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一文读懂量子雷达
传感器技术 | 2020-05-15 10:25:50    阅读:9417   发布文章

历经70余年的发展,雷达技术在理论、体制、实现 方法及技术应用等方面都已取得了很大的进展。但近年来,传统雷达探测性能已接近经典物理学极限,如何进一步提升雷达系统性能成为了困扰科技人员的难题。

不过,随着了量子信息学的蓬勃发展,量子技术与雷达探测走向结合,迎来了量子雷达的诞生。量子雷达有望大幅提高雷达系统对目标的探测能力,在未来军事反隐身作战、空间探索等领域有着诱人的应用前景。

一、什么是量子雷达?

量子雷达属于一种新概念雷达,它是将传统雷达技术与量子信息技术相结合,利用电磁波的波粒二象性,通过对电磁场的微观量子和量子态操作和控制实现目标探测、测量和成像的远程传感器系统。

量子雷达利用光子的量子特性来对目标进行成像,由于任何物体(如****飞机)被发送出的光子碰触之後,都会改变光子的量子特性,而特性被改变的光子讯号经目标反射,被讯号接收器接收并成像后,就能轻易探测到物体的具体位置。

而且因为光子几乎不可能被其他系统干扰,因此量子雷达的安全性高。该技术的原理与量子通讯的加密技术相当类似,在窃听者试图撷取、干扰光子携带的讯息时,因光子特性遭到改变,反而让窃听者暴露自己的位置。

量子雷达通过将量子信息技术引入经典雷达探测领域,解决了经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,提升了雷达的综合性能。其首要应用是实现目标有无的探测,在此基础上可以进一步扩展应用领域,应用包括量子成像雷达、量子测距雷达和量子导航雷达等。

二、量子雷达与经典雷达的区别

相对于传统雷达,量子雷达以电磁场微观量子作为信息载体,****由少量数目光子组成的探测信号,光子与目标相互作用过程遵循量子电动力学规则,接收端采用光子探测器进行接收,并通过量子系统状态估计与测量技术获取回波信号光子态中的目标信息。

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量子雷达基本组成框图

具体来说,量子雷达区别于经典雷达的特点主要包括:

①、信息载体与信号体制不同

经典雷达基于电磁波的波动性,对其在时域、频域、 极化域进行调制与解调以获取被探测目标的信息;量子雷达更加注重电磁波的粒子性,尤其是利用了量子 纠缠等特殊量子效应,从而有望获取更多的目标信息。

②、信号处理手段与信息获取方式不同

当前,经典雷达的目标检测机理大多是基于信噪比最大准则,利用回波信号宏观的相参特征实现目标参数的估计;量子雷达通常不需要复杂的信号处理过程,而是利用精准的量子测量手段从回波中“测量”出其中携带的目标信息.

③、****机与接收机结构和器件不同

在量子雷达领域,量子效应将导致传统器件无法有效工作,从而需研究设计符合量子电动力学规则的量子器件.由此,经典雷达系统噪声在量子雷达系统中主要表现为量子噪声,因而量子雷达通常具有极低的噪声基底。

如上所述,量子雷达与经典雷达有诸多不同,但从本质上来说,量子雷达仍属于传统雷达探测与成像的理论体系范畴,量子雷达是对传统雷达技术的发展和补充,而不是颠覆和取代。从广义上来说,我们在讨论量子雷达技术时,并不局限其工作频率,微波/毫米 波、红外、太赫兹等波段都可以利用;从狭义上来说,如 果能够使量子雷达工作于传统雷达频段,尤其是微波频段,那么量子雷达将具有全天时、全天候的工作能力, 其应用范围将更为广阔。

三、量子雷达的分类

依据所利用量子现象和探测信号形式以及信息获取方式的不同,量子雷达有多种分类方法,首先依据所利用量子现象和信息获取方式的不同,可以将量子雷 达分为以下三个类别。

量子增强雷达

雷达****经典态的电磁波,使用光子探测器接收回波信号,利用量子增强检测技术以提升雷达系统的性能,目前该技术在激光雷达中已取得较为广泛的应用。此外,量子增强雷达还包括基于高精度时频基准传递的量子增强阵列雷达。

量子纠缠雷达

量子雷达****纠缠的量子态电磁波,****机将纠缠光子对中的信号光子****出去,“备份”光子保留在接收机中,如果目标将信号光子反射回来,那么通过对信号光子和“备份”光子的纠缠测量可以实现对目标的检测。

量子衍生雷达

借鉴于量子物理理论或其数学思想发展而来,可以显着提升传统雷达系统的性能但并不依靠真实量子物理体系来实现,目前在雷达成像领域发展较快。

量子成像又称“鬼成像”,是量子光学的一个重要分支,其利用光场的量子相干性和不确定性,采用二阶(高阶)关联方法是实现对目标的成像,因此也称为关联成像。其探测过程为利用泵浦光子穿过(BBO)晶体,通过参量下转换产生大量纠缠光子对,各纠缠光子对之间的偏振态彼此正交,将纠缠的光子对分为探测光子和成像光子,成像光子保留在量子存储器中,探测光子由****机****经目标反射后,被量子雷达接收,根据探测光子和成像光子的纠缠关联可提高雷达的探测性能。与不采用纠缠的量子雷达相比,采用纠缠的量子雷达分辨率以二次方速率提高。

另外,根据探测信号形式的不同,量子雷达还可以分为单光子探测量子雷达和多光子探测量子雷达。

单光子探测量子雷达:****机****单光子或纠缠光子脉冲探询目标可能存在的区域,如果目标存在,则信号光子将会以一定的概率返回至接收机处,通过对返回单个光子状态的测量可以提取出目标信息。此为一种理想的探测方案,优点是几乎不受干扰,缺点是实现困难。

多光子探测量子雷达:****机****相干态电磁波或纠缠态电磁波,利用****信号中多个光子的关联性进行目标探测,接收机处通过对单个光子状态的测 量和辨识完成目标探测。相对于单光子探测量子雷达,它虽然会受到一定程度的干扰,但实现起来相对容易些,具有更大的现实意义。

四、量子雷达的技术优势

目前,经典雷达存在一些缺点,一是****功率大(几十千瓦),电磁泄漏大;二是反隐身能力相对较差;三是成像能力相对较弱;四是信号处理复杂,实时性弱。针对经典雷达存在的技术难点,量子信息技术均存在一定的技术优势,可以通过与经典雷达相结合,提升雷达的探测性能。

首先,量子信息技术中的信息载体为单个量子,信号的产生、调制和接收、检测的对象均为单个量子,因此整个接收系统具有极高的灵敏度,即量子接收系统的噪声基底极低,相比经典雷达的接收机,噪声基底能够降低若干个数量级。再忽略工作频段、杂波和动态范围等实现因素,则雷达作用距离可以大幅提升数倍甚至数十倍。从而大大提升雷达对于微弱目标,甚至隐身目标的探测能力。

其次,量子信息技术中的调制对象为量子态,相比较经典雷达的信息调制对象,量子态可以表征量子“涨落变化”等微观信息,具有比经典时、频、极化等更加高阶的信息,即调制信息维度更高。

从信息论角度出发,通过对高维信息的操作,可以获取更多的性能。对于目标探测而言,通过高阶信息调制,可以在不影响积累得益的前提下,进一步压低噪声基底,从而提升噪声中微弱目标检测的能力;从信号分析角度出发,通过对信号进行量子高阶微观调制,使得传统信号分析方法难以准确提取征收信号中调制的信息,从而提升在电子对抗环境下的抗侦听能力。综合而言,通过量子信息技术的引入,通过量子化接收,原理上可以有效降低接收信号中的噪声基底功率;通过量子态调制,原理上可以增加信息处理的维度,一方面可以提升信噪比得益,另一方面可以降低****信号被准确分析和复制的可能性,从而在目标探测和电子对抗领域具有广阔的应用潜力。

五、量子雷达发展历程

量子雷达相关技术研究起源于上世纪60年代,P.A.Bakut探索了在传统雷达系统中使用量子信号的可能性。

1967年,在量子力学、传统检测与估计理论以及经典信息论的基础上,C.W.Helstrom等人研究了量子检测与估计理论以突破传统检测与估计方法的性能极限,为量子雷达目标信息获取奠定了重要的理论基础。

但量子雷达真正发展的时间不过短短的10多年。

量子雷达是21世纪后萌发的新概念武器系统,为了应对****战机逐渐普遍化的世界,防守方需要对抗的需求。

2008年美国麻省理工学院的Lloyd教授首次提出了量子远程探测系统模型。

2012年美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队声称研发出一种抗干扰的量子雷达理论,这种雷达利用光子碰触到目标后产生的量子态变换来侦测,可以表征量子“涨落变化”等微观资讯。整个量子雷达灵敏度极高,噪声基底极低,又几乎不可能被电波干扰装置扰乱,再加上能忽略工作频段、杂波等,此种雷达探测****战机的范围理论上可达数十倍。

2012年东京大学的团队采用超导回路,取得了微波频段单光子态与后续压缩态产生、接收技术的元件新突破。

2013年意大利的Lopaeva博士在实验室中达成量子雷达成像探测,证明其有实战价值的可能性。

2016年8月中国电科14所“智慧感知技术重点实验室”发布成功研制单光子检测量子雷达系统成品,在中国科学技术大学、中国电科27所以及南京大学等协作单位的共同努力下,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成真实大气环境下探测试验,获得了百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均达到预期效果,并且可以发现现役的****战机。

对此,有专家表示,中国量子雷达的相关研究已做多年,以往在量子成像方面的工作,并没有在单光子的水平上,而是用光的高阶关联特性实现成像。虽然能突破云雾等干扰,但成像过程还是比较复杂,流程也较漫长,实用性还有待发展,很难说叫量子成像。而现在单光子量子雷达技术突破,是多年技术积累的结果。目前,中国在量子雷达领域仅处于技术先进水平,还不是领先状态。

近年来,随着量子信息技术的飞速发展,量子雷达技术迎来了新的研究高潮,瞄准反隐身探测、电 子抗干扰等领域的应用潜力,当前量子雷达研究在量子纠缠雷达、量子增强雷达和量子衍生雷达三个子方向进展迅速。

六、未来量子雷达的研究发展趋势

当前量子雷达工作体制、目标探测与成像等诸多机理性问题尚不明晰,相关理论、技术、系统的研究方兴未艾,理论研究成果到实际系统应用还存在很大距离。未来其研究发展趋势主要包括以下四点。

微观量子态制备与检测

量子雷达****机和接收系统设计是量子雷达系统设计的核心,其中,微观量子态的制备与检测,特别是纠缠态的制备与检测,是****与接收系统研究中的主要难题。

另外,虽然量子纠缠产生与检测理论研究已相当完善,在实验室中可以制备与检测可见光附近频段的纠缠光子态。然而,对于微波或其他频段的量子态,其产生与探测仍然是一个具有挑战性的问题,可以预见,结合超材料技术有望解决这一重要难题。

获取量子系统信息

由量子雷达基本定义及其工作原理可知,探测信号产生、雷达与目标相互作用、目标回波检测等过程都应当视为对量子系统的操作,因此,量子信息处理原理和方式也将与传统的信号处理手段有着很大的区别。

与经典统计信号处理理论相对应,需要研究量子系统状态估计与检测理论,为量子雷达目标信息获取提供重要的理论支撑。

研究量子雷达目标特性

雷达目标特性是雷达探测获取目标信息的基础,同时对雷达设计具有很大的现实指导价值。

在量子雷达相关技术中,量子雷达信号与目标相互作用机理,不同目标对信号光子状态的“调制”作用以及传播信道对量子态的改变作用等问题是目标探测与识别的理论基础。因此,量子雷达目标散射特性研究是量子雷达相关技术研究探索过程中必不可少的重要内容。

微观量子操控与宏观应用的“接口”

量子雷达基于对电磁场的量子态操作和控制实现对目标的探测、测量和成像,然而微观量子信息是很难被人们直接“感知”的。为了实现量子雷达技术的实际应用,需要研究微观量子信息与宏观物理量之间的对应以及如何将宏观问题转化为量子微观问题来解决,即微观量子操控与宏观探测应用的“接口”是量子雷达 技术走向实际应用需要解决的一个重要问题。

上述几个方面都具有重要的研究价值,如有突破将对量子雷达发展产生重要的推动作用。

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