本發(fā)明涉及量子導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于量子糾纏微波的導(dǎo)航測角方法及其實現(xiàn)裝置。

背景技術(shù)：

導(dǎo)航隨著人類的政治、經(jīng)濟和社會活動的需求而產(chǎn)生，到目前為止已經(jīng)誕生了幾十種實用的導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)如今，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)作為電子信息系統(tǒng)之一，仍然是軍民航空領(lǐng)域的主要導(dǎo)航手段。在軍事領(lǐng)域，導(dǎo)航技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的基石，不管是核潛艇、空間站，還是各類精確制導(dǎo)武器都依賴于導(dǎo)航技術(shù)和設(shè)備。

傳統(tǒng)導(dǎo)航測角技術(shù)大多利用無線電信號進行測角。其中，按照測角的原理可以分為振幅式測角、相位式測角以及時基波束掃描式測角。傳統(tǒng)測角方法對于合作對象來說是一種非常有效的方法，但是容易受到干擾影響，測角精度有限，弱信號檢測能力不強，且系統(tǒng)的安全性能得不到保證，無法滿足在復(fù)雜環(huán)境條件下獲取安全可靠的導(dǎo)航信息。因此人們需要一種更加安全可靠的導(dǎo)航測角技術(shù)。

量子糾纏是量子力學(xué)領(lǐng)域的一種特殊“資源”，利用糾纏，人們得以突破經(jīng)典電動力學(xué)的框架，從全新的視角去發(fā)展信息科學(xué)與技術(shù)，完成了一系列看似不可能完成的任務(wù)。量子糾纏具有不可克隆的特性，糾纏態(tài)在傳播過程中，如果被敵方截取或測量了信號，那么不確定的糾纏態(tài)坍縮到確定狀態(tài)，信號將會失去可用信息，因此理論上是完全保密的。同時，量子糾纏可以突破量子噪聲極限，能夠大大提高測量系統(tǒng)的精度。另外，糾纏信號具有集束到達的性質(zhì)，在多光子糾纏情況下可提高作用距離和若信號檢測能力。近年來，以量子糾纏為代表的各種量子技術(shù)迅速發(fā)展，并逐步應(yīng)用于更加廣泛的領(lǐng)域。

量子糾纏微波信號是微波頻段量子特性的體現(xiàn)。在超導(dǎo)環(huán)境下，利用約瑟夫森結(jié)可以進行量子微波方面的許多實驗，2012年，德國E.P.Menzel小組將真空態(tài)與泵浦驅(qū)動的約瑟夫森參量放大器(Josephson parametric amplifier)產(chǎn)生的壓縮態(tài)混合，產(chǎn)生了空間分離的連續(xù)變量糾纏微波場；同年，法國E.Flurin小組利用約瑟夫森混合器(Josephson mixer)實現(xiàn)了微波光場雙模壓縮態(tài)的空間分離，即制造了兩路量子糾纏微波信號。量子糾纏微波的生成和探測技術(shù)愈來愈趨向于成熟，并且也嘗試在量子通信、量子計算機等領(lǐng)域應(yīng)用，然而目前并未見到其應(yīng)用于導(dǎo)航的報道，因此，本發(fā)明目的在于借助量子糾纏微波的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于導(dǎo)航測角技術(shù)中，有效彌補現(xiàn)有測角方式存在的缺陷，提供安全可靠的導(dǎo)航信息，提高系統(tǒng)抗干擾能力和弱信號檢測能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于量子糾纏微波的導(dǎo)航測角方法，包括：

步驟1：利用量子糾纏微波生成器產(chǎn)生兩路量子糾纏微波信號；

步驟2：改變兩路量子糾纏微波信號的延時，使兩路量子糾纏微波信號波束相關(guān)聯(lián)位置在空間形成偏移；

步驟3：將一路量子糾纏微波信號送入水平極化天線，將另一路量子糾纏微波信號送入垂直極化天線，兩天線之間的連線垂直于機場跑道中心線，兩天線與機場跑道中心線等距且位于跑道平面的平行面上，兩天線向飛機著陸端方向發(fā)射量子糾纏微波信號；

步驟4：飛機上采用水平極化天線和垂直極化天線分別接收兩路量子糾纏微波信號并進行無噪聲放大；

步驟5：將放大后的量子糾纏微波信號送入正交支路檢測器中與振蕩器產(chǎn)生的信號相混合生成中頻信號，然后提取中頻信號的正交分量信息；

步驟6：對正交分量信息進行相關(guān)峰值檢測，得到相鄰兩次的相關(guān)峰值時間間隔，利用時基波束掃描法求解時間間隔，最后得到飛機相對于跑道中心線的方位角度信息。

進一步地，

在步驟1中，量子糾纏微波生成器由約瑟夫森參量放大器和180°混合環(huán)串聯(lián)組成，在泵浦信號的驅(qū)動下產(chǎn)生兩路量子糾纏微波信號，將其作為測角發(fā)射信號，泵浦信號的頻率為11.274GHz，量子糾纏微波信號為中心頻率5.637GHz的窄帶信號，帶寬在10MHz數(shù)量級。進一步地，

在步驟5中振蕩器產(chǎn)生的信號頻率為5.626GHz，中頻信號頻率為11MHz。

進一步地，

在步驟6中先對正交分量進行關(guān)聯(lián)檢測，得到相鄰兩次接收相關(guān)峰值的時間間隔t，再利用公式

式中：θ——目標(biāo)角度(°)

V——關(guān)聯(lián)基線的掃描速度(°/s)

T₀——關(guān)聯(lián)基線掃過跑道中心線的往返時間差(s)

求解目標(biāo)角度信息。

進一步地，

該導(dǎo)航測角方法可應(yīng)用于飛機的著陸階段，給出飛機相對于跑道中心線的方位角信息，引導(dǎo)飛機沿指定航線安全著陸。

本發(fā)明還提供一種基于量子糾纏微波的導(dǎo)航測角裝置，包括發(fā)射部分、接收部分，

其中，

發(fā)射部分位于地面，由糾纏微波生成器、一號延時器、二號延時器、一號水平極化天線、一號垂直極化天線組成；

其中，

糾纏微波生成器用于產(chǎn)生A、B兩路量子糾纏微波信號，兩路量子糾纏微波信號分別送入到一號延時器和二號延時器中進行處理；

一號延時器與A路信號連接，用于對A路糾纏微波信號進行延時發(fā)射處理并輸出至一號水平極化天線；

二號延時器與B路信號連接，用于對B路糾纏微波信號進行延時發(fā)射處理并輸出至一號垂直極化天線；

一號水平極化天線與一號延時器連接，用于向空間發(fā)射A路糾纏微波測角信號；

一號垂直極化天線與二號延時器連接，用于向空間發(fā)射B路糾纏微波測角信號；

接收部分位于飛機上，由二號水平極化天線、二號垂直極化天線、一號放大器、二號放大器、振蕩器、一號IQ正交支路檢測器、二號IQ正交支路檢測器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器組成；

其中，

二號水平極化天線用于接收A路糾纏微波測角信號并輸出至一號放大器；

二號垂直極化天線用于接收B路糾纏微波測角信號并輸出至二號放大器；

一號放大器與二號水平極化天線連接，用于放大接收到的A路信號并輸出至一號IQ正交支路檢測器；

二號放大器與二號垂直極化天線連接，用于放大接收到的B路信號并輸出至二號IQ正交支路檢測器；

振蕩器產(chǎn)生的信號輸出至一號IQ正交支路檢測器和二號IQ正交支路檢測器；

一號IQ正交支路檢測器與一號放大器和振蕩器連接，先將A路信號轉(zhuǎn)換成中頻信號，然后提取該中頻信號的正交分量I_A,Q_A，并輸出至數(shù)據(jù)處理器；

二號IQ正交支路檢測器與二號放大器和振蕩器連接，先將B路信號轉(zhuǎn)換成中頻信號，然后提取該中頻信號的正交分量I_B,Q_B，并輸出至數(shù)據(jù)處理器；

數(shù)據(jù)處理器并行接收一號IQ正交支路檢測器、二號IQ正交支路檢測器輸出的正交分量I_A,Q_A、I_B,Q_B，然后對正交分量進行相關(guān)峰值檢測，并輸出測角結(jié)果至顯示器；

顯示器顯示數(shù)據(jù)處理器得到的角度信息。

進一步地，

一號水平極化天線、一號垂直極化天線、二號水平極化天線、二號垂直極化天線為帶寬100MHz的喇叭天線。

進一步地，

一號放大器、二號放大器為基于約瑟夫森結(jié)的相位不敏感式參量放大器。數(shù)據(jù)處理器為FPGA可編程邏輯器件，對正交分量的采樣速率為150MHz。

本發(fā)明利用量子糾纏微波作為測角信號，信號本身具備量子不可克隆的性質(zhì)，安全性能大大提高，量子糾纏微波信號具有時空關(guān)聯(lián)、集束到達、擴頻增益大的優(yōu)點，能夠克服各種噪聲帶來的不利影響以及傳統(tǒng)測角中難以避免的多徑干擾，提高了弱信號檢測能力，在復(fù)雜電磁環(huán)境下具有重要意義。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1為兩路量子糾纏微波信號的關(guān)聯(lián)特性圖；

圖2為AB連線的中垂線標(biāo)定方法示意圖；

圖3為任意路線標(biāo)定方法示意圖；

圖4為關(guān)聯(lián)基線往返掃描引導(dǎo)飛機安全著陸示意圖；

圖5為時基波束掃描法測角原理圖；

圖6為導(dǎo)航測角方法流程圖；

圖7為導(dǎo)航測角裝置組成框圖。

附圖標(biāo)記說明：

導(dǎo)航測角裝置發(fā)射部分10，糾纏微波生成器101，一號延時器102，二號延時器103，一號水平極化天線104，一號垂直極化天線105，導(dǎo)航測角裝置接收部分20，二號水平極化天線201，二號垂直極化天線202，一號放大器203，二號放大器204，振蕩器205，一號IQ正交支路檢測器206，二號IQ正交支路檢測器207，數(shù)據(jù)處理器208，顯示器209。

具體實施方式

下面首先說明本發(fā)明中的導(dǎo)航測角原理。

量子糾纏微波信號的關(guān)聯(lián)特性如圖1所示，它表示了兩路量子糾纏微波信號正交分量之間的關(guān)系，其中a，b表示糾纏信號，X，Y表示正交分量方向，X_a表示a路信號的X方向正交分量，X_b表示b路信號的X方向正交分量，Y_a、Y_b同理如此。兩路糾纏信號的同一個方向的正交分量之間分別表現(xiàn)為正關(guān)聯(lián)和反關(guān)聯(lián)，在無外界干擾情況下，同一時刻測得的信號始終滿足圖1中的關(guān)聯(lián)特性。接收機接收量子糾纏微波信號后，可利用相關(guān)峰值檢測的方法對其進行測量，對傳播時間完全相同的兩路信號作檢測時，會得到最大的相關(guān)峰值；若兩路信號不同時到達，那么糾纏微波信號各自之間因具有完全隨機的特性，在不同時刻不存在相關(guān)性，得不到相關(guān)峰值。

如圖2所示，A、B兩點為糾纏微波信號的發(fā)射端，在兩路信號不存在延時的情況下，信號由天線向自由空間發(fā)射，形成圖中所示的波束，由于糾纏微波信號的關(guān)聯(lián)特性，在AB連線的中垂線上，接收機接收到的兩路信號是處處相關(guān)聯(lián)的，而在其他任何位置則不相關(guān)，根據(jù)這一原理，可以標(biāo)定AB連線的中垂線。

當(dāng)對A路信號進行一定的延時處理后，兩路量子糾纏微波信號的時空關(guān)聯(lián)點將發(fā)生偏移。圖3示出了對A路信號延時處理后基線偏移的示意圖。A路信號的發(fā)射延時后，顯然兩路信號的關(guān)聯(lián)點向A點所在一側(cè)偏移，不再發(fā)生在原來的中垂線上，實際中AB兩點間的距離相比工作區(qū)域可以忽略不計，假定在圖中的C點處檢測到了兩路信號同時到達，可認(rèn)為兩路信號與C點的連線是平行的，那么在OC連線上的兩路信號是處處關(guān)聯(lián)的，其他位置則不相關(guān)。同理，若對B路信號進行延時處理，則關(guān)聯(lián)點會向B點所在一側(cè)偏移。因此，可根據(jù)實際需要，改變信號的延時大小，標(biāo)定任意基線。

在此基礎(chǔ)上，如果在發(fā)射端連續(xù)改變A、B兩路信號的延時，那么形成的效果相當(dāng)于關(guān)聯(lián)基線在工作區(qū)域內(nèi)往返掃描，若應(yīng)用于飛機著陸階段，地面設(shè)備為發(fā)射端，跑道中心線與AB中垂線重合，機載設(shè)備為接收端，那么可通過測量飛機相鄰兩次測量到關(guān)聯(lián)基線的時間間隔來獲取飛機相對于跑道中心線的方位角，從而引導(dǎo)飛機安全著陸，如圖4所示。

圖5示出了對飛機進行時基波束掃描法測角的原理圖。將圖4至AB點的中垂線定義為0°航向角，當(dāng)關(guān)聯(lián)基線相對跑道中心線以固定的速率由左向右“往”掃描碰到飛機時，飛機收到一個“往”脈沖，即相關(guān)檢測的相關(guān)峰；然后由右向左“返”掃描又碰到飛機時，飛機又收到一個“返”脈沖。相鄰兩次的相關(guān)峰值時間間隔為t，由于關(guān)聯(lián)基線的掃描速率很高，在一個掃描周期內(nèi)可以忽略測角接收機的位移，這一對“往”“返”脈沖之間的時間間隔t與跑道中心線的相對方位角的關(guān)系表達式為

式中：θ——目標(biāo)方位角(°)

V——關(guān)聯(lián)基線的掃描速度(°/s)

T₀——關(guān)聯(lián)基線掃過跑道中心線的往返時間差(s)

根據(jù)公式(1)可完成對目標(biāo)的導(dǎo)航測角，從而引導(dǎo)飛機安全著陸。

如圖6所示，本發(fā)明提供了一種基于量子糾纏微波的導(dǎo)航測角方法，包括：

第一步：利用量子糾纏微波生成器產(chǎn)生A、B兩路量子糾纏微波信號s_A(t)、s_B(t)；

在本發(fā)明的一個實施例中，量子糾纏微波生成器由約瑟夫森參量放大器和180°混合環(huán)串聯(lián)組成，在泵浦信號的驅(qū)動下產(chǎn)生兩路量子糾纏微波信號，將其作為測角發(fā)射信號，泵浦信號的頻率為11.274GHz，糾纏微波信號為中心頻率5.637GHz的窄帶信號，帶寬在10MHz數(shù)量級；

第二步：實時改變A路信號的延時τ_A、B路信號的延時τ_B，使兩路量子糾纏微波信號波束相關(guān)聯(lián)位置在空間形成偏移；

第三步：將A路量子糾纏微波信號s_A(t-τ_A)送入水平極化天線，將B路量子糾纏微波信號s_B(t-τ_B)送入垂直極化天線，兩天線之間的連線垂直于機場跑道中心線，兩天線與機場跑道中心線等距且位于跑道平面的平行面上，兩天線向飛機著陸端方向發(fā)射量子糾纏微波信號；

第四步：飛機上采用水平極化天線和垂直極化天線分別接收兩路量子糾纏微波信號s_A(t-τ_A)、s_B(t-τ_B)，并進行無噪聲放大；

第五步：將放大后的量子糾纏微波信號送入正交支路檢測器中與振蕩器產(chǎn)生的信號相混合生成中頻信號，并提取中頻信號的正交分量信息I_A,Q_A、I_B,Q_B；

在本發(fā)明的一個實施例中，振蕩器產(chǎn)生的信號的頻率為5.626GHz，中頻信號頻率為11MHz。

第六步：對正交分量信息進行相關(guān)峰值檢測，得到相鄰兩次的相關(guān)峰值時間間隔，利用時基波束掃描法求解時間間隔，最后得到飛機相對于跑道中心線的方位角度信息。

如圖7所示，本發(fā)明還提供一種基于量子糾纏微波的導(dǎo)航測角裝置，包括：發(fā)射部分10和接收部分20。

發(fā)射部分10位于地面，它包括：糾纏微波生成器101、一號延時器102、二號延時器103、一號水平極化天線104、一號垂直極化天線105；

糾纏微波生成器101產(chǎn)生A、B兩路量子糾纏微波信號s_A(t)、s_B(t)，量子糾纏微波信號s_A(t)送入到一號延時器102，量子糾纏微波信號s_B(t)送入二號延時器103；

一號延時器102與A路信號連接，用于對A路糾纏微波信號s_A(t)進行延時發(fā)射處理并輸出至一號水平極化天線104，信號格式變?yōu)閟_A(t-τ_A)；

二號延時器103與B路信號連接，用于對B路糾纏微波信號s_B(t)進行延時發(fā)射處理并輸出至一號垂直極化天線105，信號格式變?yōu)閟_B(t-τ_B)；

一號水平極化天線104與一號延時器102連接，用于向空間發(fā)射A路糾纏微波測角信號s_A(t-τ_A)；

一號垂直極化天線105與二號延時器103連接，用于向空間發(fā)射B路糾纏微波測角信號s_B(t-τ_B)；

水平極化天線與垂直極化天線是通過位置放置不同類型的喇叭天線實現(xiàn)的，喇叭天線能夠保證信號在傳播過程中以場的方式進行，避免轉(zhuǎn)化為電流，防止糾纏的破壞，并且相比其他類型的天線能更好地向空間輻射場信號，波束呈圓錐形，可以擴大信號輻射區(qū)域，進而增大測角范圍；

接收部分20位于飛機上，其包括：二號水平極化天線201、二號垂直極化天線202、一號放大器203、二號放大器204、振蕩器205、一號IQ正交支路檢測器206、二號IQ正交支路檢測器207、數(shù)據(jù)處理器208和顯示器209；

二號水平極化天線201用于接收A路糾纏微波測角信號并輸出至一號放大器203；

二號垂直極化天線202用于接收B路糾纏微波測角信號并輸出至二號放大器204；

在本發(fā)明的一個實施例中，一號水平極化天線104、一號垂直極化天線105、二號水平極化天線201、二號垂直極化天線202采用的帶寬為100MHz。

發(fā)射的糾纏微波信號經(jīng)過自由空間傳播后，信號功率降低，在接收端需先對接收到的信號進行放大處理。

一號放大器203與二號水平極化天線201連接，用于放大接收到的A路信號s_A(t-τ_A)并輸出至一號IQ正交支路檢測器206；

二號放大器204與二號垂直極化天線202連接，用于放大接收到的B路信號s_B(t-τ_B)并輸出至二號IQ正交支路檢測器207；

在本發(fā)明的一個實施例中，一號放大器203、二號放大器204采用的是基于約瑟夫森結(jié)的相位不敏感式參量放大器，目的是不引入額外的噪聲，并能夠放大有用信號。

振蕩器205產(chǎn)生的信號輸出至一號IQ正交支路檢測器206和二號IQ正交支路檢測器207；

一號IQ正交支路檢測器206與一號放大器203和振蕩器205連接，先將A路信號轉(zhuǎn)換成中頻，然后提取中頻信號的正交分量I_A,Q_A，并輸出至數(shù)據(jù)處理器208；

二號IQ正交支路檢測器207與二號放大器204和振蕩器205連接，先將B路信號轉(zhuǎn)換成中頻，然后提取中頻信號的正交分量I_B,Q_B，并輸出至數(shù)據(jù)處理器208；

數(shù)據(jù)處理器208并行接收一號IQ正交支路檢測器206、二號IQ正交支路檢測器207輸出的中頻信號的正交分量I_A,Q_A、I_B,Q_B，然后對正交分量進行存儲、處理，并輸出測角結(jié)果至顯示器209；

在本發(fā)明的一個實施例中，數(shù)據(jù)處理器208采用FPGA可編程邏輯器件，信號的采樣速率為150MHz。

顯示器209與數(shù)據(jù)處理器208連接，實時顯示角度數(shù)據(jù)信息。

本發(fā)明利用量子糾纏微波作為測角信號，信號本身具備量子不可克隆的性質(zhì)，安全性能大大提高，糾纏信號時空關(guān)聯(lián)，集束到達，擴頻增益大，能夠克服各種噪聲帶來的不利影響以及傳統(tǒng)測角中難以避免的多徑干擾，提高了弱信號檢測能力，在復(fù)雜電磁環(huán)境下具有重要意義。