CN115356551A - 一种测量微波极化方向的方法、存储介质及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量微波极化方向的方法，包括步骤：构建里德堡原子微波电场传感器；将信号微波及局域微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉，并将干涉形成的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器进行测量；调整信号微波电场极化方向，以将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量。本发明还提供一种存储介质及一种测量微波极化方向的系统，采用本发明所述的测量微波极化方向的方法、存储介质及系统，极大地简化了利用里德堡原子测量微波极化的理论分析和实验系统。

Description

一种测量微波极化方向的方法、存储介质及系统

技术领域

本发明属于微波测量技术领域，具体涉及一种测量微波极化方向的方法、存储介质及系统。

背景技术

精确测量微波的各种参数在雷达、通信、遥感、无损探测等方面有重要应用。近年来，基于原子的量子传感器发展迅速，人们利用原子的量子特性实现了相较于传统测量更高的精度和灵敏度。其中基于里德堡原子的微波电场传感器在测量微波方面相比于传统的电子学测量手段具有全波段、可溯源至基本物理常数、自校准、无电子学暗电流噪音干扰的全光读取等独特优势，受到广泛的关注和研究。

目前基于里德堡原子的微波电场传感器已经在微波电场强度测量、微波相位测量、微波频率测量等领域都取得了非常重要的突破和进展。但在上述应用中，都是预先假设待测微波电场的极化方向是已知的，一般微波电场都是与探测光偏振平行的线极化。

然而由于原子存在不同的塞曼子能级，因此当微波极化改变时，会有不同的塞曼子能级参与与微波的相互作用，由于不同塞曼子能级跃迁的偶极矩大小不同，因此使得即使是同样的微波电场强度造成的EIT-AT分裂间距也不一样，实际应用中首先需要对微波极化偏振进行测量，明确微波极化方向后，才能利用里德堡原子电磁感应透明对微波电场、相位、频率进行绝对和精确的测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种测量微波极化方向的方法、存储介质及系统以实现输出拍频信号的振幅只和信号微波极化在局域微波电场极化上的投影有关，对形成里德堡电磁感应透明的光场偏振免疫，极大简化利用里德堡原子测量微波极化的理论分析和实验系统。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种测量微波极化方向的方法，包括步骤：构建里德堡原子微波电场传感器；将信号微波及局域微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉，并将干涉形成的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器进行测量；调整信号微波电场极化方向，以将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量。

进一步，所述信号微波及所述局域微波分别通过两个微波天线辐射至铷原子蒸汽池中，其中，所述局域微波的极化方向恒定不变。

进一步，所述微波天线为矩形喇叭天线。

进一步，所述信号微波电场的矩形喇叭天线固定在一个电动旋转台上，以通过所述电动旋转平台的转动调整所述信号微波的极化方向。

进一步，所述电动旋转平台可以在360度范围内连续旋转，且步进精度小于0.05度。

进一步，所述拍频信号通过所述里德堡原子微波电场传感器测量，得到探测光强随时间的周期性正弦变化，所述探测光强与所述信号微波电场振幅的关系为：

T_p∝E_LO+E_SIGsin(Δ_MWt)

其中，T_p为探测光强；E_LO为局域微波电场的幅度；E_SIG为信号微波电场的幅度；Δ_MW为拍频的频率。

进一步，将所述信号微波电场极化方向的变化作为在所述局域微波电场极化方向上的投影，得到所述探测光强的振幅与所述信号微波电场振幅和极化方向夹角的关系为：

A_p∝|E_LO+E_SIGcosθ|

其中，A_p为探测光强的振幅；E_LO为局域微波电场的幅度；E_SIG为信号微波电场的幅度；θ为极化方向夹角。

进一步，所述拍频的频率为1kHz，所述局域微波电场的幅度为6.43mV/cm，所述信号微波电场的幅度为1.73mV/cm。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述的测量微波极化方向的方法。

本发明提供一种测量微波极化方向的系统，包括：里德堡原子微波电场传感器构建模块，用于构建里德堡原子微波电场传感器，以对拍频信号进行测量；微波调节模块，用于生成极化方向恒定不变的局域微波及可调整极化方向的信号微波，并将局域微波及信号微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉；转换模块，用于将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量。

本发明的效果在于：通过改变信号微波电场的极化方向，并测量拍频信号随之发生的改变，从而建立拍频信号的幅度与信号微波电场的极化方向的关系。以实现直接利用拍频信号的振幅大小测量信号微波电场的极化，达到输出拍频信号的振幅只和信号微波偏振局域微波偏振上的投影有关，对形成里德堡电磁感应透明的光场偏振免疫，极大简化了利用里德堡原子测量微波极化的理论分析和实验系统。

附图说明

图1为本发明一种测量微波极化方向的方法的步骤流程图；

图2为里德堡原子微波电场传感器实验能级示意图；

图3为测量微波极化方向的方法中的实验装置示意图；

图4为拍频信号的振幅与信号微波电场极化的关系示意图；

图5为极化分辨精度和线性度的实验结果示意图；

图6为探测光是圆偏振和耦合光是线偏振时的振幅与待测微波电场极化关系示意图；

图7为探测光和耦合光都是圆偏振振时的振幅与待测微波电场极化关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1-3所示，本发明提供的一种测量微波极化方向的方法，其包括步骤：

S1，构建里德堡原子微波电场传感器；

具体的，利用⁸⁷Rb原子，涉及到的里德堡原子由四个能级组成，分别是5S_1/2(F＝2)，5P_3/2(F＝3)，61D_5/2(F＝4)，62P_3/2(F＝3)，但不局限于这些具体的原子能级。其中780nm的激光(探测光)作用于5S_1/2(F＝2)→5P_3/2(F＝3)的跃迁，480nm的激光(耦合光)作用于5P_3/2(F＝3)→61D_5/2(F＝4)的跃迁，9.2GHz的微波作用于61D_5/2(F＝4)→62P_3/2(F＝3)的跃迁。780nm的激光(探测光)和480nm的激光(耦合光)在铷原子蒸汽池中相向重合传播，形成里德堡原子的电磁感应透明(EIT)，此时施加微波电场后，EIT就会发生Autler-Townes分裂，通过探测光在EIT共振位置的透过率变化就可以测量微波电场强度的变化。

在一个具体实施例中，激光器的参数包括：探测光功率60微瓦，在铷原子蒸汽中的直径约为800微米，耦合光功率50毫瓦，在铷原子蒸汽中的直径约为900微米。

需说明的是，在本实施例中，利用声光调制器将耦合光的强度进行了30kHz的正弦周期调制，将30kHz的调制信号同时送到锁相放大器中作为参考信号，然后利用锁相放大器提高探测光的读取信噪比。实验时，探测光的频率锁定在5S_1/2(F＝2)→5P_3/2(F＝3)的跃迁，耦合光的频率锁定在5P_3/2(F＝3)→61D_5/2(F＝4)的跃迁。此时在铷原子蒸汽池上施加微波时，探测光的强度就会发生变化，通过测量探测光透过率(或光强)的变化来得到微波电场的强度。

S2，将信号微波及局域微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉，并将干涉形成的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器进行测量；

具体的，通过两个微波天线分别将信号微波及局域微波辐射至铷原子蒸汽池中，在铷原子蒸汽池中实现干涉，干涉的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器测量，也就是通过测量探测光强随时间的周期性正弦变化得到两个微波干涉的拍频信号。其中，局域微波为线极化并且极化方向恒定不变。

以一个具体实例作为说明，用矩形喇叭天线实现微波电场向铷原子蒸汽池的传输，该矩形喇叭天线在远场条件下可以提供一个非常好的线极化微波信号。干涉的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器测量，也就是得到探测光强随时间的周期性正弦变化，拍频的频率就等于两个微波电场的频率差Δ_MW。当局域微波电场的幅度E_LO远大于信号微波电场的幅度E_SIG时，探测光强T_p与信号微波电场振幅的关系如下：

T_p∝E_LO+E_SIGsin(Δ_MWt)

可以理解，本实施例中只关注振幅的变化，因此忽略了局域微波电场和信号微波电场的相位信息。

在一个具体实施例中，两个微波电场的频率差，即信号微波及局域微波电场的频率差是1kHz，局域微波电场的幅度E_LO＝6.43mV/cm，信号微波电场的幅度E_SIG＝1.73mV/cm，两个天线增益为10dB。实验中可以调节信号微波及局域微波电场的场强以获得清晰的拍频信号，拍频信号造成的探测光透射光强的振荡峰峰值，可根据实际测量需求调整，要求是在探测光透过铷池后光强上有清晰1kHz的拍频信号。实际操作中，两个微波电场的频率差可以达到100kHz，主要是受到实验中采用的锁相放大器带宽100kHz的限制。

S3，调整信号微波电场极化方向，以将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量；

具体的，通过引入信号微波电场极化方向变化，将这个变化定义为信号微波电场极化在局域微波电场极化方向上的投影，此时探测光强T_p的振幅A_p与信号微波电场振幅和极化方向夹角θ的关系如下：

A_p∝|E_LO+E_SIGcosθ|

因此，当信号微波电场的极化方向发生变化时，探测光强的振幅就会发生变化。即，可将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量，通过测量拍频信号的振幅大小可以测量微波电场的强度。

在本实施例中，信号微波电场的矩形喇叭天线固定在一个电动旋转台上，该电动旋转台可以在360度范围内连续旋转，步进精度小于0.05度，因此可以在360度范围内连续改变信号微波电场线极化方向。同时，将局域微波电场的矩形喇叭天线固定，也就是保证局域微波电场的极化方向不变。利用电动旋转台每隔5度(或10度)去改变信号微波电场的极化方向，然后在示波器上读取相应的拍频信号的振幅，就实现了信号微波电场极化方向的测量，结果如图4所示。

在本实施例中，理论计算的数据乘上了一个系数代表光电探测器和锁相放大器带来的放大增益对探测光强的振幅A_p与信号微波电场振幅和极化方向夹角θ的关系进行了等比放大，可以清晰地看到拍频信号的振幅随信号微波电场极化方向的改变而做周期性的震荡。

可以理解，在其他实施例中，可以通过任意方式调整信号微波电场极化方向，并不局限于通过电动旋转台的转动，只要能够改变信号微波电场线极化方向即可。

进一步地，在50度到70度比较好的线性区每隔2度去改变信号微波电场极化方向，结果如图5所示，拍频信号的振幅随信号微波电场极化方向的改变呈现一个很好的线性单调下降趋势。利用实验信号，进行线性拟合，得到线性拟合的斜率为0.03359V/度，采用统计误差的典型值0.01409V，得到可分辨的偏振角度为：0.42度。

为了验证上述步骤，对形成里德堡电磁感应透明的探测光和耦合光偏振不敏感的测试，通过1/4波片分别改变探测光和耦合光的偏振，分别在探测光圆偏振和耦合光线偏振，以及探测光和耦合光都是圆偏振的情况下进行验证：

图6所示为探测光是圆偏振和耦合光是线偏振时，混频器输出振幅与待测微波电场极化的关系，可以看出拍频信号的振幅相比于探测光和耦合光都是线偏振的情况有所降低，这是因为探测光和耦合光不同偏振组合时对应的拉比频率不同，导致里德堡EIT本身强度发生了变化，从而影响了拍频信号的整体振幅变化。但重要的是，拍频信号的振幅与信号微波电场极化方向变化的整体趋势是不变的，也就是拍频信号的振幅仍然可以用待测微波极化在局域微波电场极化上的投影来进行表征。同样，在线性区的线性拟合和统计误差，得到可分辨的极化方向为：0.52度。

图7所示探测光和耦合光都是圆偏振振时，混频器输出振幅与待测微波电场极化的关系，具体分析过程和结果与图6所示类似，结论为：在线性区的线性拟合和统计误差，得到可分辨的极化角度为：0.49度。

通过上述验证可以得出：拍频信号的振幅与信号微波电场极化方向变化的整体趋势是不变的，拍频信号的振幅仍然可以用待测微波偏振在LO场偏振上的投影来进行表征，同样我们在线性区的线性拟合和统计误差，得到可分辨的偏振角度为：0.52度和0.49度，达到了目前里德堡原子传感器测量微波极化的最好水平。

本发明还提供一种存储介质，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实施一种测量微波极化方向的方法的步骤。

需要说明的是，本申请所示的存储介质可以是计算机可读信号介质或者存储介质或者是上述两者的任意组合。存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、系统或器件，或者任意以上的组合。存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、系统或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。存储介质还可以是存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、系统或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

本发明还提供一种测量微波极化方向的系统，其包括：

里德堡原子微波电场传感器构建模块，用于构建里德堡原子微波电场传感器，以对拍频信号进行测量；

微波调节模块，用于生成相位恒定不变的局域微波及可调整极化方向的信号微波，并将局域微波及信号微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉；

转换模块，用于将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量。

通过上述实施例可以看出，本发明可通过改变信号微波电场的极化方向，并统计拍频信号随之发生的改变，从而建立拍频信号的幅度与信号微波电场的极化方向的关系。以实现直接利用拍频信号的振幅大小测量信号微波电场的极化，达到输出拍频信号的振幅只和信号微波偏振局域微波偏振上的投影有关，对形成里德堡电磁感应透明的光场偏振免疫，极大简化了利用里德堡原子测量微波极化的理论分析和实验系统。

本发明所述的方法及系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种测量微波极化方向的方法，其特征在于，包括步骤：

构建里德堡原子微波电场传感器；

将信号微波及局域微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉，并将干涉形成的拍频信号通过里德堡原子微波电场传感器进行测量；

调整信号微波电场极化方向，以将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量。

2.如权利要求1所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于：

所述信号微波及所述局域微波分别通过两个微波天线辐射至铷原子蒸汽池中，其中，所述局域微波的极化为线偏振并且恒定不变。

3.如权利要求2所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于：

所述微波天线为矩形喇叭天线。

4.如权利要求2所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于：

所述信号微波电场的矩形喇叭天线固定在一个电动旋转台上，以通过所述电动旋转平台的转动调整所述信号微波的极化方向。

5.如权利要求4所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于：

所述电动旋转平台可以在360度范围内连续旋转，且步进精度小于0.05度。

6.如权利要求1所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于

所述拍频信号通过所述里德堡原子微波电场传感器测量，得到探测光强随时间的周期性正弦变化，所述探测光强与所述信号微波电场振幅的关系为：

T_p∝E_LO+E_SIGsin(Δ_MWt)

其中，T_p为探测光强；E_LO为局域微波电场的幅度；E_SIG为信号微波电场的幅度；Δ_MW为拍频的频率。

7.如权利要求6所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于:

将所述信号微波电场极化方向的变化作为在所述局域微波电场极化方向上的投影，得到所述探测光强的振幅与所述信号微波电场振幅和极化方向夹角的关系为：

A_p∝|E_LO+E_SIGcosθ|

其中，A_p为探测光强的振幅；E_LO为局域微波电场的幅度；E_SIG为信号微波电场的幅度；θ为极化方向夹角。

8.如权利要求7任一项所述的一种测量微波极化方向的方法，其特征在于:

所述拍频的频率为1kHz，所述局域微波电场的幅度为6.43mV/cm，所述信号微波电场的幅度为1.73mV/cm。

9.一种存储介质，其特征在于：

所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1-8中任一项中所述的测量微波极化方向的方法。

10.一种测量微波极化方向的系统，其特征在于，包括：

里德堡原子微波电场传感器构建模块，用于构建里德堡原子微波电场传感器，以对拍频信号进行测量；

微波调节模块，用于生成相位恒定不变的局域微波及可调整极化方向的信号微波，并将局域微波及信号微波辐射至铷原子蒸汽池中实现干涉；

转换模块，用于将微波极化的测量转换成拍频振幅的测量。

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