基于干涉量子雷达的远距离空中目标探测系统设计

空中目标探测对于空中交通管理与调度具有重要的参考意义,为了克服距离给空中目标探测工作带来的困难,利用干涉量子雷达技术,从硬件和软件两个方面优化设计远距离空中目标探测系统;加设干涉量子雷达探测器,改装雷达信号处理与成像装置,完成硬件系统的优化;利用干涉量子雷达技术生成空中目标雷达图像,通过杂波抑制、图像增强等步骤完成初始雷达图像的预处理;提取雷达图像的轮廓特征,测量空中目标距离,计算空中目标尺寸、位置等几何参数以及移动速度参数,最终通过特征匹配确定区域是否存在空中目标,输出空中目标探测结果;通过系统测试实验得出结论:与传统探测系统相比,优化设计系统的距离、尺寸和移动速度探测误差分别降低了5.15 m、4.85㎡和4.15 m/s,同时扩大了空中目标的探测范围。

干涉量子雷达测量方法性能分析

目前隐身技术、空间小目标探测以及行星防御等应用领域对雷达系统的性能提出更高要求,随着量子信息技术和量子计算机的发展,利用量子技术改进远程传感器系统并提高传感器灵敏度已成为众多科学领域的研究热点.初步研究结果表明,依赖于少量纠缠叠加光子的量子雷达与不采用纠缠光子的雷达相比,其分辨率以二次方的速率提高.同时,对于同一个目标,量子雷达比传统雷达的有效探测距离更远,且量子散射截面旁瓣为射频隐身目标的探测提供了一种新方法.介绍了量子雷达的基本概念和分类、探测机理,并从干涉测量的角度出发,重点分析了干涉量子雷达的几种不同测量方法的性能.对比分析相位估计误差和目标距离估计误差,给出了测量方法所达到的量子极限以及系统所达到的超级灵敏度区域.

层积云背景下量子干涉雷达最优平均光子数自适应策略

量子干涉雷达(Quantum Interference Radar,QIR)是以量子力学为基础,利用量子纠缠效应进行目标探测的一种新型雷达体制,QIR探测光子数的变化会对雷达分辨率和系统生存函数产生影响。为了降低层积云液态水含量对QIR探测性能的影响,提出了基于诱骗态量子密钥协议的最优平均光子数自适应(Photon Number Adaptive,PNA)调整策略。建立了层积云液态水含量、传输距离与最优平均光子数之间的关系,对自适应调整前后的QIR分辨率和信道生存函数进行了比较。理论分析和仿真结果表明,当脉冲信号波长一定,层积云粒子浓度为1.579×10^(4)cm^(-3),层积云液态水含量为0.5 g/cm3时,采用PNA策略之后,QIR角度分辨率值由1.289下降至1.028,QIR系统角度分辨率和空间分辨率均得到有效提高;当层积云液态水含量为0.1034 g/cm^(3)时,采用PNA策略之后,信道生存函数由0.2292提高到0.4167。因此,通过PNA策略自适应地调整系统发送端信号脉冲所含的平均光子数,能够提高QIR在层积云背景下探测的可靠性。

大气损耗对量子干涉雷达的影响机理

以马赫-曾德尔干涉仪作为基本模型对量子干涉雷达的探测原理进行分析,讨论了目标探测过程中光场量子态的具体演化情况,并采用宇称算符作为相位检测算符分析了量子干涉雷达的回波信号,将其与基于振幅检测的经典雷达回波信号进行比较,证明量子干涉雷达具有超越衍射极限的超分辨率特性.此外,针对大气损耗的进一步研究显示:量子干涉雷达分辨率受大气损耗影响较小,且可通过增大脉冲光子数N克服其影响;而量子干涉雷达的灵敏度则受到较大影响,尤其当两路光的损耗情况不同时,灵敏度随N的增加呈现先升高后降低的趋势;当两路光损耗情况相同时,系统灵敏度随N的增加而升高且正比于1/N^(1/2).综上,可根据探测光的大气损耗情况适当调节参考光的衰减来克服大气损耗带来的不良影响.

大气闪烁对纠缠相干态量子干涉雷达影响机理

介绍了量子干涉雷达物理模型及其探测原理,并采用耗散-涨落通道处理量子光场在湍流大气中的传输,从经典湍流统计理论推导得到大气透射率的概率密度分布函数P(T),以此为基础系统分析了大气闪烁效应对纠缠相干态量子干涉雷达的影响机理,深入讨论了平均大气透射率、闪烁指数等大气参数对系统目标探测性能的影响.研究发现:低损耗情况下系统灵敏度及分辨率性能随闪烁指数的增加而降低;高损耗情况下大气闪烁则能显著提高系统灵敏度和分辨率性能,且界定高低损耗的透射率临界点随脉冲光子数增加而增加,故大气闪烁能够在一定程度上克服大气损耗造成的不良影响.

雾霾粒子对量子干涉雷达探测性能的影响及仿真

为了研究雾霾粒子对量子干涉雷达的影响,结合米氏(Mie)散射理论和标准伽马分布,对雾霾环境下量子干涉雷达探测光子偏振特性、雾霾粒子消光特性进行了分析。针对不同质量浓度的雾霾粒子,建立了量子链路衰减与量子干涉雷达探测光子传输距离之间的关系模型并进行仿真;针对不同的发射波束光子数,建立了雾霾粒子质量浓度与量子干涉雷达分辨率、灵敏度之间的关系模型并进行仿真。实验结果表明,当雾霾粒子质量浓度一定时,量子干涉雷达的分辨率会随发射波束光子数的增多而增大,而其灵敏度随光子数的增多而降低。因此,雾霾粒子对量子干涉雷达的探测性能有显著影响。仿真结果可为研究量子干涉雷达在雾霾天气中的探测效率提供一定参考依据。

降雨对量子干涉雷达探测性能的影响

降雨是影响光子探测的重要因素之一。为了研究降雨对量子干涉雷达探测性能的影响,首先分析探测光子的偏振特性。在Mie散射基础上,分析了不同大小雨滴粒子的光散射特性;根据不同的降雨大小,对降雨强度、传输距离与量子链路衰减的关系进行分析;针对不同光子数,建立了降雨强度、传输距离与灵敏度、分辨率的关系模型并进行仿真实验。结果表明,当发射端脉冲光子数一定时,灵敏度和分辨率随着降雨强度的增加而降低。在同一降雨强度下,分辨率随光子数的增加而增大,但灵敏度随之减小。由此可见,雨滴粒子散射特性造成的影响在量子干涉雷达探测的过程中不可忽略,在实际过程中,应及时根据环境情况调整设备参数,保证其探测性能。

量子雷达技术综述

量子雷达是量子信息技术在雷达探测领域的应用,有可能突破经典雷达探测的物理极限,开辟了雷达技术发展的新方向。本文对量子雷达的概念、分类和国内外研究情况进行了梳理,对量子雷达的适用场景和发展方向进行了简要分析,就推进量子雷达研究应用提出建议。

冰晶粒子对量子干涉雷达探测性能的影响

为研究冰晶粒子对量子干涉雷达性能参数的影响,基于冰晶粒子的Van de Hulst近似理论、标准伽马分布和Henyey-Greenstein相函数,研究了冰晶粒子背景下雷达探测光子的偏振变化,建立了冰晶粒子的不同参量对量子干涉雷达探测光子的传输距离、分辨率和误码率的影响模型。仿真结果表明,增加冰晶粒子的有效尺度,会增大探测光子的能量耗散,导致探测光子的传输距离下降;发射波束光子数目一定时,量子干涉雷达的分辨率随冰晶粒子光学厚度的增加而降低;当冰晶粒子浓度一定时,链路的量子误码率随冰晶粒子的有效尺度与非对称因子的增加而增加,且不同类型的冰晶粒子对量子误码率的影响程度不同;当保持高偏振对比度时,将椭圆率角减少到一定范围内可以降低量子误码率。

对流层水云对量子干涉雷达探测性能的影响及仿真

采用修正的伽马分布,结合米氏散射理论,分析了水云粒子的光散射特性,建立了4种常见水云粒子含水量与消光系数的关系。对于光量子的偏振态,研究了水云粒子背景下量子干涉雷达(QIR)探测光子的偏振变化规律,建立了水云粒子影响QIR探测光子的传输距离、分辨率、误码率以及生存性能的数学模型。理论分析和实验仿真结果表明:随着水云中含水量的增加,消光系数呈线性增加,导致衰减系数增加,从而使得探测光子的能量耗散量增大,探测光子的传输距离下降;当发射光子数目一定时,QIR的分辨率随水云粒子光学厚度的增加而降低;当水云粒子浓度一定时,随着退偏比的增大,系统的误码率呈减小趋势;当目标的可探测点数一定时,水云对QIR系统的干扰强度越大,雷达的生存性能越低。由此可见,在QIR的设计、调试和使用过程中,需根据水云的相关参数,自适应地调整QIR系统的各个指标参数,从而提升系统的探测性能。

量子激光雷达测距与测速的研究进展

激光雷达以其优良的定向性和高分辨率,成为自动驾驶、测绘和遥感等领域的核心传感器,但是近年来传统激光雷达也面临探测灵敏度和分辨率限制等诸多挑战.本文以测距与测速性能为核心,从经典激光雷达的两类代表——脉冲激光雷达与频率调制连续波激光雷达出发,分别介绍了量子脉冲激光雷达与量子干涉式激光雷达的研究进展.通过对目前量子激光雷达研究成果的梳理,深入了解目前量子激光雷达的研究重点与难点,为未来量子激光雷达的发展提供帮助.