CN116418366B - 一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统与方法，跟踪系统，包括电光调制微波光子转换模块、高时间分辨阵列式单光子探测模块和宽带实时频谱跟踪算法执行模块；其中，电光调制微波光子转换模块由窄线宽保偏连续激光源、电光晶体和可调节光衰减器组成；高时间分辨阵列式单光子探测模块由单光子阵列探测器和多通道时间数字转换器组成；宽带实时频谱跟踪算法执行模块由实时频谱跟踪算法执行单元组成。本发明采用上述一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统与方法，针对跳频通信测量及频谱跟踪对宽带微波信号频谱测量的需求，提出一种量子压缩感知宽带跳频跟踪方法。
Description
技术领域
本发明涉及信号测量技术领域，特别是涉及一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统与方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，电磁环境变得越来越复杂，通信双方在信号干扰与抗干扰，加密与侦查之间的博弈也愈演愈烈。跳频通信具有抗干扰能力强、截获概率低、保密性能好等优点，已经广泛应用于军事通信、电子对抗及导航、测量等领域，并发挥着越来越重要的作用。对宽带跳频通信进行精确的频谱跟踪、表征和记录，对于提升通信系统容量，降低误码率以及战场侦查、反干扰等具有重要意义。现有的频谱分析仪存在实时分析带宽小、频谱分辨率差、数据量大、实时性差等问题，难以实现对宽带跳频信号的实时、精确频谱跟踪。
压缩感知(compressed sensing, CS)能够以远低于奈奎斯特定理所要求的采样率进行采样并恢复变换域稀疏的信号，具有实现实时、宽带、高分辨频谱感知的潜力。自2006 年压缩感知被提出以来，已有多个压缩感知实现方案被提出，包括基于传统电子学的压缩感知方案和基于微波光子技术的压缩感知方案。
基于传统电子学的压缩感知方案主要通过产生准随机数或随机滤波等方式实现被测信号频域展宽，然后通过低采样率模数转换器（ADC）采样恢复信号频谱。但是，受限于电子学伪随机数产生速率和采样时间精度，基于传统电子学的CS-ADC只是将一个困难转变成另一个困难，本质上并未降低对采样率的要求。
基于微波光子技术的压缩感知方案通过将时域微波信号转到光学频域进行测量，实现宽带微波信号的频率测量。其工作带宽取决于光学元件的频谱响应，往往具有较宽的工作带宽，但存在测量误差较大，难以实现多频率信号测量的问题，无法实现全频段监测。
发明内容
本发明提供了一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统与方法，针对跳频通信测量及频谱跟踪对宽带微波信号频谱测量的需求，提出一种量子压缩感知宽带跳频跟踪方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统，包括电光调制微波光子转换模块、高时间分辨阵列式单光子探测模块和宽带实时频谱跟踪算法执行模块；
其中，电光调制微波光子转换模块由窄线宽保偏连续激光源、电光晶体和可调节光衰减器组成，窄线宽保偏连续激光源为辅助光源，待测跳频微波信号通过电光晶体加载到辅助光源上，然后通过可调节光学衰减器衰减到单光子量级，得到单光子信号；
高时间分辨阵列式单光子探测模块由单光子阵列探测器和多通道时间数字转换器组成，单光子阵列探测器对单光子信号进行探测并输出脉冲信号，多通道时间数字转换器对脉冲信号进行测量得到光子到达时间；
宽带实时频谱跟踪算法执行模块由实时频谱跟踪算法执行单元组成，实时频谱跟踪算法执行单元通过分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别，通过GPU并行优化频谱分析算法降低算法执行的时间复杂度。
一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法，包括以下步骤：
S1.待测跳频微波信号通过电光调制微波光子转换模块转换为光子调制波函数；
S2.通过高时间分辨阵列式单光子探测模块对光子到达时间进行记录；
S3.通过宽带实时频谱跟踪算法执行模块通过对每个光子到达时间进行压缩感知数据恢复算法获得宽带跳频信号参数。
优选的，步骤S1包括：
S1.1.采用电光晶体作为微波信号传感器，利用电光效应实现微波信号对光子的调制，采用窄线宽保偏连续激光源作为辅助光源，待测跳频微波信号通过电光晶体加载到辅助激光源上；
S1.2.通过可调节光学衰减器将步骤S1.1中的待测出射光衰减到单光子量级，得到被待测跳频微波信号所调制的单光子信号。
优选的，步骤S1.1.中，通过偏压控制器调节偏置电压，使得电光晶体工作在最佳线性工作点。
优选的，步骤S2包括：
S2.1.将经过步骤S1跳频信号调制的单光子信号通过光纤分束器按照功率值平均分为多路，然后由单光子阵列探测器所探测；
S2.2.将单光子阵列探测器输出的脉冲信号输入多通道时间数字转换器记录待测光的光子到达时间。
优选的，步骤S2.3.包括：对待测出射光的光子到达时间进行量子压缩感知数据恢复算法，得到跳频微波电场的跳频参数。
优选的，步骤S3包括：
S3.1.通过标定步骤S2中的每个通道相对时间延时，对每个通道光子到达时间进行后处理延时补偿；
S3.2.基于步骤S2.2.中阵列式单光子探测器的探测结果以及量子压缩感知数据恢复算法，估计所述待检测跳频微波电场中跳频信号参数；
S3.3.通过分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别，通过GPU并行优化频谱分析算法降低算法的时间复杂度。
优选的，步骤S3.2.包括：对待测出射光的光子到达时间进行量子压缩感知数据恢复算法，得到跳频微波电场的跳频周期、跳频速率、跳频频点和跳频起始时刻。
本发明的有益效果：
1）本发明提出基于单光子频域量子压缩感知的跳频跟踪新原理，利用单光子信号测量塌缩的随机性实现对微波信号的亚奈奎斯特采样，带宽得到显著提高，同时大大降低了数据存储量与计算压力。
2）本发明采用阵列式单光子探测器和阵列式单光子计数系统相配合，可在相同的时间内采集到更多的光子，提高频谱恢复实时性，从而提高跳频跟踪速度。
3）本发明采用分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别，采用GPU并行优化频谱分析算法降低算法执行的时间，从而实现宽带跳频信号的频谱实时跟踪、记录及回放。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统的流程图；
图2是本发明一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
在跳频通信中，跳频微波信号的测量带宽是一个重要指标。在本发明中，影响系统带宽的因素有两个，一个是电光晶体的响应带宽，另一个是阵列式单光子探测器和多通道时间数字转换器的时间抖动。还有一个重要指标是跳频微波信号频率的变换速率。对于跳频通信，其频率变化速度越快，通信就越不容易被干扰或截获，其频率变化速度是一个重要指标，为了满足高速跳频速度，我们就需要在极短的时间内采集到足够的信息。
本发明针对跳频通信测量及频谱跟踪对宽带微波信号频谱测量的需求，提出一种量子压缩感知宽带跳频跟踪方法，通过提出量子压缩感知新原理，实现宽带微波信号对单光子波函数的调制及其频谱测量。通过搭建高时间分辨阵列式单光子频域探测系统，提高系统光子计数率，实现宽带微波信号的实时频谱分析。通过综合FPGA和DSP数字信号处理算法及硬件设计，实现宽带跳频通信微波信号的实时跟踪、记录、存储及回放。
图1是本发明一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统的流程图，如图所示，一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统，包括电光调制微波光子转换模块、高时间分辨阵列式单光子探测模块和宽带实时频谱跟踪算法执行模块；
其中，电光调制微波光子转换模块由窄线宽保偏连续激光源、电光晶体和可调节光衰减器组成，窄线宽保偏连续激光源为辅助光源，待测跳频微波信号通过电光晶体加载到辅助光源上，然后通过可调节光学衰减器衰减到单光子量级，得到单光子信号。使得单光子信号被待测跳频微波信号所调制，通过偏压控制器选择合适的偏置电压使得电光晶体工作在最佳线性工作点。
高时间分辨阵列式单光子探测模块由单光子阵列探测器和多通道时间数字转换器组成。单光子阵列探测器对单光子信号进行探测并输出脉冲信号，利用多通道时间数字转换器对脉冲信号进行测量得到光子到达时间，提高单位时间光子计数率，从而提高系统频谱测量实时性。
宽带实时频谱跟踪算法执行模块由实时频谱跟踪算法执行单元组成，对所记录的光子到达时间进行量子压缩感知数据恢复算法来获得宽带跳频信号频谱。单光子信号测量的随机性在时域内表现为泊松分布，在频域内表现为白噪声分布。
为了提升频谱识别带宽和信噪比，本发明通过分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别。为了进一步提升频谱识别的实时性，本发明提出GPU并行优化频谱分析算法降低算法执行的时间复杂度。
图2是本发明一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法的流程图，如图所示，一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法，包括以下步骤：
S1.待测跳频微波信号通过电光调制微波光子转换模块转换为光子调制波函数；
S1.1.采用电光晶体作为微波信号传感器，利用电光效应实现微波信号对光子的调制，采用窄线宽保偏连续激光源作为辅助光源，待测跳频微波信号通过电光晶体加载到辅助激光源上，电光晶体输出的得到待测出射光；通过偏压控制器调节偏置电压，使得电光晶体工作在最佳线性工作点。
电光晶体容易受到环境的影响，比如温度振动等因素，从而使得其偏置电压会随着环境变化而变化，实验中还需要通过控制温度以及增强实验平台防震使得电光晶体性质稳定。
S1.2.通过可调节光学衰减器将步骤S1.1中的待测出射光衰减到单光子量级，得到被待测跳频微波信号所调制的单光子信号。
为了使得系统性能到达最优，需要调节光学衰减器使得阵列式单光子探测模块接收到的光子尽可能多，从而提高系统的实时性。
S2.通过高时间分辨阵列式单光子探测模块对光子到达时间进行记录；
S2.1.将经过步骤S1跳频信号调制的单光子信号通过1×16光纤分束器按照功率值平均分为多路，然后由单光子阵列探测器所探测；
S2.2.将单光子阵列探测器输出的脉冲信号通过多通道时间数字转换器记录待测光的光子到达时间。
S3.通过宽带实时频谱跟踪算法执行模块通过对每个光子到达时间进行压缩感知数据恢复算法获得宽带跳频信号参数。
S3.1.通过标定步骤S2中的每个通道相对时间延时，对每个通道光子到达时间进行后处理延时补偿；
S3.2.基于步骤S2.2.中阵列式单光子探测器的探测的出射光的光子到达时间以及量子压缩感知数据恢复算法，估计所述待检测跳频微波电场中跳频周期、跳频速率、跳频频点和跳频起始时刻；
S3.3.通过分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别，通过GPU并行优化频谱分析算法降低算法执行的时间复杂度。
量子压缩感知理论，其与传统压缩感知的区别在于量子压缩感知利用量子力学原理实现对信号的压缩采样。首先对一个信号实现压缩测量的前提是该信号必须满足在某一变换域下稀疏的条件。对于跳频通信信号来说，其在时频域内都是稀疏的，在本发明作中以离散傅里叶变换矩阵作为信号的稀疏矩阵。量子压缩感知理论中一个重要的步骤是压缩测量矩阵的构建，它决定了压缩采样后信号重构的问题。压缩感知要求测量矩阵和稀疏矩阵之间是不相关的，最具有普适性的测量矩阵为随机测量矩阵，其与大多数稀疏矩阵都满足不相关条件，但由于计算复杂度很高，难以通过硬件方式实现真正的随机测量矩阵。
本发明利用电光晶体将待测跳频微波信号转换为光信号，通过可调光纤衰减将其衰减到单光子量级，保证平均光子数足够小使得光子数大于1的概率可以忽略不计，此时光子是服从泊松分布的量子相干态，当光子在被探测时由于量子态测量随机塌缩性，其会随机塌缩到某一本征态上，此时本征态为光子数1和0。在时域中其表现为光子随机到达，其概率服从泊松分布，此时构建出一个服从泊松分布的真随机测量矩阵。构建测量矩阵后便可以对信号进行压缩采样，本发明使用阵列式单光子探测器和多通道时间间隔分析对光子进行探测并记录到达时间，最后通过量子压缩感知数据恢复算法获得宽带跳频信号参数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统，其特征在于：包括电光调制微波光子转换模块、高时间分辨阵列式单光子探测模块和宽带实时频谱跟踪算法执行模块；
其中，电光调制微波光子转换模块由窄线宽保偏连续激光源、电光晶体和可调节光衰减器组成，窄线宽保偏连续激光源为辅助光源，待测跳频微波信号通过电光晶体加载到辅助光源上，然后通过可调节光学衰减器衰减到单光子量级，得到单光子信号；
高时间分辨阵列式单光子探测模块由单光子阵列探测器和多通道时间数字转换器组成，单光子阵列探测器对单光子信号进行探测并输出脉冲信号，多通道时间数字转换器对脉冲信号进行测量得到光子到达时间；
宽带实时频谱跟踪算法执行模块由实时频谱跟踪算法执行单元组成，实时频谱跟踪算法执行单元上承载有量子压缩感知数据恢复算法，量子压缩感知数据恢复算法以离散傅里叶变换矩阵作为信号的稀疏矩阵，使用阵列式单光子探测器和多通道时间间隔分析对单光子信号进行探测并记录到达时间，最后通过量子压缩感知数据恢复算法获得宽带跳频信号参数，实时频谱跟踪算法执行单元通过分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别，通过GPU并行优化频谱分析算法降低算法的时间复杂度。
2.一种如权利要求1所述的一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.待测跳频微波信号通过电光调制微波光子转换模块转换为单光子信号；
S2.通过高时间分辨阵列式单光子探测模块对光子到达时间进行记录；
S3.通过宽带实时频谱跟踪算法执行模块对每个光子到达时间使用量子压缩感知数据恢复算法获得宽带跳频信号参数。
3.根据权利要求2所述的一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1.采用电光晶体作为微波信号传感器，利用电光效应实现微波信号对光子的调制，采用窄线宽保偏连续激光源作为辅助光源，待测跳频微波信号通过电光晶体加载到辅助激光源上，电光晶体输出得到待测出射光；
S1.2.通过可调节光学衰减器将步骤S1.1中的待测出射光衰减到单光子量级，得到被待测跳频微波信号所调制的单光子信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法，其特征在于，步骤S1.1.中，通过偏压控制器调节偏置电压，使得电光晶体工作在最佳线性工作点。
5.根据权利要求2所述的一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1.将经过步骤S1跳频信号调制的单光子信号通过光纤分束器按照功率值平均分为多路，然后由单光子阵列探测器所探测；
S2.2.将单光子阵列探测器输出的脉冲信号输入多通道时间数字转换器记录待测光的光子到达时间。
6.根据权利要求5所述的一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪方法，其特征在于：步骤S3包括：
S3.1.通过标定步骤S2中的每个通道相对时间延时，对每个通道光子到达时间进行后处理延时补偿；
S3.2.基于步骤S2.2.中单光子阵列式单光子探测器的探测的出射光的光子到达时间以及量子压缩感知数据恢复算法，从待检测跳频微波信号的电场中估计跳频微波信号的跳频周期、跳频速率、跳频频点和跳频起始时刻；
S3.3.通过分段平均频谱处理算法实现宽带频谱的高信噪比识别，通过GPU并行优化频谱分析算法降低算法的时间复杂度。
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|---|
| 光子辅助的射频信号频谱分析;徐坤;戴一堂;李建强;尹飞飞;戴键;谢晓军;闫励;;无线电通信技术(05);全文 * |
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| 徐坤 ; 戴一堂 ; 李建强 ; 尹飞飞 ; 戴键 ; 谢晓军 ; 闫励 ; .光子辅助的射频信号频谱分析.无线电通信技术.2013,(05),全文. * |
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Also Published As
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