基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法

1.本发明属于量子光学和微波光子学的交叉学科，具体是指一种利用微波光子信号解析方法识别电磁信号波段、通过调谐泵浦波长精确控制里德堡原子天线的响应频段，实现宽带高灵敏度微波光子信号感知的方法，尤其涉及一种基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.电磁频谱感知技术在无线通信、雷达侦听、控制导航等领域应用广泛，感知范围和感知精度直接影响各类系统性能。然而，基于传统电子器件搭建的电磁频谱感知系统在处理高频信号方面面临“电子瓶颈”，而微波光子技术能够较好地解决上述问题，主要原因包括：(1)光学载波本振频率比微波高几个数量级，信号容量也比微波高几个数量级；(2)光学载波能够对抗各种电磁干扰环境，对系统串扰的设计要求较小；(3)光学波导制备工艺相对较为成熟，与电子器件搭建的信号处理系统相比在尺寸、功耗、稳定性等方面具有较大优势；(4)光学载波可以同时携带多种信号，使用不同光学自由度即可实现高效复用。因此，微波光子技术有望提升电磁频谱感知系统在宽带、并行、抗干扰等方面性能指标的提升。另一方面，量子精密测量技术近年来迅猛发展，基于里德堡态的原子天线逐渐显示出在突破经典瓶颈、接近海森堡极限方面的性能潜力，能够从精度和灵敏度等方面进一步推动电磁频谱感知系统发展。实际情况中，电磁频谱感知系统难以同时兼顾超宽带和高灵敏特性。


技术实现要素：

3.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何利用宽带天线接收电磁信号，通过电光调制器将天线生成的电学信号转换为光学信号，利用微波光子方法对电磁信号进行频点识别，精确控制制备里德堡态所需激光器的中心波长使得里德堡原子天线的中心频率与电磁信号频点一致，实现同时具备大带宽和高灵敏度属性的电磁频谱感知。
4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法，通过宽带天线接收频率成分和波形强度未知的电磁信号并生成电学信号，驱动电光调制器将电磁信号转换为光学信号；通过微波光子手段确定电磁信号的频点和频段，根据微波光子测量手段获取的频点信息，控制里德堡天线的泵浦激光波长，使里德堡天线的中心频率与测量频点重合，将对应频段的信号分离出来并实现高灵敏度探测。
5.优选的，宽带天线接收频率成分不同的电磁信号并通过光学调制器加载到光源产生的光学载波上。
6.优选的，将经过电磁信号调制的微波光子信号输入马赫增特干涉仪中，干涉仪两个通道具有相反的滤波响应。
7.优选的，对输出光进行对除后，获得频率和强度呈单调关系的幅度比较函数，根据幅度反推电磁信号的频点组成。
8.优选的，上述方法具体包括：
9.s101、电磁信号的接收，通过宽带天线接收频率成分和波形强度未知的电磁信号并生成电学信号，驱动电光调制器将电磁信号转换为光学信号；
10.s102、基于微波光子的频点识别，通过幅度比较测试等微波光子手段，确定电磁信号的频点和频段；
11.s103、基于可调谐里德堡天线的电磁信号精密感知，根据微波光子测量手段获取的频点信息，控制里德堡天线的泵浦激光波长，使里德堡天线的中心频率与测量频点重合，将对应频段的信号分离出来并实现高灵敏度探测。
12.优选的，上述方法具体包括：
13.s201、构建基于微波光子的宽带电磁频谱感知系统，通过宽带天线接收复杂电磁信号，利用微波光子手段，对电磁信号进行频率成分分析；
14.s202、构建窄带可调谐里德堡原子天线，通过可调谐激光器泵浦碱金属原子使其工作在里德堡态，使其对窄带范围内的电磁信号具备高灵敏度测量能力；
15.s203、根据宽带电磁频谱感知系统确定的频率成分调谐激光器波长，使得里德堡原子天线的工作频段与宽带电磁频谱感知系统确定的频率成分一致，根据里德堡原子天线输出的光强变化解调强度结果，获取各频率成分电磁信号的有效信息。
16.优选的，上述微波光子手段包括但不限于频-幅映射法、频-空映射法、频-时映射法。
17.优选的，根据频谱分析结果控制激光器波长，使得通过激光制备的里德堡原子在频点达到最高探测灵敏度，实现微波光子宽带识别-原子天线精密测量的电磁频谱感知。
18.一种实现基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法的系统，包括光源、激光器、频谱分析仪、马赫增特干涉仪以及宽带天线，还包括电磁信号接收模块、微波光子频点识别模块和电磁信号感知模块，其中，
19.电磁信号接收模块，用于通过宽带天线接收频率成分和波形强度未知的电磁信号，生成电学信号和驱动电光调制器并将电磁信号转换为光学信号；
20.电磁信号频点探测模块，用于通过幅度比较测试或其他微波光子手段，确定电磁信号的频点和频段；
21.量子电磁频谱探测模块，用于根据微波光子测量手段获取的频点信息，控制里德堡天线的泵浦激光波长，使里德堡天线的中心频率与测量频点重合，将对应频段的信号分离出来并实现高灵敏度探测。
22.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
23.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
25.1、本发明将微波光子技术和基于里德堡的原子天线技术结合起来，提出一种能够兼具宽带和高灵敏度优势的电磁频谱感知方法，既能有效地识别出未知电磁信号的频率组成，又能对各频率成分的信号进行超越经典瓶颈的高灵敏度测量。
26.2、本发明使用的微波光子幅-频映射测量装置和里德堡原子天线均为光学系统，
具有较好的互通兼容性，并有望通过芯片集成光路工艺实现板卡级集成系统。
27.3、本发明提出的“粗精”结合电磁频谱感知方法，能够快速分析电磁频谱成分并通过里德堡天线调谐实现特定频点信号的高灵敏度探测，克服了单一电磁频谱感知手段带宽和灵敏度难以兼顾的瓶颈问题，在频谱管理、环境监测等领域可以发挥很大作用。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1示出了本发明基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知工作原理示意图。
具体实施方式
30.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
31.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
32.本发明提供了一种基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法的实施例，通过宽带天线接收频率成分和波形强度未知的电磁信号并生成电学信号，驱动电光调制器将电磁信号转换为光学信号；通过微波光子手段确定电磁信号的频点和频段，根据微波光子测量手段获取的频点信息，控制里德堡天线的泵浦激光波长，使里德堡天线的中心频率与测量频点重合，将对应频段的信号分离出来并实现高灵敏度探测。
33.在一些实施例中，宽带天线接收频率成分不同的电磁信号并通过光学调制器加载到光源产生的光学载波上。
34.在一些实施例中，将经过电磁信号调制的微波光子信号输入马赫增特干涉仪中，干涉仪两个通道具有相反的滤波响应。
35.在一些实施例中，对输出光进行对除后，获得频率和强度呈单调关系的幅度比较函数，根据幅度反推电磁信号的频点组成。
36.本发明提供一种基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法实施例，包括：
37.s101、电磁信号的接收，通过宽带天线接收频率成分和波形强度未知的电磁信号
并生成电学信号，驱动电光调制器将电磁信号转换为光学信号；
38.s102、基于微波光子的频点识别，通过幅度比较测试等微波光子手段，确定电磁信号的频点和频段；
39.s103、基于可调谐里德堡天线的电磁信号精密感知，根据微波光子测量手段获取的频点信息，控制里德堡天线的泵浦激光波长，使里德堡天线的中心频率与测量频点重合，将对应频段的信号分离出来并实现高灵敏度探测。
40.本发明提供一种基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法实施例，包括：
41.s201、构建基于微波光子的宽带电磁频谱感知系统，通过宽带天线接收复杂电磁信号，利用微波光子手段，对电磁信号进行频率成分分析；
42.s202、构建窄带可调谐里德堡原子天线，通过可调谐激光器泵浦碱金属原子使其工作在里德堡态，使其对窄带范围内的电磁信号具备高灵敏度测量能力；
43.s203、根据宽带电磁频谱感知系统确定的频率成分调谐激光器波长，使得里德堡原子天线的工作频段与宽带电磁频谱感知系统确定的频率成分一致，根据里德堡原子天线输出的光强变化解调强度结果，获取各频率成分电磁信号的有效信息。
44.在一些实施例中，微波光子手段包括但不限于频-幅映射法、频-空映射法以及频-时映射法。
45.在一些实施例中，根据频谱分析结果控制激光器波长，使得通过激光制备的里德堡原子在频点达到最高探测灵敏度，实现微波光子宽带识别-原子天线精密测量的电磁频谱感知。
46.本发明提供一种实现上述基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法的系统实施例，包括光源、激光器、频谱分析仪、马赫增特干涉仪以及宽带天线，还包括电磁信号接收模块、微波光子频点识别模块和电磁信号感知模块，其中，
47.电磁信号接收模块，用于通过宽带天线接收频率成分和波形强度未知的电磁信号，生成电学信号和驱动电光调制器并将电磁信号转换为光学信号；
48.电磁信号频点探测模块，用于通过幅度比较测试或其他微波光子手段，确定电磁信号的频点和频段；
49.量子电磁频谱探测模块，用于根据微波光子测量手段获取的频点信息，控制里德堡天线的泵浦激光波长，使里德堡天线的中心频率与测量频点重合，将对应频段的信号分离出来并实现高灵敏度探测。
50.如图1所示，展示了一种微波光子-里德堡联合电磁频谱感知系统工作原理实施例。宽带天线接收频率成分不同的电磁信号并通过光学调制器加载到光源产生的光学载波上，将经过电磁信号调制的微波光子信号输入马赫增特干涉仪中，干涉仪两个通道具有相反的滤波响应，对输出光进行对除后，可获得频率和强度呈单调关系的幅度比较函数，根据幅度即可反推电磁信号的频点组成。根据频谱分析结果控制激光器波长，使得通过激光制备的里德堡原子(工作带宽较窄、探测灵敏度较高、工作频段随激光波长变化)能够在频点达到最高探测灵敏度，实现微波光子宽带识别-原子天线精密测量的电磁频谱感知功能。
51.本发明提供了一种基于可调谐里德堡天线的微波光子电磁频谱感知方法的实施例，将宽带天线接收到的电磁信号加载在光学载波上，利用微波光子测试方法确定电磁信
号频点，根据频点控制制备里德堡态所需激光器的中心波长、使里德堡原子天线能够在对应频点实现最高灵敏度的探测。
52.在一些实施例中，微波光子测试方法中宽带天线接收电磁信号并将其转换为电学信号，利用电学信号驱动电光探测器将电学信号转换为光学信号，通过对光学信号进行变换测量反演电磁信号，微波光子测试方法包括但不限于频-幅映射法、频-空映射法、频-时映射法，不限定微波光子测试系统具体结构和实现方式，不限定微波光子测试方法所用到的系统数量和每个系统具体对应的频谱范围。
53.在一些实施例中，频点控制通过微波光子测试方法判断电磁频谱信号的频率成分，即确定电磁频谱信号中载波数量和本振频率，根据本振频率调谐制备里德堡态的可调谐激光器工作波长，使得窄带高灵敏度里德堡天线的响应频率与本振频率一致。
54.在一些实施例中，里德堡天线通过激光泵浦碱金属原子，将其激发至接近电离水平的里德堡态，里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段可建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，以此实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度。
55.在一些实施例中，不限定里德堡天线系统结构、原子成分、泵浦方式、探测方式、工作带宽、调谐范围、器件结构、系统参数等。
56.本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
57.本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。
58.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
59.首先，本发明将微波光子技术和基于里德堡的原子天线技术结合起来，提出一种能够兼具宽带和高灵敏度优势的电磁频谱感知方法，既能有效地识别出未知电磁信号的频率组成，又能对各频率成分的信号进行超越经典瓶颈的高灵敏度测量。
60.其次，本发明使用的微波光子幅-频映射测量装置和里德堡原子天线均为光学系统，具有较好的互通兼容性，并有望通过芯片集成光路工艺实现板卡级集成系统。
61.此外，本发明提出的“粗精”结合电磁频谱感知方法，能够快速分析电磁频谱成分并通过里德堡天线调谐实现特定频点信号的高灵敏度探测，克服了单一电磁频谱感知手段带宽和灵敏度难以兼顾的瓶颈问题，在频谱管理、环境监测等领域可以发挥更大作用。
62.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
63.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
64.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
65.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
66.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
67.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
68.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
69.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
70.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
71.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
72.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
73.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。