本實用新型屬于一種量子探測及量子信息領域，尤其涉及基于量子關聯(lián)的量子雷達。

背景技術：

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，各種安全問題層出不窮，這使得信息安全成為當前世界共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。量子信息作為物理學和信息學的交叉學科，在近十年發(fā)展迅速，并得到各個國家的極大重視。量子密鑰分發(fā)作為量子信息領域的一個重點研究方向，將從根本上解決信息安全的問題。通過一次一密的方式，量子密鑰分發(fā)機制可以在各種竊聽存在的環(huán)境中使雙方或者多方能夠共享安全的密鑰，其基本原理基于量子力學的基本定律因此是完全安全的。量子密鑰分發(fā)機制主要借助于現(xiàn)有的光學和電學器件，因此具備快速地從實驗室推廣到市場的潛力。

量子密鑰機制的提出最早是為了解決通信安全的問題。但隨著對其研究的日益深入，該機制的內(nèi)涵思想正不斷地被其他各個領域所借鑒，以期能解決本領域內(nèi)相應地問題。量子雷達因此應運而生。

量子雷達概念提出的時間并不長，但其迅速得到各國的高度重視并被普遍認為是今后雷達發(fā)展的主要方向。隨著現(xiàn)代雷達技術的發(fā)展，雷達不但要能在長距離內(nèi)精確探測同時也需要具備很強的抗干擾和生存能力。而現(xiàn)有的雷達方案，均基于經(jīng)典的電磁學理論，經(jīng)典雷達已經(jīng)發(fā)展到了瓶頸期，急需新的思路和方向來在上面兩方面得到突破。

現(xiàn)有量子雷達的研究主要集中在以下兩個方向：

1. 通過巧妙借用量子密鑰分發(fā)機制，來解決雷達受到干擾的問題。

2. 利用量子探測的相關技術，借助非經(jīng)典光（量子態(tài)）或者借助于量子糾纏來明顯提升雷達的分辨率，可以將雷達的分辨率由經(jīng)典極限提升到量子極限（海森堡極限）。

可以簡單把著眼于上面兩個不同方向的量子雷達分別稱為第一類量子雷達和第二類量子雷達。而所有研究者的終極目標，就是能夠研究出綜合上述兩種優(yōu)勢的雷達方案（完美量子雷達）。

關于第一類量子雷達，最早的理論方案和實驗驗證由Mehul Malik等人于2012年提出，并以Quantum-secured imaging 為題發(fā)表在Applied Physics Letters 雜志上。下面就簡單介紹以下文獻中提供的第一類量子雷達的方案。

方案的具體步驟如下（參照圖1）：

1、氦氖激光器發(fā)出的激光先經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM）的調(diào)制生成平均光子數(shù)為1的脈沖序列。沖。

2、脈沖經(jīng)過一個放置在電動旋轉(zhuǎn)平臺上的半波片(HWPa)，從而將光子隨機的極化到以下四種情況：水平偏振（H），垂直偏振(V)，對角偏振(D)和反對角偏振(A)。此即量子密鑰分發(fā)中的編碼。

3、將編碼完成的光脈沖對準目標物體發(fā)射。

4、利用干擾濾波器(IF)將反射光子中的源于環(huán)境的背景噪聲干擾去掉。

5、利用半波片（HWPb）和偏振分束器(PBS)構成一個偏振測量裝置對收到的光脈沖進行測量。當半波片和垂直偏振方向平行時，測量光脈沖處于水平偏振態(tài)還是垂直偏振態(tài)。而當半波片和垂直偏振方向成22.5°夾角時，測量光脈沖處于對角還是反對角偏振態(tài)。

6、在偏振分束器的兩側(cè)放置兩個鏡頭，分別用于不同偏振光脈沖的成像。最后利用電子倍增CCD(EMCCD)成像。

該量子雷達系統(tǒng)的方案脫胎于量子密鑰分發(fā)中的BB84協(xié)議。當反射光子的偏振和入射時相比出現(xiàn)超過25%的錯誤率的時候，即可判定目標在干擾探測。

從上面背景技術的介紹可以清晰的看到現(xiàn)有的技術方案運用的是弱脈沖光源（平均光子數(shù)為1），偏振編碼，，編碼通過電動機械裝置進行同時需要非常精細的成像裝置。這就使得現(xiàn)有技術方案在以下方面存在問題：

1、已有文獻研究表明，光的偏振經(jīng)由物體（非鏡面）散射后會發(fā)生明顯變化，這就會造成原有方案在未有任何干擾的情況下就會產(chǎn)生非常大的錯誤率。因此該方案在探測實際物體上并不可行。

2、由于采用弱脈沖，其探測距離極為有限。同時相應的回波信號會更弱，需要非常精細的成像裝置，這增加了成本，降低了裝置的可靠性。

3.其采用電動機械裝置編碼，編碼速率將會很低。同時，電動機械裝置長期使用的可靠性也成問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供基于量子關聯(lián)的量子雷達，可以從根本上解決雷達在探測時雷達脈沖被目標，或第三方截獲并相應發(fā)送錯誤信號干擾探測的問題。為此，本實用新型提供以下技術方案：

基于量子關聯(lián)的量子雷達，包括探測信號發(fā)生裝置及回波信號處理裝置，所述探測信號發(fā)生裝置包括信號裝置、控制裝置，所述回波信號處理裝置包括監(jiān)測裝置、分束裝置及成像裝置；

所述信號裝置包含激光光源和強度調(diào)制器；所述控制裝置包含兩個頻率不同的時鐘，兩個時鐘分別調(diào)制脈沖序列內(nèi)脈沖之間的時間差以及脈沖序列之間的時間差；所述控制裝置控制強度調(diào)制器生成包含多個光子的強脈沖，以及光子數(shù)趨近于0的弱脈沖，上述兩種脈沖構成的脈沖序列作為量子雷達的探測信號；

分束裝置將探測信號經(jīng)物體反射后的回波信號分束形成透射信號及反射信號兩部分，所述透射信號進入成像裝置成像，反射信號進入監(jiān)測裝置監(jiān)測；

監(jiān)測裝置包括不等臂干涉儀和光子計數(shù)器，當連續(xù)兩個強脈沖進入監(jiān)測裝置而所述光子計數(shù)器有計數(shù),則可判斷探測信號被截獲且回波信號存在干擾信號。

所述信號裝置、控制裝置、監(jiān)測裝置、分束裝置及成像裝置均可模塊化。

在采用上述技術方案的基礎上，本實用新型還可采用以下進一步的技術方案：

所述量子雷達還包括透射率高于反射率的不平衡分束器，所述不平衡分束器用于分束回波信號形成透射信號及反射信號。

所述不等臂干涉儀包括平衡分束器，光纖延遲線和法拉第反射鏡，所述平衡分束器一路經(jīng)過光纖延遲線和法拉第反射鏡光路連接, 所述平衡分束器另一路直接與法拉第反射鏡光路連接；

兩個連續(xù)脈沖通過光路連接進入不等臂干涉儀，先進入的脈沖通過光纖延遲線延遲，經(jīng)過延遲后的脈沖與后進入的脈沖經(jīng)法拉第鏡反射后同時回到平衡分束器，形成干涉，并通過不等臂干涉儀的出射端進入光子計數(shù)器。

利用本實用新型量子雷達的處理方法，包括以下步驟：

S1.生成連續(xù)激光；

S2.將連續(xù)激光調(diào)制生成兩種脈沖：包含多個光子的強脈沖，以及光子數(shù)趨近于0的弱脈沖，上述兩種脈沖構成的脈沖序列作為量子雷達的探測信號；

S3. 探測信號遇到目標物體反射后形成回波信號，回波信號分束后形成透射信號及反射信號兩部分，所述透射信號進入成像裝置成像，反射信號進入監(jiān)測裝置監(jiān)測；

S4.所述反射信號中兩個連續(xù)脈沖進入不等臂干涉儀，形成干涉，所述光子計數(shù)器檢測兩路連續(xù)脈沖干涉相消時的出射信號,當連續(xù)兩個強脈沖進入監(jiān)測裝置而所述光子計數(shù)器有計數(shù),則可判定探測信號被截獲且回波信號存在干擾信號。

進一步的，利用所述光子計數(shù)器第一次有計數(shù)的時間點測算目標物的距離。

進一步的，所述脈沖序列至少包含一組兩個連續(xù)脈沖為強脈沖。

進一步的，時鐘頻率較高的時鐘C1調(diào)制強脈沖和弱脈沖之間的時間間隔t1，時鐘頻率較低的時鐘C2用于調(diào)節(jié)脈沖序列之間的時間間隔t2。

進一步的，時鐘C1的時鐘頻率為MHz量級而時鐘C2的時鐘頻率為kHz量級。

進一步的，所述步驟S4中，先進入的脈沖通過光纖延遲線延遲，經(jīng)過延遲后的脈沖與后進入的脈沖反射后同時回到分束器，形成干涉。

進一步的，步驟S4中不等臂干涉儀的兩路脈沖的時間延遲為t1，所述時間延遲為t1和脈沖序列內(nèi)脈沖間的時間間隔相同。

上述所述光子計數(shù)器有計數(shù)時，也可同時發(fā)出聲響或者燈光閃爍等方式作為提示。

下面簡述本實用新型的理論。強脈沖可以用相干態(tài)來描述，而弱脈沖可以近似用真空態(tài)來描述，而兩者之間并不正交。根據(jù)量子不可克隆定理，任何外部裝置都無法完全正確地復制這兩種量子態(tài)。因此截獲重發(fā)后的干擾信號必然和原有的信號存在差別。上述就是要調(diào)制強弱兩種脈沖的理論基礎。

本實用新型通過光子計數(shù)器D的結果來判明回波是否被干擾，其機制源于量子關聯(lián)。當進入干涉儀的兩路信號為弱脈沖和強脈沖時，光子計數(shù)器D有50%的幾率被觸發(fā)。脈沖由連續(xù)鎖模激光調(diào)制而成，相鄰的連續(xù)脈沖具有很好的量子關聯(lián)，因而當兩個連續(xù)的強脈沖進入干涉儀后，會完全相干相消而不會觸發(fā)光子計數(shù)器D。而任何對此類信號的外部操作（如截獲重發(fā)）都會破壞量子關聯(lián)，從而導致計數(shù)器D的觸發(fā)。通過比對發(fā)射信號和接收信號，以及光子計數(shù)器D的計數(shù)情況（只需要知曉其是否被觸發(fā)），即可知曉回波脈沖序列中量子關聯(lián)被破壞的情況。一旦發(fā)生此類情況，即可判定回波信號中存在敵方干擾信號。但現(xiàn)有光子計數(shù)器都存在暗計數(shù)的情況，即當沒有信號光子進入計數(shù)器時，由于環(huán)境的影響計數(shù)器依然有很小幾率被觸發(fā)。因此，需要監(jiān)測當連續(xù)強脈沖進入計數(shù)器的情況下，計數(shù)器被觸發(fā)的幾率。若幾率明顯高于暗計數(shù)的幾率，則判定存在干擾。

由于采用本實用新型的技術方案，本實用新型的有益效果為：本實用新型可以獨立的作為一種量子雷達裝備進行探測任務，但同時也可以作為現(xiàn)有經(jīng)典雷達的輔助模塊，當經(jīng)典雷達顯示探測到目標時，可以利用該模塊來檢驗該目標是否為真實目標。

本實用新型和原有方案相比器件簡化，使得整體的穩(wěn)定性得到提高。且因器件的簡化，使得實施、操作也更為簡便。原有方案要統(tǒng)計四種偏振態(tài)的光子數(shù)并進行相應比對，本實用新型只需要比對光子計數(shù)器的計數(shù)情況即可判斷是否干擾，判斷方式簡便，降低了錯誤率。

本實用新型采用的脈沖包含多個光子，和原有方案的單光子相比提高了探測距離。

附圖說明

圖1為背景技術中指出的量子雷達的方法示意圖。

圖2為本實用新型提供的基于量子關聯(lián)的量子雷達示意圖。

具體實施方式

如圖2所示，本實用新型量子雷達包括探測信號發(fā)生裝置及回波信號處理裝置，所述探測信號發(fā)生裝置包括信號裝置、控制裝置，所述回波信號處理裝置包括監(jiān)測裝置及成像裝置；

信號裝置包含激光光源和強度調(diào)制器；控制裝置包含兩個頻率不同的時鐘；監(jiān)測裝置包括不等臂干涉儀和光子計數(shù)器。

所述量子雷達還包括透射高于反射的不平衡分束器，所述不平衡分束器用于分束回波信號形成透射信號及反射信號。 所述不等臂干涉儀包括平衡分束器，光纖延遲線和法拉第反射鏡。

本實用新型量子雷達具體實施步驟如下：

1、激光光源優(yōu)選鎖模激光器發(fā)出連續(xù)激光。優(yōu)選地，激光器可選擇常見的DFB激光器，其發(fā)射的波長為1550nm。

2、激光經(jīng)由FPGA控制的強度調(diào)制器調(diào)制形成所需的脈沖序列，包含多個光子且強脈沖的強度相同的強脈沖（圖中黑色填充的脈沖所示），以及幾乎不包含任何光子的弱脈沖（圖中未填充的脈沖所示），上述兩種脈沖構成的脈沖序列作為量子雷達的探測信號。并利用光學望遠鏡發(fā)射到自由空間中探測目標。

所述脈沖序列至少包含一組兩個連續(xù)脈沖為強脈沖。時鐘頻率較高的時鐘C1調(diào)制強脈沖和弱脈沖之間的時間間隔t1，時鐘頻率較的時鐘C2用于調(diào)節(jié)脈沖序列之間的時間間隔t2。時鐘C1的時鐘頻率為MHz量級而時鐘C2的時鐘頻率為kHz量級。優(yōu)選地，不調(diào)制連續(xù)為弱脈沖的脈沖組。

3、利用同一個光學望遠鏡接收回波信號并利用環(huán)流器實現(xiàn)收發(fā)分離，讓回波信號進入雷達的接收裝置進行分析。

4、回波信號先經(jīng)過一個窄帶干涉濾波器（IF），濾波器的中心波長為1550nm（和發(fā)射激光波長相同），半峰寬為10nm。以降低背景噪聲。

5、濾波后，回波信號經(jīng)過一個不平衡分束器BS(90:10)分成兩路。優(yōu)選地：不平衡分束器的透射和反射比為90：10。如圖2所示。

6、經(jīng)由分束器透射的脈沖信號進入成像模塊。通過成像透鏡和CCD完成對目標的成像。

7、經(jīng)由分束器反射的信號光進入監(jiān)測模塊。信號先進入不等臂干涉儀。不等臂干涉儀由平衡分束器BS(50:50)，光纖延遲線和兩面法拉第反射鏡（FM）構成。法拉第反射鏡（FM）將用于偏振補償。如圖2所示。

8、在不等臂干涉儀的出射端由光子計數(shù)器D來探測干涉信號。光子計數(shù)器D探測兩路光相消干涉時的出射信號。根據(jù)具光子計數(shù)器D記錄有信號的時間點，精確計算出目標的距離。根據(jù)光子計數(shù)器D計數(shù)的情況，以及和探測信號比對，判斷信號是否被干擾。

以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。