基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法

1.本发明属于、微波雷达和水声探测的交叉学科，具体是指一种通过多频段微波源向水面发射信号、利用里德堡原子阵列接收水面信号、通过水面起伏引起的微多普勒效应实现水下声学信号探测的方法，尤其涉及一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.通过激光光场与碱金属能级的互作用能够制备接近激发态的里德堡态，里德堡态会在电场作用下产生能级劈裂，能级劈裂程度亦即频移量与电场强度正相关。因此，里德堡原子天线被认为是未来最有望实现电磁场精密测量的手段之一。与传统天线相比，里德堡原子天线的优势体现在：(1)微波电磁场的强度测量结果能够直接溯源道国际单位制基本常数；(2)几何尺寸与工作频率无关，即可通过小尺寸里德堡原子天线实现数十公里长波天线的信号接收功能；(3)利用原子超精细能级结构，能够实现宽带可调谐电磁信号的高灵敏度接收，探测灵敏度比传统天线高至少一个数量级并具备突破经典测量瓶颈的潜力；(4)单一里德堡原子天线能够同时感应多种不同频率的信号，具备较强的频谱可扩展性。
3.以里德堡原子天线阵列作为探测器并配套多频段微波源，可实现高精度多波段联合雷达的功能。这种高精度特性的一个典型应用是感知超强背景噪声中的微小变化并提取有用信息。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何通过多频段微波源向水面发射微波信号，微波信号在水面起伏作用下产生回波，利用同一里德堡原子天线阵列同时接收各频段微波信号的反射回波，根据微多普勒效应反演水面起伏并通过各频段信号的互相校验进一步提升精度，最后利用高通滤波分离多普勒信号中的高频分量，滤除水面波浪起伏等强背景噪声并提取高频水声信号。
5.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里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法，通过多频段微波源向水面发射微波信号，在水面起伏的作用下产生回波，回波信号内包含水面起伏信息；通过多波长激光光场泵浦铯原子阵列，将其中的原子制备到接近电离的多个里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的意义对应关系，并使不同里德堡态对不同微波频段产生相应；通过对激光波长光谱特性的精确探测，实现对各频段微波回波信号的高灵敏度测量；通过微多普勒效应提取各频段回波中包含的水面起伏信息，通过各频段信号互校验提升水面起伏信息的精度和不确定度指标，利用高通滤波器提取高频分量，滤除强背景噪声并提取高频水声信号。
6.优选的，里德堡原子天线阵列中单个里德堡原子天线工作原理是多波长激光器或多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其激发到不同的里德堡态。
7.优选的，里德堡能级与泵浦激光波长相关，处于不同能级的里德堡原子对不同波
段的微波产生高灵敏度响应。
8.优选的，各频率微波回波信号被不同的里德堡原子感知，通过频一探测或强度探测实现回波信号解调。
9.优选的，上述方法具体包括：
10.s101、微波信号发送，通过多频段微波源向水面发射微波信号，在水面起伏的作用下产生回波，回波信号内包含水面起伏信息；
11.s102、基于里德堡原子天线阵列的接收，通过多波长激光光场泵浦铯原子阵列，将其中的原子制备到接近电离的多个里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的意义对应关系，并使不同里德堡态对不同微波频段产生相应；
12.s103、水声信号的反演还原，通过微多普勒效应将各频段回波中包含的水面起伏信息提取出来，通过各频段信号互校验提升水面起伏信息的精度和不确定度指标，利用高通滤波器提取高频分量，滤除水面波浪起伏及其他强背景噪声并提取高频水声信号。
13.优选的，上述方法具体包括：
14.s201、通过多频段微波源向待测水面发送微波信号，多频段微波信号由多个独立的微波源产生或由宽谱微波源经带通滤波产生；
15.s202、利用多波长激光泵浦铯原子气室，将其中的多个铯原子制备到不同的里德堡态，通过泵浦激光光谱的精确控制使里德堡原子能够高灵敏度、低光谱重叠率覆盖多频段微波源的全部微波信号；
16.s203、携带水面起伏信息的各频段微波回波信号输入里德堡原子天线阵列中的铯原子气室，处于特定里德堡能级的铯原子感知到特定频率组分无线信号的强度信息，将其转换为对应激光波长的频移信息，经过解调手段转换为光强信息并由光电探测器探测，比较各原子天线感知到的各频段回波，按照微多普勒效应反演水面起伏；
17.s204、利用高通滤波器滤除强背景噪声，将其中对应声波波段的水面起伏分量提取出来，分析提取声学信号并用以溯源各种水下活动。
18.优选的，上述s102通过对激光波长光谱特性的精确探测，实现对各频段微波回波信号的高灵敏度测量。
19.优选的，上述里德堡原子利用多波长激光器或多台可调谐激光器或非线性光学频率梳光源泵浦铯原子，将其激发至接近电离的里德堡态，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。
20.一种实现上述基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法的系统，包括多波长激光器或多台可调谐激光器或非线性光学频率梳光源、里德堡原子雷达、里德堡原子天线阵列以及高通滤波器，还包括微波信号发送模块、天线阵列接收模块以及水声信号反演还原模块，其中，
21.微波信号发送模块，用于通过多频段微波源向水面发射微波信号，在水面起伏的作用下产生回波，回波信号内包含水面起伏信息；
22.天线阵列接收模块，基于里德堡原子天线阵列的接收，用于通过多波长激光光场泵浦铯原子阵列，将其中的原子制备到接近电离的多个里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的意义对应关系，并使不同里德堡态对不同微波频段产生相应；通过对激光波长光谱特性的精确探测，实现对各频段微波回波信号的高灵敏度测量；
23.水声信号反演还原模块，用于通过微多普勒效应将各频段回波中包含的水面起伏信息提取出来，通过各频段信号互校验提升水面起伏信息的精度和不确定度指标，利用高通滤波器提取高频分量，滤除水面波浪起伏或其他强背景噪声并提取高频水声信号。
24.一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。
25.一种计算机程序产品，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。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
27.1、本发明提出利用多波长激光泵浦单一原子气室制备多种里德堡态的技术思路，能够同时兼顾微波信号接收的大带宽和高灵敏度特性，对各频率分量信号进行并行的、超越经典瓶颈精度的有效测量。
28.2、本发明首次将里德堡原子天线阵列引入多普勒雷达应用中，既能通过电磁场探测灵敏度和精度的提升获取更为丰富的回波信息，又能通过单一探测单元满足多频段联合雷达的探测需求。
29.3、本发明为水下声学信号的探测提供了一种无接触、跨介质、高精度的测量方法，将微多普勒雷达的滞空性和的高灵敏性有机结合，可在水下勘探、水文测量、潜水搜救等方面发挥重要作用。
附图说明
30.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。
31.图1示出了本发明基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测工作原理示意图。
具体实施方式
32.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。
33.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。
34.本发明提供了一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法的实施例，通过多频段微波源向水面发射微波信号，在水面起伏的作用下产生回波，回波信号内包含水面
起伏信息；通过多波长激光光场泵浦铯原子阵列，将其中的原子制备到接近电离的多个里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的意义对应关系，并使不同里德堡态对不同微波频段产生相应；通过对激光波长光谱特性的精确探测，实现对各频段微波回波信号的高灵敏度测量；通过微多普勒效应提取各频段回波中包含的水面起伏信息，通过各频段信号互校验提升水面起伏信息的精度和不确定度指标，利用高通滤波器提取高频分量，滤除强背景噪声并提取高频水声信号。
35.在一些实施例中，里德堡原子天线阵列中单个里德堡原子天线工作原理是多波长激光器或多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其激发到不同的里德堡态。
36.在一些实施例中，里德堡能级与泵浦激光波长相关，处于不同能级的里德堡原子对不同波段的微波产生高灵敏度响应。
37.在一些实施例中，各频率微波回波信号被不同的里德堡原子感知，通过频一探测或强度探测实现回波信号解调。
38.本发明提供一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法实施例，包括：
39.s101、微波信号发送，通过多频段微波源向水面发射微波信号，在水面起伏的作用下产生回波，回波信号内包含水面起伏信息；
40.s102、基于里德堡原子天线阵列的接收，通过多波长激光光场泵浦铯原子阵列，将其中的原子制备到接近电离的多个里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的意义对应关系，并使不同里德堡态对不同微波频段产生相应；
41.s103、水声信号的反演还原，通过微多普勒效应将各频段回波中包含的水面起伏信息提取出来，通过各频段信号互校验提升水面起伏信息的精度和不确定度指标，利用高通滤波器提取高频分量，滤除水面波浪起伏及其他强背景噪声并提取高频水声信号。
42.本发明提供一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法实施例，包括：
43.s201、通过多频段微波源向待测水面发送微波信号，多频段微波信号由多个独立的微波源产生或由宽谱微波源经带通滤波产生；
44.s202、利用多波长激光泵浦铯原子气室，将其中的多个铯原子制备到不同的里德堡态，通过泵浦激光光谱的精确控制使里德堡原子能够高灵敏度、低光谱重叠率覆盖多频段微波源的全部微波信号；
45.s203、携带水面起伏信息的各频段微波回波信号输入里德堡原子天线阵列中的铯原子气室，处于特定里德堡能级的铯原子感知到特定频率组分无线信号的强度信息，将其转换为对应激光波长的频移信息，经过解调手段转换为光强信息并由光电探测器探测，比较各原子天线感知到的各频段回波，按照微多普勒效应反演水面起伏；
46.s204、利用高通滤波器滤除强背景噪声，将其中对应声波波段的水面起伏分量提取出来，分析提取声学信号并用以溯源各种水下活动。
47.在一些实施例中，s102通过对激光波长光谱特性的精确探测，实现对各频段微波回波信号的高灵敏度测量。
48.在一些实施例中，里德堡原子利用多波长激光器或多台可调谐激光器或非线性光学频率梳光源泵浦铯原子，将其激发至接近电离的里德堡态，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。
49.本发明提供一种实现上述基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法的系统
实施例，包括多波长激光器或多台可调谐激光器或非线性光学频率梳光源、里德堡原子雷达、里德堡原子天线阵列以及高通滤波器，还包括微波信号发送模块、天线阵列接收模块以及水声信号反演还原模块，其中，
50.微波信号发送模块，用于通过多频段微波源向水面发射微波信号，在水面起伏的作用下产生回波，回波信号内包含水面起伏信息；
51.天线阵列接收模块，基于里德堡原子天线阵列的接收，用于通过多波长激光光场泵浦铯原子阵列，将其中的原子制备到接近电离的多个里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的意义对应关系，并使不同里德堡态对不同微波频段产生相应；通过对激光波长光谱特性的精确探测，实现对各频段微波回波信号的高灵敏度测量；
52.水声信号反演还原模块，用于通过微多普勒效应将各频段回波中包含的水面起伏信息提取出来，通过各频段信号互校验提升水面起伏信息的精度和不确定度指标，利用高通滤波器提取高频分量，滤除水面波浪起伏或其他强背景噪声并提取高频水声信号。
53.如图1所示，展示了一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法的实施例，具体包括：
54.(1)宽带微波源产生多个频段的微波信号，向待测水域的水面发送微波信号并在水面起伏的作用下产生回波信号，回波信号被里德堡原子天线阵列接收。
55.(2)里德堡原子天线阵列中单个里德堡原子天线工作原理如下：多波长激光器或图中所示多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其即发到不同的里德堡态，里德堡能级与泵浦激光波长相关，处于不同能级的里德堡原子对不同波段的微波产生高灵敏度响应。各频率微波回波信号被不同的里德堡原子感知，通过频一探测或强度探测实现回波信号解调。
56.(3)里德堡原子天线阵列中的各原子天线高灵敏度地获取特定频段的回波信号，利用微多普勒和差分等方法分析水面起伏，综合校验各频段获取的水面起伏信号，进一步提升测量精度和不确定度指标。
57.(4)利用高通滤波器分离水面起伏中的高频信号，水面波浪起伏频率通常在数赫兹量级，凡频率高于20hz且具有一定持续时间的频率分量即可判定为水声信号。
58.本发明提供了一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法的实施例，利用多频段微波源向水面发射微波信号，各频段微波信号感受到水面的起伏并产生反射回波，利用里德堡原子天线阵列对各频段微波信号的反射回波进行一次接收，根据微多普勒效应反演水面起伏信号并通过高通滤波拟合出声致分量。
59.在一些实施例中，里德堡原子利用多波长激光器或多台可调谐激光器或非线性光学频率梳光源泵浦铯原子等碱金属原子，将其激发至接近电离的里德堡态，每个里德堡态上存在多个碱金属原子，分别对不同微波波段的电磁信号产生最大响应。不限定多波长激光制备里德堡态的具体细节，不限定泵浦激光光谱参数、碱金属原子气室构建方式、碱金属原子类型等各种细节。
60.在一些实施例中，里德堡原子雷达利用多波长微波源产生多频段微波信号，经过目标物体反射之后，回波由里德堡原子天线阵列接收，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。不限定系统结构、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。
61.在一些实施例中，水下声学信号探测利用里德堡原子雷达对水面起伏进行测量，通过里德堡原子天线阵列测量携带水面起伏信息的回波波前信号，根据微多普勒效应求解波前信号获取水面起伏信息，校验比对各频段独立解析的回波波前信号获取精度更高、不确定度更低的水面起伏，利用高通滤波器滤除频率处于赫兹或亚赫兹量级、对应水面波浪起伏的强背景噪声，将对应水下声学信号的高频分量提取解析出来。凡在本发明基础上，通过改变里德堡原子雷达结构参数、工作频段，或采用其它手段滤除水面起伏噪声的各种方法均属于本发明权利要求范围。
62.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。
63.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。
64.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
65.首先，本发明提出利用多波长激光泵浦单一原子气室制备多种里德堡态的技术思路，能够同时兼顾微波信号接收的大带宽和高灵敏度特性，对各频率分量信号进行并行的、超越经典瓶颈精度的有效测量。
66.其次，本发明首次将里德堡原子天线阵列引入多普勒雷达应用中，既能通过电磁场探测灵敏度和精度的提升获取更为丰富的回波信息，又能通过单一探测单元满足多频段联合雷达的探测需求。
67.此外，本发明为水下声学信号的探测提供了一种无接触、跨介质、高精度的测量方法，将微多普勒雷达的滞空性和的高灵敏性有机结合，可在水下勘探、水文测量、潜水搜救等方面发挥重要作用。
68.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。
69.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。
70.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。
71.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。
72.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。
73.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。
74.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。
75.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。
76.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。
77.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。
78.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。
79.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。