量子雷達及其實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種量子雷達及其實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，該量子雷達包括：用于產(chǎn)生光信號的激光源；用于將所述激光源產(chǎn)生的光信號衰減成單光子信號的衰減器；用于將所述單光子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹茁什ǜ缮嫘盘柕牧孔庸鈻?；用于將所述幾率波干涉信號分為第一干涉波和第二干涉波兩部分的分光器；用于將所述第一干涉波射向目?biāo)的信號發(fā)射鏡；用于根據(jù)幾率關(guān)聯(lián)效應(yīng)，輸出電壓信號的單光子檢測器；以及用于根據(jù)所述電壓信號計算出目標(biāo)的位置目標(biāo)判斷輸出模塊。本發(fā)明量子雷達進行目標(biāo)探測采用非因果的并行事件測量，通過對目標(biāo)發(fā)射幾率干涉波，但不用測量(接收)回波而獲得目標(biāo)信息，提高了雷達的性能。
【專利說明】量子雷達及其實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于空間目標(biāo)探測的光電設(shè)備，具體地指一種量子雷達及其實現(xiàn) 目標(biāo)探測的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 未來戰(zhàn)爭是高科技、信息化戰(zhàn)爭，對戰(zhàn)略預(yù)警體系要求越來越高。雷達作為戰(zhàn)略預(yù) 警體系的核心更是優(yōu)先發(fā)展的重點。目前，常規(guī)體制雷達主要存在如下幾方面缺點：一是發(fā) 射功率大（幾十千瓦），電磁泄漏大；二是反隱身能力差；三是成像能力弱；四是信號處理 復(fù)雜，頭時性弱。
[0003] 此外，現(xiàn)有常規(guī)體制雷達發(fā)展方向主要是通過提高接收機靈敏度來提高雷達的整 機性能。而常規(guī)體制雷達利用電磁波探測目標(biāo)，采用實波因果測量方案，即需要通過測量到 回波信號后來確定目標(biāo)，由于電磁波受熱噪聲疊加影響，電子設(shè)備也受熱噪聲影響，因此， 常規(guī)體制雷達靈敏度是信噪比極限下的（SNL，sh〇t-n〇iselimit)，所以常規(guī)體制雷達靈敏 度的進一步提商已達極限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種量子雷達及其實現(xiàn)目標(biāo)探 測的方法，該量子雷達采用非因果的并行事件測量，通過對目標(biāo)發(fā)射幾率干涉波，但不用測 量（接收）回波而獲得目標(biāo)信息，提高了雷達的性能。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是：一種量子雷達，包括：
[0006] 激光源，用于產(chǎn)生光信號；
[0007] 衰減器，用于將所述光信號衰減成單光子信號；
[0008] 量子光柵，用于將所述單光子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹茁什ǜ缮鏃l紋信號；
[0009] 分光器，用于將所述幾率波干涉條紋信號分為第一干涉波和第二干涉波兩部分； 第一干涉波射向目標(biāo)，第二干涉波用于感應(yīng)第一干涉波遇到目標(biāo)時引起的幾率干涉波的相 位偏移；
[0010] 信號發(fā)射鏡，用于將所述第一干涉波射向待測區(qū)域；
[0011] 單光子檢測器，利用超導(dǎo)的超導(dǎo)態(tài)隨著庫珀對破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀娮锠顟B(tài)，根據(jù) 第二干涉波輸出電壓信號；
[0012] 目標(biāo)判斷輸出模塊，用于根據(jù)所述電壓信號計算出待測區(qū)域中目標(biāo)的位置；以及
[0013] 光纖放大器，用于將所述單光子檢測器的透射光放大恢復(fù)后反饋至所述量子光柵 的輸入端；
[0014] 所述量子光柵將光纖放大器放大恢復(fù)后的透射光傳入分光器。
[0015] 此外，本發(fā)明還提供一種上述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，該方法包括：激光 源產(chǎn)生的光信號經(jīng)衰減器衰減成為單光子信號，單光子信號經(jīng)量子光柵獲得幾率波干涉信 號，所述幾率波干涉信號中的一部分幾率波經(jīng)過分光器送入信號發(fā)射鏡射向目標(biāo)；另一部 分幾率波送入單光子檢測器，單光子檢測柵格處于光子透射狀態(tài)，透射的光子被送入光纖 放大器進行放大，再送入量子光柵；
[0016] 當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)時，則會引起量子干涉條紋在單光子檢測柵格上的移動，從而引起 單光子檢測器有信號電壓輸出，這個電壓輸出信號送入目標(biāo)判斷輸出模塊進行目標(biāo)辨識輸 出。
[0017] 本發(fā)明還提供第二種量子雷達，該量子雷達包括：
[0018] 激光源，用于產(chǎn)生光信號；
[0019] 衰減器，用于將所述激光源產(chǎn)生的光信號衰減成單光子信號；
[0020] 量子光柵，用于將所述單光子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹茁什ǜ缮鏃l紋信號；
[0021] 單光子檢測器，所述幾率波干涉條紋信號傳入該單光子檢測器；
[0022] 分光器，用于將單光子檢測器傳出的幾率波干涉條紋信號分為第一干涉波和第二 干涉波兩部分；第一干涉波射向目標(biāo)，第二干涉波用于感應(yīng)第一干涉波遇到目標(biāo)時引起的 幾率干涉波的相位偏移；
[0023] 信號發(fā)射鏡，用于將所述第一干涉波射向待測區(qū)域；
[0024] 光纖放大器，用于將所述第二干涉波放大反饋至所述量子光柵，所述量子光柵將 放大后的第二干涉波轉(zhuǎn)化為后續(xù)幾率波干涉條紋信號；單光子檢測器利用超導(dǎo)的超導(dǎo)態(tài)隨 著庫珀對破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀娮锠顟B(tài)，根據(jù)后續(xù)幾率波干涉條紋信號輸出電壓信號；以及
[0025]目標(biāo)判斷輸出模塊，用于根據(jù)所述電壓信號計算出待測區(qū)域中目標(biāo)的位置
[0026] 本發(fā)明通過上述第二種量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，包括以下步驟：
[0027] 激光源產(chǎn)生的光信號經(jīng)衰減器衰減成為單光子信號；單光子信號經(jīng)量子光柵獲得 幾率波干涉條紋信號，所述幾率波干涉條紋信號通過單光子檢測器后進入分光器，分光器 將所述幾率波干涉條紋信號分為第一干涉波和第二干涉波兩部分；第一干涉波送入信號發(fā) 射鏡射向目標(biāo)；第二干涉波經(jīng)過光纖放大器送入量子光柵；
[0028] 當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)時，則會引起量子干涉條紋在單光子檢測柵格上的移動，從而引起 單光子檢測器有信號電壓輸出，這個電壓輸出信號送入目標(biāo)判斷輸出模塊進行目標(biāo)辨識輸 出。
[0029] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0030] -、信號不同，常規(guī)體制雷采用米波段至毫米波段電磁波，而本發(fā)明量子雷達信號 采用單光子信號，因此，本發(fā)明量子雷達的靈敏度比常規(guī)雷達靈敏度高5個數(shù)量級以上（根 據(jù)常規(guī)雷達接收機最小接收信號在皮瓦量級，通過皮瓦與單光子能量換算得出）。
[0031] 二、目標(biāo)探測機制不同，常規(guī)體制雷達采用實波因果測量方案，即對目標(biāo)主動發(fā)射 電磁波，然后通過辨識目標(biāo)反射的回波獲得空間目標(biāo)信息；而本發(fā)明采用的幾率波非因果 的并行事件測量方案，即通過對目標(biāo)發(fā)射幾率干涉波，通過幾率干涉波的幾率關(guān)聯(lián)特性，實 現(xiàn)不用測量（接收）回波而獲得目標(biāo)信息，而不用測量（接收）回波來獲得目標(biāo)信息。
[0032] 三、信號辨識方式不同，常規(guī)雷達是對大量光子組成的電磁波進行辨識，而本發(fā)明 量子雷達是對單個光子和單光子的"子波"進行辨識。
[0033] 四、本發(fā)明所用超導(dǎo)單光子檢測器為光柵形式，對單光子信號的辨識是在量子光 柵和超導(dǎo)單光子檢測器聯(lián)合使用下完成。
[0034] 五、本發(fā)明通過光纖放大器將所述單光子檢測器的透射光反饋至量子光柵的輸入 端形成閉環(huán)，從而實現(xiàn)無回波測量需要的，且與時序無關(guān)的穩(wěn)定參照狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1為實施例1量子雷達的結(jié)構(gòu)框圖。
[0036] 圖2為量子光柵的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2-1為矩形光柵的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2-2為圓形光 柵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 圖3為超導(dǎo)單光子檢測器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 圖4為實施例2量子雷達的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0040] 實施例1
[0041] 如圖1所示，本實施例量子雷達包括：激光源、衰減器、量子光柵、分光器、信號發(fā) 射鏡、單光子檢測器、光纖放大器以及目標(biāo)判決輸出模塊。
[0042] 本實施例所用激光光源要求強相干性，例如采用紅外光（1. 5iim或0. 85iim等）。
[0043] 本實施例所用量子光柵用于將單光子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹茁矢缮娌ㄐ盘?，產(chǎn)生幾率波干 涉的量子光柵需滿足以下條件：一是產(chǎn)生路徑不確定性選擇，如單粒子流面對雙縫（幾何 對稱的）將產(chǎn)生路徑不確定性選擇；二是光柵柵格寬度及柵格之間的間隔與粒子波長同量 級；三是光柵與屏（超導(dǎo)柵格）的距離要合適。
[0044] 如圖2所示量子光柵可分為雙縫和多縫；還可分為電子等費米子光柵（真空縫或 晶格）和光子等玻色子光柵（縫由透光介質(zhì)組成）。光柵幾何形式可以是光柵縫堅縫排列， 也可是光柵縫對稱分布在圓上。圖2-1所示的量子光柵縫寬、縫間隔和縫高與光子幾何尺 寸（光波長）同量級，如2-2所示的多縫圓形光柵還要求縫在圓上對稱分布。光柵采用蒸 鍍?yōu)R射法將壓電晶體和半導(dǎo)體材料合成。
[0045] 本實施例所用分光器將量子光柵輸出的干涉波（干涉條紋）分為兩部分：一部分 輸入信號發(fā)射鏡，用于掃描目標(biāo)；另一部分輸入單光子檢測器。
[0046] 本實施例所用單光子檢測器為超導(dǎo)單光子檢測器，如圖3所示，將超導(dǎo)做成透射 光的柵格形式，超導(dǎo)薄膜貼于柵格不透光的間隔上，利用超導(dǎo)的溫度電阻特性檢測量子干 涉波條紋的移動。當(dāng)量子干涉條紋的亮紋移動照射到超導(dǎo)薄膜上時，由于光子對超導(dǎo)體的 庫珀對破壞，將超導(dǎo)體由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔｋ娮锠顟B(tài)，從而在超導(dǎo)薄膜上產(chǎn)生電壓輸出 信號。
[0047] 本實施例所用光纖放大器是利用超導(dǎo)單光子檢測器的透射光，經(jīng)光纖放大器反饋 至量子光柵輸入端，以此形成自激光振蕩回路，實現(xiàn)無回波測量需要的且與時序無關(guān)的穩(wěn) 定參照狀態(tài)。當(dāng)沒有目標(biāo)出現(xiàn)時，整個系統(tǒng)處于一種自激振蕩狀態(tài)，激光光源沒有輸入；當(dāng) 有目標(biāo)出現(xiàn)時，由于干涉條紋的移動使得沒有光子反饋，自激振蕩中斷，激光光源重新啟動 輸入信號，新的一輪探測計時開始。
[0048] 本實施例所用信號發(fā)射鏡的作用在于：一是使信號具有方向性，便于光束對空間 目標(biāo)的掃描搜索和目標(biāo)方位的計算；二是使多源單光子束形成并行發(fā)射，即可將多個量子 光柵發(fā)來的幾率波干涉信號通過一個發(fā)射鏡發(fā)射。
[0049] 使用本實施例量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法包括以下步驟：
[0050]S100、激光源產(chǎn)生的光信號經(jīng)衰減器衰減成為單光子信號。
[0051]S200、單光子信號經(jīng)量子光柵獲得幾率波干涉條紋信號。
[0052] S300、幾率波干涉條紋信號中的一部分幾率波（第一干涉波）經(jīng)過分光器送入信 號發(fā)射鏡射向目標(biāo)；另一部分（第二干涉波）送入單光子檢測器。
[0053] 干涉波仍然是一完備子空間，如果第一干涉波仍然是一子空間，第二干涉波受到 的擾動可能不會影響第一干涉波狀態(tài)，反之第一干涉波可引起第二干涉波的相位移動。 第二干涉波透射波只需其攜帶原始狀態(tài)信息，類似生物DNA，光纖放大器就可以根據(jù)這個 "DNA"恢復(fù)出原始態(tài)光子。
[0054]S400、超導(dǎo)單光子檢測柵格處于光子透射狀態(tài)，即使得量子干涉的亮條紋處于超 導(dǎo)柵格縫上，透射的光子被送入光纖放大器進行放大，再送入量子光柵。當(dāng)信號發(fā)射鏡射出 的幾率波遇到目標(biāo)時，由于量子干涉波的幾率關(guān)聯(lián)效應(yīng)，將會引起量子干涉條紋在單光子 檢測柵格上的移動，亮紋將移動至超導(dǎo)薄膜上，超導(dǎo)薄膜將由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮锠顟B(tài)，從 而有信號電壓輸出。
[0055]S500、目標(biāo)判決輸出模塊根據(jù)單光子檢測器的輸出信號電壓判定目標(biāo)出現(xiàn)的時 亥IJ，然后根據(jù)發(fā)射信號的起始時刻、出現(xiàn)兩個信號的間隔時間，再加上發(fā)射鏡的信號發(fā)射角 度值，綜合判斷計算出目標(biāo)方位。
[0056] 本發(fā)明的創(chuàng)新是利用量子光柵產(chǎn)生的干涉幾率波探測目標(biāo)，將量子光柵和超導(dǎo)單 光子檢測器結(jié)合使用，一方面極大提高超導(dǎo)單光子檢測器的靈敏度，另一方面將幾率波的 最重要的特性一幾率關(guān)聯(lián)特性開發(fā)應(yīng)用出來。
[0057] 本發(fā)明在超導(dǎo)單光子檢測器前增加了量子干涉器（量子光柵），使得整個單光子 檢測器性能在三個方面獲得巨大提高：一是光子經(jīng)過量子干涉使其精確分布在一定空間； 二是由于量子干涉條紋是一序列光子共同作用形成的空間幾率，本發(fā)明利用了一序列光子 共同參與進行單光子檢測；三是光柵將光子波函數(shù)在幾率空間展開，量子干涉條紋可以看 作光子的一組基態(tài)，超導(dǎo)薄膜柵格分別感應(yīng)各基態(tài)，將其轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，這樣不僅可獲得 單光子的存在，而且還可精確獲知其攜帶的信息（狀態(tài)）。
[0058] 設(shè)光子由n個基態(tài)（本征態(tài)）的量子系統(tǒng)產(chǎn)生，則光子波函數(shù)可表示為：
[0059] <V(r,t) | =q<ViCr,t) |+c2 <V2(r,t) |+…+cn <Vn(r,t) | 這里 <ViCr,t) |, <v2(r,t) |,…，<vn(r,t) |為系統(tǒng)的一組基態(tài)，q為任意復(fù)常數(shù)，且

【權(quán)利要求】
1. 一種量子雷達，其特征在于，包括： 激光源，用于產(chǎn)生光信號； 衰減器，用于將所述光信號衰減成單光子信號； 量子光柵，用于將所述單光子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹茁什ǜ缮鏃l紋信號； 分光器，用于將所述幾率波干涉條紋信號分為第一干涉波和第二干涉波兩部分；第一 干涉波射向目標(biāo)，第二干涉波用于感應(yīng)第一干涉波遇到目標(biāo)時引起的幾率干涉波的相位偏 移； 信號發(fā)射鏡，用于將所述第一干涉波射向待測區(qū)域； 單光子檢測器，利用超導(dǎo)的超導(dǎo)態(tài)隨著庫珀對破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀娮锠顟B(tài)，根據(jù)第二 干涉波輸出電壓信號； 目標(biāo)判斷輸出模塊，用于根據(jù)所述電壓信號計算出待測區(qū)域中目標(biāo)的位置；以及 光纖放大器，用于將所述單光子檢測器的透射光放大恢復(fù)后反饋至所述量子光柵的輸 入端； 所述量子光柵將光纖放大器放大恢復(fù)后的透射光傳入分光器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子雷達，其特征在于：所述單光子檢測器為超導(dǎo)單光子檢 測器，所述超導(dǎo)單光子檢測器是超導(dǎo)做成透射光的柵格，超導(dǎo)薄膜貼于柵格不透光的間隔 上。
3. -種通過權(quán)利要求1所述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，其特征在于：激光源產(chǎn)生 的光信號經(jīng)衰減器衰減成為單光子信號，單光子信號經(jīng)量子光柵獲得幾率波干涉信號，所 述幾率波干涉信號中的一部分幾率波經(jīng)過分光器送入信號發(fā)射鏡射向目標(biāo)；另一部分幾率 波送入單光子檢測器，單光子檢測柵格處于光子透射狀態(tài)，透射的光子被送入光纖放大器 進行放大，再送入量子光柵； 當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)時，則會引起量子干涉條紋在單光子檢測柵格上的移動，從而引起單光 子檢測器有信號電壓輸出，這個電壓輸出信號送入目標(biāo)判斷輸出模塊進行目標(biāo)辨識輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，其特征在于：所述目標(biāo)判斷輸 出模塊根據(jù)單光子檢測器的輸出信號判定目標(biāo)出現(xiàn)的時刻，然后根據(jù)發(fā)射信號的起始時 亥IJ、出現(xiàn)兩個信號的間隔時間，再加上發(fā)射鏡的信號發(fā)射角度值，綜合判斷計算出目標(biāo)方 位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，其特征在于：所述單光子檢測 器為超導(dǎo)單光子檢測器，當(dāng)量子干涉條紋的亮紋移動照射到超導(dǎo)薄膜上時，由于光子對超 導(dǎo)的庫珀對破壞，將超導(dǎo)體由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔｋ娮锠顟B(tài)，從而在超導(dǎo)薄膜上產(chǎn)生電壓 輸出信號。
6. -種量子雷達，其特征在于，包括： 激光源，用于產(chǎn)生光信號； 衰減器，用于將所述激光源產(chǎn)生的光信號衰減成單光子信號； 量子光柵，用于將所述單光子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹茁什ǜ缮鏃l紋信號； 單光子檢測器，所述幾率波干涉條紋信號傳入該單光子檢測器； 分光器，用于將單光子檢測器傳出的幾率波干涉條紋信號分為第一干涉波和第二干涉 波兩部分；第一干涉波射向目標(biāo)，第二干涉波用于感應(yīng)第一干涉波遇到目標(biāo)時引起的幾率 干涉波的相位偏移； 信號發(fā)射鏡，用于將所述第一干涉波射向待測區(qū)域； 光纖放大器，用于將所述第二干涉波放大反饋至所述量子光柵，所述量子光柵將放大 后的第二干涉波轉(zhuǎn)化為后續(xù)幾率波干涉條紋信號；單光子檢測器利用超導(dǎo)的超導(dǎo)態(tài)隨著庫 珀對破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀娮锠顟B(tài)，根據(jù)后續(xù)幾率波干涉條紋信號輸出電壓信號；以及 目標(biāo)判斷輸出模塊，用于根據(jù)所述電壓信號計算出待測區(qū)域中目標(biāo)的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的量子雷達，其特征在于：所述單光子檢測器為超導(dǎo)單光子檢 測器，所述超導(dǎo)單光子檢測器是超導(dǎo)做成透射光的柵格，超導(dǎo)薄膜貼于柵格不透光的間隔 上。
8. -種通過權(quán)利要求6所述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，其特征在于包括： 激光源產(chǎn)生的光信號經(jīng)衰減器衰減成為單光子信號；單光子信號經(jīng)量子光柵獲得幾率 波干涉條紋信號，所述幾率波干涉條紋信號通過單光子檢測器后進入分光器，分光器將所 述幾率波干涉條紋信號分為第一干涉波和第二干涉波兩部分；第一干涉波送入信號發(fā)射鏡 射向目標(biāo)；第二干涉波經(jīng)過光纖放大器送入量子光柵； 當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)時，則會引起量子干涉條紋在單光子檢測柵格上的移動，從而引起單光 子檢測器有信號電壓輸出，這個電壓輸出信號送入目標(biāo)判斷輸出模塊進行目標(biāo)辨識輸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，其特征在于：所述目標(biāo)判斷輸 出模塊根據(jù)單光子檢測器的輸出信號判定目標(biāo)出現(xiàn)的時刻，然后根據(jù)發(fā)射信號的起始時 亥IJ、出現(xiàn)兩個信號的間隔時間，再加上發(fā)射鏡的信號發(fā)射角度值，綜合判斷計算出目標(biāo)方 位。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述量子雷達實現(xiàn)目標(biāo)探測的方法，其特征在于：所述單光子檢測 器為超導(dǎo)單光子檢測器，當(dāng)量子干涉條紋的亮紋移動照射到超導(dǎo)薄膜上時，由于光子對超 導(dǎo)的庫珀對破壞，將超導(dǎo)體由超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔｋ娮锠顟B(tài)，從而在超導(dǎo)薄膜上產(chǎn)生電壓 輸出信號。
【文檔編號】G01S17/06GK104330802SQ201410567093
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】譚宏 申請人:譚宏