[发明专利]基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统

说明书

本发明涉及的是基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统，它由量子态制备系统、发射和接收系统、量子态相干探测系统、计算机综合分析系统构成，量子源产生相干叠加激光量子态，激光器产生相干激光量子态，上述两种激光量子态通过第一50:50光束分数器干涉得到纠缠相干态；探测信号由光学发射系统发射出去并照射目标，回波信号由光学接收系统进行接收，回波信号和本振信号在第二50:50光束分数器处进行干涉，此干涉信号内携带目标的距离信息，该干涉信号转换成二值输出电信号，该电信号由计算机综合分析系统进行综合分析，给出目标的距离信息。本发明实现了信号的超分辨率和超灵敏度测量的目标。

技术领域：

本发明涉及激光干涉技术，具体涉及基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统。

背景技术：

干涉是物理学中重要的测量技术之一。干涉的目标是对感兴趣的物理量进行高精度估计，正常情况下这个物理量是干涉仪一个臂上聚集的相位。增强型相位估计使得许多研究领域受益，这些领域包括量子度量、成像和传感等。非经典态能够增强成像的空间分辨率，非经典态能够提高测距系统的距离分辨率和测距精度，非经典光学量子态还能够突破经典衍射或者散弹噪声限。量子纠缠优势的现实意义导致了人们发展量子传感器、量子激光雷达和量子微波雷达理论。

利用量子现象提高经典激光雷达性能是一种新的研究典范，这种类型激光雷达就是人们通常所说的量子激光雷达或者量子增强激光雷达。它们中的多数是相干(或者是干涉)探测型激光雷达，而不是直接探测型激光雷达。干涉型量子激光雷达狭窄的干涉条纹(超分辨)特征是非常有用的，例如，在小回波功率的激光雷达测距或者激光多普勒测速系统中，可以锁定这种窄条纹特征，然后利用负反馈系统监视条纹如何随着时间变化，进而探测目标的距离或速度。根据目前的文献报道量子激光雷达有两种：一种是基于最大纠缠双光子态实现超分辨率和超灵敏度的量子激光雷达；另一种利用相干态光子和量子探测方案或量子策略来突破瑞利衍射极限。然而，纠缠双光子态对损耗极为灵敏，在损耗干涉仪中，随着损耗光子数的增加，纠缠双光子态的相位测量精度由海森堡极限过度到散弹噪声极限，且制备此量子态十分困难，所有这些使得以纠缠双光子态作为光源的量子激光雷达很难得到实际应用。

利用普通的激光脉冲信号照射敌方目标后，回波信号的分辨率为瑞利衍射极限，灵敏度为散弹噪声极限，即经典探测极限。

发明内容：

本发明的目的是提供基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统，这种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统用于解决了分辨率和灵敏度受经典极限限制问题，实现了亚瑞利衍射极限的信号分辨率和亚散弹噪声极限的灵敏度的距离探测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统由量子态制备系统、发射和接收系统、量子态相干探测系统、计算机综合分析系统构成，量子态制备系统包括量子源、激光器、第一50:50光束分数器；发射和接收系统包括光学发射系统、光学接收系统；量子态相干探测系统包括两个光子数分辨探测器；量子源产生相干叠加激光量子态，激光器产生相干激光量子态CS，上述两种激光量子态通过第一50:50光束分数器干涉从而得到纠缠相干态，纠缠相干态是双模路径纠缠量子态，其中一个模式的量子态作为探测信号，另一个模式的量子态作为参考信号； 探测信号由光学发射系统发射出去并照射目标，探测信号在传播过程中产生相移，此相移对应着目标的距离信息，相移用相移器表征；两个路径上的量子态经历的损耗分别虚拟光束分数器表示；回波信号由光学接收系统进行接收，回波信号和本振信号在第二50:50光束分数器处进行干涉，此干涉信号内携带目标的距离信息，该干涉信号由光子数分辨探测器利用奇偶探测方法将光信号转换成二值输出电信号，该电信号由计算机综合分析系统进行综合分析，给出目标的距离信息，目标的距离信息包括分辨率、灵敏度。

有益效果：

1、本发明采用纠缠相干态量子源和二值输出奇偶光子计数探测方法，实现了超过瑞利极限的分辨率测量，即实现了亚瑞利衍射极限的信号分辨率；信号的灵敏度突破了散弹噪声极限，即实现了亚散弹噪声极限的信号探测。