基於量子關聯的量子雷達及其處理方法與流程
2023-05-24 08:22:36 2
本發明屬於一種量子探測及量子信息領域，尤其涉及基於量子關聯的量子雷達及其處理方法。
背景技術：
隨著網際網路技術的發展，各種安全問題層出不窮，這使得信息安全成為當前世界共同面臨的巨大挑戰。量子信息作為物理學和信息學的交叉學科，在近十年發展迅速，並得到各個國家的極大重視。量子密鑰分發作為量子信息領域的一個重點研究方向，將從根本上解決信息安全的問題。通過一次一密的方式，量子密鑰分發機制可以在各種竊聽存在的環境中使雙方或者多方能夠共享安全的密鑰，其基本原理基於量子力學的基本定律因此是完全安全的。量子密鑰分發機制主要藉助於現有的光學和電學器件，因此具備快速地從實驗室推廣到市場的潛力。
量子密鑰機制的提出最早是為了解決通信安全的問題。但隨著對其研究的日益深入，該機制的內涵思想正不斷地被其他各個領域所借鑑，以期能解決本領域內相應地問題。量子雷達因此應運而生。
量子雷達概念提出的時間並不長，但其迅速得到各國的高度重視並被普遍認為是今後雷達發展的主要方向。隨著現代雷達技術的發展，雷達不但要能在長距離內精確探測同時也需要具備很強的抗幹擾和生存能力。而現有的雷達方案，均基於經典的電磁學理論，經典雷達已經發展到了瓶頸期，急需新的思路和方向來在上面兩方面得到突破。
現有量子雷達的研究主要集中在以下兩個方向：
1. 通過巧妙借用量子密鑰分發機制，來解決雷達受到幹擾的問題。
2. 利用量子探測的相關技術，藉助非經典光（量子態）或者藉助於量子糾纏來明顯提升雷達的解析度，可以將雷達的解析度由經典極限提升到量子極限（海森堡極限）。
可以簡單把著眼於上面兩個不同方向的量子雷達分別稱為第一類量子雷達和第二類量子雷達。而所有研究者的終極目標，就是能夠研究出綜合上述兩種優勢的雷達方案（完美量子雷達）。
關於第一類量子雷達，最早的理論方案和實驗驗證由Mehul Malik等人於2012年提出，並以Quantum-secured imaging 為題發表在Applied Physics Letters 雜誌上。下面就簡單介紹以下文獻中提供的第一類量子雷達的方案。
方案的具體步驟如下（參照圖1）：
1、氦氖雷射器發出的雷射先經過聲光調製器（AOM）的調製生成平均光子數為1的脈衝序列。衝。
2、脈衝經過一個放置在電動旋轉平臺上的半波片(HWPa)，從而將光子隨機的極化到以下四種情況：水平偏振（H），垂直偏振(V)，對角偏振(D)和反對角偏振(A)。此即量子密鑰分發中的編碼。
3、將編碼完成的光脈衝對準目標物體發射。
4、利用幹擾濾波器(IF)將反射光子中的源於環境的背景噪聲幹擾去掉。
5、利用半波片（HWPb）和偏振分束器(PBS)構成一個偏振測量裝置對收到的光脈衝進行測量。當半波片和垂直偏振方向平行時，測量光脈衝處於水平偏振態還是垂直偏振態。而當半波片和垂直偏振方向成22.5°夾角時，測量光脈衝處於對角還是反對角偏振態。
6、在偏振分束器的兩側放置兩個鏡頭，分別用於不同偏振光脈衝的成像。最後利用電子倍增CCD(EMCCD)成像。
該量子雷達系統的方案脫胎於量子密鑰分發中的BB84協議。當反射光子的偏振和入射時相比出現超過25%的錯誤率的時候，即可判定目標在幹擾探測。
從上面背景技術的介紹可以清晰的看到現有的技術方案運用的是弱脈衝光源（平均光子數為1），偏振編碼，，編碼通過電動機械裝置進行同時需要非常精細的成像裝置。這就使得現有技術方案在以下方面存在問題：
1、已有文獻研究表明，光的偏振經由物體（非鏡面）散射後會發生明顯變化，這就會造成原有方案在未有任何幹擾的情況下就會產生非常大的錯誤率。因此該方案在探測實際物體上並不可行。
2、由於採用弱脈衝，其探測距離極為有限。同時相應的回波信號會更弱，需要非常精細的成像裝置，這增加了成本，降低了裝置的可靠性。
3.其採用電動機械裝置編碼，編碼速率將會很低。同時，電動機械裝置長期使用的可靠性也成問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供基於量子關聯的量子雷達，可以從根本上解決雷達在探測時雷達脈衝被目標，或第三方截獲並相應發送錯誤信號幹擾探測的問題。為此，本發明提供以下技術方案：
基於量子關聯的量子雷達，包括探測信號發生裝置及回波信號處理裝置，所述探測信號發生裝置包括信號裝置、控制裝置，所述回波信號處理裝置包括監測裝置、分束裝置及成像裝置；
所述信號裝置包含雷射光源和強度調製器；所述控制裝置包含兩個頻率不同的時鐘，兩個時鐘分別調製脈衝序列內脈衝之間的時間差以及脈衝序列之間的時間差；所述控制裝置控制強度調製器生成包含多個光子的強脈衝，以及光子數趨近於0的弱脈衝，上述兩種脈衝構成的脈衝序列作為量子雷達的探測信號；
分束裝置將探測信號經物體反射後的回波信號分束形成透射信號及反射信號兩部分，所述透射信號進入成像裝置成像，反射信號進入監測裝置監測；
監測裝置包括不等臂幹涉儀和光子計數器，當連續兩個強脈衝進入監測裝置而所述光子計數器有計數,則可判斷探測信號被截獲且回波信號存在幹擾信號。
所述信號裝置、控制裝置、監測裝置、分束裝置及成像裝置均可模塊化。
在採用上述技術方案的基礎上，本發明還可採用以下進一步的技術方案：
所述量子雷達還包括透射率高於反射率的不平衡分束器，所述不平衡分束器用於分束回波信號形成透射信號及反射信號。
所述不等臂幹涉儀包括平衡分束器，光纖延遲線和法拉第反射鏡，所述平衡分束器一路經過光纖延遲線和法拉第反射鏡光路連接, 所述平衡分束器另一路直接與法拉第反射鏡光路連接；
兩個連續脈衝通過光路連接進入不等臂幹涉儀，先進入的脈衝通過光纖延遲線延遲，經過延遲後的脈衝與後進入的脈衝經法拉第鏡反射後同時回到平衡分束器，形成幹涉，並通過不等臂幹涉儀的出射端進入光子計數器。
本發明還包括一種基於量子關聯的量子雷達的處理方法，包括以下步驟：
S1.生成連續雷射；
S2.將連續雷射調製生成兩種脈衝：包含多個光子的強脈衝，以及光子數趨近於0的弱脈衝，上述兩種脈衝構成的脈衝序列作為量子雷達的探測信號；
S3. 探測信號遇到目標物體反射後形成回波信號，回波信號分束後形成透射信號及反射信號兩部分，所述透射信號進入成像裝置成像，反射信號進入監測裝置監測；
S4.所述反射信號中兩個連續脈衝進入不等臂幹涉儀，形成幹涉，所述光子計數器檢測兩路連續脈衝幹涉相消時的出射信號,當連續兩個強脈衝進入監測裝置而所述光子計數器有計數,則可判定探測信號被截獲且回波信號存在幹擾信號。
進一步的，利用所述光子計數器第一次有計數的時間點測算目標物的距離。
進一步的，所述脈衝序列至少包含一組兩個連續脈衝為強脈衝。
進一步的，時鐘頻率較高的時鐘C1調製強脈衝和弱脈衝之間的時間間隔t1，時鐘頻率較低的時鐘C2用於調節脈衝序列之間的時間間隔t2。
進一步的，時鐘C1的時鐘頻率為MHz量級而時鐘C2的時鐘頻率為kHz量級。
進一步的，所述步驟S4中，先進入的脈衝通過光纖延遲線延遲，經過延遲後的脈衝與後進入的脈衝反射後同時回到分束器，形成幹涉。
進一步的，步驟S4中不等臂幹涉儀的兩路脈衝的時間延遲為t1，所述時間延遲為t1和脈衝序列內脈衝間的時間間隔相同。
上述所述光子計數器有計數時，也可同時發出聲響或者燈光閃爍等方式作為提示。
下面簡述本發明的理論。強脈衝可以用相干態來描述，而弱脈衝可以近似用真空態來描述，而兩者之間並不正交。根據量子不可克隆定理，任何外部裝置都無法完全正確地複製這兩種量子態。因此截獲重發後的幹擾信號必然和原有的信號存在差別。上述就是要調製強弱兩種脈衝的理論基礎。
本發明通過光子計數器D的結果來判明回波是否被幹擾，其機制源於量子關聯。當進入幹涉儀的兩路信號為弱脈衝和強脈衝時，光子計數器D有50%的機率被觸發。脈衝由連續鎖模雷射調製而成，相鄰的連續脈衝具有很好的量子關聯，因而當兩個連續的強脈衝進入幹涉儀後，會完全相干相消而不會觸發光子計數器D。而任何對此類信號的外部操作（如截獲重發）都會破壞量子關聯，從而導致計數器D的觸發。通過比對發射信號和接收信號，以及光子計數器D的計數情況（只需要知曉其是否被觸發），即可知曉回波脈衝序列中量子關聯被破壞的情況。一旦發生此類情況，即可判定回波信號中存在敵方幹擾信號。但現有光子計數器都存在暗計數的情況，即當沒有信號光子進入計數器時，由於環境的影響計數器依然有很小几率被觸發。因此，需要監測當連續強脈衝進入計數器的情況下，計數器被觸發的機率。若機率明顯高於暗計數的機率，則判定存在幹擾。
由於採用本發明的技術方案，本發明的有益效果為：本發明利用量子關聯作為信號幹擾的判據，解決了原有方案中採用偏振存在的問題。同時在自由空間中，環境導致的退相干效應非常微弱，因此本發明技術方案的可靠性極佳。
本發明採用的脈衝包含多個光子，和原有方案的單光子相比提高了探測距離。
本發明可以獨立的作為一種量子雷達裝備進行探測任務，但同時也可以作為現有經典雷達的輔助模塊，當經典雷達顯示探測到目標時，可以利用該模塊來檢驗該目標是否為真實目標。
本發明和原有方案相比器件簡化，使得整體的穩定性得到提高。且因器件的簡化，使得實施、操作也更為簡便。原有方案要統計四種偏振態的光子數並進行相應比對，本發明只需要比對光子計數器的計數情況即可判斷是否幹擾，判斷方式簡便，降低了錯誤率。
附圖說明
圖1為背景技術中指出的量子雷達的方法示意圖。
圖2為本發明提供的基於量子關聯的量子雷達示意圖。
具體實施方式
如圖2所示，本發明量子雷達包括探測信號發生裝置及回波信號處理裝置，所述探測信號發生裝置包括信號裝置、控制裝置，所述回波信號處理裝置包括監測裝置及成像裝置；
信號裝置包含雷射光源和強度調製器；控制裝置包含兩個頻率不同的時鐘；監測裝置包括不等臂幹涉儀和光子計數器。
所述量子雷達還包括透射高於反射的不平衡分束器，所述不平衡分束器用於分束回波信號形成透射信號及反射信號。 所述不等臂幹涉儀包括平衡分束器，光纖延遲線和法拉第反射鏡。
本發明量子雷達具體實施步驟如下：
1、雷射光源優選鎖模雷射器發出連續雷射。優選地，雷射器可選擇常見的DFB雷射器，其發射的波長為1550nm。
2、雷射經由FPGA控制的強度調製器調製形成所需的脈衝序列，包含多個光子且強脈衝的強度相同的強脈衝（圖中黑色填充的脈衝所示），以及幾乎不包含任何光子的弱脈衝（圖中未填充的脈衝所示），上述兩種脈衝構成的脈衝序列作為量子雷達的探測信號。並利用光學望遠鏡發射到自由空間中探測目標。
所述脈衝序列至少包含一組兩個連續脈衝為強脈衝。時鐘頻率較高的時鐘C1調製強脈衝和弱脈衝之間的時間間隔t1，時鐘頻率較的時鐘C2用於調節脈衝序列之間的時間間隔t2。時鐘C1的時鐘頻率為MHz量級而時鐘C2的時鐘頻率為kHz量級。優選地，不調製連續為弱脈衝的脈衝組。
3、利用同一個光學望遠鏡接收回波信號並利用環流器實現收發分離，讓回波信號進入雷達的接收裝置進行分析。
4、回波信號先經過一個窄帶幹涉濾波器（IF），濾波器的中心波長為1550nm（和發射雷射波長相同），半峰寬為10nm。以降低背景噪聲。
5、濾波後，回波信號經過一個不平衡分束器BS(90:10)分成兩路。優選地：不平衡分束器的透射和反射比為90：10。如圖2所示。
6、經由分束器透射的脈衝信號進入成像模塊。通過成像透鏡和CCD完成對目標的成像。
7、經由分束器反射的信號光進入監測模塊。信號先進入不等臂幹涉儀。不等臂幹涉儀由平衡分束器BS(50:50)，光纖延遲線和兩面法拉第反射鏡（FM）構成。法拉第反射鏡（FM）將用於偏振補償。如圖2所示。
8、在不等臂幹涉儀的出射端由光子計數器D來探測幹涉信號。光子計數器D探測兩路光相消幹涉時的出射信號。根據具光子計數器D記錄有信號的時間點，精確計算出目標的距離。根據光子計數器D計數的情況，以及和探測信號比對，判斷信號是否被幹擾。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。