CN116298551B - 基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，包括探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块、耦合激光即插即用模块、量子信息感知模块和量子测控处理模块；所述探测激光传输模块通过探测激光即插即用模块连接至量子信息感知模块，所述耦合激光传输模块通过耦合激光即插即用模块连接至量子信息感知模块，所述探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块和耦合激光即插即用模块分别与量子测控处理模块连接。本发明将电磁波测量系统的感知、传输、控制环节互相分离，通过模块化的设计方式分别封装为不同的模块，并采用即插即用的方式进行快速连接，便于野外操作及远端操控。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波计量测试技术领域，具体涉及一种基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统。
背景技术
电磁波的精密测量一直是无线电技术领域的热门话题，在气象探测、航空航天、生物传感及5G 通信领域有着广泛的应用。传统的计量方法已不足以精确识别出超高频或极弱电磁信号。因此，基于量子传感的电磁波精密测量技术应运而生。
以电场为例，现有的基于量子传感的电场测量技术，是利用里德堡原子的EIT效应（Electromagnetically Induced 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，μ表示原子的微波跃迁矩阵元，λ p 和λ c 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信号透射峰的光学频率间
距。该测量技术将电场强度的测量转化为光学频率间距的测量，由于可以直接溯源到普朗
克常数，是业界目前认定最理想的测量技术。
然而，现有的量子传感电磁波测量系统采用的是“感-传-控”（即感知、传输、控制）一体化设计，将整个测量系统高度集成于同一套完整的设备中。这主要是由于激光对传输链路质量要求苛刻，如果传感器两端的连接光纤出现断点，其引入的功率损耗、噪声干扰等不利因素相继增强，更重要的是破坏了光量子传输原有的极化方式，无法与待测电磁波发生最佳相互作用，造成“测不了、测不准”的不良结果。因此，现有的量子传感电磁波测量系统都采用高度一体化的集成式设计以保证系统的稳定性以排除外部干扰；但是这种高度集成的系统硬件占用空间较大且不便于搬运，无法适用于野外操作以及特种环境下的远端操控需求，有待进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在的问题，提供一种基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，将电磁波测量系统的感知、传输、控制环节互相分离，通过模块化的设计方式分别封装为不同的模块，并采用即插即用的方式进行快速连接，便于野外操作及远端操控。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，包括探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块、耦合激光即插即用模块、量子信息感知模块和量子测控处理模块；
所述探测激光传输模块通过探测激光即插即用模块连接至量子信息感知模块，所述耦合激光传输模块通过耦合激光即插即用模块连接至量子信息感知模块，所述探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块和耦合激光即插即用模块分别与量子测控处理模块连接；
所述探测激光传输模块用于发出频率稳定的探测激光，对探测激光进行声光AOM频移后输出到探测激光即插即用模块；
所述耦合激光传输模块用于发出频率稳定的耦合激光，对耦合激光进行声光AOM频移后输出到耦合激光即插即用模块；
所述探测激光即插即用模块用于将探测激光传输模块输出的探测激光输送至量子信息感知模块，并且在输送过程中对探测激光进行放大、滤波和保偏处理；
所述耦合激光即插即用模块用于将耦合激光传输模块输出的耦合激光输送至量子信息感知模块，并且在输送过程中对耦合激光进行放大、滤波和保偏处理；
所述量子信息感知模块用于将探测激光和耦合激光作用于原子蒸汽以产生EIT信号，并利用EIT信号感知待测的射频电磁信号；
所述量子测控处理模块用于根据探测激光和耦合激光的中心波长，以及EIT信号分裂的两峰值频率，计算感知到的射频电磁信号的电场强度。
进一步地，所述探测激光即插即用模块包括沿探测激光的传输路径依次设置的探测激光放大单元、第一光滤波单元、第一保偏单元、第一二向色镜、第一聚焦镜和第一保偏传输光纤，还包括光学收集器；
所述耦合激光即插即用模块包括沿耦合激光的传输路径依次设置的耦合激光放大单元、第二光滤波单元、第二保偏单元、第二二向色镜、第二聚焦镜和第二保偏传输光纤，还包括高速光电转换器。
进一步地，所述量子信息感知模块包括量子传感器和两个保偏光纤头；所述量子传感器包括具有密闭腔体的玻璃泡，所述玻璃泡的密闭腔体内封闭有碱金属原子蒸汽；所述两个保偏光纤头对称设置于玻璃泡的两侧且相对设置，两个保偏光纤头分别与探测激光即插即用模块的第一保偏传输光纤和耦合激光即插即用模块的第二保偏传输光纤对插连接。
进一步地，所述探测激光传输模块输出的探测激光，在探测激光即插即用模块中依次经过探测激光放大单元、第一光滤波单元、第一保偏单元后，由第一二向色镜反射至第一聚焦镜聚焦，再进入第一保偏传输光纤；第一保偏传输光纤将探测激光传输至量子传感器的一侧，以将原子蒸汽泵浦激发至第一激发态；
所述耦合激光传输模块输出的耦合激光，在耦合激光即插即用模块中依次经过耦合激光放大单元、第二光滤波单元、第二保偏单元后，由第二二向色镜反射至第二聚焦镜聚焦，再进入第二保偏传输光纤；第二保偏传输光纤将耦合激光传输至量子传感器的另一侧，以将处于第一激发态的原子蒸汽泵浦激发至里德堡态；
探测激光被原子蒸汽吸收后产生的EIT信号，从量子传感器的另一侧输出至耦合激光传输模块的第二保偏传输光纤，经第二聚焦镜准直后，穿过第二二向色镜，并被高速光电转换器接收；所述高速光电转换器将EIT信号由光信号转换为电信号，并传输至量子测控处理模块进行存贮；
被原子蒸汽吸收后剩余的耦合激光，从量子传感器的一侧输出至探测激光传输模块的第一保偏传输光纤，经第一聚焦镜准直后，穿过第一二向色镜，并被光学收集器收集。
进一步地，所述探测激光传输模块包括探测激光器、第一光学超稳腔、第一AOM频移单元和探测激光频率偏差信号处理电子环路；
所述探测激光器用于发出探测激光；
所述第一光学超稳腔和探测激光频率偏差信号处理电子环路用于对探测激光器发出的探测激光进行PDH稳频；
所述第一AOM频移单元用于对稳频后的探测激光进行声光AOM频移后输出至探测激光即插即用模块。
进一步地，所述探测激光器发出的探测激光，经扩束准直调整为平行光束，经偏振调整后，被光学镜片采样进入第一EOM电光调制器；所述第一EOM电光调制器将单一频率ωp的探测激光调制成中心频率为ωp、两侧频率分别为（ωp+Ω1）和（ωp-Ω1）的总共具有三个频率成分的调制光束，其中Ω1为第一EOM电光调制器的射频调制频率，其值大于第一光学超稳腔的线宽；
所述调制光束透过第一PBS偏振分束立方，经波片偏振调整和透镜模式匹配调整，垂直进入第一光学超稳腔；调制光束在第一光学超稳腔内传输经历相移，反射回来的反馈光束再次经过透镜模式匹配调整和波片偏振调整，使得其偏振态和原来进入第一光学超稳腔的光束垂直；调整后的反馈光束被所述第一PBS偏振分束立方全反射至第一探测器，所述第一探测器根据反馈光束生成频率误差信号，并传输至探测激光频率偏差信号处理电子环路进行处理；所述探测激光频率偏差信号处理电子环路根据频率误差信号，驱动探测激光器调整输出的探测激光的频率，使其锁定在第一光学超稳腔的谐振中心频率上；
经过上述调整后输出的频率稳定的探测激光被光学采样镜反射进入第一AOM频移单元以频移中心频率，最后输出至探测激光即插即用模块。
进一步地，所述耦合激光传输模块包括耦合激光器、第二光学超稳腔、第二AOM频移单元和耦合激光频率偏差信号处理电子环路；
所述耦合激光器用于发出耦合激光；
所述第二光学超稳腔和耦合激光频率偏差信号处理电子环路用于对耦合激光器发出的耦合激光进行PDH稳频；
所述第二AOM频移单元用于对稳频后的耦合激光进行声光AOM频移后输出至耦合激光即插即用模块。
进一步地，所述耦合激光器发出的耦合激光，经扩束准直调整为平行光束，经偏振调整后，被光学镜片采样进入第二EOM电光调制器；所述第二EOM电光调制器将单一频率ωc的耦合激光调制成中心频率为ωc、两侧频率分别为（ωc+Ω2）和（ωc-Ω2）的总共具有三个频率成分的调制光束，其中Ω2为第二EOM电光调制器的射频调制频率，其值大于第二光学超稳腔的线宽；
所述调制光束透过第二PBS偏振分束立方，经波片偏振调整和透镜模式匹配调整，垂直进入第二光学超稳腔；调制光束在第二光学超稳腔内传输经历相移，反射回来的反馈光束再次经过透镜模式匹配调整和波片偏振调整，使得其偏振态和原来进入第二光学超稳腔的光束垂直；调整后的反馈光束被所述第二PBS偏振分束立方全反射至第二探测器，所述第二探测器根据反馈光束生成频率误差信号，并传输至耦合激光频率偏差信号处理电子环路进行处理；所述耦合激光频率偏差信号处理电子环路根据频率误差信号，驱动耦合激光器调整输出的耦合激光的频率，使其锁定在第二光学超稳腔的谐振中心频率上；
经过上述调整后输出的频率稳定的耦合激光被光学采样镜反射进入第二AOM频移单元以频移中心频率，最后输出至耦合激光即插即用模块。
进一步地，所述第一保偏单元和第二保偏单元为二分之一波片或四分之一波片。
进一步地，所述量子测控处理模块包括测量任务执行子模块、存贮处理子模块、系统自检子模块及远程通信子模块；
所述测量任务执行子模块用于根据本地或远程测量指令，启动测量流程，协调测量系统中的各模块运行以完成测量任务；
所述存贮处理子模块用于从探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块和耦合激光即插即用模块获取探测激光的中心波长、耦合激光的中心波长以及EIT信号，将采集到的数据进行存贮，并根据采集到的数据计算测量到的电磁波的强度；
所述系统自检子模块用于对测量系统中的各模块进行自检，确保各模块正常运行；
所述远程通信子模块用于通过无线通信技术与远程服务器和远程控制中心进行通信，以从远程控制中心接收远程测量指令以及将存贮处理子模块中的数据传输至远程服务器备份存贮；
本发明实施例将量子传感电磁波测量系统的“感-传-控”环节互相分离，便于及时更换老化的或不符合要求的量子传感器，还可以实现在特种工作环境下的“感-传”信息即插即用采集存贮，还可以通过远端控制中心操控数据AI采集；整个系统设计具有自校准方便、操作便捷、易于排障等特点，是一种理想的电磁波测量系统设计方式。
为克服实际测量中遇到的难题，本发明提供一种基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，采用了量子力学的先进科学理论技术，基于即插即用的工作模式，可以先将量子信息感知模块安装在待测对象的附近，然后通过即插即用的方式将各功能模块连接，可以实现量子信息的远距离、多模态、大范围及定时测量控制及远端传输。该系统克服了现有的“感-传-控”一体化量子传感系统部件更换困难、光传输处理距离受限的缺陷，解决了光传输处理模块工作环境要求高、感知模块更新不方便、光传输链路受限等问题。
特别的，本发明提供的一种基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统尤其适用于特种工程应用环境下的高频弱信号的电磁波测量。由于量子态能级呈分立式，其离散特性决定了其只会识别本征频率，具有频率识别准确度高的特点。本发明利用量子技术的这一特性，能够动态扫描定位1-40GHz频段的各谐振频率，避免了手动调整及量子传感器按需更换光路需要大规模规划的繁琐程序。同时，本发明采用即插即用模式，适用于远端无人值守的电磁波参数精密测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统的功能模块框图。
图2是本发明实施例提供的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统的结构原理图。
图3是本发明实施例中的量子测控处理模块的功能模块框图。
图4是本发明实施例提供的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，包括探测激光传输模块31、耦合激光传输模块32、探测激光即插即用模块21、耦合激光即插即用模块22、量子信息感知模块1和量子测控处理模块7；
所述探测激光传输模块31通过探测激光即插即用模块21连接至量子信息感知模块1，所述耦合激光传输模块32通过耦合激光即插即用模块22连接至量子信息感知模块1，所述探测激光传输模块31、耦合激光传输模块32、探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22分别与量子测控处理模块7连接；
所述探测激光传输模块31用于发出频率稳定的探测激光，对探测激光进行声光AOM频移后输出到探测激光即插即用模块21；
所述耦合激光传输模块32用于发出频率稳定的耦合激光，对耦合激光进行声光AOM频移后输出到耦合激光即插即用模块22；
所述探测激光即插即用模块21用于将探测激光传输模块31输出的探测激光输送至量子信息感知模块1，并且在输送过程中对探测激光进行放大、滤波和保偏处理；
所述耦合激光即插即用模块22用于将耦合激光传输模块32输出的耦合激光输送至量子信息感知模块1，并且在输送过程中对耦合激光进行放大、滤波和保偏处理；
所述量子信息感知模块1用于将探测激光和耦合激光作用于原子蒸汽以产生EIT信号，并利用EIT信号感知待测的射频电磁信号；
所述量子测控处理模块7用于根据探测激光和耦合激光的中心波长，以及EIT信号分裂的两峰值频率，计算感知到的射频电磁信号的电场强度；
具体来说，在量子信息感知模块1中，所述EIT信号在射频电磁信号的作用下会由单个频峰劈裂为两个频峰；所述量子测控处理模块7用于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。
结合图2所示，所述探测激光即插即用模块21包括沿探测激光的传输路径依次设置的探测激光放大单元611、第一光滤波单元621、第一保偏单元661、第一二向色镜651、第一聚焦镜和第一保偏传输光纤，还包括光学收集器98；
所述耦合激光即插即用模块22包括沿耦合激光的传输路径依次设置的耦合激光放大单元612、第二光滤波单元622、第二保偏单元662、第二二向色镜652、第二聚焦镜和第二保偏传输光纤，还包括高速光电转换器97；
在探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22中，所述探测激光放大单元611和耦合激光放大单元612用于补偿特征光谱在传输过程中产生的功率损耗，以维持测量所需要的光强；激光经过放大单元后会将邻频光学噪声同时放大，影响测量结果，需要进一步进行滤波以排除不良影响；
所述第一光滤波单元621和第二光滤波单元622用于摒弃光学噪声的引入，确保光量子信息的纯净、准确、可靠；
所述第一保偏传输光纤和第二保偏传输光纤则用于调整激光在前面的传输过程所产生的偏振态变化，使得激光经过传输、放大及滤波处理后，依然能够保持原有极化方式不变。
在本实施例中，所述第一保偏单元661和第二保偏单元662为二分之一波片或四分之一波片，其中，二分之一波片用于对激光的线偏振进行保偏，四分之一波片用于对激光的圆偏振进行保偏。所述探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22的所有光学器件均设置于非常平稳的光学防震平台上，可以有效避免环境振动对测量精度的影响。
所述量子信息感知模块1包括量子传感器和两个保偏光纤头；所述量子传感器包括具有密闭腔体的玻璃泡，所述玻璃泡的密闭腔体内封闭有碱金属原子蒸汽；所述两个保偏光纤头对称设置于玻璃泡的两侧且相对设置，两个保偏光纤头分别与探测激光即插即用模块21的第一保偏传输光纤和耦合激光即插即用模块22的第二保偏传输光纤对插连接；两个保偏光纤头用于保持激光的线偏振不变，可以根据需要方便地进行更换。
在本实施例中，所述碱金属为铷Rb或铯Cs。玻璃泡可以是圆柱形，圆柱的两端分别通过两个保偏光纤头接收探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22传输来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，在该状态下，碱金属原子对信号源10发出的射频电磁信号电场极其敏感，能够引起探测激光的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。
所述探测激光传输模块31输出的探测激光，在探测激光即插即用模块21中依次经过探测激光放大单元611、第一光滤波单元621、第一保偏单元661后，由第一二向色镜651反射至第一聚焦镜聚焦，再进入第一保偏传输光纤；第一保偏传输光纤将探测激光传输至量子传感器的一侧，以将原子蒸汽泵浦激发至第一激发态；
所述耦合激光传输模块32输出的耦合激光，在耦合激光即插即用模块22中依次经过耦合激光放大单元612、第二光滤波单元622、第二保偏单元662后，由第二二向色镜652反射至第二聚焦镜聚焦，再进入第二保偏传输光纤；第二保偏传输光纤将耦合激光传输至量子传感器的另一侧，以将处于第一激发态的原子蒸汽泵浦激发至里德堡态；
探测激光被原子蒸汽吸收后产生的EIT信号，从量子传感器的另一侧输出至耦合激光传输模块32的第二保偏传输光纤，经第二聚焦镜准直后，穿过第二二向色镜652，并被高速光电转换器97接收；所述高速光电转换器97将EIT信号由光信号转换为电信号，并传输至量子测控处理模块7进行存贮；
被原子蒸汽吸收后剩余的耦合激光，从量子传感器的一侧输出至探测激光传输模块31的第一保偏传输光纤，经第一聚焦镜准直后，穿过第一二向色镜651，并被光学收集器98收集。
本发明中的探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22在实现激光传输中继的同时，解决了激光传输过程中的功率损耗、噪声干扰和偏振态变化问题，能够确保输出至量子信息感知模块1的探测激光和耦合激光保持原有的极化方式不变，防止出现“测不了、测不准”的不良结果。 同时，探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22还采用对插连接的方式与量子信息感知模块1快速连接，各部件连接之后基本不需要进行复杂的调试，实现了即插即用的效果。
进一步地，本发明中的探测激光传输模块31和耦合激光传输模块32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，保证了电磁信号电场强度的高精度精密测量。
稳频后的探测激光经声光AOM频移，其中心频率能够使量子传感器中的原子蒸汽由基态受激跃迁到特定第一激发态，同时，探测激光的动态频移对准EIT信号在外界电磁信号作用分裂出的两峰值频率。稳频后的耦合激光经声光AOM频移，其中心频率能够使处于第一激发态的原子蒸汽激发到特定里德堡态，用于测量特定频率的电磁信号。
具体地，所述探测激光传输模块31包括探测激光器311、第一光学超稳腔312、第一AOM频移单元313和探测激光频率偏差信号处理电子环路；
所述探测激光器311用于发出探测激光；
所述第一光学超稳腔312和探测激光频率偏差信号处理电子环路用于对探测激光器311发出的探测激光进行PDH稳频；
所述第一AOM频移单元313用于对稳频后的探测激光进行声光AOM频移后输出至探测激光即插即用模块21。
具体地，在探测激光传输模块31中，所述探测激光器311发出的探测激光，经扩束准直调整为平行度极好的平行光束，经偏振调整后，被光学镜片采样进入第一EOM电光调制器；所述第一EOM电光调制器将单一频率ωp的探测激光调制成中心频率为ωp、两侧频率分别为（ωp+Ω1）和（ωp-Ω1）的总共具有三个频率成分的调制光束，其中Ω1为第一EOM电光调制器的射频调制频率，其值远大于第一光学超稳腔312的线宽；
所述调制光束透过第一PBS偏振分束立方，经波片偏振调整和透镜模式匹配调整，垂直进入第一光学超稳腔312；调制光束在第一光学超稳腔312内传输经历相移，反射回来的反馈光束再次经过透镜模式匹配调整和波片偏振调整，使得其偏振态和原来进入第一光学超稳腔312的光束垂直；调整后的反馈光束被所述第一PBS偏振分束立方全反射至第一探测器，所述第一探测器根据反馈光束生成频率误差信号，并传输至探测激光频率偏差信号处理电子环路进行处理；所述探测激光频率偏差信号处理电子环路根据频率误差信号，驱动探测激光器311腔镜上的压电陶瓷PZT调整输出的探测激光的频率，使其锁定在第一光学超稳腔312的谐振中心频率上；
经过上述调整后输出的频率稳定的探测激光的主要功率被光学采样镜反射进入第一AOM频移单元313以频移中心频率，最后输出至探测激光即插即用模块21。
进一步地，所述耦合激光传输模块32包括耦合激光器321、第二光学超稳腔322、第二AOM频移单元323和耦合激光频率偏差信号处理电子环路；
所述耦合激光器321用于发出耦合激光；
所述第二光学超稳腔322和耦合激光频率偏差信号处理电子环路用于对耦合激光器321发出的耦合激光进行PDH稳频；
所述第二AOM频移单元323用于对稳频后的耦合激光进行声光AOM频移后输出至耦合激光即插即用模块22。
具体地，在耦合激光传输模块32中，所述耦合激光器321发出的耦合激光，经扩束准直调整为平行度极好的平行光束，经偏振调整后，被光学镜片采样进入第二EOM电光调制器；所述第二EOM电光调制器将单一频率ωc的耦合激光调制成中心频率为ωc、两侧频率分别为（ωc+Ω2）和（ωc-Ω2）的总共具有三个频率成分的调制光束，其中Ω2为第二EOM电光调制器的射频调制频率，其值远大于第二光学超稳腔322的线宽；
所述调制光束透过第二PBS偏振分束立方，经波片偏振调整和透镜模式匹配调整，垂直进入第二光学超稳腔322；调制光束在第二光学超稳腔322内传输经历相移，反射回来的反馈光束再次经过透镜模式匹配调整和波片偏振调整，使得其偏振态和原来进入第二光学超稳腔322的光束垂直；调整后的反馈光束被所述第二PBS偏振分束立方全反射至第二探测器，所述第二探测器根据反馈光束生成频率误差信号，并传输至耦合激光频率偏差信号处理电子环路进行处理；所述耦合激光频率偏差信号处理电子环路根据频率误差信号，驱动耦合激光器321腔镜上的压电陶瓷PZT调整输出的耦合激光的频率，使其锁定在第二光学超稳腔322的谐振中心频率上；
经过上述调整后输出的频率稳定的耦合激光的主要功率被光学采样镜反射进入第二AOM频移单元323以频移中心频率，最后输出至耦合激光即插即用模块22。
如图3所示，所述量子测控处理模块7包括测量任务执行子模块、存贮处理子模块、系统自检子模块及远程通信子模块；
所述测量任务执行子模块用于根据本地或远程测量指令，启动测量流程，协调测量系统中的各模块运行以完成测量任务；
所述存贮处理子模块用于从探测激光传输模块31、耦合激光传输模块32、探测激光即插即用模块21和耦合激光即插即用模块22获取探测激光的中心波长、耦合激光的中心波长以及EIT信号，将采集到的数据进行存贮，并根据采集到的数据计算测量到的电磁波的强度；
所述系统自检子模块用于对测量系统中的各模块进行自检，确保各模块正常运行；
所述远程通信子模块用于通过无线通信技术与远程服务器和远程控制中心进行通信，以从远程控制中心接收远程测量指令以及将存贮处理子模块中的数据传输至远程服务器备份存贮；所述的无线通信技术包括但不限于蓝牙、WIFI、GPRS等传输技术。
本实施例中，所述量子测控处理模块7设置于平稳、环境振动可忽略的光学防震平台上，以确保数据运算及存储的稳定性。
如图4所示，本发明实施例的工作过程如下：
S0、启动：当测量任务执行子模块收到本地或远程测量指令时，启动测量任务，使测量系统的各功能模块处于开启状态；
S1、功能模块自检：通过系统自检子模块对测量系统的各功能模块进行自检；具体包括：
激光传输模块模块自检，确认探测激光传输模块31和耦合激光传输模块32中的各单元部件，尤其是PDH稳频相关的单元是否正常工作；
激光即插即用模块自检，确认来自探测激光传输模块31和耦合激光传输模块32的探测激光和耦合激光的光强信息、噪声背景是否输出合格，光量子的偏振状态是否最佳，并一一回传到激光传输模块模块自检进行报告；
量子信息感知模块1自检，确认量子信息感知模块1是否能够正常收到探测激光和耦合激光，并确认是否能够正常采集到EIT信号。
S2、量子信息测量：如果功能模块自检一切正常，则启动量子信息测量程序开始扫频，利用EIT信号感知射频电磁信号；如果量子信息感知模块1在扫频过程中遇到特征频谱适配的射频电磁信号，则EIT信号立即由单个频峰劈裂为两个频峰，并且，随着射频电磁信号的强度增强，两个频峰的线宽线性增强；
S3、量子信息存贮：将扫频过程中采集到的探测激光、耦合激光以及EIT信号相关的数据信息存贮于存贮处理子模块中。
S4、完成单次测量任务后，根据本地或远程测量指令确定是否需要继续对下一个特征频谱进行扫频测量；如果需要，则返回至S2继续执行测量任务，如果不需要，则结束扫频。
S5、量子信息处理：存贮处理子模块对采集到的探测激光、耦合激光以及EIT信号相关的数据信息进行处理，将数据代入式（1）中计算被测射频电磁信号的电场强度，计算完成后，结束测量任务。
优选的，所述量子测控处理模块7可以是计算机。一方面，所述计算机用于控制探测激光传输模块31、耦合激光传输模块32和量子信息感知模块1的工作状态；具体地，所述计算机中安装有激光量子产生系统控制软件，所述激光量子产生系统控制软件运行时，能够控制探测激光传输模块31和耦合激光传输模块32分别对探测激光和耦合激光进行光学超稳腔稳频和AOM频移。另一方面，所述计算机用于读取、滤波、放大并记录高速光电转换器97中收集到的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式（1），计算出待测量的射频电磁信号的电场强度。
本发明实施例将量子传感电磁波测量系统的“感-传-控”环节互相分离，便于及时更换老化的或不符合要求的量子传感器，还可以实现在特种工作环境下的“感-传”信息即插即用采集存贮，还可以通过远端控制中心操控数据AI采集；整个系统设计具有自校准方便、操作便捷、易于排障等特点，是一种理想的电磁波测量系统设计方式。
为克服实际测量中遇到的难题，本发明提供一种基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，采用了量子力学的先进科学理论技术，基于即插即用的工作模式，可以先将量子信息感知模块1安装在待测对象的附近，然后通过即插即用的方式将各功能模块连接，可以实现量子信息的远距离、多模态、大范围及定时测量控制及远端传输。该系统克服了现有的“感-传-控”一体化量子传感系统部件更换困难、光传输处理距离受限的缺陷，解决了光传输处理模块工作环境要求高、感知模块更新不方便、光传输链路受限等问题。
特别的，本发明提供的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统尤其适用于特种工程应用环境下的高频弱信号的电磁波测量。由于量子态能级呈分立式，其离散特性决定了其只会识别本征频率，具有频率识别准确度高的特点。本发明利用量子技术的这一特性，能够动态扫描定位1-40GHz频段的各谐振频率，避免了手动调整及量子传感器按需更换光路需要大规模规划的繁琐程序。同时，本发明采用即插即用模式，适用于远端无人值守的电磁波参数精密测量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，包括探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块、耦合激光即插即用模块、量子信息感知模块和量子测控处理模块；
所述探测激光传输模块通过探测激光即插即用模块连接至量子信息感知模块，所述耦合激光传输模块通过耦合激光即插即用模块连接至量子信息感知模块，所述探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块和耦合激光即插即用模块分别与量子测控处理模块连接；
所述探测激光传输模块用于发出频率稳定的探测激光，对探测激光进行声光AOM频移后输出到探测激光即插即用模块；
所述耦合激光传输模块用于发出频率稳定的耦合激光，对耦合激光进行声光AOM频移后输出到耦合激光即插即用模块；
所述探测激光即插即用模块用于将探测激光传输模块输出的探测激光输送至量子信息感知模块，并且在输送过程中对探测激光进行放大、滤波和保偏处理；
所述耦合激光即插即用模块用于将耦合激光传输模块输出的耦合激光输送至量子信息感知模块，并且在输送过程中对耦合激光进行放大、滤波和保偏处理；
所述量子信息感知模块用于将探测激光和耦合激光作用于原子蒸汽以产生EIT信号，并利用EIT信号感知待测的射频电磁信号；
所述量子测控处理模块用于根据探测激光和耦合激光的中心波长，以及EIT信号分裂的两峰值频率，计算感知到的射频电磁信号的电场强度；
所述探测激光即插即用模块包括沿探测激光的传输路径依次设置的探测激光放大单元、第一光滤波单元、第一保偏单元、第一二向色镜、第一聚焦镜和第一保偏传输光纤，还包括光学收集器；
所述耦合激光即插即用模块包括沿耦合激光的传输路径依次设置的耦合激光放大单元、第二光滤波单元、第二保偏单元、第二二向色镜、第二聚焦镜和第二保偏传输光纤，还包括高速光电转换器；
所述量子信息感知模块包括量子传感器和两个保偏光纤头；所述量子传感器包括具有密闭腔体的玻璃泡，所述玻璃泡的密闭腔体内封闭有碱金属原子蒸汽；所述两个保偏光纤头对称设置于玻璃泡的两侧且相对设置，两个保偏光纤头分别与探测激光即插即用模块的第一保偏传输光纤和耦合激光即插即用模块的第二保偏传输光纤对插连接；
所述探测激光传输模块输出的探测激光，在探测激光即插即用模块中依次经过探测激光放大单元、第一光滤波单元、第一保偏单元后，由第一二向色镜反射至第一聚焦镜聚焦，再进入第一保偏传输光纤；第一保偏传输光纤将探测激光传输至量子传感器的一侧，以将原子蒸汽泵浦激发至第一激发态；
所述耦合激光传输模块输出的耦合激光，在耦合激光即插即用模块中依次经过耦合激光放大单元、第二光滤波单元、第二保偏单元后，由第二二向色镜反射至第二聚焦镜聚焦，再进入第二保偏传输光纤；第二保偏传输光纤将耦合激光传输至量子传感器的另一侧，以将处于第一激发态的原子蒸汽泵浦激发至里德堡态；
探测激光被原子蒸汽吸收后产生的EIT信号，从量子传感器的另一侧输出至耦合激光传输模块的第二保偏传输光纤，经第二聚焦镜准直后，穿过第二二向色镜，并被高速光电转换器接收；所述高速光电转换器将EIT信号由光信号转换为电信号，并传输至量子测控处理模块进行存贮；
被原子蒸汽吸收后剩余的耦合激光，从量子传感器的一侧输出至探测激光传输模块的第一保偏传输光纤，经第一聚焦镜准直后，穿过第一二向色镜，并被光学收集器收集；
将量子传感电磁波测量系统的量子信息感知、激光传输以及量子测控处理环节互相分离；在使用时，通过即插即用的方式将各功能模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，所述探测激光传输模块包括探测激光器、第一光学超稳腔、第一AOM频移单元和探测激光频率偏差信号处理电子环路；
所述探测激光器用于发出探测激光；
所述第一光学超稳腔和探测激光频率偏差信号处理电子环路用于对探测激光器发出的探测激光进行PDH稳频；
所述第一AOM频移单元用于对稳频后的探测激光进行声光AOM频移后输出至探测激光即插即用模块。
3.根据权利要求2所述的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，所述探测激光器发出的探测激光，经扩束准直调整为平行光束，经偏振调整后，被光学镜片采样进入第一EOM电光调制器；所述第一EOM电光调制器将单一频率ωp的探测激光调制成中心频率为ωp、两侧频率分别为（ωp+Ω1）和（ωp-Ω1）的总共具有三个频率成分的调制光束，其中Ω1为第一EOM电光调制器的射频调制频率，其值大于第一光学超稳腔的线宽；
所述调制光束透过第一PBS偏振分束立方，经波片偏振调整和透镜模式匹配调整，垂直进入第一光学超稳腔；调制光束在第一光学超稳腔内传输经历相移，反射回来的反馈光束再次经过透镜模式匹配调整和波片偏振调整，使得其偏振态和原来进入第一光学超稳腔的光束垂直；调整后的反馈光束被所述第一PBS偏振分束立方全反射至第一探测器，所述第一探测器根据反馈光束生成频率误差信号，并传输至探测激光频率偏差信号处理电子环路进行处理；所述探测激光频率偏差信号处理电子环路根据频率误差信号，驱动探测激光器调整输出的探测激光的频率，使其锁定在第一光学超稳腔的谐振中心频率上；
经过上述调整后输出的频率稳定的探测激光被光学采样镜反射进入第一AOM频移单元以频移中心频率，最后输出至探测激光即插即用模块。
4.根据权利要求1所述的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，所述耦合激光传输模块包括耦合激光器、第二光学超稳腔、第二AOM频移单元和耦合激光频率偏差信号处理电子环路；
所述耦合激光器用于发出耦合激光；
所述第二光学超稳腔和耦合激光频率偏差信号处理电子环路用于对耦合激光器发出的耦合激光进行PDH稳频；
所述第二AOM频移单元用于对稳频后的耦合激光进行声光AOM频移后输出至耦合激光即插即用模块。
5.根据权利要求4所述的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，所述耦合激光器发出的耦合激光，经扩束准直调整为平行光束，经偏振调整后，被光学镜片采样进入第二EOM电光调制器；所述第二EOM电光调制器将单一频率ωc的耦合激光调制成中心频率为ωc、两侧频率分别为（ωc+Ω2）和（ωc-Ω2）的总共具有三个频率成分的调制光束，其中Ω2为第二EOM电光调制器的射频调制频率，其值大于第二光学超稳腔的线宽；
所述调制光束透过第二PBS偏振分束立方，经波片偏振调整和透镜模式匹配调整，垂直进入第二光学超稳腔；调制光束在第二光学超稳腔内传输经历相移，反射回来的反馈光束再次经过透镜模式匹配调整和波片偏振调整，使得其偏振态和原来进入第二光学超稳腔的光束垂直；调整后的反馈光束被所述第二PBS偏振分束立方全反射至第二探测器，所述第二探测器根据反馈光束生成频率误差信号，并传输至耦合激光频率偏差信号处理电子环路进行处理；所述耦合激光频率偏差信号处理电子环路根据频率误差信号，驱动耦合激光器调整输出的耦合激光的频率，使其锁定在第二光学超稳腔的谐振中心频率上；
经过上述调整后输出的频率稳定的耦合激光被光学采样镜反射进入第二AOM频移单元以频移中心频率，最后输出至耦合激光即插即用模块。
6.根据权利要求1所述的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，所述第一保偏单元和第二保偏单元为二分之一波片或四分之一波片。
7.根据权利要求1所述的基于模块化的即插即用式量子传感电磁波测量系统，其特征在于，所述量子测控处理模块包括测量任务执行子模块、存贮处理子模块、系统自检子模块及远程通信子模块；
所述测量任务执行子模块用于根据本地或远程测量指令，启动测量流程，协调测量系统中的各模块运行以完成测量任务；
所述存贮处理子模块用于从探测激光传输模块、耦合激光传输模块、探测激光即插即用模块和耦合激光即插即用模块获取探测激光的中心波长、耦合激光的中心波长以及EIT信号，将采集到的数据进行存贮，并根据采集到的数据计算测量到的电磁波的强度；
所述系统自检子模块用于对测量系统中的各模块进行自检，确保各模块正常运行；
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