基於量子糾纏光的實時測距系統及其實現方法
2023-04-26 22:08:11 3
基於量子糾纏光的實時測距系統及其實現方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於量子糾纏光的實時測距系統包括光源模塊和電路模塊；其中，所述光源模塊用於產生信號光和參考光；所述電路模塊用於根據輸入的信號光和參考光計算待測距離。所述光源模塊包括半導體雷射器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體以及偏振分束器；其中，半導體雷射器用於產生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體後經濾波片濾除泵浦光並產生H偏振光和V偏振光；偏振分束器用於將H偏振光和V偏振光分離出信號光和參考光。本發明還提供相應的方法。本發明採用二階關聯算法提高了抗幹擾特性；本發明使用FPGA進行實時的數據處理，將數據採集和數據處理同時進行。
【專利說明】基於量子糾纏光的實時測距系統及其實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及量子導航，具體地，涉及一種基於量子糾纏光的實時測距系統及其實現方法。
【背景技術】
[0002]隨著人類文明的發展，對於測距技術的需求也應運而生。如今，測距技術已經深入到人類生活的各個領域，在政治、經濟、軍事等領域更有至關重要的作用。
[0003]傳統的雷射測距技術主要利用雷射方向性強、亮度高等特性進行測距。根據雷射器的工作方式可以分為連續雷射器和脈衝雷射器。這種測距方式主要通過接收雷射的反射，從而計算往返的時間，最終推算出距離。然而，這種測距方式會受到散粒噪聲極限的限制，無法突破這個極限，而量子糾纏利用其關聯特性，能夠突破這個極限，因此也成為了最新的研究方向。
[0004]量子糾纏是多個粒子在一個系統中互相影響的現象，是由薛丁格和愛因斯坦等在質疑量子力學的完備性時提出的。隨著量子理論的發展，量子糾纏在各個領域中都得到應用。量子力學中的測不準原理決定了基於量子理論的測量會受到海森堡極限的限制，但是也遠遠超過傳統的測量所能夠達到的散粒噪聲極限。
[0005]雙光子糾纏源是目前研究最深入的一種量子糾纏源技術，主要利用晶體的非線性效應，基於二階非線性效應的BBO和KDP等晶體或者PPLN和PPKTP等準相位匹配晶體的自發參量下準換。由晶體產生的光子對經過信號路與閒置路的傳輸後，使用單光子探測器進行探測，通過符合計數算法得到光子對的到達時間差，最後通過計算得到距離。
【發明內容】
[0006]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於量子糾纏光的實時測距系統及其方法。
[0007]根據本發明的一個方面提供的基於量子糾纏光的實時測距系統，包括光源模塊和電路模塊；
[0008]其中，所述光源模塊用於產生信號光和參考光；所述電路模塊用於根據輸入的信號光和參考光計算待測距離。
[0009]優選地,所述光源模塊包括半導體雷射器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體以及偏振分束器；
[0010]其中，半導體雷射器用於產生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體後經濾波片濾除泵浦光並產生H偏振光和V偏振光；
[0011]偏振分束器用於將H偏振光和V偏振光分離出信號光和參考光。
[0012]優選地，，還包括光子耦合器、信號光路和參考光路，所述信號光路連接未知長度的光纖，所述參考光路連接已知長度的光纖；
[0013]所述信號光通過所述光子耦合器輸入所述信號光路；所述參考光通過所述光子耦合器輸入所述參考光路。
[0014]優選地，，電路模塊包括第一單光子檢測器、第二單光子檢測器、模數轉化器以及數據處理模塊；
[0015]其中，第一單光子檢測器用於將信號光的光信號轉化為第一電信號；
[0016]第二單光子檢測器用於將參考光的光信號轉化為第二電信號；
[0017]模數轉換器用於將第一電信號和第二電信號由模擬信號轉換為數位訊號；
[0018]數據處理模塊用於將根據所述數位訊號進行光子到達時間判斷、符合計數以及計算測量距離。
[0019]優選地，，還包括第一衰減器和第二衰減器，所述第一衰減器用於衰減所述第一電信號；所述第二衰減器用於衰減所述第二電信號。
[0020]優選地，，所述數據處理模塊採用FPGA ;所述模數轉化器採用高速數模轉化器，採樣率為2.5G，量化間隔為0.5mV。
[0021]根據本發明的另一個方面提供的基於量子糾纏光的實時測距系統的實現方法，，包括如下步驟:
[0022]步驟1:對信號光路和參考光路分別進行模數轉換後輸入數據處理模塊；
[0023]步驟2:分別對信號光路和參考光路的採樣值進行光子到達閾值判定並計算光子到達時間；
[0024]步驟3:通過符合計數得到光子對並記錄光子對的到達時間差和光子對數；
[0025]步驟4:當計時器到達設定值時，得到平均的到達時間差，進而得到信號光路和參考光路的時間差；
[0026]步驟5:根據群折射率和信號光路和參考光路的時間差計算測量距離。
[0027]優選地，光子到達時間的計算包括如下步驟:
[0028]步驟1:根據單光子計數器的輸出設定光子到達判定閾值Tl和光子到達時刻閾值T2,
[0029]步驟2:採集到的連續兩個信號超過Tl時，即確認為光子到達；
[0030]步驟3:根據前後兩個採集到的間隔信號推算出單光子計數器輸出到達T2的時亥IJ，即光子到達的時刻。
[0031]根據本發明提供的基於FPGA的數據處理流程，與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0032]1、本發明採用二階關聯算法提高了抗幹擾特性；
[0033]2、本發明使用FPGA進行實時的數據處理，將數據採集和數據處理同時進行；
[0034]3、本發明結構簡單，易於組裝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0036]圖1為本發明中基於量子糾纏光的實時測距系統的結構示意框圖；
[0037]圖2為本發明中基於量子糾纏光的實時測距系統的實現方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
[0039]如圖1所示，本實施例中，本發明提供的基於量子糾纏光的實時測距系統包括光源部和電路部，其中，所述光源模塊用於產生信號光和參考光；所述電路模塊用於根據輸入的信號光和參考光計算待測距離。
[0040]光源模塊包括半導體雷射器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體(PPKTP晶體)、偏振分束器以及光子耦合器；
[0041]半導體雷射器用於產生波長為405nm的泵浦光，經過偏振片後發生水平極化後入射周期性極化晶體，然後經過濾波片濾除泵浦光，產生H偏振和V偏振的光，最後由偏振分束器分離出波長為810nm的信號光和810nm的參考光。
[0042]雷射器發出的泵浦光依次經過四分之一波片和二分之一波片，將泵浦光的偏振方向調整為水平偏振，然後通過偏振片得到水平偏振的雷射。信號路和參考路光信號分別在光纖中傳輸之後，需要通過光子耦合器將光信號耦合到單光子探測器中，然後進行符合測量。
[0043]電路部包括第一單光子檢測器、第二單光子檢測器、模數轉化器以及數據處理模塊。其中，第一單光子計數器用於將信號光的光信號轉化為第一電信號；第二單光子檢測器用於將參考光的光信號轉化為第二電信號；模數轉換器用於將第一電信號和第二電信號由模擬信號轉換為數位訊號；數據處理模塊用於將根據所述數位訊號進行光子到達時間判斷、符合計數以及計算測量距離。
[0044]所述數據處理模塊採用FPGA ;所述模數轉化器採用高速數模轉化器，採樣率為
2.5G，量化間隔為0.5mV。
[0045]本發明提供的基於量子糾纏光的實時測距系統還包括信號光路和參考光路，所述信號光路連接未知長度的光纖，所述參考光路連接已知長度的光纖；所述信號光輸入所述信號光路；所述參考光輸入所述參考光路。
[0046]如圖2所示，在本實施例中，本發明提供的量子糾纏實時測距系統的實現方法包括如下步驟:
[0047]步驟1:使用數模轉化器對信號光路和參考光路分別進行模數轉換，並將轉換的結果輸入到FPGA中；
[0048]步驟2 =FPGA分別對信號光路和參考光路的採樣值進行光子到達閾值判定並通過計算得到光子到達時間；
[0049]步驟3:通過符合計數得到光子對並記錄光子對的到達時間差和光子對數；
[0050]步驟4:當計時器到達一秒時，得到平均的到達時間差，進而得到信號光路和參考光路的時間差；
[0051]步驟5:根據群折射率和信號光路和參考光路的時間差計算測量距離。
[0052]其中，步驟2計算光子到達時間的步驟如下:首先根據使用的單光子檢測器的輸出設定一個光子到達判定閾值Tl和光子到達時刻閾值T2，當FPGA採集到的連續兩個信號超過這個閾值Tl時，認為有光子到達；由於單光子計數器的輸出脈衝的上升沿近似於直線，因此根據前後兩個採集到的間隔為400PS的信號(採樣率為2.5GHz)推算出單光子計數器輸出到達T2的時刻，並將此認為是光子到達的時刻。二階關聯算法為每當信號路有一個光子到達時，查看參考路在時間範圍T (即符合計數門寬)內是否有光子到達，如果有，則認為這是一個光子對，符合數增加一，同時記錄兩個光子到達的時間差t。每隔I秒鐘計算所有光子對的時間差t的平均值，由此推算出相應的距離。
[0053]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種基於量子糾纏光的實時測距系統，其特徵在於，包括光源模塊和電路模塊； 其中，所述光源模塊用於產生信號光和參考光；所述電路模塊用於根據輸入的信號光和參考光計算待測距離。
2.根據權利要求1所述的基於量子糾纏光的實時測距系統，其特徵在於，所述光源模塊包括半導體雷射器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體以及偏振分束器； 其中，半導體雷射器用於產生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體後經濾波片濾除泵浦光並產生H偏振光和V偏振光； 偏振分束器用於將H偏振光和V偏振光分離出信號光和參考光。
3.根據權利要求2所述的基於量子糾纏光的實時測距系統，其特徵在於，還包括光子耦合器、信號光路和參考光路，所述信號光路連接未知長度的光纖，所述參考光路連接已知長度的光纖； 所述信號光通過所述光子耦合器輸入所述信號光路；所述參考光通過所述光子耦合器輸入所述參考光路。
4.根據權利要求3所述的基於量子糾纏光的實時測距系統，其特徵在於，電路模塊包括第一單光子檢測器、第二單光子檢測器、模數轉化器以及數據處理模塊； 其中，第一單光子檢測器用於將信號光的光信號轉化為第一電信號； 第二單光子檢測器用於將參考光的光信號轉化為第二電信號； 模數轉換器用於將第一電信號和第二電信號由模擬信號轉換為數位訊號； 數據處理模塊用於將根據所述數位訊號進行光子到達時間判斷、符合計數以及計算測量距離。
5.根據權利要求4所述的基於量子糾纏光的實時測距系統，其特徵在於，還包括第一衰減器和第二衰減器，所述第一衰減器用於衰減所述第一電信號；所述第二衰減器用於衰減所述第二電信號。
6.根據權利要求4所述的基於量子糾纏光的實時測距系統，其特徵在於，所述數據處理模塊採用FPGA ;所述模數轉化器採用高速數模轉化器，採樣率為2.5G，量化間隔為0.5mV。
7.—種權利要求1至6任一項所述的基於量子糾纏光的實時測距系統的實現方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1:對信號光路和參考光路分別進行模數轉換後輸入數據處理模塊； 步驟2:分別對信號光路和參考光路的採樣值進行光子到達閾值判定並計算光子到達時間； 步驟3:通過符合計數得到光子對並記錄光子對的到達時間差和光子對數； 步驟4:當計時器到達設定值時，得到平均的到達時間差，進而得到信號光路和參考光路的時間差； 步驟5:根據群折射率和信號光路和參考光路的時間差計算測量距離。
8.根據權利要求7所述的基於量子糾纏光的實時測距系統的實現方法，其特徵在於，光子到達時間的計算包括如下步驟: 步驟1:根據單光子計數器的輸出設定光子到達判定閾值Tl和光子到達時刻閾值T2， 步驟2:採集到的連續兩個信號超過Tl時，即確認為光子到達； 步驟3:根據前後兩個採集到的間隔信號推算出單光子計數器輸出到達T2的時刻，即光子到達的時刻。
【文檔編號】G01S11/12GK104199017SQ201410381646
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月5日 優先權日:2014年8月5日
【發明者】韓笑純, 曾貴華 申請人:上海交通大學