基于量子纠缠微波的导航测角方法及其实现装置与流程

本发明涉及量子导航技术领域，具体涉及一种基于量子纠缠微波的导航测角方法及其实现装置。

背景技术：

导航随着人类的政治、经济和社会活动的需求而产生，到目前为止已经诞生了几十种实用的导航系统，现如今，无线电导航系统作为电子信息系统之一，仍然是军民航空领域的主要导航手段。在军事领域，导航技术构成了现代高技术战争的基石，不管是核潜艇、空间站，还是各类精确制导武器都依赖于导航技术和设备。

传统导航测角技术大多利用无线电信号进行测角。其中，按照测角的原理可以分为振幅式测角、相位式测角以及时基波束扫描式测角。传统测角方法对于合作对象来说是一种非常有效的方法，但是容易受到干扰影响，测角精度有限，弱信号检测能力不强，且系统的安全性能得不到保证，无法满足在复杂环境条件下获取安全可靠的导航信息。因此人们需要一种更加安全可靠的导航测角技术。

量子纠缠是量子力学领域的一种特殊“资源”，利用纠缠，人们得以突破经典电动力学的框架，从全新的视角去发展信息科学与技术，完成了一系列看似不可能完成的任务。量子纠缠具有不可克隆的特性，纠缠态在传播过程中，如果被敌方截取或测量了信号，那么不确定的纠缠态坍缩到确定状态，信号将会失去可用信息，因此理论上是完全保密的。同时，量子纠缠可以突破量子噪声极限，能够大大提高测量系统的精度。另外，纠缠信号具有集束到达的性质，在多光子纠缠情况下可提高作用距离和若信号检测能力。近年来，以量子纠缠为代表的各种量子技术迅速发展，并逐步应用于更加广泛的领域。

量子纠缠微波信号是微波频段量子特性的体现。在超导环境下，利用约瑟夫森结可以进行量子微波方面的许多实验，2012年，德国E.P.Menzel小组将真空态与泵浦驱动的约瑟夫森参量放大器(Josephson parametric amplifier)产生的压缩态混合，产生了空间分离的连续变量纠缠微波场；同年，法国E.Flurin小组利用约瑟夫森混合器(Josephson mixer)实现了微波光场双模压缩态的空间分离，即制造了两路量子纠缠微波信号。量子纠缠微波的生成和探测技术愈来愈趋向于成熟，并且也尝试在量子通信、量子计算机等领域应用，然而目前并未见到其应用于导航的报道，因此，本发明目的在于借助量子纠缠微波的优势，将其应用于导航测角技术中，有效弥补现有测角方式存在的缺陷，提供安全可靠的导航信息，提高系统抗干扰能力和弱信号检测能力。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于量子纠缠微波的导航测角方法，包括：

步骤1：利用量子纠缠微波生成器产生两路量子纠缠微波信号；

步骤2：改变两路量子纠缠微波信号的延时，使两路量子纠缠微波信号波束相关联位置在空间形成偏移；

步骤3：将一路量子纠缠微波信号送入水平极化天线，将另一路量子纠缠微波信号送入垂直极化天线，两天线之间的连线垂直于机场跑道中心线，两天线与机场跑道中心线等距且位于跑道平面的平行面上，两天线向飞机着陆端方向发射量子纠缠微波信号；

步骤4：飞机上采用水平极化天线和垂直极化天线分别接收两路量子纠缠微波信号并进行无噪声放大；

步骤5：将放大后的量子纠缠微波信号送入正交支路检测器中与振荡器产生的信号相混合生成中频信号，然后提取中频信号的正交分量信息；

步骤6：对正交分量信息进行相关峰值检测，得到相邻两次的相关峰值时间间隔，利用时基波束扫描法求解时间间隔，最后得到飞机相对于跑道中心线的方位角度信息。

进一步地，

在步骤1中，量子纠缠微波生成器由约瑟夫森参量放大器和180°混合环串联组成，在泵浦信号的驱动下产生两路量子纠缠微波信号，将其作为测角发射信号，泵浦信号的频率为11.274GHz，量子纠缠微波信号为中心频率5.637GHz的窄带信号，带宽在10MHz数量级。进一步地，

在步骤5中振荡器产生的信号频率为5.626GHz，中频信号频率为11MHz。

进一步地，

在步骤6中先对正交分量进行关联检测，得到相邻两次接收相关峰值的时间间隔t，再利用公式

式中：θ——目标角度(°)

V——关联基线的扫描速度(°/s)

T₀——关联基线扫过跑道中心线的往返时间差(s)

求解目标角度信息。

进一步地，

该导航测角方法可应用于飞机的着陆阶段，给出飞机相对于跑道中心线的方位角信息，引导飞机沿指定航线安全着陆。

本发明还提供一种基于量子纠缠微波的导航测角装置，包括发射部分、接收部分，

其中，

发射部分位于地面，由纠缠微波生成器、一号延时器、二号延时器、一号水平极化天线、一号垂直极化天线组成；

其中，

纠缠微波生成器用于产生A、B两路量子纠缠微波信号，两路量子纠缠微波信号分别送入到一号延时器和二号延时器中进行处理；

一号延时器与A路信号连接，用于对A路纠缠微波信号进行延时发射处理并输出至一号水平极化天线；

二号延时器与B路信号连接，用于对B路纠缠微波信号进行延时发射处理并输出至一号垂直极化天线；

一号水平极化天线与一号延时器连接，用于向空间发射A路纠缠微波测角信号；

一号垂直极化天线与二号延时器连接，用于向空间发射B路纠缠微波测角信号；

接收部分位于飞机上，由二号水平极化天线、二号垂直极化天线、一号放大器、二号放大器、振荡器、一号IQ正交支路检测器、二号IQ正交支路检测器、数据处理器、显示器组成；

其中，

二号水平极化天线用于接收A路纠缠微波测角信号并输出至一号放大器；

二号垂直极化天线用于接收B路纠缠微波测角信号并输出至二号放大器；

一号放大器与二号水平极化天线连接，用于放大接收到的A路信号并输出至一号IQ正交支路检测器；

二号放大器与二号垂直极化天线连接，用于放大接收到的B路信号并输出至二号IQ正交支路检测器；

振荡器产生的信号输出至一号IQ正交支路检测器和二号IQ正交支路检测器；

一号IQ正交支路检测器与一号放大器和振荡器连接，先将A路信号转换成中频信号，然后提取该中频信号的正交分量I_A,Q_A，并输出至数据处理器；

二号IQ正交支路检测器与二号放大器和振荡器连接，先将B路信号转换成中频信号，然后提取该中频信号的正交分量I_B,Q_B，并输出至数据处理器；

数据处理器并行接收一号IQ正交支路检测器、二号IQ正交支路检测器输出的正交分量I_A,Q_A、I_B,Q_B，然后对正交分量进行相关峰值检测，并输出测角结果至显示器；

显示器显示数据处理器得到的角度信息。

进一步地，

一号水平极化天线、一号垂直极化天线、二号水平极化天线、二号垂直极化天线为带宽100MHz的喇叭天线。

进一步地，

一号放大器、二号放大器为基于约瑟夫森结的相位不敏感式参量放大器。数据处理器为FPGA可编程逻辑器件，对正交分量的采样速率为150MHz。

本发明利用量子纠缠微波作为测角信号，信号本身具备量子不可克隆的性质，安全性能大大提高，量子纠缠微波信号具有时空关联、集束到达、扩频增益大的优点，能够克服各种噪声带来的不利影响以及传统测角中难以避免的多径干扰，提高了弱信号检测能力，在复杂电磁环境下具有重要意义。

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1为两路量子纠缠微波信号的关联特性图；

图2为AB连线的中垂线标定方法示意图；

图3为任意路线标定方法示意图；

图4为关联基线往返扫描引导飞机安全着陆示意图；

图5为时基波束扫描法测角原理图；

图6为导航测角方法流程图；

图7为导航测角装置组成框图。

附图标记说明：

导航测角装置发射部分10，纠缠微波生成器101，一号延时器102，二号延时器103，一号水平极化天线104，一号垂直极化天线105，导航测角装置接收部分20，二号水平极化天线201，二号垂直极化天线202，一号放大器203，二号放大器204，振荡器205，一号IQ正交支路检测器206，二号IQ正交支路检测器207，数据处理器208，显示器209。

具体实施方式

下面首先说明本发明中的导航测角原理。

量子纠缠微波信号的关联特性如图1所示，它表示了两路量子纠缠微波信号正交分量之间的关系，其中a，b表示纠缠信号，X，Y表示正交分量方向，X_a表示a路信号的X方向正交分量，X_b表示b路信号的X方向正交分量，Y_a、Y_b同理如此。两路纠缠信号的同一个方向的正交分量之间分别表现为正关联和反关联，在无外界干扰情况下，同一时刻测得的信号始终满足图1中的关联特性。接收机接收量子纠缠微波信号后，可利用相关峰值检测的方法对其进行测量，对传播时间完全相同的两路信号作检测时，会得到最大的相关峰值；若两路信号不同时到达，那么纠缠微波信号各自之间因具有完全随机的特性，在不同时刻不存在相关性，得不到相关峰值。

如图2所示，A、B两点为纠缠微波信号的发射端，在两路信号不存在延时的情况下，信号由天线向自由空间发射，形成图中所示的波束，由于纠缠微波信号的关联特性，在AB连线的中垂线上，接收机接收到的两路信号是处处相关联的，而在其他任何位置则不相关，根据这一原理，可以标定AB连线的中垂线。

当对A路信号进行一定的延时处理后，两路量子纠缠微波信号的时空关联点将发生偏移。图3示出了对A路信号延时处理后基线偏移的示意图。A路信号的发射延时后，显然两路信号的关联点向A点所在一侧偏移，不再发生在原来的中垂线上，实际中AB两点间的距离相比工作区域可以忽略不计，假定在图中的C点处检测到了两路信号同时到达，可认为两路信号与C点的连线是平行的，那么在OC连线上的两路信号是处处关联的，其他位置则不相关。同理，若对B路信号进行延时处理，则关联点会向B点所在一侧偏移。因此，可根据实际需要，改变信号的延时大小，标定任意基线。

在此基础上，如果在发射端连续改变A、B两路信号的延时，那么形成的效果相当于关联基线在工作区域内往返扫描，若应用于飞机着陆阶段，地面设备为发射端，跑道中心线与AB中垂线重合，机载设备为接收端，那么可通过测量飞机相邻两次测量到关联基线的时间间隔来获取飞机相对于跑道中心线的方位角，从而引导飞机安全着陆，如图4所示。

图5示出了对飞机进行时基波束扫描法测角的原理图。将图4至AB点的中垂线定义为0°航向角，当关联基线相对跑道中心线以固定的速率由左向右“往”扫描碰到飞机时，飞机收到一个“往”脉冲，即相关检测的相关峰；然后由右向左“返”扫描又碰到飞机时，飞机又收到一个“返”脉冲。相邻两次的相关峰值时间间隔为t，由于关联基线的扫描速率很高，在一个扫描周期内可以忽略测角接收机的位移，这一对“往”“返”脉冲之间的时间间隔t与跑道中心线的相对方位角的关系表达式为

式中：θ——目标方位角(°)

V——关联基线的扫描速度(°/s)

T₀——关联基线扫过跑道中心线的往返时间差(s)

根据公式(1)可完成对目标的导航测角，从而引导飞机安全着陆。

如图6所示，本发明提供了一种基于量子纠缠微波的导航测角方法，包括：

第一步：利用量子纠缠微波生成器产生A、B两路量子纠缠微波信号s_A(t)、s_B(t)；

在本发明的一个实施例中，量子纠缠微波生成器由约瑟夫森参量放大器和180°混合环串联组成，在泵浦信号的驱动下产生两路量子纠缠微波信号，将其作为测角发射信号，泵浦信号的频率为11.274GHz，纠缠微波信号为中心频率5.637GHz的窄带信号，带宽在10MHz数量级；

第二步：实时改变A路信号的延时τ_A、B路信号的延时τ_B，使两路量子纠缠微波信号波束相关联位置在空间形成偏移；

第三步：将A路量子纠缠微波信号s_A(t-τ_A)送入水平极化天线，将B路量子纠缠微波信号s_B(t-τ_B)送入垂直极化天线，两天线之间的连线垂直于机场跑道中心线，两天线与机场跑道中心线等距且位于跑道平面的平行面上，两天线向飞机着陆端方向发射量子纠缠微波信号；

第四步：飞机上采用水平极化天线和垂直极化天线分别接收两路量子纠缠微波信号s_A(t-τ_A)、s_B(t-τ_B)，并进行无噪声放大；

第五步：将放大后的量子纠缠微波信号送入正交支路检测器中与振荡器产生的信号相混合生成中频信号，并提取中频信号的正交分量信息I_A,Q_A、I_B,Q_B；

在本发明的一个实施例中，振荡器产生的信号的频率为5.626GHz，中频信号频率为11MHz。

第六步：对正交分量信息进行相关峰值检测，得到相邻两次的相关峰值时间间隔，利用时基波束扫描法求解时间间隔，最后得到飞机相对于跑道中心线的方位角度信息。

如图7所示，本发明还提供一种基于量子纠缠微波的导航测角装置，包括：发射部分10和接收部分20。

发射部分10位于地面，它包括：纠缠微波生成器101、一号延时器102、二号延时器103、一号水平极化天线104、一号垂直极化天线105；

纠缠微波生成器101产生A、B两路量子纠缠微波信号s_A(t)、s_B(t)，量子纠缠微波信号s_A(t)送入到一号延时器102，量子纠缠微波信号s_B(t)送入二号延时器103；

一号延时器102与A路信号连接，用于对A路纠缠微波信号s_A(t)进行延时发射处理并输出至一号水平极化天线104，信号格式变为s_A(t-τ_A)；

二号延时器103与B路信号连接，用于对B路纠缠微波信号s_B(t)进行延时发射处理并输出至一号垂直极化天线105，信号格式变为s_B(t-τ_B)；

一号水平极化天线104与一号延时器102连接，用于向空间发射A路纠缠微波测角信号s_A(t-τ_A)；

一号垂直极化天线105与二号延时器103连接，用于向空间发射B路纠缠微波测角信号s_B(t-τ_B)；

水平极化天线与垂直极化天线是通过位置放置不同类型的喇叭天线实现的，喇叭天线能够保证信号在传播过程中以场的方式进行，避免转化为电流，防止纠缠的破坏，并且相比其他类型的天线能更好地向空间辐射场信号，波束呈圆锥形，可以扩大信号辐射区域，进而增大测角范围；

接收部分20位于飞机上，其包括：二号水平极化天线201、二号垂直极化天线202、一号放大器203、二号放大器204、振荡器205、一号IQ正交支路检测器206、二号IQ正交支路检测器207、数据处理器208和显示器209；

二号水平极化天线201用于接收A路纠缠微波测角信号并输出至一号放大器203；

二号垂直极化天线202用于接收B路纠缠微波测角信号并输出至二号放大器204；

在本发明的一个实施例中，一号水平极化天线104、一号垂直极化天线105、二号水平极化天线201、二号垂直极化天线202采用的带宽为100MHz。

发射的纠缠微波信号经过自由空间传播后，信号功率降低，在接收端需先对接收到的信号进行放大处理。

一号放大器203与二号水平极化天线201连接，用于放大接收到的A路信号s_A(t-τ_A)并输出至一号IQ正交支路检测器206；

二号放大器204与二号垂直极化天线202连接，用于放大接收到的B路信号s_B(t-τ_B)并输出至二号IQ正交支路检测器207；

在本发明的一个实施例中，一号放大器203、二号放大器204采用的是基于约瑟夫森结的相位不敏感式参量放大器，目的是不引入额外的噪声，并能够放大有用信号。

振荡器205产生的信号输出至一号IQ正交支路检测器206和二号IQ正交支路检测器207；

一号IQ正交支路检测器206与一号放大器203和振荡器205连接，先将A路信号转换成中频，然后提取中频信号的正交分量I_A,Q_A，并输出至数据处理器208；

二号IQ正交支路检测器207与二号放大器204和振荡器205连接，先将B路信号转换成中频，然后提取中频信号的正交分量I_B,Q_B，并输出至数据处理器208；

数据处理器208并行接收一号IQ正交支路检测器206、二号IQ正交支路检测器207输出的中频信号的正交分量I_A,Q_A、I_B,Q_B，然后对正交分量进行存储、处理，并输出测角结果至显示器209；

在本发明的一个实施例中，数据处理器208采用FPGA可编程逻辑器件，信号的采样速率为150MHz。

显示器209与数据处理器208连接，实时显示角度数据信息。

本发明利用量子纠缠微波作为测角信号，信号本身具备量子不可克隆的性质，安全性能大大提高，纠缠信号时空关联，集束到达，扩频增益大，能够克服各种噪声带来的不利影响以及传统测角中难以避免的多径干扰，提高了弱信号检测能力，在复杂电磁环境下具有重要意义。