CN116192270B - 基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，利用多波长激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，通过多波长激光光场各频率组分的精确调控使得单一原子介质内存在多个里德堡态，利用不同里德堡态对不同无线通信频段的响应，监测环境背景中的干扰源、控制跳频通信系统使其在无干扰频带内跳频运行。本发明利用单一原子介质、多个泵浦波长实现宽带信号接收，极大拓展了跳频通信系统的有效工作带宽，为跳频通信系统内抗截获抗干扰能力进一步提升提供解决方案。

Description

基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法

技术领域

本发明属于量子精密测量和无线通信的交叉学科，具体是指一种基于多波长泵浦里德堡原子天线接收多波段无线信号并实现频带可切换、带外可跳频的安全通信方法，尤其涉及一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法。

背景技术

基于量子精密测量技术实现的各类仪器，已使物理量测量达到前所未有的精度，其中最有望实现电磁场精密测量的手段是里德堡原子天线，主要通过激光光场与碱金属能级的互作用制备接近激发态的里德堡态、通过光谱特性测量里德堡原子在电场作用下产生的能级劈裂、反演电场强度特性。与传统天线相比，里德堡原子天线的优势体现在：（1）里德堡原子天线能将微波电磁场强度直接溯源至国际单位制基本常数；（2）探头几何尺寸不再受制于工作频率，即可以通过尺寸无关的里德堡原子天线实现数十公里级长波天线能够实现的信号接收功能；（3）利用原子超精细能级结构，可基于单一原子介质实现从微波到太赫兹的超宽带信号接收，满足调频通信天线的信号接收需求；（4）里德堡原子天线的探测灵敏度理论上比传统天线高至少一个数量级，能够突破经典测量瓶颈并接近海森堡极限。

跳频通信是一种抗截获无线通信技术，其作用是确保通信的秘密性和抗干扰性。跳频通信通常会在同一频带范围内选择多个频点进行随机性跳变。然而，某些干扰源会对整个频段产生影响，在带内的任意频点俊辉受到干扰，只有将跳频频点转移至其他不受干扰的频段才能解决上述问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何利用多波长激光光场与碱金属能级的互作用制备多个里德堡态并对多个不同无线通信频段产生响应，根据里德堡态在电场驱动下产生的能级劈裂判断各频段是否存在强干扰源，利用里德堡原子天线测量宽带通信信号，使跳频通信系统具备在几个大跨距频段之间灵活切换的能力。

鉴于上述过程中需要用到宽带无线接收天线，里德堡原子天线具有较大的应用潜力，本发明的目的在于提供一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，通过多波长激光器发射的激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系、里德堡态与无线通信频带之间的一一对应关系，根据不同激光波长响应情况，判断各通信频段是否存在全带宽覆盖的强干扰源，确定里德堡原子天线能够有效探测的频段分布范围，从里德堡原子天线能够探测的可用频段中任选一个，在带内进行高速跳频通信，同时按一定周期切换跳频通信所处的频段，增加跳频通信的频率不确定性，实现调频通信系统抗截获抗干扰。

优选的，上述多波长激光器产生多个波长激光、与泵浦光源产生的泵浦激光一起将铯原子激发到多个不同的里德堡态。

优选的，判断上述里德堡原子天线监控环境背景中是否存在干扰源，如某个频段存在干扰源，则相应的里德堡原子会产生能级劈裂，在光谱仪上显示为波长持续漂移。

优选的，当里德堡态对特定通信频段产生响应时，光谱仪对应的激光波长会产生漂移。

优选的，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。

优选的，上述方法具体包括以下步骤：

S1、利用多波长激光泵浦铯原子气室，将其中的多个铯原子制备到不同的里德堡态；

S2、利用多频段响应的里德堡原子天线感受环境中的干扰源，当所有可用频段均未感受到直流信号干扰源时，所有频段均为跨带跳频通信系统的可用频段，当部分频段感受到直流信号干扰源时，剩余频段为跨带跳频通信系统的可用频段；

S3、按照特定时间周期切换工作频段，在每个工作频段内任选两个或三个频点进行带内跳频通信，通过工作频段切换和带内频点跳变完成带内跳频通信。

优选的，上述S1通过泵浦激光光谱的精确控制使里德堡与案子能够高灵敏度、独立、全部覆盖到各个无线通信频段。

优选的，上述S3中此时通信信号始终能被宽带响应的高灵敏度里德堡原子天线接收。

优选的，上述里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段可建立输出光强与电磁信号强度的对应关系。

本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明提出利用多波长激光泵浦单一原子气室制备多种里德堡态的技术思路，能够实现宽带无线通信信号接收，对环境中产生的各类干扰源进行监控识别；

其次，本发明提出的跨带跳频通信方法，在现有带内跳频通信的基础上，能够根据环境干扰源将跳频通信切换到没有干扰的另一频段，有利于提升跳频通信系统的抗干扰能力，且不会对接收天线产生改动；

最后，本发明能够极大拓展跳频通信的不确定性，跳频频点从原有的两个调整为十几个，有利于提升跳频通信系统的抗截获能力，对跳频通信系统性能进一步提升具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出了本发明基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法的一实施例示意图；

图2示出了本发明基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法的具体实施例示意图；

图3示出了本发明基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法的另一实施例示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，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描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1所示，本发明提供了一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法的实施例，包括：

S101、里德堡态的制备，即通过多波长激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系、里德堡态与无线通信频带之间的一一对应关系；

S102、基于里德堡原子的无线通信干扰源识别，根据不同激光波长响应情况，判断各通信频段是否存在全带宽覆盖的强干扰源，确定里德堡原子天线能够有效探测的频段分布范围；

S103、跨带跳频通信，从里德堡原子天线能够探测的可用频段中任选一个，在带内进行高速跳频通信，同时按一定周期切换跳频通信所处的频段，增加跳频通信的频率不确定性，提升调频通信系统抗截获抗干扰能力。

在一些实施例中，多波长激光器产生多个波长激光、与泵浦光源产生的泵浦激光一起将铯原子激发到多个不同的里德堡态。

在一些实施例中，判断所述里德堡原子天线监控环境背景中是否存在干扰源，如某个频段存在干扰源，则相应的里德堡原子会产生能级劈裂，在光谱仪上显示为波长持续漂移。

在一些实施例中，当里德堡态对特定通信频段产生响应时，光谱仪对应的激光波长会产生漂移。

在一些实施例中，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。

如图2所示，本实施例还提供一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，实施步骤为：

1. 多波长激光器（即图中显示的光频梳光源）产生多个波长激光、与泵浦光源产生的泵浦激光一起将数以万计的铯原子激发到多个不同的里德堡态，当里德堡态对特定通信频段产生响应时，光谱仪对应的激光波长会产生漂移；

2. 上述部分组成的里德堡原子天线监控环境背景中是否存在干扰源，如某个频段存在干扰源，则相应的里德堡原子会产生能级劈裂，在光谱仪上显示为波长持续漂移；

3. 以图2为例，确定没有干扰源的通信波段A、B、C、D可以用于跨带跳频通信，四个频段频率间隔较大，环境产生的干扰源很难全部覆盖所有频段，将一组信号依次加载于C波段、A波段、B波段、D波段，并在带内完成高速跳频，即信号加载于C波段时会在其中C1、C2两个频点随机跳变，受里德堡天线频点响应速度限制，带内跳频速度远大于跨带跳频速度，但无论如何跳频，宽带里德堡原子天线总能对无线通信信号产生响应。

如图3所示，本实施例展示了基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法实施例，具体包括：

S201、利用多波长激光泵浦铯原子气室，将其中的多个铯原子制备到不同的里德堡态，通过泵浦激光光谱的精确控制使里德堡与案子能够高灵敏度、独立、全部覆盖到各个无线通信频段；

S202、利用多频段响应的里德堡原子天线感受环境中的干扰源，当所有可用频段均未感受到直流信号干扰源时，所有频段均为跨带跳频通信系统的可用频段，当部分频段感受到直流信号干扰源时，剩余频段为跨带跳频通信系统的可用频段；

S203、按照特定时间周期切换工作频段，在每个工作频段内任选两个或三个频点进行带内跳频通信，通过工作频段切换和带内频点跳变完成本发明所述的带内跳频通信，此时通信信号始终能被宽带响应的高灵敏度里德堡原子天线接收。

本发明还提供一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法的实施例，利用多波长激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，通过多波长激光光场各频率组分的精确调控使得单一原子介质内存在多个里德堡态，利用不同里德堡态对不同无线通信频段的响应，监测环境背景中的干扰源、控制跳频通信系统使其在无干扰频带内跳频运行。

在一些实施例中，里德堡态制备利用多波长激光器或多台可调谐激光器或非线性光学频率梳光源泵浦铯原子等碱金属原子，将其激发至接近电离的里德堡态，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。不限定多波长激光制备里德堡态的具体细节，不限定泵浦激光光谱参数、碱金属原子气室构建方式、碱金属原子类型等各种细节。

在一些实施例中，干扰源监测中里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段可建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，以此实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度，根据干涉测量结果确定特定频段之间是否有高强度的、覆盖整个频段的、持续的直流信号。不限定系统结构、原子成分、泵浦方式、探测方式、工作带宽、调谐范围、器件结构、系统参数等。

在一些实施例中，跨带跳频通信是指处于不同里德堡态的原子感受到无线信号不同频率组分，产生与激光波长相关的响应；每个里德堡态能够高灵敏响应窄带范围内的电磁信号，各里德堡态响应带宽尽可能互不重叠，里德堡态数量需使宽带范围内的所有电磁信号都能被少则一个多则两个里德堡态感知。利用多频段响应的里德堡原子天线感受环境中的干扰源，当所有可用频段均未感受到直流信号干扰源时，所有频段均为跨带跳频通信系统的可用频段，当部分频段感受到直流信号干扰源时，剩余频段为跨带跳频通信系统的可用频段，按照特定时间周期切换工作频段，在每个工作频段内任选两个或三个频点进行带内跳频通信，通过工作频段切换和带内频点跳变完成本发明所述的带内跳频通信，此时通信信号始终能被宽带响应的高灵敏度里德堡原子天线接收。

在一些实施例中，不限定跨带跳频通信的具体工作波段，不限定跳频速率、编码格式等，凡将多个频段跳频通信进行融合并使用里德堡原子天线进行信号接收的方法均为本发明权利要求范围。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明提出利用多波长激光泵浦单一原子气室制备多种里德堡态的技术思路，能够实现宽带无线通信信号接收，对环境中产生的各类干扰源进行监控识别；

其次，本发明提出的跨带跳频通信方法，在现有带内跳频通信的基础上，能够根据环境干扰源将跳频通信切换到没有干扰的另一频段，有利于提升跳频通信系统的抗干扰能力，且不会对接收天线产生改动；

最后，本发明能够极大拓展跳频通信的不确定性，跳频频点从原有的两个调整为十几个，有利于提升跳频通信系统的抗截获能力，对跳频通信系统性能进一步提升具有重要意义。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，通过多波长激光器发射的激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系、里德堡态与无线通信频带之间的一一对应关系，利用多频段响应的里德堡原子天线感受环境中的干扰源，当所有可用频段均未感受到直流信号干扰源时，所有频段均为跨带跳频通信系统的可用频段，当部分频段感受到直流信号干扰源时，剩余频段为跨带跳频通信系统的可用频段，确定里德堡原子天线能够有效探测的频段分布范围，从里德堡原子天线能够探测的可用频段中任选一个，在带内进行高速跳频通信，同时按一定周期切换跨带跳频通信所处的频段。

2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，所述多波长激光器产生多个波长激光、与泵浦光源产生的泵浦激光一起将铯原子激发到多个不同的里德堡态。

3.根据权利要求1所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，判断所述里德堡原子天线监控环境背景中是否存在干扰源，如某个频段存在干扰源，则相应的里德堡原子会产生能级劈裂，在光谱仪上显示为波长持续漂移。

4.根据权利要求2所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，当里德堡态对特定通信频段产生响应时，光谱仪对应的激光波长会产生漂移。

5.根据权利要求1所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。

6.根据权利要求1所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1、利用多波长激光泵浦铯原子气室，将其中的多个铯原子制备到不同的里德堡态；

S2、利用多频段响应的里德堡原子天线感受环境中的干扰源，当所有可用频段均未感受到直流信号干扰源时，所有频段均为跨带跳频通信系统的可用频段，当部分频段感受到直流信号干扰源时，剩余频段为跨带跳频通信系统的可用频段；

S3、按照特定时间周期切换工作频段，在每个工作频段内任选两个或三个频点进行带内跳频通信，通过工作频段切换和带内频点跳变完成跳频通信。

7.根据权利要求6所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，所述S3中通信信号始终能被宽带响应的高灵敏度里德堡原子天线接收。

8.根据权利要求1所述的基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，其特征在于，所述里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段建立输出光强与电磁信号强度的对应关系。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法。