[发明专利]一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法

说明书

本发明提出了一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法。首先，利用瞄准跟踪技术建立光量子通信链路，通过卫星上的激光器产生泵浦光，将泵浦光入射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，发生自发参量下转换，得到具有纠缠特性的信号光与闲置光，将信号光和闲置光分别发射至海面站1与海面站2，利用两个海面站的单光子探测器接收光子；其次，让海面站1下沉，海面站2浮于海面，对海面站1进行位置跟踪；然后，利用海面站1上的单光子探测器发射光子至目标，经目标反射后由该单光子探测器接收；最后，利用高速采集电路对两个海面站的单光子探测器输出的时间脉冲序列进行符合计数，求得信号光的飞行时间，进而计算出海面站1与目标之间的距离。

技术领域

本发明涉及水下目标高精度测距领域，特别涉及一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法。

背景技术

传统水下测距技术主要是利用激光和超声波对目标进行测距，其原理为通过向目标发射测距信号，经目标反射回发射端，得到发射端到目标的时间差，进而计算可得发射端与目标之间的距离。传统水下激光测距技术易受信号稳定性和光的多径传播影响，不适合长距离测量。此外，水下超声波测距由于湍流环境下压力和温度导致声速改变，使得测量距离与实际距离产生较大误差。传统水下测距技术存在精度低、测量范围局限等问题，制约了水下目标探测水平的提升。因此，水下测距技术的发展必须探索新型测距方法，而量子测距具有高精度、高保密性的优点，所以量子测距是未来水下测距技术的发展方向之一。

量子测距通过发射和接收纠缠光子对，利用纠缠光子对的高同步和高保密特性，根据二阶关联特性，对采集到的光子进行符合计数来计算光子的飞行时间，从而获得探测器与目标之间的距离。该方法可以达到厘米级测量精度，并且可以实现高精度、高安全的水下目标探测。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法。相对于传统水下测距方法，本发明利用纠缠光量子的高同步和高保密特性，实现水下高精度目标测距。

本发明采用的技术方案为：一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法，包括以下步骤：

步骤一：利用卫星与两个海面站的望远镜发射信标光，其中，海面站1为浮沉信标，海面站2为船舰，通过瞄准跟踪(Acquisition Tracking and Pointing，ATP)技术，建立星海光量子链路；

步骤二：利用卫星上装载的连续窄线宽半导体激光器产生泵浦光，其带宽为160MHz，由光纤收集后通过耦合器的微透镜进行光束汇聚；

步骤三：将泵浦光入射至周期极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled KTP，PPKTP)晶体中，发生参量下转换，得到纠缠光子对；

步骤四：利用光路中的双色镜分离泵浦光和下转换光，并使其通过波长为810nm的偏振分束器，将纠缠光子对分开；

步骤五：利用长通滤光片滤除环境中的干扰光，并通过光纤耦合器对纠缠光子进行收集；

步骤六：利用偏振分束器将纠缠光子对分离成信号光和闲置光，将信号光发射至浮沉信标，而将闲置光发射至船舰。

步骤七：在浮沉信标和船舰上分别装载单光子探测器1和单光子探测器2以收集信号光和闲置光，浮沉信标浮于水面的位置和船舰的位置由北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System，BDS)确定；

步骤八：当浮沉信标沉于水下时，联合捷联惯导系统、多普勒计程仪和压力传感器对其位置进行确定。具体而言，根据捷联惯导系统观测浮沉信标的运动特性并构建位置跟踪模型，再利用多普勒计程仪和压力传感器对浮沉信标的速度和深度进行校准，应用误差状态卡尔曼滤波方法实现对浮沉信标的位置跟踪；

步骤九：浮沉信标在下沉过程中不断发射信号光，并利用其装载的单光子探测器1探测被目标反射回来的信号光；