白文浩,吳 驥,杜 宇,楊 鍵

(北京無線電測量研究所,北京 100039)

1 引言

量子技術是基于量子物理與信息技術相結合的新興學科,根據其應用學科分類,主要有量子通信、量子測量、量子計算等。量子技術相比傳統信息技術,在信息加密、傳輸速度、運算時間、計量精度、抗干擾能力等方面有著明顯優(yōu)勢,可突破現有信息技術的局限性。量子技術在生活中各個領域應用前景廣闊,現已成為各國重點關注的前沿技術。

量子測量技術利用原子、光子等量子體系與測試物理量進行相互作用,使量子狀態(tài)發(fā)生變化,通過提取改變量子態(tài)的特征參數,運算處理后達到測量目標的目的。量子測量技術可用于測量磁場、電場、速度、重力、時間、距離等物理量,涉及國防、航天、能源、交通等諸多領域。研究方向主要分為目標識別、重力測量、磁場測量、定位導航和時頻同步[1]。在量子目標識別領域中,根據量子現象和回波獲取方法不同,量子雷達方案可分為量子糾纏雷達、量子增強雷達、量子衍生雷達等;根據探測信號形式各異,量子雷達方案又可分為單光子探測和多光子探測。量子糾纏雷達主要分為干涉量子雷達和量子照射雷達,采用糾纏態(tài)光子作為發(fā)射源的干涉量子雷達可以使相位差估計誤差突破量子極限達到海森堡極限[2];自適應光學校正法[3]大大降低了大氣介質對干涉量子雷達探測靈敏度距離性能的影響;量子糾纏態(tài)的照射雷達可以提高目標探測能力和成像空間分辨率,英國York 大學團隊采用了雙腔轉換器,利用納米振蕩器實現微波探測和光波“備份”信號的耦合[4],大大提高了目標探測性能。麻省理工學院利用零差檢測技術的量子增強雷達[5,6]大大提高了雷達角度分辨以及靈敏度的性能;G.Romero 等提出的微波頻段單光子計數探測器[7]、Y.Nakamura 等提出超導回路新的單光子檢測技術[8]、S.R.Sathyamoorthy 等構造三能級原子的無破壞性光子檢測法[9]等都在微波光子探測器方面取得突破進展。利用光場二階關聯信息的熱光/贗熱光關聯成像量子衍生雷達[10,11],基于軌道角動量調制的微波關聯成像量子衍生雷達[12,13]實現了量子雷達在成像性能上的突破。

量子測量技術應用于雷達研究,始于20 世紀60 年代,Bakut 首次完成量子信號可應用于雷達的理論論證[14];Helstrom 于1974 年進行了量子估計與檢測的理論研究[15],在此基礎上展開量子最優(yōu)接收機研究以及驗證實驗;Madjid 等于1992 年研究了量子探測問題[16];Tan 等于2008 年首次提出了量子探測的系統模型,使理論轉化為實踐[17];Malik 等于2012 年研究了量子技術應用于雷達的反隱身能力[18];隨后,Lopaeva 等首次驗證了量子照射雷達,將模型理論應用于實踐[19,20]。經過各國學者對量子雷達理論的繼續(xù)研究,奠定了比較系統的學科基礎。該發(fā)展動態(tài)研究通過對現有的先進量子雷達模型及技術進行介紹分析,為以后的量子雷達發(fā)展提供了可借鑒的新的研究思路。

2 先進量子雷達方案應用及分析

利用電磁波的波粒二象性對磁場微觀量子和量子態(tài)進行操控,將量子測量技術與傳統雷達探測結合形成的對目標進行探測、圖像傳輸的遠程傳感器系統稱為廣義上的量子雷達[21]。量子雷達研究一般集中在傳統發(fā)射、量子接收;量子發(fā)射、傳統接收;量子發(fā)射、量子接收等幾種工作模式,采用量子或者兩者相結合的方案,實現雷達性能最大化。采用糾纏態(tài)、壓縮態(tài)、相干態(tài)等微波量子調制方法的發(fā)射端量子技術,充分利用了量子的物理特性,而在接收端,通過量子增強技術、量子檢測算法、低噪聲接收處理器等量子相參特性新技術,提高系統靈敏度,增加目標的檢測概率。本章節(jié)中,我們分析了近些年的最新研究成果,對量子測量技術在雷達中的應用案例進行闡述,為提高量子雷達靈敏度和反隱身能力等方面提供新的解決思路。

2.1 集成量子壓縮光源的量子增強多普勒激光雷達

光源的量子噪聲和接收端額外噪聲等是傳統激光雷達進一步提高精度、靈敏度的重要制約因素。山西大學光電研究所高麗、張曉莉,北京華航無線電測量研究所馬菁汀等學者針對傳統激光雷達受限于激光光源的量子噪聲、探測端的額外噪聲等因素提出了利用量子壓縮態(tài)光場作為本振輸入信號的新的雷達方案理論[22],可在一定程度上大大提高激光雷達的探測精度。通過制備集成化低噪聲壓縮態(tài)光場并進行多普勒信息測量,新方案相比傳統方案提高了3dB 的精度指標,該模型為弱信號探測的研究提供了思路。

通過該方案研發(fā)了可突破量子噪聲極限的集成量子壓縮光源,采用自零拍探測法將低噪聲壓縮光源作為輸入本振與回波信號進行高效耦合,降低了在復雜電磁環(huán)境中的光學損耗,實現量子資源的高效利用。實驗表明通過低噪聲壓縮態(tài)光場替代相干態(tài)光場可降低信號噪聲基底,提高信號信噪比實現量子雷達的高靈敏度增強探測。該模型探測方案裝置如圖1 所示。

圖1 壓縮態(tài)光場量子增強雷達探測方案裝置圖Fig.1 Detection scheme device diagram of squeezed state light field quantum enhanced radar

壓縮態(tài)光場的壓縮程度與雷達性能增強成正比。如何增大壓縮態(tài)光場的壓縮度,為進一步提升量子雷達的靈敏度提供了研究方向,這也成為量子增強雷達的重要研究課題,包括從低噪聲單頻激光產生器、降低損耗、高位相穩(wěn)定方案等方面。

2.2 漩渦微波量子雷達

傳統反隱身雷達研究方向主要在頻域、空域、極化域等方面,利用傳統天線發(fā)射和接收,電場強度信號設計復雜,可開發(fā)物理量資源有限。量子雷達反隱身引入電磁波軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)理論,將漩渦電磁波分為統計態(tài)OAM 波束和OAM 量子態(tài)漩渦微波量子[23,24]。統計態(tài)OAM 波束是基于天線陣列的一種多天線模型,在犧牲占用空間以及與傳統陣列天線和產生新增益維度方面存在爭議,合成OAM 波束計算復雜。漩渦微波量子由漩渦電子輻射形成,本身帶有OAM特性,具有更強的回波物理特性。

清華大學航天航空學院的張超等研究學者通過對具有OAM 量子態(tài)的電磁波量子進行研究,提出漩渦微波量子雷達方案理論,構建了基本的物理框架和數學模型,從理論上分析了該模型的高回波功率特性,并試驗驗證其回波功率相比傳統平面波雷達提高約9dB[25]。該模型基于電磁波軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)理論,利用電磁波軌道角動量物理特性,采用回旋電子輻射器產生漩渦微波量子來實現高回波功率,增大目標檢測概率。

該模型中,傳統天線共同作用,分別檢測、接收漩渦微波量子模態(tài)和漩渦微波量子的電發(fā)射端采用電真空回旋管產生量子態(tài)OAM 電磁波,控制回旋管輸入端的高壓電源通斷實現漩渦微波量子的脈沖信號,利用回旋行波管實現脈沖的線性調頻填充實現遠距離分辨力,將調制后的小功率大帶寬信號輸入回旋行波管中配合高壓鍵控實現漩渦微波量子的脈沖調制。接收端利用與發(fā)射端信號模態(tài)相對應的接收回旋管和場強度。其模型結構如圖2 所示。

圖2 漩渦微波量子雷達模型結構圖Fig.2 Structural diagram of vortex microwave quantum radar

漩渦微波量子非目標反射造成的OAM 雜波干擾可以由微波量子特有的反射和散射特性來解決,且漩渦微波量子雷達可以在電子干擾等造成平面波干擾的情況下正常工作,傳統天線和量子雷達結合的雷達系統更具有抗干擾和抗欺騙能力,兩者結合的雷達方案為多模態(tài)成像等其他方面的研究提供了新思路。

2.3 被動量子雷達

傳統被動式雷達通過對探測目標自身攜帶的輻射源的輻射信號進行偵收,實現對目標的搜索跟蹤,相比主動式雷達具有隱蔽、探測威力更大等優(yōu)勢[26]。將量子技術與被動式雷達系統相結合去實現目標探測,將會大大提高雷達能力,也是量子技術新的應用方向。

北京無線電測量研究所的馮勝、重慶郵電大學的胡光桃等學者將量子理論與被動探測雷達相結合,提出了可突破性能極限的被動量子雷達方案理論[27],他們利用超導電路技術對微波光量子進行轉換處理,并在接收端采用壓縮真空輸入SVI、相位敏感放大PSA、約瑟夫森參量放大器JPA 等量子增強接收技術,使被動量子雷達的系統靈敏度最大提高約4 個數量級,在接收端大大提高了目標回波信號的信噪比,在量子雷達提高靈敏度和反隱身能力等方面提供了新的研究方向。

量子雷達與被動雷達結合的關鍵在于微波量子化的處理,該方案采用納米振蕩器實現微波和光之間的耦合,在信號傳輸中產生微波和光的糾纏態(tài)。微波量子化處理模型如圖3 所示。

圖3 被動量子雷達微波量子化示意圖Fig.3 Sketch map of passive quantum radar microwave quantum

被動量子雷達相比于傳統被動式雷達,在靈敏度上有較大突破,在此基礎上通過多雷達交叉探測和多雷達探測算法優(yōu)化等方法智能融合提取目標數據,以期達到更高精度的目標定位探測。

3 種量子雷達應用技術的方案對比情況如表1所示。

表1 量子雷達應用技術方案對比Tab.1 Scheme comparison of quantum radar applied technology

3 結束語

基于量子雷達測量技術原理,以及在目標識別領域中,量子雷達的發(fā)展歷史及研究動態(tài),著重介紹了3 種當前先進量子測量技術在量子雷達中的應用案例,通過對量子雷達案例分析,了解其技術原理,拓展研究思路,為未來量子雷達進一步的研究發(fā)展提供了可以借鑒的經驗。

通過重點案例分析得知微波量子受實際環(huán)境因素影響較大,如何降低大氣、云、海洋氣象等環(huán)境影響,如何針對不同的偵測目標特性選取合適的微波量子模態(tài)進行發(fā)射和接收,如何使傳統雷達和量子雷達相結合的方案增益性達到最大等都是量子雷達將來需要考慮的問題。而量子雷達探測目標的量子檢測算法優(yōu)化也將成為影響進一步提高量子雷達性能的關鍵因素之一。光源制備、光子探測器等核心元器件在超導等新型材料基礎上的進一步突破也將是量子雷達提高探測性能的重點關注方向。