基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统的制作方法

1.本发明涉及电磁测向技术领域，尤其涉及一种基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统。


背景技术：

2.电磁辐射测向是指探测、搜索、截获无线电管理辖区内的电磁信号，并对该电磁信号进行分析、识别、监视并获取相关技术参数、工作特征和辐射位置等技术信息的活动，是有效实施电磁波谱管理的重要技术手段。随着无线通信技术的飞速发展，电磁辐射源测向技术也应运而生。电磁辐射源测向主要依据电磁波的传播特性，采用先进仪器设备测量电磁波的强度及方位，并通过复杂的数学解耦技术及算法获得电磁辐射源区域的坐标位置，从而确定辐射源的大致方位。
3.目前，无线电测向技术主要分为：地面测向、机载空中测向及地-空联合测向三大类。地面测向受地形地地貌影响，其效果差、精确度低；机载空中测向，虽有视距优势，但受飞行器姿态平稳性影响，而且信息处理、实时传输等技术有待进一步完善；地-空联合测向，兼具地面设备稳定性及空中视距等测量优势，是目前测向技术的首选，但在弱场信号测向定位，如其它方法一样，仍然无所适从，亟需一种新的测量方法改进测向技术。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统，克服现有地面测向、机载空中测向及地-空联合测向技术的不足，解决现有弱电磁辐射源测向方法效果差、精确度低、可测参数不全面、不能高精度分布测量、信息不能实时传输处理等方面的问题。通过采用里德堡原子量子测向系统测向，可以大大提高电磁辐射源的综合测向能力，确保电磁环境实时监测。
5.根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统，所述系统包括：探测激光模块、里德堡原子电磁传感模块、耦合激光模块、光电探测模块和信息接收处理控制存储模块；所述探测激光模块，用于出射探测激光至所述里德堡原子电磁传感模块，以泵浦激发原子蒸汽；所述里德堡原子电磁传感模块，包括多个密闭测量玻璃泡和电机驱动单元，用于进行无线电电磁信号的分布式测量，其中，所述密闭测量玻璃泡中封闭有碱金属原子蒸汽并制备成一种密闭腔体；所述耦合激光模块，用于出射耦合激光至所述里德堡原子电磁传感模块，以泵浦激发原子蒸汽；所述光电探测模块，用于将探测激光与电磁场相互作用的eit信号转变为电信号，提供给所述信息接收处理控制存储模块处理；所述信息接收处理控制存储模块，用于接收并处理所述光电探测模块提供的探测
激光电信号数据，并发出指令控制所述探测激光和耦合激光进行aom频移，同时控制里德堡原子电磁传感模块的位置移动。
6.在一个实施例中，优选地，所述探测激光模块包括：探测激光器、第一aom频移单元和第一分光单元；所述探测激光器，用于出射探测激光；所述第一aom频移单元，用于根据所述信息接收处理控制存储模块发出的指令控制所述探测激光进行aom频移；所述第一分光单元，用于对所述探测激光进行分光处理；其中，所述探测激光器出射的探测激光经所述第一分光单元进行分光处理和第一aom频移单元进行aom频移处理后，全反射聚焦到所述里德堡原子电磁传感模块中各个密闭测量玻璃泡一端的传输光纤中，泵浦玻璃泡中心的密闭碱金属原子蒸汽，通过原子蒸汽后探测激光经耦合激光模块中的第二二色分光镜分离透射，被所述光电探测模块检测得到eit信号。
7.在一个实施例中，优选地，所述第一aom频移单元包括：第一全反射镜、第一1/4波片和第一声光调制器aom；所述第一分光单元包括第一一分四光纤分光器和多个第一二色分光镜，所述第一一分四光纤分光器包括第一聚焦透镜、四个第一准直透镜和第一光纤分光网络。
8.在一个实施例中，优选地，所述耦合激光模块包括：耦合激光器、第二aom频移单元和第二分光单元；所述耦合激光器，用于出射耦合激光；所述第二aom频移单元，用于根据所述信息接收处理控制存储模块发出的指令控制所述耦合激光进行aom频移；所述第二分光单元，用于对所述耦合激光进行分光处理；其中，所述耦合激光器出射的耦合激光经所述第二分光单元进行分光处理和第二aom频移单元进行aom频移处理后，全反射聚焦到所述里德堡原子电磁传感模块中各个密闭测量玻璃泡另一端的传输光纤中，泵浦玻璃泡中心的密闭碱金属原子蒸汽，通过原子蒸汽后耦合激光经第一二色分光镜分离透射，被所述光电探测模块检测得到eit信号。
9.在一个实施例中，优选地，所述第二aom频移单元包括：第二全反射镜、第二1/4波片和第二声光调制器aom；所述第二分光单元包括第二一分四光纤分光器和多个第二二色分光镜，所述第二一分四光纤分光器包括第二聚焦透镜、四个第二准直透镜和第二光纤分光网络。
10.在一个实施例中，优选地，所述密闭测量玻璃泡为长方体、正方体或圆柱体，中央中空封闭有碱金属原子蒸汽，封闭截面尺寸《400μm，所述密闭测量玻璃泡的材质为玻璃，所述密闭测量玻璃泡的一端通过光纤连接探测激光，另一端通过光纤连接耦合激光。
11.在一个实施例中，优选地，所述密闭测量玻璃泡两端熔接的光纤，以及第一分光单元和第二分光单元中的传输光纤包括单模保偏光纤。
12.在一个实施例中，优选地，所述探测激光模块所用探测激光为中心波长852nm单频激光，线宽《10khz，其波长连续可调谐，调谐范围为0～5nm，调谐方式为aom调谐。
13.在一个实施例中，优选地，所述耦合激光模块所用耦合激光为中心波长509nm单频
激光，线宽《10khz，其波长连续可调谐，调谐范围为0～10nm，调谐方式为aom调谐。
14.在一个实施例中，优选地，所述第一二色分光镜的反射面镀有对探测激光波长高反射的介质膜，双面的介质膜对耦合激光波长高透射；所述第二二色分光镜的反射面镀有对耦合激光波长高反射的介质膜，双面的介质膜对探测激光波长高透射。
15.本发明产生的有益效果是：（1）基于里德堡原子量子传感的电磁辐射测向系统，可在空中或地面进行测向，能够有效提升探测弱电磁辐射信号的测向能力。
16.（2）采用量子化测量原理制成的原子传感模块，制备一次成型，无需测量较准，具有扫频快、频带响应宽、精度及灵敏度高、抗电磁干扰强等特点，尤其在弱电磁辐射源探测具有较传统天线探头无可比拟的优势。
17.（3）设备各模块易于集成，具有体积小、质量轻、便于携带等优势。原子天线可以形成分布式测向阵列，并可实现多个电磁辐射源同时测向。
18.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
19.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
20.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统的结构图。
具体实施方式
21.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
22.里德堡原子是一种主量子数很大的原子，一般是铷rb、铯cs等碱金属原子蒸汽在探测激光和耦合激光（见里德堡原子产生能级图）的共同作用下，被激发到主量子数n》20的里德堡rydberg态，原子能态产生量子相消干涉效应，探测激光通过原子蒸汽产生透射率极大，即探测激光频率ωp等于原子基态跃迁频率ω0时产生eit信号（electromagnetically induced transparency）。碱金属原子处于这种主量子数很大的状态，对无线电电磁信号的方向、强度、频率等参数变化非常敏感，导致探测激光eit信号因电磁信号的存在而在原子基态跃迁频率ω0两侧分裂成两个主峰，透射率主峰对应的频差宽度δf0与电磁信号的电场强度直接关联。这样将难于直接测量的无线电电场强度的测量转化为测量易测的激光外差频率δf0，而里德堡原子充当电场——光场变换器。
23.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统的结构图。
24.如图1所示，根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于里德堡原子量子传感的电磁辐射源测向系统，包括：
探测激光模块（包括图1中2、7-2、10-2、11-2、12-2、13-2、14-2）、里德堡原子电磁传感模块（包括图1中5、16、17）、耦合激光模块（包括图1中1、7-1、9、10-1、11-1、12-1、13-1、14-1）及信息接收处理控制存储模块（图1中15）。
25.所述的探测激光模块（包括图1中2、7-2、10-2、11-2、12-2、13-2、14-2），包括探测激光器2、第一aom频移单元12-2、13-2、14-2、第一分光单元7-2。探测激光经aom频移后被1分4光纤分光器8-2分为能量均等的4份，能量不均匀性《0.5%，同时保持偏振一致。然后被对应第一二色镜3全反射聚焦到里德堡原子电磁传感模块5、16、17各个密闭测量玻璃泡5-1一端的传输光纤中，泵浦玻璃泡中心的密闭碱金属原子蒸汽。通过原子蒸汽后探测激光经另一类二色镜4分离透射，被光电探测器pd6检测得到eit信号，供信息接收处理控制存储模块15处理。
26.所述的探测激光模块所用探测激光为中心波长852nm单频激光，线宽《10khz，其波长连续可调谐，调谐范围0～5nm，调谐方式为aom调谐。探测激光频率相对原子基态跃迁频率频移范围δf0可满足测量300mhz～500ghz频率范围无线电电磁波需要。激光波长调谐就是激光频移。
27.所述的探测激光模块中的第一aom频移单元，其频移功能由全反射镜14-2、1/4波片13-2、声光调制器aom 12-2实现。aom为gooch-housego生产，频移过程中也可控制激光输出功率，满足无线电电磁波测量对探测激光功率可变的要求。
28.所述第一分光单元7-2，包括一分四光纤分光器8-2和二色分光镜3。根据无线电电磁信号分布式测量对密闭测量玻璃泡5分布式排布的要求，光纤分光器可配置为1分n，二色分光镜数量相应匹配。
29.所述的探测激光一分四光纤分光器8-2，包括一块聚焦透镜、四块准直透镜和光纤分光网络。
30.所述的第一分光单元中的二色分光镜3，反射面镀对探测激光波长高反射的介质膜，双面的介质膜对耦合激光波长高透射。
31.所述的里德堡原子电磁传感模块中的密闭测量玻璃泡5中封闭有碱金属原子蒸汽并制备成一种密闭腔体，原子蒸汽被探测激光和耦合激光泵浦激发，4个密闭测量玻璃泡组成阵列形成里德堡原子电磁传感模块，实现无线电电磁信号的分布式测量。里德堡原子电磁传感模块安装在电机驱动模块16、17上面，信息接收处理控制存储模块15控制电机驱动模块线性运动，运动精度0.05μm～0.1mm，这样实现无线电电磁信号分布式高精度测量。里德堡原子电磁传感模块相当于测量无线电电磁信号分布的相机。
32.所述的密闭测量玻璃泡5两端熔接的光纤、第一分光单元和第二分光单元中的传输光纤为单模保偏光纤，材质为塑料、石英或特种材料，各处光纤长度可根据需要自由配置。
33.所述密闭测量玻璃泡5中密闭的原子蒸汽以铷rb或铯cs等碱金属蒸汽为主，一般要求在室温条件下，饱和蒸汽压为1.3千帕。所述的原子蒸汽铷rb和铯cs对应不同的耦合激光波长，分别用来测量无线电电磁波的高频端和低频端，实现300mhz～500ghz频率范围无线电电磁信号测量，因此测向系统具有宽频特性。
34.密闭测量玻璃泡5，通过玻璃吹制、激光熔接等复杂键合工艺将化学性质活泼的碱金属原子蒸汽填充到里边。
35.密闭测量玻璃泡5为长方体、正方体或圆柱体，中央中空封闭有碱金属原子蒸汽，封闭截面尺寸《400μm。其材质为玻璃，玻璃泡一端通过光纤连接探测激光，另一端连接耦合激光。
36.所述的里德堡原子电磁传感模块由非金属的测量玻璃泡组成，避免了采用金属材料对无线电电磁信号的干扰，确保了测量结果的准确度和高精度。
37.所述的耦合激光模块，包括耦合激光器1、第二aom频移单元12-1、13-1、14-1、第二分光单元7-1。耦合激光经aom频移后被一分四光纤分光器8-1分为能量均等的4份，能量不均匀性《0.5%,同时保持偏振一致，然后被对应二色镜4全反射聚焦到里德堡原子电磁传感模块各个密闭测量玻璃泡5一端的传输光纤中，泵浦玻璃泡中心的密闭碱金属原子蒸汽。通过原子蒸汽后耦合激光经另一类二色镜3分离透射。
38.所述的耦合激光模块所用耦合激光为中心波长509nm单频激光，线宽《10khz，其波长连续可调谐，调谐范围0～10nm，调谐方式为aom调谐。经调谐的每个耦合激光波长对应测量某个频率的无线电电磁波，调谐范围可满足测量频率300mhz～500ghz范围无线电电磁波要求。
39.所述的耦合激光模块中的第二aom频移单元12-1、13-1、14-1），其频移功能由全反射镜14-1、1/4波片13-1、声光调制器aom 12-1实现。aom为gooch-housego生产，频移过程中也可控制激光输出功率，满足无线电电磁波测量对耦合激光功率可变的要求。
40.所述的第二分光单元7-1，包括一分四光纤分光器8-1和二色分光镜4。根据无线电电磁信号分布式测量对密闭测量玻璃泡5分布式排布的要求，光纤分光器可配置为1分n，二色分光镜数量相应匹配。
41.所述的耦合激光一分四光纤分光器8-1，包括一块聚焦透镜、四块准直透镜和光纤分光网络。
42.所述的第二分光单元中的二色分光镜4，反射面镀上对耦合激光波长高反射的介质膜，双面的介质膜对探测激光波长高透射。
43.所述的探测激光和耦合激光通过测量玻璃泡两端的光纤相对向传输，泵浦玻璃泡中的碱金属原子蒸汽。碱金属原子基态跃迁频率ω0的绝对性和探测激光、耦合激光频率的绝对单频性，以及对探测激光eit信号的多普勒背景消除和隔离确保了无线电电磁测量的高精度。
44.所述的里德堡原子电磁传感模块既能测量强电磁辐射，也能测量弱电磁辐射，特别是对弱电磁辐射，探测激光的eit信号和多普勒背景的对比更加突出，保证可测弱场《0.01mv/m。
45.所述的信息接收处理控制存储模块，通过读取、滤波、放大并记录所述的光电探测器pd 6中的探测激光电信号数据，发出指令控制探测激光和耦合激光进行aom频移，同时控制里德堡原子电磁传感模块的位置移动，进行无线电电磁信号的分布式测量，在此过程中存贮信息及数据并更新。
46.所述的光电探测器pd 6，其作用是将探测激光的eit信号转变为电信号，提供给信息接收处理控制存储模块处理。
47.基于里德堡原子量子传感的电磁辐射测向系统，可在空中或地面进行测向，能够有效提升探测弱电磁辐射信号的测向能力。制备一次成型，无需测量较准，具有扫频快，频
带响应宽，灵敏度高及抗电磁干扰强等特点，尤其在弱电磁辐射源探测具有较传统天线探头无可比拟的优势。具有体积小、质量轻、便于携带等优势。玻璃泡原子传感单元可以通过光纤形成测向阵列，并可实现多个电磁辐射源同时测向。
48.进一步可以理解的是，本发明中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
49.进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
50.进一步可以理解的是，本发明实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
51.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
52.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。