CN116318420B - 基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法 - Google Patents
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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，将相同的通信内容通过不同的编码调制到不同频段载波上发送，利用里德堡原子天线获取所有频段的信息并通过横向比对完成信息接收。本发明有效利用了里德堡原子天线在灵敏度和带宽方面的性能优势，提出“多频发送、一体接收”的方式，冗余传输设计极大提升了通信系统对传输误码、电磁干扰等因素的抵抗能力，为极端环境提供了一种可靠性较强的通信手段。
Description
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通信信号、将相同的信息编译于多个不同频段、利用冗余传输方式提升通信可靠性的方法，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。
无线通信系统的可靠性受到多方面因素的制约，不同传输距离、不同气象条件、不同电磁环境，各频段通信系统的性能也不尽相同。通过数字通信编码方式虽然能够提升通信信号信噪比，但在强电磁干扰情况下仍然面临失灵风险。另一方面，对于抗震救灾、林地救援等紧急条件下，需要尽可能确保搜救方和被搜救方之间建立可靠通信链路。
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，将相同的信息通过不同编码体制编译到多个频段载波上一并传输，通过里德堡原子天线接收各频段信息，通过多个频段传输结果的互相校验完成信息还原，提升极端条件下无线通信系统的可靠运行能力。
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，包括发送端和接收端，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，将相同的信息通过不同频段、不同通信编码方式传输，通过里德堡原子天线中不同的里德堡原子接收各波段通信信号，各频段接收的信息可能存在误码，剔除误码并还原明文信息。
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，发送端将待传信息数据加载于多个通信频段，通过微波光子学方法统一调制，或通过多频段天线分别调制，将携带有相同数据的多频段通信信号同时发送到接收端。
在一些实施例中，各频段接收的信息可能存在误码时通过判决法剔除误码并还原明文信息。
在一些实施例中，接收端通过里德堡原子天线接收，不同频段的通信信号由不同里德堡原子响应，显示为光谱仪不同波长的漂移，通过对应的解码系统还原各频段携带的信息。
本发明提供一种基于里德堡原子天线的跨带跳频通信方法，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、将相同的信息通过不同的编码方式加载与不同频段载波上，利用微波光子学技术实现相同数据信号的统一调制，利用里德堡原子天线实现各频段数据包的接收，并通过相应的解码系统完成信息提取；
S3、比较各频段传递的数据包，个别数据位存在差异时以出现次数最多的数据为最终结果，通过冗余校验过程还原明文信息并降低误码率。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，上述S2中或者利用多套不同频段无线通信端机发送内容相同格式不同的数据包。
在一些实施例中，对各频段信息进行校验比对，同一数据包位置因误码而产生的数据差异，以出现频次最高的数据为准，最终解算明文信息。
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，从带宽和灵敏度两方面提升了宽带无线通信接收机的实用性能；
其次，本发明强调的多频段冗余通信方法，在“不惜一切代价建立通信互联”的极端应用场景中有着重要应用潜力；
最后，本发明提出的冗余校验机制，能够极大降低恶劣通信环境带来的高误码率影响，提升恒误码率下的极限传输距离，突破恶劣天气对通信能力的限制。
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，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、多频段冗余通信，将相同的信息通过不同频段、不同通信编码方式传输，通过里德堡原子天线中不同的里德堡原子接收各波段通信信号；
S103、信息的冗余校验，各频段接收的信息可能存在误码，通过判决法等手段剔除误码并还原明文信息。
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，发送端将待传信息数据加载于多个通信频段，通过微波光子学方法统一调制，或通过多频段天线分别调制，将携带有相同数据的多频段通信信号同时发送到接收端。
在一些实施例中，各频段接收的信息可能存在误码时通过判决法剔除误码并还原明文信息。
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. 发送端将待传信息数据加载于多个通信频段，可以通过微波光子学方法统一调制，也可通过多频段天线分别调制，将携带有相同数据的多频段通信信号同时发送到接收端；
3. 接收端通过里德堡原子天线接收，不同频段的通信信号由不同里德堡原子响应，显示为光谱仪不同波长的漂移，通过对应的解码系统还原各频段携带的信息；
4. 对各频段信息进行校验比对，同一数据包位置因误码而产生的数据差异，以出现频次最高的数据为准（判决法），最终解算明文信息，上述冗余通信方法的误码率理论上为各频段通信信号误码率之积，如果每个频段误码率均为0.1，则三个频段冗余传输的误码率可降至0.001。
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、将相同的信息通过不同的编码方式加载与不同频段载波上，可利用微波光子学技术实现相同数据信号的统一调制，或者利用多套不同频段无线通信端机发送内容相同格式不同的数据包，利用里德堡原子天线实现各频段数据包的接收，并通过相应的解码系统完成信息提取；
S203、比较各频段传递的数据包，个别数据位存在差异时以出现次数最多的数据为最终结果，通过冗余校验过程还原明文信息并降低误码率。
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，将相同的通信内容通过不同的编码调制到不同频段载波上发送，利用里德堡原子天线获取所有频段的信息并通过横向比对完成信息接收。
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。
在一些实施例中，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，无线信号接收是指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各通信频段发送的通信信号，通过解码还原携带的明文信息。
在一些实施例中，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。将相同的信息通过不同的编码方式加载与不同频段载波上，可利用微波光子学技术实现相同数据信号的统一调制，或者利用多套不同频段无线通信端机发送内容相同格式不同的数据包，利用里德堡原子天线实现各频段数据包的接收，并通过相应的解码系统完成信息提取；比较各频段传递的数据包，个别数据位存在差异时以出现次数最多的数据为最终结果，通过冗余校验过程还原明文信息并降低误码率。
在一些实施例中，不限定多频段冗余通信的具体工作波段和编码格式等，凡利用多个频段无线通信系统传输相同的明文信息以降低误码率提升通信可靠性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，从带宽和灵敏度两方面提升了宽带无线通信接收机的实用性能；
其次，本发明强调的多频段冗余通信方法，在“不惜一切代价建立通信互联”的极端应用场景中有着重要应用潜力；
最后，本发明提出的冗余校验机制，能够极大降低恶劣通信环境带来的高误码率影响，提升恒误码率下的极限传输距离，突破恶劣天气对通信能力的限制。
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，包括发送端和接收端，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，将相同的信息通过不同频段、不同通信编码方式传输，通过里德堡原子天线中不同的里德堡原子接收各波段通信信号，各频段接收的信息存在误码时，剔除误码并还原明文信息，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、将相同的信息通过不同的编码方式加载于不同频段载波上，利用微波光子学技术实现相同数据信号的统一调制，利用里德堡原子天线实现各频段数据包的接收，并通过相应的解码系统完成信息提取；
S3、比较各频段传递的数据包，个别数据位存在差异时以出现次数最多的数据为最终结果，通过冗余校验过程还原明文信息并降低误码率。
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，所述发送端将待传信息数据加载于多个通信频段，通过微波光子学方法统一调制，或通过多频段天线分别调制，将携带有相同数据的多频段通信信号同时发送到接收端。
4.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，各频段接收的信息存在误码时通过判决法剔除误码并还原明文信息。
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，所述接收端通过里德堡原子天线接收，不同频段的通信信号由不同里德堡原子响应，显示为光谱仪不同波长的漂移，通过对应的解码系统还原各频段携带的信息。
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S1通过泵浦激光光谱的精确控制使里德堡原子能够高灵敏度、独立、全部覆盖到各个无线通信频段。
7.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S2中利用多套不同频段无线通信端机发送内容相同格式不同的数据包。
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，对各频段信息进行校验比对，同一数据包位置因误码而产生的数据差异，以出现频次最高的数据为准，最终解算明文信息。
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。
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