CN211263776U - 一种用于量子雷达的量子成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于量子雷达的量子成像系统，包括发送端、接收端及量子成像单元，所述发送端包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、相位编码器、可调衰减器；接收端包括相位解码器以及与之分别连接的两个单光子探测器；所述量子成像单元包括第一光纤耦合器、投影透镜、数字微镜、收集透镜及第二光纤耦合器。与现有技术相比，本实用新型的系统采用光脉冲的诱骗态进行成像过程，可有效提高抗干扰能力，防止目标物体成像被伪造篡改；该系统采用相位编码方案，比偏振编码方案具有更高的稳定性；同时，提高了成像效率，缩短了成像时间，从而得到了更安全的误码率界限，有效地提高了抗干扰能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子偏振编码技术领域，特别涉及一种用于量子雷达的量子成像系统。
背景技术
随着量子信息技术的发展，利用量子力学原理来解决经典应用领域存在的安全问题已成为当今技术的趋势。如在军事领域，将量子成像技术应用到雷达探测上，即所谓的量子雷达，大大提高的探测隐蔽性和分辨率，具有极高的应用价值。在将量子成像技术应用到雷达领域时，仍可能会面临着被干扰和欺骗的潜在威胁。这是由于现有的雷达在面对具有有源干扰能力的目标时，其探测信号会被目标物体或第三方截获同时发射与探测信号相同波形的干扰信号，使得雷达对目标判断错误，无法得到目标的真是信息。
而在通信领域，量子密钥分发协议具有无条件安全的特性，其可有效防御窃听者对系统的截取重发等攻击。通过将量子密钥分发和量子成像相结合，可以利用光子的量子特性来对目标进行成像，并通过检测发送和接收的光子编码信息的改变来检验信息的真实性，从而可以能够有效识破干扰台的截获重发攻击，大大提高成像信息的安全性和可靠性。最早将量子成像和量子密钥分发技术结合起来的方案有M.Malik等人与2012年提出(MalikM,et al, Quantum-secured imaging.Applied Physics Letters,2012,101(24):241103.)，主要用于量子安全成像。然而，该方案采用了传统的量子成像技术，且采用偏振编码BB84协议。传统的量子成像技术需要将光源分成两束，探测两束光路之间的符合计数，成像效率较低，速度较慢。而偏振编码则在空间中传输时光子偏振态会受到大气扰动的影响，且在目标物体表面散射时会发生明显变化，使得系统的稳定性大大降低。
实用新型内容
针对现有技术存在以上缺陷，本实用新型提供一种用于量子雷达的量子成像系统：
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种用于量子雷达的量子成像系统，包括发送端、接收端及量子成像单元，所述发送端包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、相位编码器、可调衰减器；接收端包括相位解码器以及与之分别连接的两个单光子探测器；
所述量子成像单元包括：
第一光纤耦合器，发送端发出的光脉冲通过第一光纤耦合器进入自由空间中；
投影透镜，通过第一光纤耦合器的光脉冲透过投影透镜进行准直，变成平行光；
数字微镜，平行光进入数字微镜被调制成一系列设定的空间强度分布并照射到目标物体上；
收集透镜，透过目标物体的光通过收集透镜聚焦到第二光纤耦合器进行收集；
第二光纤耦合器，第二光纤耦合器对聚焦到其表面的光进行收集，并传送至接收端。
优选地，所述相位编码器包括第一光纤分束器、第二光纤分束器及第一相位调制器，第一光纤分束器分别通过长臂光纤以及短臂光纤与第二光纤分束器连接，所述长臂光纤中连接有第一相位调节器。
优选地，所述相位解码器包括第三光纤分束器、第四光纤分束器及第二相位调制器，第三光纤分束器分别通过长臂光纤以及短臂光纤与第四光纤分束器连接，所述长臂光纤中连接有第二相位调节器。
与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：
本实用新型的一种用于量子雷达的量子成像系统采用光脉冲的诱骗态进行成像过程，可有效提高抗干扰能力，防止目标物体成像被伪造篡改；该系统采用相位编码方案，比偏振编码方案具有更高的稳定性；同时，提高了成像效率，缩短了成像时间，从而得到了更安全的误码率界限，有效地提高了抗干扰能力。
附图说明
图1为本实用新型一种用于量子雷达的量子成像系统的原理框图；
图2为本实用新型实施例的成像效果图。
图中：发送端100，脉冲激光器110，强度调制器120，相位编码器130，第一光纤分束器131，第二光纤分束器132，第一相位调制器133，可调衰减器 140，接收端200，相位解码器210，第三光纤分束器211，第四光纤分束器212，第二相位调制器213，单光子探测器220，量子成像单元300，第一光纤耦合器 310，投影透镜320，数字微镜330，收集透镜340，第二光纤耦合器350。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种用于量子雷达的量子成像系统，包括发送端100、接收端200及量子成像单元300，所述发送端100包括依次连接的脉冲激光器110、强度调制器120、相位编码器130、可调衰减器140；接收端200包括相位解码器210以及与之分别连接的两个单光子探测器220；
所述量子成像单元包括：
第一光纤耦合器310，发送端发出的光脉冲通过第一光纤耦合器310进入自由空间中；
投影透镜320，通过第一光纤耦合器310的光脉冲透过投影透镜320进行准直，变成平行光；
数字微镜330，平行光进入数字微镜330被调制成一系列设定的空间强度分布并照射到目标物体上；
收集透镜340，透过目标物体的光通过收集透镜340聚焦到第二光纤耦合器350进行收集；
第二光纤耦合器350，第二光纤耦合器350对聚焦到其表面的光进行收集，并传送至接收端200。
所述相位编码器130包括第一光纤分束器131、第二光纤分束器132及第一相位调制器133，第一光纤分束器131分别通过长臂光纤以及短臂光纤与第二光纤分束器132连接，所述长臂光纤中连接有第一相位调节器133。
所述相位解码器210包括第三光纤分束器211、第四光纤分束器212及第二相位调制器213，第三光纤分束器211分别通过长臂光纤以及短臂光纤与第四光纤分束器212连接，所述长臂光纤中连接有第二相位调节器213。
本实用新型采用基于数字微镜(以下可称：DMD)的计算鬼成像技术和诱骗态BB84相位编码QKD技术，具体实施方式如下：
(1)计算成像过程
调制DMD可将发送端发出的光强分布预置为Ii(x，y)(1≤i≤M)，M为 DMD的调制次数，通过DMD和接收端单光子探测器的同步，可以获得每调制一次DMD时对应的光子计数Bi(1≤i≤M)，最终可以获得目标物体的图像表达式
其中，
为光子计数的平均值。
(2)误码率下界估计
发送端制备平均光子数为μ，ν和0的信号态，诱骗态，真空态脉冲，经过成像系统回到接收端之后被探测到，可以获得各种态的增益Qμ，Qν和Q0，进而估计出截取重发攻击下的误码率下界为
其中，
为真空态的误码率，e2＝0.146为双光子态引入的误码率，
表示发送端弱相干光源的光子数分布为泊松分布。
本实施例中量子成像单元各部件选择：
成像系统采用的DMD像素为1024 X 768，将24X24的像素阵列作为一个大像素，从而得到20X 20的分辨率。每次将DMD的一个大像素设置为打开状态，其余均为关闭状态，以200Hz的刷新速率得到400张图片，从而得到400 个光强分布。脉冲激光器采用中心波长为1550.12nm的脉冲激光，重复频率为 40MHz。信号态、诱骗态和真空态的光强分别设置为μ＝0.68，ν＝0.18和0，相应的发送概率为13/16，2/16和1/16。接收端单光子探测器的探测效率为10％，暗计数率为1.5×10-6。
测试结果：
脉冲光成像过程的结果
| Q<sub>μ</sub> | Q<sub>ν</sub> | Q<sub>0</sub> | E<sub>μ</sub> | E<sub>v</sub> |
| 2.69×10<sup>-4</sup> | 7.32×10<sup>-5</sup> | 3.0×10<sup>-6</sup> | 2.13％ | 3.99％ |
通过公式(1)可以得到截取重发攻击存在时的误码率下界为14.51％。
如图2所示，其中(a)为目标物体；(b)为使用光强直接恢复的图像；(c)为使用计算成像公式恢复的图像。
综合本实用新型的结构与原理可知，本实用新型的系统采用光脉冲的诱骗态进行成像过程，可有效提高抗干扰能力，防止目标物体成像被伪造篡改；该系统采用相位编码方案，比偏振编码方案具有更高的稳定性；同时，提高了成像效率，缩短了成像时间，从而得到了更安全的误码率界限，有效地提高了抗干扰能力。
Claims (3)
1.一种用于量子雷达的量子成像系统，包括发送端、接收端及量子成像单元，其特征在于，所述发送端包括依次连接的脉冲激光器、强度调制器、相位编码器、可调衰减器；接收端包括相位解码器以及与之分别连接的两个单光子探测器；
所述量子成像单元包括：
第一光纤耦合器，发送端发出的光脉冲通过第一光纤耦合器进入自由空间中；
投影透镜，通过第一光纤耦合器的光脉冲透过投影透镜进行准直，变成平行光；
数字微镜，平行光进入数字微镜被调制成一系列设定的空间强度分布并照射到目标物体上；
收集透镜，透过目标物体的光通过收集透镜聚焦到第二光纤耦合器进行收集；
第二光纤耦合器，第二光纤耦合器对聚焦到其表面的光进行收集，并传送至接收端。
2.如权利要求1所述用于量子雷达的量子成像系统，其特征在于，所述相位编码器包括第一光纤分束器、第二光纤分束器及第一相位调制器，第一光纤分束器分别通过长臂光纤以及短臂光纤与第二光纤分束器连接，所述长臂光纤中连接有第一相位调节器。
3.如权利要求1或2所述用于量子雷达的量子成像系统，其特征在于，所述相位解码器包括第三光纤分束器、第四光纤分束器及第二相位调制器，第三光纤分束器分别通过长臂光纤以及短臂光纤与第四光纤分束器连接，所述长臂光纤中连接有第二相位调节器。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116400323A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-07-07 | 北京中科国光量子科技有限公司 | 一种抗欺骗干扰量子激光雷达 |
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| CN116400323A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-07-07 | 北京中科国光量子科技有限公司 | 一种抗欺骗干扰量子激光雷达 |
| CN116400323B (zh) * | 2023-06-05 | 2023-08-29 | 北京中科国光量子科技有限公司 | 一种抗欺骗干扰量子激光雷达 |
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