[发明专利]一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法

权利要求书

1.一种太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述系统包括：

发射模块，包括依次设置的太赫兹QCL源、第一分束镜、太赫兹信号发射前端、波束控制组件以及发射天线，用于通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；

接收模块，包括依次设置的接收天线、滤波组件、太赫兹信号接收前端、第二分束镜以及量子电容探测器，用于通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子，所述量子电容探测器包括相互连接的天线、超导吸收器、单库伯电子对箱以及超导射频谐振器，其中所述超导吸收器中内置有准粒子，所述单库伯电子对箱包括超导约瑟夫森结和超导岛，所述超导岛与所述超导射频谐振器电容性耦合，当所述超导吸收器中的准粒子经所述约瑟夫森结隧穿进入所述超导岛时，引起所述单库伯电子对箱的电容变化，电容变化引起所述超导射频谐振器的频率变化；

信号处理模块，包括依次设置的技术统计模块、信号处理与控制端，所述技术统计模块连接到所述量子电容探测器，用于对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；

模型生成模块，用于根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；

输出模块，用于根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法。

2.根据权利要求1所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述太赫兹QCL源为太赫兹量子级联激光器，频段为2～5THz，通过光抽运作用电子在不同子带间跃迁来辐射所述太赫兹波脉冲信号。

3.一种太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，所述方法包括以下步骤：

S1，通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；

S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；

S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；

S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；

S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。

4.根据权利要求3所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，步骤S1中，所述太赫兹QCL源发射的太赫兹波脉冲信号表示为：

式中，表示太赫兹波脉冲信号的时间包络，A表示信号幅度，ω_s表示发射信号角频率，τ表示调节脉冲宽度p_w的参数，i表示虚数。

5.根据权利要求4所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，步骤S2中，太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号表示为：

式中，A_s表示回波信号幅度，且A_s＝σA/R²，R表示雷达系统与目标之间的距离，σ表示目标的散射系数，t_d表示回波信号的延时，t表示时间变量。

6.根据权利要求5所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，所述太赫兹QCL源输出的本振信号表示为：

式中，A_l表示本振信号幅度，ω_l表示本振信号角频率；

根据光外差探测原理，所述回波信号与本振信号相干叠加后瞬时功率可以表示为：

式中，ω_IF表示差拍频率；

由此得到所述量子电容探测器的回波信号光子数函数为：

其中，N_l表示本振信号平均光子率，其值为N_s表示回波信号平均光子率，其值为

由此得到所述量子电容探测器响应的初始光电子数函数为：

式中，η表示量子电容探测器的探测效率。