CN113156415A - 基于里德堡原子的脉冲雷达系统及距离测量方法 - Google Patents

基于里德堡原子的脉冲雷达系统及距离测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于里德堡原子的脉冲雷达系统、距离测量方法、计算机设备和存储介质。所述方法包括：使用雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号，由里德堡原子接收机接收雷达信号经目标反射产生的回波信号，通过数据采集模块将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号，信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT‑AT谱图像，根据EIT‑AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机的回波信号到达时间，并根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。本发明的脉冲雷达系统、距离测量方法在相同发射功率下能够探测更远距离的目标，具有较好的电磁兼容能力和抗干扰能力。

Description

基于里德堡原子的脉冲雷达系统及距离测量方法
技术领域
本申请涉及雷达探测领域，特别是涉及一种基于里德堡原子的脉冲雷达系统及距离测量方法。
背景技术
里德堡原子是碱金属原子的最外层电子被激发到主量子数n很大的高激发态原子，其轨道半径和极化率较大，能够敏感地响应外部电磁场，利用电磁诱导透明(EIT)、AT分裂效应，可以实现对微波场的自校准精密测量。基于里德堡原子的无线电接收机(下文称为里德堡原子接收机)具有宽频带、高灵敏度、高动态范围的优点。
现有的脉冲雷达系统通常采用传统的超外差接收机，目标回波脉冲信号经过多次下变频获得基带信号，通过对基带信号进行处理实现距离测量。该接收机需要多个本振信号源及滤波器，导致接收链路硬件复杂，特别地，对于毫米波、太赫兹等频段，本振信号源的需求使得雷达系统的成本、体积急剧增加。现有技术在多个应用场景存在适应性不佳、距离测量效果差的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高脉冲雷达性能的基于里德堡原子的脉冲雷达系统及距离测量方法。
一种基于里德堡原子的脉冲雷达系统，系统包括雷达发射机、里德堡原子接收机、数据采集模块和信号处理模块；
雷达发射机用于根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
里德堡原子接收机用于接收雷达信号经目标反射产生的回波信号；
数据采集模块用于将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号；
信号处理模块用于根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
其中一个实施例中，系统还包括时钟同步装置，用于设置雷达发射机和里德堡原子接收机的工作时序。
其中一个实施例中，里德堡原子接收机还包括探测激光器、耦合激光器、探测光二向色镜、耦合光二向色镜和原子气室；探测激光器发射的探测光经探测光二向色镜穿过原子气室；耦合激光器发射的耦合光经耦合光二向色镜穿过原子气室；原子气室产生的透射光由光电探测器转换为电信号，电信号为里德堡原子接收机的输出信号。
其中一个实施例中，原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿。
其中一个实施例中，碱金属原子为铯原子或铷原子。
一种基于里德堡原子的脉冲雷达距离测量方法，方法包括：
由雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
由里德堡原子接收机接收雷达信号经目标反射产生的回波信号；
由数据采集模块将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号；
由信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
在其中一个实施例中，还包括：根据数字信号，以时间为横轴，以探测光频率值为纵轴，绘制回波信号的EIT-AT谱图像。
在其中一个实施例中，还包括：根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值为：
Figure BDA0002991900380000021
其中，
Figure BDA0002991900380000022
表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，t0表示信号发射时间，t1表示回波信号到达时间。
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实现以下步骤：
由雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
由里德堡原子接收机接收雷达信号经目标反射产生的回波信号；
由数据采集模块将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号；
由信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
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：
由雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
由里德堡原子接收机接收雷达信号经目标反射产生的回波信号；
由数据采集模块将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号；
由信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
上述基于里德堡原子的脉冲雷达系统、距离测量方法、计算机设备和存储介质，使用雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号，由里德堡原子接收机接收雷达信号经目标反射产生的回波信号，通过数据采集模块将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号，信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。由于里德堡原子对MHz–THz的宽频带电磁场的敏感响应，本发明的脉冲雷达系统易于实现宽频带回波信号接收，在相同发射功率下本发明的脉冲雷达系统能够探测更远距离的目标；另外由于里德堡原子接收机具有高动态范围，使得本发明的脉冲雷达系统具有较好的电磁兼容能力和抗干扰能力。
附图说明
图1为一个实施例中基于里德堡原子的脉冲雷达系统框图；
图2为一个实施例中里德堡原子接收机框图；
图3为一个实施例中发射脉冲信号的时域波形示意图；
图4为另一个实施例中回波脉冲信号的EIT-AT谱图像示意图；
图5为一个实施例中基于里德堡原子的脉冲雷达系统的结构框图；
图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
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。
一种基于里德堡原子的脉冲雷达系统，系统包括雷达发射机、里德堡原子接收机、数据采集模块和信号处理模块；
雷达发射机用于根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
里德堡原子接收机用于接收雷达信号经目标反射产生的回波信号；
数据采集模块用于将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号；
信号处理模块用于根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
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。原子接收机基于里德堡原子实现，其实现原理是电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency，EIT)效应，由原子接收天线内的激光器产生探测光和耦合光，两束光与碱性金属原子发生非线性量子相互作用，此时原子接收机中的光电探测器可以接收到探测光的透射峰，称为EIT透射峰。当原子接收机收到回波信号时，该回波信号会使EIT透射峰产生AT分裂。本发明所构建的基于里德堡原子的脉冲雷达系统，将光电探测器探测到的光信号转换为电信号，并通过数据采集模块采集为数字信号后，由信号处理模块根据数字信号绘制EIT-AT谱图像，EIT透射峰产生AT分裂在EIT-AT谱图像上的表现为一条光带，出现光带的起始时间即为回波信号到达时间。本实施例通过图像边缘检测方法获取回波信号到达里德堡原子接收机的回波信号到达时间。根据雷达信号的信号发射时间和经目标反射产生的回波的信号达到时间的时间差，可以计算出该目标和测距系统之间的距离值。由于使用的EIT信号作为接收具有1～500GHz大动态范围(气室内原子具有很大范围的原子态，一个原子态对应一个特定频率的微波信号)、抗毁伤(所使用的实验装置不存在电磁兼容问题)、无互耦(气室、透镜之间不会耦合能量)等优点，有助于提高目标的距离测量精度。另外通过EIT-AT谱图像确定回波到达时间，对非线性信号检测结果表示更为简洁直观，也有利于整体仪器的小型化。
本实施例基于里德堡原子的脉冲雷达系统易于实现宽频带回波信号接收，在相同发射功率下本发明的脉冲雷达系统能够探测更远距离的目标；另外由于里德堡原子接收机具有高动态范围，使得本实施例的脉冲雷达系统具有较好的电磁兼容能力和抗干扰能力。
其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于里德堡原子的脉冲雷达系统，包括：雷达发射机、里德堡原子接收机、数据采集板、信号处理模块、时钟同步装置。雷达发射机，产生点频脉冲信号，利用时钟同步装置实现雷达发射机与里德堡原子接收机的时间同步，脉冲信号经过发射天线后辐射至自由空间，被待测目标散射后，返回至里德堡原子接收机。里德堡原子接收机，提供铯或铷碱金属原子气室，在添加探测光和耦合光后，产生电磁诱导透明效应，自动捕获回波脉冲信号，的回波脉冲信号使得探测光EIT透射峰产生分裂。数据采集板，用于将光电探测器的电信号采集为数字信号。信号处理模块，用于对采集的数字信号进行信号处理。
其中一个实施例中，如图2所示，里德堡原子接收机包括碱金属原子气室201、探测光激光器202、耦合光激光器203、光电探测器204、二向色镜205、二向色镜206，探测激光器发射的探测光经二向色镜205反射后穿过碱金属原子气室，然后，经过二向色镜206入射至光电探测器，耦合光激光器发射的耦合光经二向色镜206反射后穿过碱金属原子气室。碱金属原子气室，提供带有缓冲氮气的铯或铷原子气体；探测光激光器、耦合光激光器分别发射探测光和耦合光，探测光和耦合光相向穿过碱金属原子气室，将铯或铷原子制备到能产生电磁诱导透明效应的里德堡态；光电探测器，用于将穿过碱金属原子气室的探测光信号转化为电信号。
雷达发射脉冲信号如图3所示，其信号起始发射时刻为t0，脉冲信号的脉宽为τ。由信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，如图4所示，横轴对应时间，纵轴对应扫描的耦合光频率，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
具体地，当有目标对雷达发射信号进行反射后，EIT-AT谱图像上会出现一条光带，光带的起始时间t1对应回波到达时间。
其中一个实施例中，原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿，其中的碱金属原子为铯原子或铷原子。
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于里德堡原子的脉冲雷达距离测量方法，包括以下步骤：
步骤502，由雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号。
步骤504，由里德堡原子接收机接收雷达信号经目标反射产生的回波信号。
步骤506，由数据采集模块将里德堡原子接收机收到回波信号后的输出信号转换为数字信号。
步骤508，由信号处理模块根据数字信号绘制回波信号的EIT-AT谱图像，根据EIT-AT谱图像获取回波信号到达里德堡原子接收机时，EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据起始时间确定回波信号到达时间，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值。
具体地，根据数字信号，以时间为横轴，以探测光频率值为纵轴，绘制回波信号的EIT-AT谱图像。
具体地，根据信号发射时间和回波信号到达时间得到目标的距离测量值为：
Figure BDA0002991900380000071
其中，
Figure BDA0002991900380000072
表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，t0表示信号发射时间，t1表示回波信号到达时间。
应该理解的是，虽然图5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5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。
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终端，其内部结构图可以如图6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、显示屏和输入装置。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和计算机程序。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基于里德堡原子的脉冲雷达距离测量方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请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方法实施例中的步骤。
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方法实施例中的步骤。
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(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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。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脉冲雷达系统，其特征在于，所述系统包括雷达发射机、里德堡原子接收机、数据采集模块和信号处理模块；
所述雷达发射机用于根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
所述里德堡原子接收机用于接收所述雷达信号经目标反射产生的回波信号；
所述数据采集模块用于将所述里德堡原子接收机收到所述回波信号后的输出信号转换为数字信号；
所述信号处理模块用于根据所述数字信号绘制所述回波信号的EIT-AT谱图像，根据所述EIT-AT谱图像获取所述回波信号到达所述里德堡原子接收机时，所述EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据所述起始时间确定回波信号到达时间，根据所述信号发射时间和回波信号到达时间得到所述目标的距离测量值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括时钟同步装置；
所述时钟同步装置用于设置所述雷达发射机和所述里德堡原子接收机的工作时序。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述里德堡原子接收机还包括探测激光器、耦合激光器、探测光二向色镜、耦合光二向色镜和原子气室；
所述探测激光器发射的探测光经所述探测光二向色镜穿过所述原子气室；
所述耦合激光器发射的耦合光经所述耦合光二向色镜穿过所述原子气室；
所述原子气室产生的透射光由所述光电探测器转换为电信号，所述电信号为所述里德堡原子接收机的输出信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述碱金属原子为铯原子或铷原子。
6.一种基于里德堡原子的脉冲雷达距离测量方法，其特征在于，所述方法包括：
由雷达发射机根据预设的信号发射时间发送雷达信号；
由里德堡原子接收机接收所述雷达信号经目标反射产生的回波信号；
由数据采集模块将所述里德堡原子接收机收到所述回波信号后的输出信号转换为数字信号；
由信号处理模块根据所述数字信号绘制所述回波信号的EIT-AT谱图像，根据所述EIT-AT谱图像获取所述回波信号到达所述里德堡原子接收机时，所述EIT-AT谱图像上出现光带的起始时间，根据所述起始时间确定回波信号到达时间，根据所述信号发射时间和回波信号到达时间得到所述目标的距离测量值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述数字信号绘制所述回波信号的EIT-AT谱图像包括：
根据所述数字信号，以时间为横轴，以探测光频率值为纵轴，绘制所述回波信号的EIT-AT谱图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述信号发射时间和所述回波信号到达时间得到所述目标的距离测量值包括：
根据所述信号发射时间和所述回波信号到达时间得到所述目标的距离测量值为：
Figure FDA0002991900370000021
其中，
Figure FDA0002991900370000022
表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，t0表示所述信号发射时间，t1表示所述回波信号到达时间。
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6至8中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6至8中任一项所述的方法的步骤。
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