基于先进量子测量技术的雷达发展动态

白文浩,吴 骥,杜 宇,杨 键

(北京无线电测量研究所,北京 100039)

1 引言

量子技术是基于量子物理与信息技术相结合的新兴学科,根据其应用学科分类,主要有量子通信、量子测量、量子计算等。量子技术相比传统信息技术,在信息加密、传输速度、运算时间、计量精度、抗干扰能力等方面有着明显优势,可突破现有信息技术的局限性。量子技术在生活中各个领域应用前景广阔,现已成为各国重点关注的前沿技术。

量子测量技术利用原子、光子等量子体系与测试物理量进行相互作用,使量子状态发生变化,通过提取改变量子态的特征参数,运算处理后达到测量目标的目的。量子测量技术可用于测量磁场、电场、速度、重力、时间、距离等物理量,涉及国防、航天、能源、交通等诸多领域。研究方向主要分为目标识别、重力测量、磁场测量、定位导航和时频同步[1]。在量子目标识别领域中,根据量子现象和回波获取方法不同,量子雷达方案可分为量子纠缠雷达、量子增强雷达、量子衍生雷达等;根据探测信号形式各异,量子雷达方案又可分为单光子探测和多光子探测。量子纠缠雷达主要分为干涉量子雷达和量子照射雷达,采用纠缠态光子作为发射源的干涉量子雷达可以使相位差估计误差突破量子极限达到海森堡极限[2];自适应光学校正法[3]大大降低了大气介质对干涉量子雷达探测灵敏度距离性能的影响;量子纠缠态的照射雷达可以提高目标探测能力和成像空间分辨率,英国York 大学团队采用了双腔转换器,利用纳米振荡器实现微波探测和光波“备份”信号的耦合[4],大大提高了目标探测性能。麻省理工学院利用零差检测技术的量子增强雷达[5,6]大大提高了雷达角度分辨以及灵敏度的性能;G.Romero 等提出的微波频段单光子计数探测器[7]、Y.Nakamura 等提出超导回路新的单光子检测技术[8]、S.R.Sathyamoorthy 等构造三能级原子的无破坏性光子检测法[9]等都在微波光子探测器方面取得突破进展。利用光场二阶关联信息的热光/赝热光关联成像量子衍生雷达[10,11],基于轨道角动量调制的微波关联成像量子衍生雷达[12,13]实现了量子雷达在成像性能上的突破。

量子测量技术应用于雷达研究,始于20 世纪60 年代,Bakut 首次完成量子信号可应用于雷达的理论论证[14];Helstrom 于1974 年进行了量子估计与检测的理论研究[15],在此基础上展开量子最优接收机研究以及验证实验;Madjid 等于1992 年研究了量子探测问题[16];Tan 等于2008 年首次提出了量子探测的系统模型,使理论转化为实践[17];Malik 等于2012 年研究了量子技术应用于雷达的反隐身能力[18];随后,Lopaeva 等首次验证了量子照射雷达,将模型理论应用于实践[19,20]。经过各国学者对量子雷达理论的继续研究,奠定了比较系统的学科基础。该发展动态研究通过对现有的先进量子雷达模型及技术进行介绍分析,为以后的量子雷达发展提供了可借鉴的新的研究思路。

2 先进量子雷达方案应用及分析

利用电磁波的波粒二象性对磁场微观量子和量子态进行操控,将量子测量技术与传统雷达探测结合形成的对目标进行探测、图像传输的远程传感器系统称为广义上的量子雷达[21]。量子雷达研究一般集中在传统发射、量子接收;量子发射、传统接收;量子发射、量子接收等几种工作模式,采用量子或者两者相结合的方案,实现雷达性能最大化。采用纠缠态、压缩态、相干态等微波量子调制方法的发射端量子技术,充分利用了量子的物理特性,而在接收端,通过量子增强技术、量子检测算法、低噪声接收处理器等量子相参特性新技术,提高系统灵敏度,增加目标的检测概率。本章节中,我们分析了近些年的最新研究成果,对量子测量技术在雷达中的应用案例进行阐述,为提高量子雷达灵敏度和反隐身能力等方面提供新的解决思路。

2.1 集成量子压缩光源的量子增强多普勒激光雷达

光源的量子噪声和接收端额外噪声等是传统激光雷达进一步提高精度、灵敏度的重要制约因素。山西大学光电研究所高丽、张晓莉,北京华航无线电测量研究所马菁汀等学者针对传统激光雷达受限于激光光源的量子噪声、探测端的额外噪声等因素提出了利用量子压缩态光场作为本振输入信号的新的雷达方案理论[22],可在一定程度上大大提高激光雷达的探测精度。通过制备集成化低噪声压缩态光场并进行多普勒信息测量,新方案相比传统方案提高了3dB 的精度指标,该模型为弱信号探测的研究提供了思路。

通过该方案研发了可突破量子噪声极限的集成量子压缩光源,采用自零拍探测法将低噪声压缩光源作为输入本振与回波信号进行高效耦合,降低了在复杂电磁环境中的光学损耗,实现量子资源的高效利用。实验表明通过低噪声压缩态光场替代相干态光场可降低信号噪声基底,提高信号信噪比实现量子雷达的高灵敏度增强探测。该模型探测方案装置如图1 所示。

图1 压缩态光场量子增强雷达探测方案装置图Fig.1 Detection scheme device diagram of squeezed state light field quantum enhanced radar

压缩态光场的压缩程度与雷达性能增强成正比。如何增大压缩态光场的压缩度,为进一步提升量子雷达的灵敏度提供了研究方向,这也成为量子增强雷达的重要研究课题,包括从低噪声单频激光产生器、降低损耗、高位相稳定方案等方面。

2.2 漩涡微波量子雷达

传统反隐身雷达研究方向主要在频域、空域、极化域等方面,利用传统天线发射和接收,电场强度信号设计复杂,可开发物理量资源有限。量子雷达反隐身引入电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)理论,将漩涡电磁波分为统计态OAM 波束和OAM 量子态漩涡微波量子[23,24]。统计态OAM 波束是基于天线阵列的一种多天线模型,在牺牲占用空间以及与传统阵列天线和产生新增益维度方面存在争议,合成OAM 波束计算复杂。漩涡微波量子由漩涡电子辐射形成,本身带有OAM特性,具有更强的回波物理特性。

清华大学航天航空学院的张超等研究学者通过对具有OAM 量子态的电磁波量子进行研究,提出漩涡微波量子雷达方案理论,构建了基本的物理框架和数学模型,从理论上分析了该模型的高回波功率特性,并试验验证其回波功率相比传统平面波雷达提高约9dB[25]。该模型基于电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)理论,利用电磁波轨道角动量物理特性,采用回旋电子辐射器产生漩涡微波量子来实现高回波功率,增大目标检测概率。

该模型中,传统天线共同作用,分别检测、接收漩涡微波量子模态和漩涡微波量子的电发射端采用电真空回旋管产生量子态OAM 电磁波,控制回旋管输入端的高压电源通断实现漩涡微波量子的脉冲信号,利用回旋行波管实现脉冲的线性调频填充实现远距离分辨力,将调制后的小功率大带宽信号输入回旋行波管中配合高压键控实现漩涡微波量子的脉冲调制。接收端利用与发射端信号模态相对应的接收回旋管和场强度。其模型结构如图2 所示。

图2 漩涡微波量子雷达模型结构图Fig.2 Structural diagram of vortex microwave quantum radar

漩涡微波量子非目标反射造成的OAM 杂波干扰可以由微波量子特有的反射和散射特性来解决,且漩涡微波量子雷达可以在电子干扰等造成平面波干扰的情况下正常工作,传统天线和量子雷达结合的雷达系统更具有抗干扰和抗欺骗能力,两者结合的雷达方案为多模态成像等其他方面的研究提供了新思路。

2.3 被动量子雷达

传统被动式雷达通过对探测目标自身携带的辐射源的辐射信号进行侦收,实现对目标的搜索跟踪,相比主动式雷达具有隐蔽、探测威力更大等优势[26]。将量子技术与被动式雷达系统相结合去实现目标探测,将会大大提高雷达能力,也是量子技术新的应用方向。

北京无线电测量研究所的冯胜、重庆邮电大学的胡光桃等学者将量子理论与被动探测雷达相结合,提出了可突破性能极限的被动量子雷达方案理论[27],他们利用超导电路技术对微波光量子进行转换处理,并在接收端采用压缩真空输入SVI、相位敏感放大PSA、约瑟夫森参量放大器JPA 等量子增强接收技术,使被动量子雷达的系统灵敏度最大提高约4 个数量级,在接收端大大提高了目标回波信号的信噪比,在量子雷达提高灵敏度和反隐身能力等方面提供了新的研究方向。

量子雷达与被动雷达结合的关键在于微波量子化的处理,该方案采用纳米振荡器实现微波和光之间的耦合,在信号传输中产生微波和光的纠缠态。微波量子化处理模型如图3 所示。

图3 被动量子雷达微波量子化示意图Fig.3 Sketch map of passive quantum radar microwave quantum

被动量子雷达相比于传统被动式雷达,在灵敏度上有较大突破,在此基础上通过多雷达交叉探测和多雷达探测算法优化等方法智能融合提取目标数据,以期达到更高精度的目标定位探测。

3 种量子雷达应用技术的方案对比情况如表1所示。

表1 量子雷达应用技术方案对比Tab.1 Scheme comparison of quantum radar applied technology

3 结束语

基于量子雷达测量技术原理,以及在目标识别领域中,量子雷达的发展历史及研究动态,着重介绍了3 种当前先进量子测量技术在量子雷达中的应用案例,通过对量子雷达案例分析,了解其技术原理,拓展研究思路,为未来量子雷达进一步的研究发展提供了可以借鉴的经验。

通过重点案例分析得知微波量子受实际环境因素影响较大,如何降低大气、云、海洋气象等环境影响,如何针对不同的侦测目标特性选取合适的微波量子模态进行发射和接收,如何使传统雷达和量子雷达相结合的方案增益性达到最大等都是量子雷达将来需要考虑的问题。而量子雷达探测目标的量子检测算法优化也将成为影响进一步提高量子雷达性能的关键因素之一。光源制备、光子探测器等核心元器件在超导等新型材料基础上的进一步突破也将是量子雷达提高探测性能的重点关注方向。