CN115825592B - 基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，包括：射频功放系统，用于发出待测量的射频电磁信号；高增益天线，用于将所述射频电磁信号以设定增益以上发射出去，且所述高增益天线的发射谐振频段覆盖5G射频信号频段；激光量子产生系统，用于发出探测激光和耦合激光；量子传感系统，包括量子传感器和传感器支撑装置，所述量子传感器中的原子蒸汽在所述探测激光和耦合激光的作用下产生EIT信号，所述EIT信号在所述射频电磁信号的作用下由单个频峰劈裂为两个频峰；测量控制及处理系统，用于控制所述射频功放系统和所述激光量子产生系统工作，并根据所述两个频峰的频差计算所述射频电磁信号的电场强度。

Description

基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统

技术领域

本发明实施例涉及计量测试技术领域，尤其涉及一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统。

背景技术

电场参数的精密测量一直是无线电技术的热门话题。随着5G/B5G通信技术的发展，电场的频带从kHz逐渐延伸到毫米波、太赫兹。然而，当电磁波频率时，传统的计量方法产生的不确定度，已经完全不能满足技术发展。因此，基于量子传感的电场精密测量技术应运而生。

基于量子传感的电场测量技术，利用里德堡原子的EIT（ElectromagneticallyInduced Transparency）电磁感应透明效应及探测微波的Autler-Townes分裂来实现微波电场的精密测量，即：

（1）

其中，表示普朗克常数；表示原子的微波跃迁矩阵元，和分别表示探测激光和耦合激光的中心波长；表示该光学谱线拟合获得EIT信号透射峰的分裂频率间距，从而实现射频微波电场的自校准测量。由于不需要提前对设备进行校准，且可以直接溯源到普朗克常数，基于量子传感的电场测量技术是目前业界认为最理想的测量技术。

目前，电场参数测量技术主要采用三天线法和基于量子传感的电场测量技术。但因三天线法受测量场地、测量强度及天线互耦的影响，其测量结果呈现高频段精确度低、并随电场强度增大时不确定度增大。而现有的基于量子传感的电场测量技术需要用到多种光、电器件，来自各类光、电器件的电场反射、折射及衍射所形成复杂的混沌场对量子传感器造成极强的电磁干扰，从而对测量结果造成不可估量的影响。

发明内容

本发明实施例提供一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，提高电场测量的精度。所述基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统包括：

射频功放系统，用于发出待测量的射频电磁信号；

高增益天线，用于将所述射频电磁信号以设定增益以上发射出去，且所述高增益天线的发射谐振频段覆盖5G射频信号频段；

激光量子产生系统，用于发出探测激光和耦合激光；

量子传感系统，包括量子传感器和传感器支撑装置，所述量子传感器中的原子蒸汽在所述探测激光和耦合激光的作用下产生EIT信号，所述EIT信号在所述射频电磁信号的作用下由单个频峰劈裂为两个频峰；

测量控制及处理系统，用于控制所述射频功放系统和所述激光量子产生系统工作，并根据所述两个频峰的频差计算所述射频电磁信号的电场强度；

其中，所述量子传感系统和高增益天线设置于全波暗室内，所述射频功放系统、激光量子产生系统和测量控制及处理系统设置于所述全波暗室外；所述传感器支撑装置的介电常数与空气介电常数之差控制在设定范围内，所述设定范围和所述设定增益由所需要的电场测量精度确定。

本发明实施例将量子传感系统和高增益天线放置于全波暗室内，可以完全屏蔽外界电磁信号的信息相互作用；通过采用低介电常数的传感器支撑装置可以大幅减少待测场反射、折射形成的自我干扰，从而可以实现电磁信号的精密计量；通过提高天线发射的增益，可以进一步确保电场参数的测量结果准确可靠。同时，将激光量子产生系统、射频功放系统、测量控制及处理系统处于全波暗室外，可消除激光量子发生系统中光学镜片组对测量结果的影响，有效屏蔽射频功放系统中的射频电磁辐射对测量结果的干扰，更可以完全消除空间电磁辐射对测量结果的影响；还可以通过测量控制及处理系统在全波暗室外进行远端操控，是一种方便操作的分布式电场精密测量系统。整个系统无需测量较准，具有扫频快、操作便捷、安全规范、排障容易等特点，尤其在弱电场测量具有无可比拟的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种射频功放系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种高增益天线的参数示意图。

图4是本发明实施例提供的另一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的一种低介电常数支架的参数示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，该新型分布式系统采用了量子力学的先进科学理论技术，先把封闭在极小体积的圆柱形密闭玻璃泡腔体中的碱金属（如Rb铷或Cs铯）原子蒸汽采用探测激光与耦合激光从腔体两端对向传输激发到主量子数n>20的Rydberg里德堡态，因为原子相关激发能级产生量子相干效应，探测激光通过原子蒸汽时产生EIT（electromagnetically inducedtransparency）电磁感应透明效应，即探测激光频率ω_p等于原子基态跃迁谐振频率ω_O时，因原子蒸汽的极小吸收而出现透射光极大，EIT信号在谐振频率ω_O处强度极大，显示单一主峰结构。在发射天线射频电磁信号相干作用下，此单一主峰劈裂成两个主峰，两主峰对应的频率差宽度Δf₀与电磁信号的电场强度直接关联，电场越强两主峰在频轴上分开的宽度越宽，频轴上两主峰的位置在原子基态跃迁谐振频率ω_O两侧。当调谐或频移探测激光频率分别等于两主峰对应的频率时，分别得到两个极大EIT信号。这样将难于直接测量电磁信号的电场强度测量转变成容易测量的探测激光频率测量。该新型分布式系统克服了现有三天线法及集中式量子传感电场测量方法中干扰因素过多的不足，解决了高频段、强电场测量方法效果差、精确度低、互扰性强等问题。

图1是本发明实施例提供的一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统的结构示意图。如图1所示，所述新型分布式系统包括：射频功放系统6、高增益天线4、激光量子产生系统100、量子传感系统5和测量控制及处理系统3。

其中，射频功放系统6用于发出待测量的射频电磁信号，本实施例将基于量子传感对该射频电磁信号的电场强度进行测量；高增益天线4用于将所述射频电磁信号以设定增益以上发射出去进行量子传感测量，且所述高增益天线4的发射谐振频段覆盖5G射频信号频段。

激光量子产生系统100用于向量子传感系统5发出探测激光和耦合激光；量子传感系统5包括量子传感器52和传感器支撑装置51，所述量子传感器52中的原子蒸汽在所述探测激光和耦合激光的作用下产生EIT信号，所述EIT信号在所述射频电磁信号的作用下由单个频峰劈裂为两个频峰；测量控制及处理系统3用于控制所述射频功放系统6和所述激光量子产生系统100工作，并根据所述两个频峰的频差计算所述射频电磁信号的电场强度，完成基于量子传感的电场精密测量。

进一步的，所述量子传感系统5和高增益天线4设置于全波暗室7内，所述射频功放系统6、激光量子产生系统100和测量控制及处理系统3设置于所述全波暗室7外。所述传感器支撑装置51的介电常数与空气介电常数之差控制在设定范围内，通过所述全波暗室、所述设定范围和设定增益共同保证电场测量精度。其中，所述设定范围和设定增益由所需要的电场测量精度确定，可以预先标定介电常数和天线赠与与电场测量精度之间的关系，并根据标定好的数据库选取合适的所述设定范围和设定增益。

下面通过多个实施例分别介绍各部分的结构和功能：

可选的，参照图2，所述射频功放系统6包括第二屏蔽室和设置于所述第二屏蔽室内的射频信号发生器61、功率放大器62、射频滤波器63、宽带耦合器64及功率计65，并通过同轴电缆连接到全波暗室7内的高增益天线4，辐射射频电磁信号。示例性的，所述第二屏蔽室由双面镀锌钢板组成，用于屏蔽射频电磁信号对外部设备的干扰，所述双面镀锌钢板的厚度为2mm，锌含量为275g/m²，在频段为1-40GHz时的屏蔽效能超过100dB。所述射频信号发生器61的应用频带为150kHz-40GHz，用于发射待测量的、原始的射频电磁信号。所述的功率放大器62的应用频带为30MHz-40GHz，放大功率为1000W，用于将原始的射频电磁信号进行功率放大。所述射频滤波器63用于对功率放大后的射频电磁信号进行滤波，滤除其中的噪音。所述宽带耦合器64用于将滤波后的宽带射频电磁信号耦合到载波频率，便于天线发射。所述功率计65用于限制耦合后的信号功率，避免超出发射天线的可承受范围。示例性的，所述射频信号发生器61的型号为N5183B，由美国是德公司生产。所述功率放大器62的型号为BLWA-1060-50，由德国玻恩公司生产。所述射频滤波器63的型号为BAL-NRF01D3，由高通公司生产。所述宽带耦合器64的型号为C09-0R412，由Marki Microwave公司生产。所述的功率计65的型号为RP40TN，由罗德与施瓦茨公司生产。

可选的，所述高增益天线4在0.7-18GHz频带的增益范围为6dB-13dB，并可以通过同轴电缆与所述射频功放系统6连接，以保证电磁发射信号的纯净及隔离性。更具体的，所述高增益天线4可以为具有口径小及高增益特性的新型喇叭天线，如图3所示其发射谐振频带为700MHz-18GHz，在5G通信的黄金频段700MHz-3GHz的增益远高于现有技术中的同类标准天线，确保了量子传感器精细能级标定值的准确可靠。天线的一端通过同轴电缆连接到射频功放系统6。由于新型天线的增益高，灵敏度高，为量子传感器标定提供更加科学的技术。

可选的，参照图4，所述激光量子产生系统100包括探测激光发射模块1和耦合激光发射模块2。所述探测激光发射模块1和耦合激光发射模块2放置于抗震性能非常好的光学平台8上，光学平台的隔振效果和固有频率特性可以有效避免环境振动对测量精度的影响。所述光学平台8放置于在地面铺满吸波材料的超净室内，可以将环境振动大大降低。

所述探测激光发射模块1用于向量子传感系统5发出探测激光。概括性的，所述探测激光发射模块1包括：探测激光产生部件，激光准直、偏振调整、偏振分束、波长频移等光束调整功能部件，辅助的抗震功能部件，以及用于锁定探测激光频率的光学超稳腔锁频组件。通过以上部件实现频率稳定的探测激光经波长频移，通过单模保偏光纤传输。

示例性的，所述探测激光发射模块1包括探测激光器12、第一准直镜14、第一半波片15、第一平面分光镜16、第一准直透镜17、第一AOM频移模块13、第一光学超稳腔PDH稳频模块11和第一单模保偏光纤18。所述探测激光器12可以为中心波长852nm单频线偏振激光器，激光线宽<10kHz，其频率连续可调谐，调谐范围100MHz，调谐方式为AOM调谐。测量过程中，所述探测激光器12发射的探测激光经所述第一准直镜14准直，对应波长的所述第一半波片15旋转调整偏振态后，再经过所述第一平面分光镜16透射部分很小功率，然后进入所述第一超稳腔PDH稳频模块11，驱动所述探测激光器12稳频。稳频后的探测激光被所述第一平面分光镜16反射的大部分功率进入所述第一AOM频移模块13，频移后的光进入所述第一准直透镜17，经所述第一单模保偏光纤18传输进入所述量子传感器52的一端。

进一步的，第一超稳腔PDH稳频模块11可以包括：第一电光调制晶体111、第一PBS（Polarization Beam Splitter，偏振分束立方）112、第一四分之一波片113、探测激光光学超稳腔114、第一高速光电相位探测器115、第一射频放大器116、第一电光调制器118、第一射频滤波器117、第一混频器119、第一伺服放大器120。相应的，第一超稳腔PDH稳频模块11驱动所述探测激光器12稳频的过程包括：第一平面分光镜16透射部分很小功率的光束进入第一超稳腔PDH稳频模块11中的第一电光调制晶体111；所述第一电光调制晶体111在第一电光调制器118的高频调制作用下，将频率为f的探测激光调制成频率为f的载频探测激光和载频左右两侧间距为﹢f_m和-f_m的边频探测激光，两边频探测激光频率分别为f﹢f_m和f-f_m，其中，频率f_m为电光调制器的调制频率，范围为几MHz到数十MHz；被调制的探测激光进入相应波长的第一PBS 112，其偏振态满足从所述第一PBS 112完全透射，进入相应波长的第一四分之一波片113变成圆偏振光，被探测激光光学超稳腔114最大反射，反射的探测激光带有入射时与光学超稳腔参考频率不一致的频差信息；反射光经过所述第一四分之一波片113偏振方向变成与从所述第一PBS 112向光学超稳腔114入射时偏振方向垂直，此时第一PBS光学斜面对该偏振态探测激光全反射，因此带有频差信息的探测激光进入第一高速光电相位探测器115，光信号被转换成电信号；此电信号被第一射频放大器116放大，经第一射频滤波器117滤波，和所述第一电光调制器118的调制参考信号在第一混频器119中混频，最终提取出探测激光频率偏移光学超稳腔参考频率的误差电信号，经第一伺服放大器120放大，驱动探测激光器12端面反射镜所在的压电陶瓷换能器，实现激光器腔长的快速调节，从而改变探测激光频率，使探测激光频率稳定锁定在探测激光光学超稳腔114的参考频率上。更具体的，所述探测激光光学超稳腔114可以为法布里-珀罗腔或F-P标准具，其各光学平面具有<λ/10的超高光洁度，各光学平面间具有<10”的平行度，因此其精细度可达F>100，频带通带宽度可低至几十MHz。超低热膨胀和抗振动的机械结构确保光学参考频率极其稳定，能可靠的作为探测激光频率稳定的基准频率。其中，探测激光采用法布里-珀罗光学超稳腔进行稳频的方式为PDH（Pound-Drever-Hall）稳频，其频率稳定度为kHz量级，因此探测激光具有极其稳定的频率，可以测量电场强度mV/m量级的电磁信号，具有很高的测量灵敏度和精度。

进一步的，所述第一AOM频移模块13包括第二PBS 131、第二四分之一波片132、第一AOM（Acoustic Optic Modulator，声光调制器）133、第一全反射镜134。相应的，所述第一平面分光镜16反射的大部分功率的光束进入所述第一AOM频移模块13后频移的过程包括：所述第一平面分光镜16反射的大部分功率的光束投射在所述第一AOM频移模块13的第二PBS 131上，该光束的偏振方向满足从第二PBS 131透射，被第二四分之一波片132转换成圆偏振光，经第一AOM（Acoustic Optic Modulator，声光调制器）133频移，第一全反射镜134全反射，再次通过第一AOM 133和第二四分之一波片132，偏振方向和入射时偏振方向垂直，因此被第二PBS 131光学斜面全反射进入第一准直透镜17。更具体的，所述第一AOM 133可以为Gooch-Housego公司的声光频移器，其工作射频频率为41MHz、68MHz或80MHz，能够实现100MHz的激光频率频移，确保与探测激光EIT信号极大对应的频率精确对准，从而实现电磁信号电场强度的高精度测量。

所述耦合激光发射模块2用于向量子传感系统5发出耦合激光。概括性的，所述耦合激光发射模块2包括：耦合激光产生部件，激光准直、偏振调整、偏振分束、波长频移等光束调整功能部件，辅助的抗震功能部件，以及用于锁定耦合激光频率的光学超稳腔锁频组件。通过以上功件实现频率稳定的耦合激光经波长频移，通过单模保偏光纤传输。

示例性的，所述耦合激光发射模块2包括：耦合激光器22、第二准直镜24、第二半波片25、第二平面分光镜26、第二准直透镜27、第二AOM频移模块23、第二超稳腔PDH稳频模块21和第二单模保偏光纤28。所述耦合激光器22可以为中心波长509nm单频线偏振激光器，激光线宽<10kHz，其频率连续可调谐，调谐范围100MHz，调谐方式为AOM调谐。测量过程中，所述耦合激光器22发射的耦合激光经第二准直镜24准直，对应波长的第二半波片25旋转调整偏振态后，再经过第二平面分光镜26透射部分很小功率，然后进入第二超稳腔PDH稳频模块21，驱动所述耦合激光器22稳频。稳频后的耦合激光被所述第二平面分光镜26反射的大部分功率进入第二AOM频移模块23，频移后的光进入第二准直透镜27，经第二单模保偏光纤28传输进入所述量子传感器52的另一端。

进一步的，第二超稳腔PDH稳频模块21可以包括：第二电光调制晶体211、第三PBS212、第三四分之一波片213、耦合激光光学超稳腔214、第二高速光电相位探测器215、第二射频放大器216、射频陷波滤波器217、第二电光调制器218、第二混频器219、第二伺服放大器220。相应的，第二超稳腔PDH稳频模块21驱动所述耦合激光器22稳频的过程包括：第二平面分光镜26透射很小功率的光束进入第二超稳腔PDH稳频模块21中的第二电光调制晶体211；所述第二电光调制晶体211在第二电光调制器218的高频调制作用下，将频率为f的耦合激光调制成频率为f的载频耦合激光和载频左右两侧间距为﹢f_m和-f_m的边频耦合激光，两边频耦合激光频率分别为f﹢f_m和f-f_m，其中，频率f_m为电光调制器的调制频率，范围为几MHz到数十MHz；被调制的耦合激光进入相应波长的第三PBS 212，其偏振态满足从所述第三PBS212完全透射，进入相应波长的第三四分之一波片213变成圆偏振光，被耦合激光光学超稳腔214最大反射，反射的耦合激光带有入射时与光学超稳腔参考频率不一致的频差信息；反射光经过所述第三四分之一波片213偏振方向变成与从所述第三PBS 212向光学超稳腔214入射时偏振方向垂直，此时第三PBS光学斜面对该偏振态耦合激光全反射，因此带有频差信息的耦合激光进入第二高速光电相位探测器215，光信号被转换成电信号；该电信号被第二射频放大器216放大，经射频陷波滤波器217滤波，和所述第二电光调制器218的调制参考信号在第二混频器219中混频，最终提取出耦合激光频率偏移光学超稳腔参考频率的误差电信号，经第二伺服放大器220放大，驱动耦合激光器22端面反射镜所在的压电陶瓷换能器，实现激光器腔长的快速调节，从而改变耦合激光频率，使耦合激光频率稳定锁定在耦合激光光学超稳腔214的参考频率上。更具体的，所述耦合激光光学超稳腔214可以为法布里-珀罗腔或F-P标准具，其各光学平面具有<λ/10的超高光洁度，各光学平面间具有<10’’的平行度，因此其精细度可达F>100，频带通带宽度可低至几十MHz。超低热膨胀和抗振动的机械结构确保光学参考频率极其稳定，能可靠的作为耦合激光频率稳定的基准频率。其中，耦合激光采用法布里-珀罗光学超稳腔进行稳频的方式为PDH（Pound-Drever-Hall）稳频，其频率稳定度为kHz量级，因此耦合激光具有极其稳定的频率，可以测量电场强度mV/m量级的电磁信号，具有很高的测量灵敏度和精度。

进一步的，所述第二AOM频移模块23包括第四PBS 231、第四四分之一波片232、第二AOM 233、第二全反射镜234。相应的，所述第二平面分光镜26反射的大部分功率的光束进入所述第二AOM频移模块23后频移的过程包括：所述第二平面分光镜26反射的大部分功率的光束投射在所述第二AOM频移模块23的第四PBS 231上，该光束的偏振方向满足从第四PBS 231透射，被第四四分之一波片232转换成圆偏振光，经第二AOM 233频移，第二全反射镜234全反射，再次通过第二AOM 233和第四四分之一波片232，偏振方向和入射时偏振方向垂直，因此被第四PBS 231光学斜面全反射进入第二准直透镜27。更具体的，所述第二AOM233可以为Gooch-Housego公司的声光频移器，其工作射频频率为41MHz、68MHz或80MHz，能够实现100MHz的激光频率频移，确保在量子传感系统中能将处于激发态的碱金属原子进一步激发到主量子数n>20的确定Rydberg能级，实现特定频率射频电磁信号电场强度测量。

可选的，所述量子传感器52包括封闭有原子蒸汽的玻璃泡526，在所述玻璃泡526两侧对称分布的两准直透镜、两二色镜和两聚焦透镜，以及耦合激光的光学收集器529等。

玻璃泡526中封闭有碱金属原子蒸汽并制备成一种密闭腔体，所述的碱金属为铷Rb或铯Cs。玻璃泡526可以为圆柱形，两端分别连接激光量子产生系统100产生的两束频率稳定的探测激光和耦合激光。碱金属原子被探测激光和耦合激光激发处于主量子数n>20的Rydberg里德堡态，此时对天线发射的射频电磁信号电场极其敏感，能够引起探测激光EIT信号在频轴上的Autler-Townes分裂，从而将电磁信号电场强度的测量转换为探测激光频率的测量，实现量子传感计量。

具体来说，两二色镜中的第一二色镜524面向玻璃泡526的一面对入射探测激光全反射、对耦合激光全透射，另一面对耦合激光全透射，透射出的耦合激光被光学收集器529收集。第二二色镜525面向玻璃泡526的一面对入射耦合激光全反射、对探测激光全透射，另一面对探测激光全透射。

所述探测激光发射模块1发射的探测激光进入量子传感器52后，经过第一二色镜524全反射、第一聚焦透镜527聚焦到玻璃泡526的一端，激发密闭腔体中的碱金属原子蒸汽，与全波暗室内高增益天线4发射电磁信号发生相关效应，引起碱金属里德堡原子产生Autler-Townes分裂得到的探测激光EIT信号从玻璃泡526的另一端输出，经透镜准直和第二二色镜525分束透射，被高速光电探测器9接收转变成电信号供所述测量控制及处理系统3。

所述耦合激光发射模块2发射的耦合激光进入量子传感器52后，经过第二二色镜525全反射、第二聚焦镜528聚焦到玻璃泡526的另一端，激发密闭腔体中的碱金属原子蒸汽，将被探测激光激发到高能级的碱金属原子进一步激发到主量子数n>20的更高能级，此时原子处于Rydberg态。剩余的耦合激光从量子传感器的另一端输出，经透镜准直和第一二色镜524分束透射，被光学收集器529收集。

可选的，所述量子传感器52可以放置于所述传感器支撑装置51上。所述传感器支撑装置51可以为低介电常数支架，是由聚甲基丙烯酰亚胺（简称：PMI）材料做成，在1-40GHz时介电常数ε_r≈1，具体参数如图5所示。传感器支撑装置51放置在全波暗室7内部中央，并离吸波材料保持一定距离。由于支架的介电常数与空气的介电常数值很接近，相当于构建了一个高质量的无反射、无折射的没试空间，确保待测场的场强值准确可靠。

可选的，所述全波暗室7包括第一屏蔽室，以及室内壁六面铺满高性能吸波材料的密闭空间。所述第一屏蔽室由双面镀锌钢板组成，用于屏蔽外界电磁信号的相互作用，在频段为1-40GHz时的屏蔽效能超过100dB。示例性的，第一屏蔽室的双面镀锌钢板厚度为2mm，锌含量为275g/m²。

可选的，所述测量控制及处理系统3为计算机。一方面，所述计算机用于控制所述射频功放系统6和所述激光量子产生系统100的工作状态。示例性的，所述计算机中安装有射频功放系统控制软件和激光量子产生系统控制软件。所述射频功放系统控制软件运行时，通过GPIB控制射频信号发生器61和功率放大器62等器件运行。所述激光量子产生系统控制软件运行时，控制所述探测激光和耦合激光进行光学超稳腔稳频和AOM频移等。另一方面，所述计算机读取、滤波、放大并记录高速光电探测器9中的探测激光EIT电信号数据，同时在控制探测激光和耦合激光进行AOM频移的过程中存贮信息及数据并更新，最终将获取的数据代入公式（1），计算出待测量的射频电磁信号的电场强度。

可选的，所述测量控制及处理系统3也设置于所述光学平台8上，减小环境振动对电场测量精度的影响。

本发明实施例将量子传感系统和高增益天线放置于全波暗室内，可以完全屏蔽外界电磁信号的信息相互作用，全波暗室中的屏蔽室及其六面铺满高性能吸波材料的室内壁确保天线发射系统发射的电磁波信号不会再从室内壁反射回来干扰量子传感系统密闭玻璃泡中的碱金属蒸汽原子，通过采用低介电常数支架，可以大幅减少待测场反射、折射形成的自我干扰，从而可以实现电磁信号的精密计量；通过采用新型高增益标准天线，可以进一步确保电场参数的测量结果准确可靠。同时，将激光量子产生系统、射频功放系统、测量控制及处理系统处于全波暗室外，可消除激光量子发生系统中光学镜片组对测量结果的影响，有效屏蔽射频功放系统中射频信号发生器、功率放大器等设备工况下的电磁辐射对测量结果的干扰，更可以完全消除空间电磁辐射对测量结果的影响；而激光量子产生系统中探测激光器和耦合激光器都采用光学超稳腔进行PDH稳频，其频率极其稳定，短期频漂为kHz量级，也保证了电磁信号电场强度的高精度精密测量。此外，测量控制及处理系统处于全波暗室外，电磁信号精密测量可以在全波暗室外进行远端操控，是一种方便操作的分布式电场精密测量系统。整个系统无需测量较准，具有扫频快、操作便捷、安全规范、排障容易等特点，尤其在弱电场测量具有无可比拟的优势。

特别的，本申请的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统尤其适用于5G射频信号的电场测量。由于5G的超高频、超宽带特性，超宽带间的邻频间隔非常小，现有测量方法中难以通过手动调整到需要的谐振频率，使测量不确定性达到了10%以上。而量子技术的能级是分立的，其离散特性决定了只会识别本征频率，频率定位非常准确。本申请利用量子技术的这一特性，能够准确定位5G频段的各谐振频率，避免了手动调整的不稳定性和误差，操作便捷并极大地提高测量精度；同时与分布式结构设计、低介电常数支撑装置和高增益天线等特征相互配合，进一步保证了5G射频信号电场的精密测量。

Claims (10)

1.一种基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，包括：

射频功放系统（6），用于发出待测量的射频电磁信号；

高增益天线（4），用于将所述射频电磁信号以设定增益以上发射出去，且所述高增益天线（4）的发射谐振频段覆盖5G射频信号频段；

激光量子产生系统（100），用于发出探测激光和耦合激光；

量子传感系统（5），包括量子传感器（52）和传感器支撑装置（51），所述量子传感器（52）中的原子蒸汽在所述探测激光和耦合激光的作用下产生EIT信号，所述EIT信号在所述射频电磁信号的作用下由单个频峰劈裂为两个频峰；

测量控制及处理系统（3），用于控制所述射频功放系统（6）和所述激光量子产生系统（100）工作，并根据所述两个频峰的频差计算所述射频电磁信号的电场强度；

其中，所述量子传感系统（5）和高增益天线（4）设置于全波暗室（7）内，所述射频功放系统（6）、激光量子产生系统（100）和测量控制及处理系统（3）设置于所述全波暗室（7）外；所述传感器支撑装置（51）的介电常数与空气介电常数之差控制在设定范围内，所述设定范围和所述设定增益由所需要的电场测量精度确定。

2.根据权利要求1所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，用于测量5G射频信号的电场强度。

3.根据权利要求1所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述全波暗室（7）包括第一屏蔽室，以及室内壁六面铺满吸波材料的密闭空间；

所述第一屏蔽室由双面镀锌钢板组成，用于屏蔽外界电磁信号的相互作用，在频段为1-40GHz时的屏蔽效能超过100dB；

所述吸波材料用于吸收所述高增益天线发射的电磁信号，防止所述电磁信号从室内壁反射回来干扰所述量子传感系统（5）。

4.根据权利要求1所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，其中，所述射频功放系统（6）包括第二屏蔽室和设置于所述第二屏蔽室内的射频信号发生器（61）；

所述第二屏蔽室由双面镀锌钢板组成，用于屏蔽射频电磁信号对外部设备的干扰，在频段为1-40GHz时的屏蔽效能超过100dB。

5.根据权利要求1所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述高增益天线（4）的0.7-18GHz频带的增益范围为6dB-13dB，并通过同轴电缆与所述射频功放系统（6）连接，以保证射频电磁发射信号的纯净及隔离性。

6.根据权利要求1所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述激光量子产生系统（100）包括探测激光发射模块（1）和耦合激光发射模块（2）；

所述探测激光发射模块（1）包括探测激光器（12），所述探测激光器（12）发射的探测激光经准直、偏振调整、偏振分束、波长频移和稳频后传输到所述量子传感器（52）的一端；

所述耦合激光发射模块（2）包括耦合激光器（22），所述耦合激光器（22）发射的耦合激光经准直、偏振调整、偏振分束、波长频移和稳频后传输到所述量子传感器（52）的另一端；

所述探测激光发射模块（1）和耦合激光发射模块（2）放置于光学平台（8）上，所述光学平台（8）放置于在地面铺满吸波材料的超净室内，所述光学平台（8）的固有频率特性能够减小环境振动对电场测量精度的影响。

7.根据权利要求6所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述探测激光发射模块（1）还包括第一准直镜（14）、第一半波片（15）、第一平面分光镜（16）、第一超稳腔PDH稳频模块（11）、第一AOM频移模块（13）、第一准直透镜（17）和第一单模保偏光纤（18）；

所述探测激光器（12）发射的探测激光经所述第一准直镜（14）准直，对应波长的所述第一半波片（15）旋转调整偏振态后，所述第一平面分光镜（16）透射部分光进入所述第一超稳腔PDH稳频模块（11），驱动所述探测激光器（12）稳频；

稳频后的探测激光被所述第一平面分光镜（16）反射进入所述第一AOM频移模块（13），频移后的光进入所述第一准直透镜（17），经所述第一单模保偏光纤（18）传输进入所述量子传感器（52）的一端。

8.根据权利要求7所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述第一超稳腔PDH稳频模块（11）包括：第一电光调制晶体（111）、第一PBS（112）、第一四分之一波片（113）、探测激光光学超稳腔（114）、第一高速光电相位探测器（115）、第一射频放大器（116）、第一电光调制器（118）、第一射频滤波器（117）、第一混频器（119）、第一伺服放大器（120）；

所述第一平面分光镜（16）透射部分光进入所述第一超稳腔PDH稳频模块（11），驱动所述探测激光器（12）稳频，包括：

所述第一平面分光镜（16）透射部分光进入第一超稳腔PDH稳频模块（11）中的第一电光调制晶体（111），经所述第一电光调制器（118）调制后进入相应波长的所述第一PBS（112）并完全透射，进入相应波长的所述第一四分之一波片（113）变成圆偏振光，被所述探测激光光学超稳腔（114）最大反射，反射的探测激光带有入射时与光学超稳腔参考频率不一致的频差信息；反射光经过所述第一四分之一波片（113）偏振方向变成与从所述第一PBS（112）向所述探测激光光学超稳腔（114）入射时偏振方向垂直，被所述第一PBS（112）全反射，使带有频差信息的探测激光进入所述第一高速光电相位探测器（115）转换成电信号；所述电信号被所述第一射频放大器（116）放大，经所述第一射频滤波器（117）滤波，和所述第一电光调制器（118）的调制参考信号在所述第一混频器（119）中混频，提取出探测激光频率偏移光学超稳腔参考频率的误差电信号，经所述第一伺服放大器（120）放大，驱动所述探测激光器（12）端面反射镜所在的压电陶瓷换能器，实现激光器腔长的快速调节，使探测激光频率稳定锁定在所述探测激光光学超稳腔（114）的参考频率上。

9.根据权利要求7所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述第一AOM频移模块（13）包括第二PBS（131）、第二四分之一波片（132）、第一AOM（133）、第一全反射镜（134）；

所述稳频后的探测激光被所述第一平面分光镜（16）反射进入所述第一AOM频移模块（13），频移后的光进入所述第一准直透镜（17），包括：

所述稳频后的探测激光被所述第一平面分光镜（16）反射部分功光投射在所述第一AOM频移模块（13）的第二PBS（131）上，从所述第二PBS（131）透射，被所述第二四分之一波片（132）转换成圆偏振光，经所述第一AOM（133）频移，所述第一全反射镜（134）全反射，再次通过所述第一AOM（133）和第二四分之一波片（132），偏振方向和入射时偏振方向垂直，被所述第二PBS（131）全反射进入所述第一准直透镜（17）。

10.根据权利要求1所述的基于量子传感的电场精密测量新型分布式系统，其特征在于，所述量子传感器（52）包括封闭有原子蒸汽的玻璃泡（526），以及在所述玻璃泡（526）两侧对称分布第一二色镜（524）和第二二色镜（525）；

所述第一二色镜（524）面向所述玻璃泡（526）的一面对所述探测激光全反射、对所述耦合激光全透射，另一面对所述耦合激光全透射，透射出的耦合激光被光学收集器（529）收集；

所述第二二色镜（525）面向所述玻璃泡（526）的一面对所述耦合激光全反射、对所述探测激光全透射，另一面对所述探测激光全透射，透射出的探测激光EIT信号被高速光电探测器（9）转换为电信号传输给所述测量控制及处理系统（3）。

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