探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法

1.本发明属于量子精密测量、微波雷达、无线通信的交叉学科，具体是指一种具备多频段并行工作能力，能够同时实现电磁背景测量、雷达信号接收、无线通信接收等多种功能的里德堡原子天线，尤其涉及一种探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法及里德堡原子天线天线系统。


背景技术：

2.主量子数超过20的原子态被称为里德堡态。处于里德堡态的碱金属原子，其最外层电子与原子实的距离已从亚纳米量级暴涨到微米量级并接近电离极限，对电磁场信号极其敏感。通过激光光场与碱金属能级的互作用能够制备里德堡态，并在电磁场作用下产生能级劈裂，并能通过信号光场频移或光强定量评估。
3.与传统天线相比，里德堡原子天线具有以下四个方面的优势。一是对微波电磁场强度的测量结果能够直接溯源到国际单位制基本常数；二是天线的几何尺寸与工作频率无关，即使是小尺寸里德堡原子天线也能实现数十公里级长波天线的接收功能；三是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；四是里德堡原子天线具有极高的频谱可扩展性，既可以通过多波长泵浦的方式，将碱金属原子气室内的碱金属原子激发到不同的里德堡态并响应不同的微波波段，为多种频段复用、多种功能复用提供了物理基础。


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：如何利用多波长激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，各波长激光泵浦单一原子气室使其中的原子处于不同的里德堡态并对不同频段的电磁信号产生最强响应；以及利用频段复用技术，使电磁背景测量、微波雷达和无线通信工作于不同的、互不重叠的电磁波段，通过单一里德堡原子天线接收宽带信号并将测量结果输入不同的信号处理单元，以同时实现电磁背景测量、雷达回波接收和无线通信信号接收等功能。
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探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法，通过多波长激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系，不同里德堡态对不同的微波频段产生响应，各响应波段重叠实现最小化且覆盖较大的微波带宽；通过不同激光波长的频移或光强响应情况，解调对应微波波段的电磁信号；将对应不同功能的电磁信号分别输入不同的信号处理单元，实现电磁背景测量、雷达回波接收和无线通信信号接收。
6.优选的，根据工作频点范围反推其来源以实现探通一体功能可定义属性。
7.优选的，上述方法具体包括：
8.s101、里德堡态的制备，通过多波长激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系，不同里德堡态对不同的微波频段
产生响应，各响应波段重叠尽可能小且能够覆盖较大的微波带宽；
9.s102、基于里德堡原子天线的宽带电磁信号测量，通过不同激光波长的频移或光强响应情况，解调对应微波波段的电磁信号；
10.s103、探通一体功能可定义属性的实现，将对应不同功能的电磁信号分别输入不同的信号处理单元，同时实现电磁背景测量、雷达回波接收和无线通信信号接收功能。
11.优选的，上述方法具体包括：
12.s201、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接收各类电磁信号；
13.s202、将各种来源、各种频段的电磁信号同时输入探通一体功能可定义里德堡原子天线中，不同频段电磁信号分别被不同的里德堡原子感应，将其转换为对应波长激光的频移信息，通过解调手段转换为光强信息并由光电探测器探测；
14.s203、根据产生相应的激光波长反推频点信息，将其中属于无线通信信号、微波雷达回波信号的部分提取出来分别输入到相应的信息处理模块中，将剩余部分按照电磁背景信号存储起来并作为异常电磁信号识别的基准，以实现里德堡原子天线。
15.优选的，多波长激光器或多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其即发到不同的里德堡态。
16.优选的，里德堡态能级与泵浦波长相关，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。
17.一种探通一体功能可定义里德堡原子天线系统，包括一多波长激光器或多个激光器、光电探测器、电磁背景测量信息模块、微波雷达模块、微波雷达信号处理模块和无线通信信号处理模块，多波长激光器或多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其即发到不同的里德堡态，里德堡态能级与泵浦波长相关，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，将各种来源、各种频段的电磁信号同时输入探通一体功能可定义里德堡原子天线中，不同频段电磁信号分别被不同的里德堡原子感应，将其转换为对应波长激光的频移信息，通过一定的解调手段可转换为光强信息并由光电探测器探测，根据产生相应的激光波长反推频点信息，将其中属于无线通信信号、微波雷达回波信号的部分提取出来分别输入到相应的信息处理模块中，将剩余部分按照电磁背景信号存储起来并作为异常电磁信号识别的基准。
18.优选的，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。
19.优选的，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.优选的，按照产生相应激光波长能够反推里德堡态、电磁信号频段乃至信号来源；将其中对应微波雷达回波、无线通信信号的部分分别提取出来输入微波雷达信号处理模块和无线通信信号处理模块，将剩余的信号作为电磁背景测量结果存储下来。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
22.1、本发明提出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，既能有效突破电磁信号测量灵敏度的经典瓶颈，又能同时对多个频段电磁信号进行并行响应，为功能可定义设备奠定物理基础。
23.2、本发明所述方法具有较强的可扩展性，即通过绿光波段非线性光频梳、微纳波导集成原子气室等工艺，能够大批量制备里德堡原子天线阵列，解决微波雷达、长波天线等设备尺寸较大、不同频段接收器结构迥异难于统型的固有问题。
24.3、本发明提出探通一体功能可定义里德堡原子天线的技术思路，其“一套设备、多种功能”思想与“硬件功能强大、软件改型升级”的软件定义设备思路不谋而合，能够为压缩设备数量规模、推动通用技术发展提供重要解决方案。
附图说明
25.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。
26.图1示出了本发明探通一体功能可定义里德堡原子天线实现原理示意图。
具体实施方式
27.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。
28.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。
29.本发明提供了一种探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法的实施例，通过多波长激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系，不同里德堡态对不同的微波频段产生响应，各响应波段重叠实现最小化且覆盖较大的微波带宽；通过不同激光波长的频移或光强响应情况，解调对应微波波段的电磁信号；将对应不同功能的电磁信号分别输入不同的信号处理单元，实现电磁背景测量、雷达回波接收和无线通信信号接收。
30.在一些实施例中，根据工作频点范围反推其来源以实现探通一体功能可定义属性。
31.本发明提供探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法实施例，包括：
32.s101、里德堡态的制备，通过多波长激光光场泵浦铯原子，使其处于接近电离的里德堡态，建立激光波长与里德堡态之间的一一对应关系，不同里德堡态对不同的微波频段产生响应，各响应波段重叠尽可能小且能够覆盖较大的微波带宽；
33.s102、基于里德堡原子天线的宽带电磁信号测量，通过不同激光波长的频移或光
强响应情况，解调对应微波波段的电磁信号；
34.s103、探通一体功能可定义属性的实现，将对应不同功能的电磁信号分别输入不同的信号处理单元，同时实现电磁背景测量、雷达回波接收和无线通信信号接收功能。
35.本发明提供探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法实施例，包括：
36.s201、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接收各类电磁信号；
37.s202、将各种来源、各种频段的电磁信号同时输入探通一体功能可定义里德堡原子天线中，不同频段电磁信号分别被不同的里德堡原子感应，将其转换为对应波长激光的频移信息，通过解调手段转换为光强信息并由光电探测器探测；
38.s203、根据产生相应的激光波长反推频点信息，将其中属于无线通信信号、微波雷达回波信号的部分提取出来分别输入到相应的信息处理模块中，将剩余部分按照电磁背景信号存储起来并作为异常电磁信号识别的基准，以实现里德堡原子天线。
39.在一些实施例中，多波长激光器或多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其即发到不同的里德堡态。
40.在一些实施例中，里德堡态能级与泵浦波长相关，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。
41.本发明提供一种探通一体功能可定义里德堡原子天线系统实施例，包括一多波长激光器或多个激光器、光电探测器、电磁背景测量信息模块、微波雷达模块、微波雷达信号处理模块和无线通信信号处理模块，多波长激光器或多个激光器产生多波长激光，泵浦铯原子并将其即发到不同的里德堡态，里德堡态能级与泵浦波长相关，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，将各种来源、各种频段的电磁信号同时输入探通一体功能可定义里德堡原子天线中，不同频段电磁信号分别被不同的里德堡原子感应，将其转换为对应波长激光的频移信息，通过一定的解调手段可转换为光强信息并由光电探测器探测，根据产生相应的激光波长反推频点信息，将其中属于无线通信信号、微波雷达回波信号的部分提取出来分别输入到相应的信息处理模块中，将剩余部分按照电磁背景信号存储起来并作为异常电磁信号识别的基准。
42.在一些实施例中，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。
43.在一些实施例中，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。
44.在一些实施例中，按照产生相应激光波长能够反推里德堡态、电磁信号频段乃至信号来源；将其中对应微波雷达回波、无线通信信号的部分分别提取出来输入微波雷达信号处理模块和无线通信信号处理模块，将剩余的信号作为电磁背景测量结果存储下来。
45.如图1所示，本发明提供的实施例展示了一种探通一体功能可定义里德堡原子天线的工作原理：
46.(1)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，里德堡态能级与泵浦波长相关，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，各里德堡态响应波段互不重叠、且分别对应电磁环境、雷达、无线通信的对应波段
47.(2)各种来源、各种频段的电磁信号同时输入探通一体功能可定义里德堡原子天线中，不同频段电磁信号分别被不同的里德堡原子感应并反映在不同波长激光的频移或光强上。
48.(3)利用光电探测器获取各频段电磁信号信息，将其分别输入电磁背景测量信息模块(即由空间辐射或机器运转产生的各类电磁信号)、微波雷达模块(即集成在里德堡原子天线内微波源发出信号遇到目标物体时产生的回波信号)和无线通信信号(即各种无线通信平台发出的信号)，提升电磁背景测量、微波雷达接收和无线通信接收各种设备的精度和灵敏度性能指标，并实现“一套设备、多种功能”的探通一体功能可定义设备实体。
49.本发明提供了一种探通一体功能可定义里德堡原子天线实现方法的实施例，利用多波长激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，通过多波长激光光场各频率组分的精确调控使得单一原子介质内存在多种响应频段不同的里德堡态，利用不同里德堡态对不同电磁频段的响应差异溯源信号源，基于微波频分复用实现电磁背景测量、雷达信号接收、无线通信接收等多种功能的复用定义。
50.在一些实施例中，里德堡态制备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。
51.在一些实施例中，宽谱电磁信号接收过程中里德堡原子感知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。
52.在一些实施例中，功能可定义处于不同里德堡态的原子感知到不同频段的电磁信号，各里德堡态响应带宽尽可能互不重叠，里德堡态数量需使所有电磁信号都能被少则一个多则两个里德堡态感知。按照产生相应激光波长能够反推里德堡态、电磁信号频段乃至信号来源；将其中对应微波雷达回波、无线通信信号的部分分别提取出来输入微波雷达信号处理模块和无线通信信号处理模块，将剩余的信号作为电磁背景测量结果存储下来。不限定每个里德堡态的响应带宽、频点的识别精度和功能可定义里德堡原子天线的系统结构。凡在本发明基础上，使用单一里德堡原子天线或阵列并利用频段复用方式执行探测、通信、侦测等不同功能的方法都在本发明权利要求范围。此外，在本发明基础上追加各种功能，或在本发明所述功能可定义里德堡原子天线基础上做各种应用场景调整均属于本发明权利要求范围。
53.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
54.首先，本发明提出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，既能有效突破电磁信号测量灵敏度的经典瓶颈，又能同时对多个频段电磁信号进行并行响应，为功能可定义设备奠定物理基础。
55.其次，本发明所述方法具有较强的可扩展性，即通过绿光波段非线性光频梳、微纳波导集成原子气室等工艺，能够大批量制备里德堡原子天线阵列，解决微波雷达、长波天线等设备尺寸较大、不同频段接收器结构迥异难于统型的固有问题。
56.此外，本发明提出探通一体功能可定义里德堡原子天线的技术思路，其“一套设备、多种功能”思想与“硬件功能强大、软件改型升级”的软件定义设备思路不谋而合，能够为压缩设备数量规模、推动通用技术发展提供重要解决方案。
57.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。
58.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。
59.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。
60.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。
61.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。
62.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。
63.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。
64.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。
65.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。
66.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。
67.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。
68.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。