基于连续变量的量子雷达及其处理方法与流程

本发明属于一种量子探测及量子信息领域，尤其涉及基于连续变量的量子雷达及其处理方法。

背景技术：

随着量子信息理论和相应实验技术的发展，利用量子密钥分发机制来解决经典通信领域存在的安全问题正在日益变成现实，这将从根本上解决通信安全问题。量子信息理论的发展绝不仅仅有利于通信领域，越来越多的其他领域可以通过借鉴其原理和方法来解决该领域自身存在的安全问题，这使得量子信息的外延在不断地拓展。

在军事领域，量子雷达的概念在最近几年得到广泛的关注。现有量子雷达的发展趋势主要有以下两个：

1. 通过巧妙借用量子密钥分发机制，来解决雷达受到干扰的问题。这里主要指现有雷达最难以处理的有源干扰问题：雷达的探测信号被目标物体或第三方截获同时目标物体或者第三方发射和探测信号相同波形的干扰信号（从经典物理的角度看，这两种信号是无法区分的），促使雷达对目标判断错误，无法得到目标真实信息。

2. 利用量子探测的相关技术，借助非经典光（例如压缩光）或者借助于量子纠缠来明显提升雷达的分辨率，可以将雷达的分辨率由经典极限提升到量子极限（海森堡极限）。

由此可以上述两个不同方向的量子雷达分别称为第一类量子雷达和第二类量子雷达。

关于第一类雷达，最早的理论方案和实验验证由Mehul Malik等人于2012年提出和完成，并以Quantum-secured imaging 为题发表在Applied Physics Letters 杂志上。下面就简单介绍上述文献中提供的第一类量子雷达的方法。

方案的具体步骤如下（参照图1）：

1、氦氖激光器发出的激光先经过声光调制器（AOM）的调制从而形成一系列平均光子数为1的脉冲。

2、脉冲经过一个放置在电动旋转平台上的半波片(HWPa)，从而将脉冲的偏振随机极化到以下四种情况：水平偏振（H），垂直偏振(V)，对角偏振(D)和反对角偏振(A)。此即量子密钥分发中的编码。

3、将编码完成的光脉冲对准目标物体发射。

4、利用干涉滤光片(IF)将反射光脉冲中源于环境的背景噪声干扰滤掉。

5、利用半波片（HWPb）和偏振分束器(PBS)构成一个偏振测量装置对收到的光脉冲进行测量。当半波片和垂直偏振方向平行时，测量光脉冲处于水平偏振态还是垂直偏振态。而当半波片和垂直偏振方向成22.5°夹角时，测量光脉冲处于对角还是反对角偏振态。

6、在偏振分束器的两侧放置两个镜头，分别用于不同偏振光脉冲的成像。最后利用电子倍增CCD(EMCCD)成像。

该量子雷达系统的方案脱胎于量子密钥分发中的BB84协议。当反射光子的偏振和入射时相比出现超过25%的错误率的时候，即可判定目标在干扰探测，此时对应探测光被完全截获并且返回的信号全部为干扰信号。在上述技术文章中，研究者本身并未直接提出该方案为量子雷达，同时在验证实验中采用的目标物体是镜子。

从上面背景技术的介绍可以清晰的看到现有的技术方案运用的是弱脉冲光源（平均光子数为1），偏振编码且编码通过电动装置进行，需要非常精细的成像装置。这就使得现有技术方案在以下方面存在问题：

1、已有研究表明，光的偏振经由物体（非镜面）散射后会发生明显变化，这就表明原有方案存在根本问题。在未有任何干扰的情况下，就会监测到回波脉冲的偏振有明显的错误率。因此在探测实际物体时，利用该方案来判别回波信号是否被干扰从原理上并不可行。

2 采用平均光子数为1的弱脉冲作为探测信号，由于自由空间种存在各种环境因素使光子散射较为明显，因此该方案的探测距离将极为有限。

3、其采用电动机械装置编码，编码速率将会很低。同时电动机械装置长期使用的可靠性也成问题。

4、由于采用弱脉冲，那么相应的回波信号也会更弱，需要非常精细的成像装置。这增加了成本，降低了装置的可靠性。

基于上述问题，在本发明中提出一种基于连续变量的量子雷达新方案，从而解决现有方案中所存在的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于连续变量的量子雷达的处理方法。能在雷达探测时，实时知晓雷达脉冲是否被目标物体或第三方截获并相应发送错误信号而使探测受到干扰。为此，本发明提供以下技术方案：

S1.生成光脉冲信号，所述光脉冲信号包括本振光、信号光，或者包括本振光、信号光及参考光；

S2.将光脉冲信号的信号光进行基于连续变量的编码调制，记录信号光的量子态；所述编码方法包括离散编码调制或高斯编码调制，所述连续变量是连续变化的物理量；

S3.含有编码后信号光的光脉冲信号作为量子雷达的探测信号。；

S4.对经物体反射后的回波信号进行分束，形成第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号通过监测装置进行测量和比对，第二回波信号通过成像装置进行成像处理；

S5.根据测量比对结果判断探测信号是否受到干扰。

进一步的，步骤S1中，信号光、本振光及参考光均由同一个脉冲生成装置生成，或者，一个脉冲生成装置生成信号光及参考光，另一个脉冲生成装置生成本振光。所述本振光用于辅助测量，直接进入监测装置。

进一步的，步骤S2中，离散编码调制方法如下：在量子随机数发生器控制下，对信号光的相位进行调制，使其随机编码到和本振光相位相差0或π的两个离散量子态。

进一步的，步骤S2中，高斯编码调制方法如下：利用两个量子随机数发生器生成两组满足如下高斯分布的随机数，均值为0，方差为V_AN₀，根据两组随机数的值调制信号光量子态中的x和p。最后调节信号光强度，使其方差与所述高斯分布一致。

进一步的，步骤S3中，所述探测信号包括信号光和本振光时，步骤S1中只需生成这两中光。

进一步的，步骤S3中，考虑将本振光保留在本地，即所述探测信号不包括本振光时，步骤S1中在生成信号光和本振光的同时，还需生成参考光。此时参考光和信号光合成为探测信号，而本振光保留在本地且直接进入监测模块辅助测量。

进一步的，步骤S5中，通过比对第一回波信号中信号光的量子态和探测信号中信号光的量子态，判定探测信号是否被干扰。

进一步的，若探测信号包括参考光，则所述第一回波信号中参考光的测量值用于修正第一回波信号中信号光的测量值。

本发明还包括一种基于连续变量的量子雷达，具体如下：

所述探测信号发生装置包括脉冲生成装置、基于连续变量编码的编码装置，所述回波信号处理装置包括监测装置及成像装置,所述量子雷达还包括分束装置，所述分束装置包括第一分束器、第二分束器、第一偏振分束器、第一光纤延时线及第二光纤延时线；

所述脉冲生成装置及编码装置之间光路连接，所述脉冲生成装置用于生成光脉冲信号，所述光脉冲信号通过第一分束器分成本振光及信号光，所述编码装置用于对信号光进行编码，编码后信号光与本振光通过第一偏振分束器合为量子雷达的探测信号；本振光用于辅助测量。

所述探测信号经物体反射后的回波信号通过第二分束器进行分束，分束后形成第一回波信号及第二回波信号，所述监测装置与分束器光路连接并接收第一回波信号，所述成像装置与分束器光路连接并接收第二回波信号；所述第一光纤延时线用于使探测信号中的本振光和信号光偏离同步；所述第二光纤延时线用于使第一回波信号中的本振光和信号光同步，再进入监测装置。

即，若所述第一光纤延时线用于延迟第一分束器分成的本振光，则对应的所述第二光纤延时线用于延迟第二回波信号中的信号光，反之若第一光纤延时线用于延迟第一分束器分成的信号光，则对应的所述第二光纤延时线用于延迟第二回波信号中的本振光；因此探测时两种光信号不同步而测量时同步，使测量能够完成。

所述监测装置还用于记录第一回波信号以及探测信号中信号光的量子态，并将两者进行比对，判定探测信号是否被干扰。

所述监测装置还用于记录第一回波信号以及探测信号中信号光的量子态，并将两者进行比对，判定探测信号是否被干扰。

上述装置，探测信号中包含了本振光以及编码后的信号光，其中本振光用于辅助测量。当信号光和本振光都发射的时候，两者相隔时间非常短，因此环境引起的相位偏移可以认为是相同的，不会产生新的相位差，直接测量即可。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

进一步的，所述监测装置包括第二偏振分束器、平衡零差测量装置/外差测量装置、随机数发生器及数据处理装置，当为平衡零差测量装置时，还包括第二相位调制器；

所述平衡零差测量装置/外差测量装置用于测量第一回波信号中信号光的量子态；所述数据处理装置用于记录探测信号和第一回波信号中的信号光的量子态，并将两者进行比对。

进一步的，所述编码装置为离散编码调制装置，所述离散编码调制装置包括光路连接的相位调制器和量子随机数发生器。

进一步的，所述编码装置为高斯编码调制装置，所述编码装置为高斯编码调制装置，所述高斯编码调制装置包括振幅调制器、相位调制器、可变光衰减器、第一量子随机数发生器以及第二两者随机数发生器，所述振幅调制器、相位调制器、可变光衰减器依次连接，所述第一量子随机数发生器与所述振幅调制器光路连接，第一量子随机数发生器与所述相位调制器光路连接。

所述监测装置还包括数据处理装置，所述数据处理装置用于记录探测信号和第一回波信号中的信号光的量子态，并将两者进行比对。所述数据处理装置可为计算机或者单片机等。

本发明还包括了另能解决相同技术问题的一种基于连续变量的量子雷达，包括探测信号发生装置及回波信号处理装置，所述探测信号发生装置包括脉冲生成装置、基于连续变量编码的编码装置，所述回波信号处理装置包括监测装置及成像装置；所述量子雷达还包括分束装置及光纤延时线；

所述脉冲生成装置及编码装置之间光路连接，所述脉冲生成装置用于生成光脉冲信号，所述光脉冲信号包括参考光，信号光和本振光。所述编码装置用于对信号光进行编码，编码后信号光与参考光作为量子雷达的探测信号，本振光保留在本地直接进入监测装置，用于辅助测量。

该本振光可由单独的脉冲生成装置生成，或者由生成参考光及信号光的脉冲生成装置生成脉冲后经分束器分束生成。

当三种光共用一个脉冲生成装置时，光脉冲信号通过分束器分成强弱分明的两束光，其中强光为本振光，经光纤进入监测装置，弱光中的一部分光经过调制形成强度上更弱一些的信号光，而弱光中的另一部分未经调制，其作为参考光。

当本振光由单独的脉冲生成装置生成时，该本振光直接输入至监测装置，用于辅助测量。另一脉冲生成装置生成光脉冲信号，通过强度调制光脉冲生成信号光以及参考光，强度更弱的为参考光。编码装置用于对信号光进行编码，编码后信号光与参考光作为量子雷达的探测信号，所述探测信号经物体反射后形成第一回波信号，所述第一回波信号输入至监测装置。

所述探测信号经物体反射后，其回波信号通过分束装置进行分束，分束后形成第一回波信号及第二回波信号，所述监测装置与分束装置光路连接并接收第一回波信号，所述成像装置与分束装置光路连接并接收第二回波信号；所述光纤延时线用于延迟本振光，使得本振光与信号光、参考光同步进入监测装置； 所述监测装置还用于根据所述第一回波信号中参考光的测量值修正第一回波信号中信号光的测量值，并将修正后信号光的测量值与记录的探测信号中信号光的量子态进行比对，判定探测信号是否被干扰。

进一步的，所述监测装置包括平衡零差测量装置/外差测量装置、数据处理装置以及光纤延时线，当为平衡零差测量装置时，还包括第二相位调制器及量子随机数发生器，所述平衡零差测量装置/外差测量装置用于测量第一回波信号中信号光和参考光的量子态；所述数据处理装置用于记录探测信号中编码后信号光及参考光的量子态，同时根据参考光的测量值修正第一回波信号中的信号光的量子态，最终将探测信号中信号光的量子态和第一回波信号中修正后信号光的量子态进行比对。

其进一步的装置结构与前述的装置一致。

上述装置中本振光不发出，即本振光保留在本地。此时，信号光经反射回到接收装置后，由于环境的影响会和本振光之间存在不确定的相位差。因此，需要通过参考光的测量值来计算该相位差，再利用该相位差的值来修正信号光的测量值，这样才能得到准确的信号光的量子态。因此，该测量装置的探测信号包括参考光和编码后的信号光。

不难看到，将本振光作为探测信号发出的方案操作起来更为简便。但在量子信息领域的相关研究表明，本振光发出的方案存在安全风险，敌方通过同时截获本振光和信号光可能会得到准确的关于信号光的编码信息。而将本振光保留在本地时，可以避免上述安全漏洞，但需要参考光的辅助。

下面从理论上简单分析一下本发明。对于激光脉冲，根据量子光学的知识，可以用相干态|α>来进行描述。α是一个复数，可以表示为α=|α|e^iϴ。其中|α|表示脉冲的振幅而ϴ表示脉冲的相位。上述相位和振幅调制，理论上即是对这两个值的改变。同时α=x+ip，相位和振幅的调制也和x和p的调制对应。且相干态中x和p和熟知的位置和动量是对应的，都是连续变化的物理量。对相干态进行相位和振幅的调制也等同于对x和p做相应的调制。本发明对上述连续变化的物理量进行调制从而实现编码，因此本发明是一种基于连续变量的量子雷达。

α值不同的两个相干态并不正交。|α|越大，相干态之间的正交性越好。为了避免上述情况，必须选用较弱的光进行编码。由于态之间并不正交，量子不可克隆定理成立，对于这样的一系列脉冲信号，敌方将不可能确切知晓其量子态且不可能准确复制。因此敌方无法发送在量子力学意义上编码相同的干扰信号。其发送的干扰信号必然和原始信号存在差别，即某些量子态会发生变化（出错）。通过监测回波信号量子态的错误情况，即可发现回波信号中是否存在敌方干扰信号。

当不存在任何有源干扰时，由于环境中各因素（如云）以及仪器自身因素（光学器件自身的固有缺陷）的影响，回波信号中信号光的量子态也存在一定的错误率，这些因素都可以归结到信噪比之中，并且可以通过前期测量进行量化。有源干扰，从理论角度看，极大降低了信噪比，回波信号的量子态会有明显的错误率提升。

在实际应用中，需要实时监控量子态的错误率。如果信号被全部干扰，那么将会出现很高的错误率，这非常容易被探测到。而当只有小部分信号被干扰时，在实时监控中某个时段内会出现错误率突然变大的情况。

对于高斯编码，除了严格比对量子态以外，也可以采用如下比对方式：根据测量得到的数据，来计算数据的均值和方差。若不存在干扰，则数据的分布和原有的高斯分布是基本吻合的；而当有截获和重发情况的发生，则接收到数据的分布会发生偏离，该偏离会表现为均值和方差的偏离。同样，通过实时监测均值和方差，可以监控部分信号被截获的情况。

由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果为：本发明克服了原有方案中，因采用偏振编码所存在的光脉冲经实际物体反射后偏振变化的问题。

本发明使用的器件都是成熟和通用的光学和通信器件，和原有方案相比更经济实用且精度和稳定性更佳。例如，零差测量现在已经有非常成熟的器件，这和原方案的单脉冲计数相比，实施起来要高效和准确很多。

本发明的信号脉冲不要求单光子，其平均光子数要远大于1。如果环境相同，本发明中探测的距离将明显高于原有方案，这提高了量子雷达的实用性。原有方案由于发射脉冲信号的平均光子数为1，使其回波脉冲信号的平均光子数将小于1，因此需要非常精细的成像系统。而本方案由于脉冲较强，因此只需要普通CCD即可得到较为清晰的图像。

本发明同时能够测量信号被部分干扰和干扰的情况。

附图说明

图1为背景技术中指出的第一类量子雷达的方法示意图。

图2为本发明提供的基于连续变量的量子雷达的实施例（本振光和信号光同时发射的方案）。

图3为本发明提供的基于连续变量的量子雷达的实施例（本振光不发射的方案）。

图4为本发明提供的基于连续变量的量子雷达的实施例（本振光不发射的方案）。

图 5-1为离散编码调制码装置的具体结构。

图5-2为高斯编码调制装置的具体结构。

图6为平衡零差测量装置的具体结构。

图7为外差测量装置的具体结构。

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，激光光源发射出连续激光，连续激光经脉冲调节器调制后形成一系列光脉冲信号。优选地激光光源为美国RIO公司型号为PLANEX平面波导外腔激光器（其噪声水平低便于精密测量），波长为1064nm，带宽为1.5kHz。

利用振幅调制器AM将输出的连续光调制成1MHz的时钟光脉冲信号。本实施例通过连续激光光源加振幅调制器来得到激光脉冲，也可以直接用脉冲激光。

光脉冲信号经由1:99的第一分束器BS1分成两个强弱分明的光。强的为本振光，并不对其编码，其主要作用将是辅助后面的零差测量。弱的光为信号光，也就是需要编码的光。根据量子力学理论，相干态的强度越低（激光脉冲用相干态来描述），其态之间的正交性越差。所有量子密钥分发机制的安全性都源于量子不可克隆定理，而不可克隆定理的前提是态之间的非正交性。因此必须选用较弱的光来编码。

对于信号光，将进行编码操作。编码方式主要有以下两种（见图5）。

第一种：离散编码调制。只需要用到相位调制器PM。相位调制将由一个量子随机数发生器（QRNG）控制。量子随机数发生器将随机生成0和1，而相应的相位调制器将信号光的相位调制到0或π（相对于本振光的相位），从而完成编码过程。此时信号光的量子态将是随机的|α>或|-α>( |x_+ip>或|-x_-ip>)，且两者并不正交。因此目标无法完全知晓信号光的量子态，任何干扰重发都会导致错误的量子态出现。用计算机记录随机数的0、1序列，这样也就记录了信号光的量子态。

第二种：高斯编码调制。需要振幅调节器AM，相位调节器PM和可变光衰减器来（VOA）。具体调制方式为：利用两个量子随机数发生器（QRNG1和QRNG2）生成两组满足高斯分布(均值为0，方差为V_AN₀，其中N₀为散粒噪声极限)的随机数x_A和p_A，并通过相位和振幅调制器的调制使信号光变成如下相干态 |x_A+ip_A>。随后通过可变光衰减器调节经过调制后的信号光，使其光强的方差为V_AN₀。为了更精确地控制方差，还可以在可变光衰减器后面再加一个振幅调制器。用计算机记录每组x_A和p_A值，这样也就记录了信号光的量子态。

对于本振光，使用20m的第一光纤延时线使信号光脉冲相对于本振光脉冲延迟100ns。

用第一偏振分束器PBS1将本振光及信号光中偏振正交部分耦合在一起，以便于最后测量得时候加以分离。本振光及信号光经耦合后的光脉冲就是量子雷达所需的探测光源，即量子雷达的探测信号。探测信号通过一个光学望远镜发射到自由空间中进行目标探测。

相同的光学望远镜用于回波信号的接收。同时利用环行器来实现信号收发的分离。

回波信号通过环流器后进入回波信号处理装置。首先信号进过一个干涉滤光片（IF）。干涉滤光片的中心波长和激光波长相同，且半峰宽为10nm。用以滤去回波中的噪声干扰信号。

随后第二分束器BS2将回波信号分成两路。其分束比为10：90，90%用于成像，10%用于测量，优选为保偏分束器。这两路回波信号将分别进入监测装置和成像装置。

对于成像那一路，通过成像装置成像。让回波信号直接经过成像透镜，并在成像镜头后面放置成像装置进行成像，所述成像装置可为CCD装置。

对于监测这一路，先用第二偏振分束器PBS2重新将光脉冲分离成信号光和本振光两路。

对于本振光，先让其通过一个相位调制器PM2。相位调制器PM2的相位受一个量子随机数发生器（QRNG）控制，随机的在π/2和0两者之间变化，从而可以在后续随机测量信号光量子态中的x或p。同时信号光经过20m的第二光纤延时线2的延迟使其在时间上和本振光同步进入平衡零差测量装置（BHD）。

信号光和本振光同步进入BHD（具体见图6），BHD随机测得回波信号中信号光量子态中x或者p值。将测量结果输入到计算机，通过和对应探测信号中信号光量子态的相应分量对比，判别量子态是否发生改变。

本发明也可以选用外差测量装置来代替BHD。当采用外差测量装置时，本振光将无须先经过随机相位调制，而是经过延迟后和信号光同时进入外差测量装置。外差测量装置可以同时测量得到信号光量子态中x和p值。接着同样和对应探测信号中信号光的量子态进行对比来判别量子态是否发生改变。

实施例2：

上述实施例将本振光和信号光同时发射，也可以将本振光保留在本地，不进行发射，如图3所示，相对实施例1有以下区别特征及相同特征：

1、脉冲生成装置1调制生成信号光的同时，也生成参考光。且优选地，参考光的强度要比信号光高一个量级，但比本振光依然要弱很多。

2、编码装置将只对信号光进行编码。编码方式和实施例1相同。

3、在监测装置中，脉冲生成装置2生成本振光，和实施例1相同，本振光先要进行π/2和0的随机相位调制，随后经过光纤延时线以保证其和回波信号同时进入到BHD。

4、实施例2无需偏振分束器进行本振光和信号光的耦合来形成探测信号。

5、利用BHD测量时将根据参考光的测量结果进一步的修正信号光的测量结果。

其余步骤和实施例1相同，不再详述。

实施例3：

将实施例2中两个脉冲生成装置缩减为一个脉冲生成装置，如图4所示。

具体实施步骤为：

1、脉冲生成装置生成强脉冲。

2、脉冲进过分光比为10：90的分束器（BS1）分成强弱分明的两束光。其中强光为本振光，经光纤进入监测装置。

3、弱光中的一部分光经过振幅调制（AM2）调制形成强度上更弱一些的信号光而未经调制光的作为参考光。

本方案剩余步骤和实施例2完全相同，在此不再详述。和实施例1所述相同，也可以在方案2，3中用外差测量装置替代BHD，所需改动和实施例1中所述相同。

本发明的干扰判定如下：

量子态发生改变的几率（或曰错误率）将成为评判干扰是否存在的最终标准。需要实时监控错误率的变化情况。如果发生全部或者大部分信号被干扰的情况，则整体信号的错误率将有明显增加，将很容易探测到。如果只有小部分信号被干扰，则整体的错误率可能不会有非常明显的波动。但是实时错误率的曲线将会有明显波动。

对于高斯编码，除了严格比对量子态以外，也可以采用如下比对方式：根据测量得到的数据，来计算数据的均值和方差。若不存在干扰，则数据的分布和原有的高斯分布是基本吻合的；而当有截获和重发情况的发生，则接收到数据的分布会发生偏离，该偏离会表现为均值和方差的偏离。同样，通过实时监测均值和方差，可以监控部分信号被截获的情况。

平衡零差测量装置BHD结构见图6。主要由一个平衡光分束器（分数比50：50）和两个相同的高性能光电探测器（D1和D2构成）。而输出的则是两路探测得到的光电流之间的差值。通过对本振光的相位调制，可以通过差值电流来确定信号光量子态中的x或p值。

外差测量装置具体结构见图7。主要由四个平衡光分束器和四个相同的高性能光电探测器构成。外差测量装置可以简单的理解为两个BHD的组合，且两个BHD的输入光皆是通过对入射的信号光和本振光进行平衡分束得到。在其中一个BHD中，对入射的本振光进行π/2的相位调值，这样可以同时在该装置中测量得到信号光量子态的p值。而另一个BHD装置没有相位调制，将测量得到信号光量子态中x值。因此外差测量装置可以同时测得信号光的x和p值。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。