中国可用量子雷达技术可从太空监视高速飞行器
2020-04-30 

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本文由信息与电子前沿(ID:caeit-e)授权转载,发表于《中国电子科学研究院学报》第9卷第1期,作者:葛家龙 中国电子科技集团第三十八研究所专家

在南京正在举行的第八届世界雷达博览会上,《环球时报》记者看到很多新概念雷达。例如量子雷达是将量子信息技术引入传统雷达领域,解决了传统雷达在探测成像精度等方面的技术瓶颈,提升雷达的综合性能。

近日,在南京世界雷达博览会上,中国的第一台量子雷达样机公开展出,显示了中国在这一领域的又一次突破。量子雷达为中科院14所研制,14所除了量子雷达获得了长足的进步以外,在其他科研领域同样绽放光彩。2017年6月,中科院14所就曾经展出过由该所研制成功的我国第一台微波光子雷达样机,雷达样机公布后,14所在此基础上对雷达在应用层面遇到的问题进行进一步攻克,近日有消息称,该所研制的微波光子雷达已近接近收官,这就意味着,我国距离实战化部署微波量子雷达更近了一步。

量子成像又称为双光子关联成像、强度关联成像、鬼成像等,是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术。由于微观客体的关联具有非局域的性质,可以延伸到很远的距离,在这种纠缠状态下即使分布于空间两个分离点的粒子也表现出相同的性质,如电荷、频率、极化等。

据介绍,14所研制的量子雷达样机验证了基于单光子检测的探测技术用于雷达探测领域的可行性。其中超导单光子探测对系统的探测威力平均增加了一倍,是解决当前远程预警探测任务中,光电探测系统威力瓶颈问题的有效手段。14所该项目负责人夏凌昊博士绍说,目前量子雷达在基本理论方面大体成熟,目前正进入实验验证阶段。据介绍,在光电探测领域,由于受大气影响,探测范围相对较近。而利用了量子雷达技术,可以大幅增加装载在太空轨道、亚轨道和邻近空间飞行器上的光电系统探测距离,有效监测在大气层高层乃至宇宙空间的高速飞行器。

微波光子雷达是什么?其有什么样的神奇之处呢?微波光子雷达的原理与传统的电磁波雷达不同,微波光子雷达主要突出的是雷达波的粒子特性,具体而言,微波光子雷达就是以光子为信息载体,利用丰富的光谱资源和先进的光子技术,来更好、更快地处理雷达宽带信号,最终可以实现快速成像且成像高分辨率的一型雷达。

在军事和科学应用需求的牵引下,国内外在可见光、红外波段主被动强度关联遥感成像、微波关联成像雷达的研究方面竞争激烈,同时尝试将其应用于对地观测领域,以突破常规光学遥感和微波遥感的性能局限。

另一种新概念雷达是微波光子雷达。它融合了光的宽带和电的灵活性优势。以光子形式实现大带宽微波信号的产生和接收,可广泛用于居民感知系统,具有重要的应用价值。

众所周知,雷达是现代军事技术的重要组成部分,雷达性能的高低决定着我军武器是否能够看得见、打的着,如果雷达性能落后,军事武器无疑就变成了瞎子,因此,世界各国在雷达技术领域都投入了巨量的资源,雷达性能也在不断提升。但是,技术的积累是有上限的,这个上限就是该项技术的基本原理。例如:传统的雷达就是利用电磁波波的特性,发出电磁波,然后利用回波来定位目标的具体位置,速度、高度等等。但是,传统雷达波有着很多的局限,这些局限就是其基本原理带来的,隐身飞机的出现就是传统雷达实失效的最好证明。除此以外,传统的雷达难以在大雾、下雨、雾霾等恶劣状况下使用,在云层等障碍物遮挡下,雷达也无法探测到目标。虽然最新的合成孔径雷达可以全天候工作且具有穿透能力,但是仍然无法克服精度较差、处理速度慢等缺点。因此,寻找新的技术,突破传统雷达的局限,成为了各大国都非常重视的工作。

量子雷达是量子度量学的另一个重要研究方向,其本质是将光量子作为光频电磁波微观粒子对目标进行探测,利用它不同于常规雷达电磁波的物理特性,提升对目标的探测性能,同时提高雷达的抗干扰和抗欺骗能力。量子现象能够大幅度提高传感器灵敏度,促使量子传感器得到优先研发,如磁力计、光电探测器和密度计等。量子雷达比传统雷达的目标能见度更高,且量子旁瓣为射频隐身目标的探测提供了一种新方法。量子雷达具有优越的电子对抗性能,非常适合军事应用,因此受到各国军方的高度重视。

微波光子雷达的性能十分优异,其使用光子作为信息媒介并实现信息处理。由于其原理完全颠覆了传统雷达,因此其信噪比、探测精度、探测距离、分辨率等等的性能都要优于传统雷达。与此同时,微波光子雷达的效率是传统雷达的好几倍,并且不受云层、天气等障碍的影响,具有全天候全时作战的优势。例如我国的微波光子雷达样机,就曾经在厚厚的云层中揪出一架波音737并且全程实时地跟踪。由于远离区别于传统的雷达,因此专门克制传统雷达而设计的隐身飞机在新的微波光子雷达面前将不再具有绝对优势,也就是说微波光子雷达天生就具有反隐身功能。

一、量子成像的原理和优势

随着14所的不断进步,我们距离成熟的微波光子雷达也就越来越近,而那些躲在暗处的敌意目标无疑时日无多。

量子成像是基于双光子符合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术,其物质基础是纠缠的光子对。产生纠缠光子的方法很多,其中自发参量下转换(SPDC)方法是最常用的一种。自发参量下转换双光子场是一种非经典场,它由单色泵浦光子流(Ar量子激光器)和量子真空噪声对非中心对称的非线性晶体的综合作用,使得每个入射光子以一定概率自发地分裂为能量较低的两个光子,由这些在时间和空间上高度相关的光子对所构成的场就是自发参量下转换双光子场。它具有从泵浦波频率一直到晶格共振频率的宽范围光谱分布。

现有的研究结果表明,光量子的纠缠特性并不是实现量子成像的必要条件,热光源同样可以实现量子成像。但是,由于光场关联形式的差异,热光量子成像的可见度较低且热光量子成像遵循的高斯成像公式与纠缠量子成像公式不同。当物体和成像透镜都在同一个光路中时,纠缠量子成像与两个光路的纵向距离之和有关,而热光量子成像和两个系统的纵向距离之差有关。对于相同的物距,两种量子成像的放大率是相同的,但是成像的位置不同。

量子成像比常规的激光全息成像更方便。但是,量子成像需要的成像时间较长,一般要几秒钟时间,不适于快速成像的场合,而且就目前的技术而言,产生大量的纠缠光子对还有困难,不过随着量子信息技术的发展,这些问题都有望解决,因此量子成像将成为成像领域中的一个重要分支。要在红外波段获得高分辨率图像很难,使用量子成像却能很容易获得成像效果良好的图像,所以量子成像技术将以其高清晰的图像在航空探测、军事侦察、远红外成像等领域发挥重要作用。

二、量子雷达的原理和优势

传统雷达利用电磁波的波动性,通过测量目标回波的幅度、频率、相位、极化等参数来获取目标信息,但由于它们不能详细反映目标信息的空间序列特性,因此探测能力有限。根据电磁波的波粒二象性,如果对其粒子性进行测量,可以获得信号的动量和位移,其中包含了目标信息的空间序列特性。以此作为目标探测的信息载体,将会获得目标状态的大量精准信息,这就是量子雷达的工作机理。凡是采用微波光子进行远程目标探测,利用光子的某些特性来提高其探测、识别和分辨目标能力的电子系统就称之为量子雷达。

量子雷达的探测信号是原子中的电子从一个能级跃迁到另一个能级时辐射的电磁波,它具有特定的状态,一般是指电子的自旋。多个已知自旋状态(相当于信号编码)的电子辐射电磁波,该电磁波经目标反射后被接收机接收。接收机通过分析电子吸收反射波后自旋状态的改变规律,可以获取目标信息。所以,电磁波与电子自旋状态之间的关系及其持续时间很重要,它决定了量子雷达的探测能力和探测距离。

一个典型量子雷达的工作原理图,如图所示。

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量子雷达具有常规雷达无法比拟的灵敏性,这是因为信息以量子信息的形式调制在单个光子状态上,接收机识别单个光子的能量模式,而常规雷达的信息是调制在大量光子组成的电磁波上,接收机识别大量光子组成的能量模式,因此量子接收机对信息的感知更灵敏。当量子光特性转换成真空波动时,会影响到电磁场幅度的测量,所以现代大多数传感器的灵敏度都受到标准量子极限的限制。而量子雷达采用纠缠光子时,可以克服标准量子极限限定的相位测量极限,达到海森堡极限,这就是其重要的超灵敏性。

量子雷达的另一个显著优势是其固有的抗干扰性。这来源于光量子的一个奇异特性,即在测量光子的同时往往会改变其量子特性,通过对量子特性的检测可以发现是否受到干扰,这对雷达对抗日益严重的欺骗式干扰非常有效。

量子雷达未来的工作频段最可能处于微波频段(如X波段),从而继承了微波的许多优点,如微波光子能够穿透云层和雾气,具有全天时、全天候的工作能力,比光学传感器具有更好的穿透性,使导弹制导、海事监测、气象、地面警戒和机场交通导航等成为其潜在的应用领域。

三、量子成像的研究现状

1994年,巴西的Ribeiro等人通过参量下转换的动量纠缠光源,以符合计数的方式观测到第一例双光子干涉条纹,1995年美国马里兰大学史砚华小组也通过参量下转换获得的动量纠缠光源,观察到鬼干涉和衍射,这些工作揭开了量子成像研究的序幕。

2002 年,Rochester大学的Bennink等人巧妙利用一个随机旋转的反射镜反射激光,得到了和量子符合成像类似的结果,虽然没有解释经典光源实现鬼成像的原因,但这项工作却引起了人们的极大关注。

2004年Bennink等人又通过经典相关光重现了物体的衍射图,但在实验中对实验装置做了改变,如成像物体的位置、棱镜设备等,以确定量子纠缠是否是实现鬼成像和鬼干涉实验的必要条件。

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