终端。可选的，在本实施例中，可以应用单片机、微处理器或者电脑终端作为处理电信号的计算设备28。本领域技术人员可以理解，可以将基于上述采集的光电流信号以及测距信号的基带信号的目标距离计算程序预先载入现有的单片机、微处理器或者电脑终端，将其配置成具备处理上述信号的功能的终端设备。采用上述计算设备28，距离测量效率高且使用成本低，能够提升基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100的测距效率与成本。

在一个实施例中，如图2所示，接收机26包括时钟接收通道0、第一低频通道1和第二低频通道2。其中，时钟接收通道0和第一低频通道1分别电连接发射机22，第二低频通道2电连接光电探测器20。时钟接收通道0用于接收时钟同步信号，第一低频通道1用于接收测距信号的基带信号，第二低频通道2用于接收并采集光电流信号。

可以理解，在上述实施例中，接收机26可以设有多种信号传输通道的信号接收设备，在本实施例中，接收机26为至少具有时钟接收通道0、第一低频通道1和第二低频通道2这三个信号传输通道的信号接收设备，以分别对各相应信号进行专用通道传输。通过采用前述专用通道的接收机26，可以提高装置接线效率同时，确保各相应信号的高效与可靠传输，避免信号之间发生干扰的情况出现。

在一个实施例中，可选的，步进频连续波信号为X波段且线极化的连续波信号。采用该波段且线极化的步进频连续波信号可以使得对被测目标101的距离测量精度和稳定性得到进一步提升。

在一个实施例中，探测光为线偏振光且波长为852nm；耦合光为线偏振光且波长为510nm。可选的，可以采用偏振形式均为线偏振光的探测光和耦合光进行测量，其中探测光为852nm且耦合光的波长为510nm，透射进原子气室12中的探测光与耦合光共线反向传播，使得原子气室12中的部分原子吸收光后发生跃迁，最终跃迁至里德堡态，成为里德堡原子。采用上述波长和偏振形式可以使得原子跃迁更容易发生并且工况更稳定。

在一个实施例中，可选的，耦合光和探测光的线偏振方向相同。在上述实施例中，耦合光和探测光的线偏振方向可以是不完全相同的，例如有一定微小角度的方向偏差也能激发一定程度的原子跃迁。而在本实施例中，耦合光和探测光具有相同的线偏振方向，可以使得原子跃迁效率更高，达到最佳的运行状态。

请参阅图3，在一个实施例中，上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100还可以包括反射镜30，反射镜30设置在探测光激光器14与原子气室12之间的光路上，用于反射探测光进入原子气室12。

可选的，在一些实施方式中，当探测光激光器14与原子气室12难以共线设置时，还可以增设反射镜30，已将探测光激光器14出射的探测光定向反射进入原子气室12，从而实现探测光对原子气室12的精准透射。反射镜30可以采用本领域中已有的各类型光学反射镜30片或者模组。

为证明锁定探测光以及耦合光的频率，可以使得EIT信号的幅度能够随着设置的步进频连续波信号的频率单调变化，可以使得到的光电流信号在一定频段内具有明显可区分的电平值，以及原子气室12可以实时响应步进频频率的跳变。利用上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100作为实验框架，设置了如下实验示例对前述问题进行了检验：

步进频连续波信号为X波段且线极化的连续波信号，并设置步进频连续波信号的频率从9931MHz开始，以1MHz的频率步进间隔步进至9942MHz，设置三种时间步进间隔，分别是200μs、100μs和50μs。在发射的步进频连续波信号的频率到达9942MHz后，返回至9931MHz重新开始新一轮的步进周期。其中，计算设备28可选的用于根据接收机26低频通道接收并采集到的光电流信号进行数据存储和绘图。

实验实施步骤为：

S1、利用探测光将原子气室12中的原子从基态6S_1/2激发到中间激发态6P_3/2，F^，=5；

S2、利用耦合光将原子气室12中处于中间激发态6P_3/2，F^，=5的原子激发到里德堡态42D_5/2，此时，探测光能够透射出原子气室12，透射出原子气室12的探测光信号即EIT信号；

S3、锁定探测光以及耦合光的频率，使得EIT信号的幅度能够随着设置的步进频信号的频率单调变化，这里选择EIT信号的幅度能随着设置的步进频信号的频率增加而增加；

S4、EIT信号经过引导进入光电探测器20，被光电探测器20转化为光电流信号；

S5、发射机22发射一组时钟同步信号通知接收机26开始采集信号；同时，发射机22发射步进频连续波信号，通过天线24辐射照射被测目标101；

S6、被测目标101感应到天线24发射的步进频连续波信号，并对步进频连续波信号进行散射，散射后的步进频连续波信号返回本发明所述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100并被原子气室12所感应；

S7、原子气室12中的里德堡原子感应到被测目标101散射后的步进频连续波信号后，对进入原子气室12的探测光进行幅度调制，进而使得EIT信号得到幅度调制；

S8、得到幅度调制的EIT信号经过引导进入光电探测器20，光电探测器20将EIT信号转化为光电流信号并传输至接收机26的第二低频通道2；

S9、接收机26将第二低频通道2采集到的光电流信号传输至计算设备28，计算设备28根据接收机26的第二低频通道2接收并采集到的光电流信号进行存储和绘图；

实验结果请参阅图4、图5和图6，对于设置的三种不同的时间步进间隔200μs、100μs和50μs，从9931MHz至9942MHz，以1MHz的频率间隔步进时，通过采集光电探测器20输出的光电流信号可以发现：在9934MHz至9942MHz的频率范围内可以观察到光电流信号的电平随着被测目标101散射的步进频连续波信号的频率增加而增加。因此，锁定探测光以及耦合光的频率，可以使得EIT信号的幅度能够随着设置的步进频连续波信号的频率单调变化，不同频率对应明显不同的光电流信号电平；在9934MHz至9942MHz的频率范围内，可以观测到明显可区分的电平值，每个电平的持续时间基本等于所设置的时间步进间隔，因此原子气室12可以实时响应步进频频率的跳变。其中，图4、图5和图6中纵轴表示光电流信号的电平大小。

请参阅图7，在一个实施例中，本发明提供一种距离测量方法，可以应用于上述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100，前述装置的探测光激光器14和耦合光激光器16的光频率均锁定。

所述方法包括如下步骤S12至S22：

S12，在测距开始后，获取接收机26采集的光电流信号和测距信号的基带信号，分别得到周期有n个不同电平的光电流信号的采样值和周期有n个不同电平的测距信号的基带信号的采样值；其中，两种采样值的电平均按时间顺序依次抬高，在时间跨度跨过n个电平后，跳回最低电平，周期往复。

可以理解，可以通过信号处理设备来实现所需的信号获取与计算处理，例如但不限于上述的计算设备28或者数据应用服务器。

S14，对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值的电平进行降噪处理。

可以理解，对前述采样值的电平进行降噪处理，可以使得电平更加平坦，更容易区分不同电平。

S16，分别对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值在数字域进行FM调制；其中，对于光电流信号的采样值中的不同电平值，以及测距信号的基带信号的采样值中的不同电平值，按照电平值从低到高，分别采用频率从低到高的单频载波进行调制；其中，对于光电流信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，以及测距信号的基带信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，进行FM调制的载波相位和频率相同；

S18，对进行FM调制后的光电流信号和测距信号的基带信号，在数字域进行正交混频，得到差频信号。

可以理解，由于采集得到的光电流信号的电平幅度随着被测目标101散射进入原子气室12中的测距信号的频率是单调递增的，因此测距信号的基带信号以及光电流信号的采样值的最低电平分别对应的FM调制频率，为发射机22发射的步进频的最低频率，依次递增；测距信号的基带信号以及光电流信号的采样值的最高电平分别对应的FM调制频率，为发射机22发射的步进频的最高频率。不同的电平幅度对应不同的FM调制频率。对处于不同电平的信号按照上述电平和频率的对应规则进行FM调制。

在信号处理设备中，利用测距信号的基带信号在数字域进行FM调制后得到的步进频连续波信号的表达式为：

其中，

表示测距信号的基带信号在数字域进行FM调制后得到的步进频连续波信号的强度，

表示起始频率，

表示频率步进间隔，

表示发射信号的初始相位，

表示时间步进间隔，N表示频率步进步数，t表示时间。

利用光电流信号在数字域进行FM调制后得到的步进频连续波信号的表达式为：

其中，

表示光电流信号在数字域进行FM调制后得到的步进频连续波信号强度，

表示目标延迟时间，R₀为被测目标101的距离，c为光速。

在信号处理设备中，利用对测距信号的基带信号在数字域进行FM调制后得到的步进频连续波信号

，以及利用对光电流信号在数字域进行FM调制后得到的步进频连续波信号

在数字域进行正交混频，混频后得到的差频信号的表达式为：

其中，A表示混频后得到的差频信号的信号强度。

S20，对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标101的复合距离分布；

S22，在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标101相应的幅度峰值处的无量纲量，根据无量纲量、FM调制的频率步进间隔和频率步进步数计算得到被测目标101的距离。

可以理解，对正交混频后得到的差频信号可以视为目标频域的采样，对这N个复数采样通过逆离散傅里叶变换(IDFT)处理，即可得到被测目标101的复合距离分布，其幅度谱为：

在幅度谱中，在R₀处、被测目标101对应的

的幅度峰值在

处：

，

是一个无量纲量。

由上式即可以解算出被测目标101的距离为：

。

关于本实施例中的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100的具体解释说明，可以参照上述基于里德堡原子的步进频连续波测距装置100各实施例中的相应解释说明同理理解，此处不再展开赘述。

上述距离测量方法，通过利用采集的电信号和测距信号的基带信号在数字域进行FM调制后，在数字域进行正交混频，得到差频信号，进而对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标101的复合距离分布，最后在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标101相应的幅度峰值处的无量纲量，计算输出被测目标101的距离。如此，与传统的测距系统和基于里德堡原子EIT效应的角度测量方法相比，上述距离测量方法充分实现了大幅提高测距精度的目的。

请参阅图8，在一个实施例中，上述距离测量方法还可以包括步骤S02至S10：

S02，指示探测光激光器14向原子气室12发射探测光，将原子气室12中的原子从基态激发至中间激发态。

可以理解，可以通过但不限于输出控制指令或者提示信号的方式，指示测量技术员手动控制探测激光器发射探测光，或者指示外部设置的用于测距动作操控的工控机来实现激光器的发射控制，具体可以根据应用场景中部署的设备条件灵活选择。对于后续其他部件的指示控制可以同理理解。

可选的，以铯蒸汽为示例，探测光激光器14发射波长为852nm的探测光，其功率为120±4μW，1/e²波束直径为1.7±0.04mm，透射进入原子气室12，处于基态6S_1/2，F=4的部分铯原子吸收进入原子气室12中的该探测光而从基态跃迁到中间激发态6P_3/2，F^，=5。

S04，指示耦合激光器向原子气室12发射耦合光，将中间激发态的原子激发至里德堡态。

可以理解，在探测光激光器14向原子气室12发射探测光后，指示耦合激光器向原子气室12发射耦合光。可选的，耦合光激光器16发射波长为510nm的耦合光，其功率为34±1mW，1/e²波束直径为1.6±0.05mm，经过双色镜18透射进入原子气室12，在原子气室12内与进入原子气室12中的探测光共线反向传播，耦合光和探测光的线偏振方向相同。处于中间激发态6P_3/2，F^，=5的部分铯原子吸收部分进入原子气室12中的耦合光并从中间激发态6P_3/2，F^，=5跃迁到里德堡态42D_5/2。

S06，指示探测光激光器14锁定探测光的频率并指示耦合激光器锁定耦合光的频率。

可以理解，锁定探测光以及耦合光的频率，可使得EIT信号的幅度能够随着设置的步进频信号的频率单调变化，本实施例中设置EIT信号的幅度能随着设置的步进频信号的频率增加而增加。

S08，指示发射机22发送时钟同步信号到接收机26；时钟同步信号用于指示接收机26开始采集光电耦合器输出的光电流信号。

可以理解，发射机22发射时钟同步信号进入接收机26的时钟接收通道0，使接收机26开始对其第一低频通道1和第二低频通道2进行信号采集工作。

S10，指示发射机22通过天线24向被测目标101发射测距信号并向接收机26发送测距信号的基带信号。

可选的，测距信号的信号形式为步进频连续波信号，为X波段且线极化的连续波信号。为了使接收机26采集到的来自于光电探测器20的光电流信号的电平可以明显地被分辨出来，根据上述所得的实验结果，可以选择设置步进频连续波信号的频率从9934MHz开始，以1MHz的频率步进间隔步进至9942MHz，设置时间步进间隔为200μs。在发射的步进频连续波信号的频率到达9942MHz后，返回至9934MHz重新开始新一轮的步进周期。

测距信号的基带信号的信号形式为步进幅度连续波信号，测距信号的基带信号经过FM调制即为测距信号，即步进频连续波信号。

通过上述步骤，使得对被测目标101的距离测量过程进行现场操控，可以实现对不同被测目标101的快速测距输出，提高了距离测量的适用性能和测距输出效率。

应该理解的是，虽然图7和图8的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且图7和图8中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

请参阅图9，另一方面，还提供一种距离测量装置200，包括信号获取模块201、降噪模块202、FM调制模块203、混频处理模块205、信号变换模块207和距离计算模块209。其中，信号获取模块201用于在测距开始后，获取接收机26采集的光电流信号和测距信号的基带信号，分别得到周期有n个不同电平的光电流信号的采样值和周期有n个不同电平的测距信号的基带信号的采样值；其中，两种采样值的电平均按时间顺序依次抬高，在时间跨度跨过n个电平后，跳回最低电平，周期往复。降噪模块202用于对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值的电平进行降噪处理。FM调制模块203用于分别对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值在数字域进行FM调制；其中，对于光电流信号的采样值中的不同电平值，以及测距信号的基带信号的采样值中的不同电平值，按照电平值从低到高，分别采用频率从低到高的单频载波进行调制；其中，对于光电流信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，以及测距信号的基带信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，进行FM调制的载波相位和频率相同。混频处理模块205用于对进行FM调制后的光电流信号和测距信号的基带信号，在数字域进行正交混频，得到差频信号。信号变换模块207用于对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标101的复合距离分布。距离计算模块209用于在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标101相应的幅度峰值处的无量纲量，根据无量纲量、FM调制的频率步进间隔和频率步进步数计算得到被测目标101的距离。

上述距离测量装置200，通过各模块的协作，利用采集的电信号和测距信号的基带信号在数字域进行FM调制后，在数字域进行正交混频，得到差频信号，进而对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标101的复合距离分布，最后在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标101相应的幅度峰值处的无量纲量，计算输出被测目标101的距离。如此，与传统的测距系统和基于里德堡原子EIT效应的角度测量方法相比，上述距离测量方法充分实现了大幅提高测距精度的目的。

在一个实施例中，上述距离测量装置200还可以包括第一指示模块、第二指示模块、第三指示模块、第四指示模块和第五指示模块。其中，第一指示模块用于指示探测光激光器14向原子气室12发射探测光，将原子气室12中的原子从基态激发至中间激发态。第二指示模块用于指示耦合激光器向原子气室12发射耦合光，将中间激发态的原子激发至里德堡态。第三指示模块用于指示探测光激光器14锁定探测光的频率并指示耦合激光器锁定耦合光的频率。第四指示模块用于指示发射机22发送时钟同步信号到接收机26；时钟同步信号用于指示接收机26开始采集光电耦合器输出的光电流信号。第五指示模块用于指示发射机22通过天线24向被测目标101发射测距信号并向接收机26发送测距信号的基带信号。

本领域技术人员可以理解，在另一些实施方式中，上述的各指示模块也可以由同一个指示模块来先后实现其功能，或者由其中一个指示模块来实现其中一部分的指示功能，而由另一指示模块来实现其余部分的指示功能，如此，均能达到相同或相近似的指示与控制效果。

关于距离测量装置200的具体限定，可以参见上文中距离测量方法的相应限定，在此不再赘述。上述距离测量装置200中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于具体数据处理功能的设备中，也可以软件形式存储于前述设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作，前述设备可以是但不限于测距系统的工控机、便携式的智能测算终端或者个人电脑。

又一方面，还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时可以实现以下步骤：在测距开始后，获取接收机26采集的光电流信号和测距信号的基带信号，分别得到周期有n个不同电平的光电流信号的采样值和周期有n个不同电平的测距信号的基带信号的采样值；其中，两种采样值的电平均按时间顺序依次抬高，在时间跨度跨过n个电平后，跳回最低电平，周期往复；对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值的电平进行降噪处理；分别对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值在数字域进行FM调制；其中，对于光电流信号的采样值中的不同电平值，以及测距信号的基带信号的采样值中的不同电平值，按照电平值从低到高，分别采用频率从低到高的单频载波进行调制；其中，对于光电流信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，以及测距信号的基带信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，进行FM调制的载波相位和频率相同；对进行FM调制后的光电流信号和测距信号的基带信号，在数字域进行正交混频，得到差频信号；对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标101的复合距离分布；在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标101相应的幅度峰值处的无量纲量，根据无量纲量、FM调制的频率步进间隔和频率步进步数计算得到被测目标101的距离。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还可以实现上述距离测量方法各实施例中增加的步骤或者子步骤。

再一方面，还提供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以下步骤：在测距开始后，获取接收机26采集的光电流信号和测距信号的基带信号，分别得到周期有n个不同电平的光电流信号的采样值和周期有n个不同电平的测距信号的基带信号的采样值；其中，两种采样值的电平均按时间顺序依次抬高，在时间跨度跨过n个电平后，跳回最低电平，周期往复；对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值的电平进行降噪处理；分别对光电流信号的采样值和测距信号的基带信号的采样值在数字域进行FM调制；其中，对于光电流信号的采样值中的不同电平值，以及测距信号的基带信号的采样值中的不同电平值，按照电平值从低到高，分别采用频率从低到高的单频载波进行调制；其中，对于光电流信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，以及测距信号的基带信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，进行FM调制的载波相位和频率相同；对进行FM调制后的光电流信号和测距信号的基带信号，在数字域进行正交混频，得到差频信号；对差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标101的复合距离分布；在复合距离分布的幅度谱中，提取与被测目标101相应的幅度峰值处的无量纲量，根据无量纲量、FM调制的频率步进间隔和频率步进步数计算得到被测目标101的距离。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时，还可以实现上述距离测量方法各实施例中增加的步骤或者子步骤。

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，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，本申请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）、存储器总线式动态随机存储器（Rambus DRAM，简称RDRAM）以及接口动态随机存储器（DRDRAM）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。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可做出若干变形和改进，都属于本申请保护范围。因此本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，包括：

原子气室，设有光学透明的密封空腔，空腔内部填充有设定密度的原子蒸汽；所述原子包括铯或铷；

探测光激光器，用于向所述原子气室发射探测光，将处于基态的所述原子激发至中间激发态；

耦合光激光器，用于向所述原子气室发射耦合光，将处于中间激发态的所述原子激发至里德堡态；其中，所述耦合光和所述探测光在所述原子气室内共线反向传播；

双色镜，设置在所述耦合光激光器与所述原子气室之间的光路上，用于透射所述耦合光并反射所述原子气室透射出来的所述探测光；

光电探测器，用于接收所述双色镜反射的所述探测光并转换为光电流信号；

发射机，用于输出测距信号、时钟同步信号及所述测距信号的基带信号；其中，所述测距信号为步进频连续波信号，所述基带信号为步进幅度连续波信号；

天线，电连接所述发射机，用于发射所述测距信号到被测目标；所述测距信号用于经所述被测目标散射进入所述原子气室后，激发里德堡态的所述原子产生EIT-AT效应；

接收机，分别电连接所述发射机和所述光电探测器，用于在接收到所述时钟同步信号时，采集所述光电流信号和所述测距信号的基带信号；所述光电流信号和所述测距信号的基带信号用于确定所述被测目标的距离。

2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，还包括计算设备，所述计算设备通信连接所述接收机，用于接收并根据所述光电流信号和所述测距信号的基带信号计算得到所述被测目标的距离。

3.根据权利要求1或2所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，所述步进频连续波信号为X波段且线极化的连续波信号。

4.根据权利要求3所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，所述探测光为线偏振光且波长为852nm；所述耦合光为线偏振光且波长为510nm。

5.根据权利要求3所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，所述耦合光和所述探测光的线偏振方向相同。

6.根据权利要求4或5所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，还包括反射镜，设置在所述探测光激光器与所述原子气室之间的光路上，用于反射所述探测光进入所述原子气室。

7.根据权利要求2所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，所述计算设备包括单片机、微处理器或电脑终端。

8.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，其特征在于，所述接收机包括时钟接收通道、第一低频通道和第二低频通道，所述时钟接收通道和所述第一低频通道分别电连接所述发射机，所述第二低频通道电连接所述光电探测器；

所述时钟接收通道用于接收所述时钟同步信号，所述第一低频通道用于接收所述测距信号的基带信号，所述第二低频通道用于接收并采集所述光电流信号。

9.一种距离测量方法，应用于权利要求1至8任一项所述的基于里德堡原子的步进频连续波测距装置，所述装置的探测光激光器和耦合光激光器的光频率均锁定；

其特征在于，所述方法包括步骤：

在测距开始后，获取接收机采集的光电流信号和测距信号的基带信号，分别得到周期有n个不同电平的所述光电流信号的采样值和周期有n个不同电平的所述测距信号的基带信号的采样值；其中，两种采样值的电平均按时间顺序依次抬高，在时间跨度跨过n个电平后，跳回最低电平，周期往复；

对所述光电流信号的采样值和所述测距信号的基带信号的采样值的电平进行降噪处理；

分别对所述光电流信号的采样值和所述测距信号的基带信号的采样值在数字域进行FM调制；其中，对于所述光电流信号的采样值中的不同电平值，以及所述测距信号的基带信号的采样值中的不同电平值，按照电平值从低到高，分别采用频率从低到高的单频载波进行调制；其中，对于所述光电流信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，以及所述测距信号的基带信号的采样值每个周期内的第i个电平(i=1,2…n)，进行FM调制的载波相位和频率相同；

对进行所述FM调制后的所述光电流信号和所述测距信号的基带信号，在数字域进行正交混频，得到差频信号；

对所述差频信号进行逆离散傅里叶变换处理，得到被测目标的复合距离分布；

在所述复合距离分布的幅度谱中，提取与所述被测目标相应的幅度峰值处的无量纲量，根据所述无量纲量、所述FM调制的频率步进间隔和频率步进步数计算得到所述被测目标的距离。

10.根据权利要求9所述的距离测量方法，其特征在于，还包括步骤：

指示探测光激光器向原子气室发射探测光，将所述原子气室中的原子从基态激发至中间激发态；

指示耦合激光器向所述原子气室发射耦合光，将中间激发态的所述原子激发至里德堡态；

指示所述探测光激光器锁定所述探测光的频率并指示所述耦合激光器锁定所述耦合光的频率；

指示发射机发送时钟同步信号到接收机；所述时钟同步信号用于指示所述接收机开始采集光电耦合器输出的光电流信号；

指示所述发射机通过天线向被测目标发射测距信号并向所述接收机发送所述测距信号的基带信号。

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