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量子雷达分三类 珠海航展上的量子雷达属于哪一类?

2018年11月14日 09:00 文章来源: 互联网   浏览0次 已有评论(0)

2018年11月举办的第12届珠海航展上,中国电科集团公开展示了两种新体制雷达,它们分别是量子雷达和微波光子雷达。今天笔者就结合此次航展展台上了解到的信息给大家说说这个神秘的量子雷达。

本届航展中展示的中电科14所量子雷达

在公开的《量子雷达研究新进展》一篇论文中对目前的量子雷达分为三类。第一类属于干涉式量子雷达,特点是只在发射机采用非经典源(电磁波)探测目标,接收机采用干涉式测量;第二类属于接收端量子增强雷达,一般来说,遥感系统可以同时在横向和纵向上获得目标的空间信息,因此,具有高分辨率的空间信息对目标分类、图像处理和目标跟踪是必不可少的。在晴朗的天空下,由于激光波长比微波更短,激光雷达系统在1-100km范围内的地面应用具有更高的空间分辨能力。为了进一步提高激光雷达的空间分辨率,人们引入了非经典态,虽然光的量子特性在有损耗的环境中会被破坏,但是将非经典效应用于光学接收机仍旧会获得比普通接收系统更好的性能。为了避免发射的量子态信号与目标相互作用而产生消相干作用,因此,量子增强雷达采用与普通激光雷达完全相同的发射端,而在接收端使用了量子增强技术,故该方案可通过改装激光雷达来实现。只在接收机采用量子增强技术,发射机还是采用经典源(电磁波)照射目标,接收机侧采用量子增强技术减少背景噪音。

传统的激光雷达探测原理

第三类就是量子照明雷达,发射机和接收机都采用量子技术,该系统的装置与单光子雷达和纠缠光子雷达相似,它是将一对纠缠光子对作为量子纠缠光源,其中一个纠缠光子向目标发射出去,剩下一个光子留在雷达接收机中。两个光子的这种关联性很高,即使在高损耗及强杂波的环境下,依旧能有效探测目标。量子照明雷达的探测方案与干涉式量子雷达有所不同,量子照明雷达不需要测量相位,只需要一个光子计数器即可。量子照明雷达提供了利用纠缠态的目标探测方法,其特性比经典照明目标探测更有意义。

传统雷达难以应付的低可探测性设计航空器和会飞的蛋白质几乎不会影响量子雷达的成像

那中电科14所的这部量子雷达到底算是哪一种呢?

在近两年的个媒体的新闻报道里,中电科的这款量子雷达就已经忽隐忽现的多次出现在公众眼里。在这些文章里我们其实已经可以收集到一定的信息,初步揭开中电科14所研制的量子雷达的面纱。

在中电科2016年8月份一篇《创新| 14所:中国电科首部单光子量子雷达系统研制成功》一文中提到,14所已经完成了“量子探测机理,目标散射特征性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成了真实大气环境下的目标探测试”验。同时在文章中提到“以量子态作为接受对象的优越性”。由此基本可以初步判断出14所研制的量子雷达属于较为先进的量子照射机理的量子雷达。

《创新| 14所:中国电科首部单光子量子雷达系统研制成功》

同样的,在中电科2017年6月份一篇《砥砺奋进的五年| 14所量子雷达团队:自主创新引领雷达探测领域跨入精微的量子世界》的新闻报道里,提到“这款量子雷达的探测方式属于近红外波段的光量子探测”,量子雷达的发射机也采用的是近红外波段的激光雷达,文章中提到验收过程中分别完成了20公里,50公里,最后突破百公里级别的目标探测和识别。文中又提到在2015年的野外测试验收时,“雷达样机的验收只能在夜间进行”。这说明白天的自然光的背景噪声会影响样机的目标信号的剥离和识别。同时经过研发团队一年的努力,“采用杂散抑制技术的量子雷达成功在白天完成对目标,尤其是运动目标的跟踪,并在青岛完成了日间海面环境下的远距离探测实验”。

《砥砺奋进的五年| 14所量子雷达团队:自主创新引领雷达探测领域跨入精微的量子世界》

在中电科2017年3月份一篇《最前沿| 量子探测技术发展》的新闻报道里,介绍了目前中电科14所在量子雷达领域所开展的工作。在演进图里很清楚的看到“2015年14所已经完成了基于单光子的激光雷达实验系统,同时完成了XXXXX级大目标探测性能的对比试验”。这个对比试验就是前文中提到的在西北某地完成的量子雷达样机的验收试验。文中模糊掉的文字大概就应该是青海百公里级大目标探测性能对比试验。

《最前沿| 量子探测技术发展》

同样在该文中,14所在介绍目前该所在量子雷达领域的研究方向和成功的同时,毫不掩饰的展示了量子雷达样机的外形和实验数据。除了我们可以清晰的看到开款量子雷达样机的外形的同时,我们在实验数据中清楚的看到“132km”目标探测实验结果。同时在实验结果的数据图表中可以看到纵坐标采用的是帧数,横坐标单位是距离。也就是说每一帧的测试数据都会记录检测到的目标,通过叠加这些帧数据可以得到某个距离上的目标。这从侧面上可以看出14所的量子雷达属于单光子计数雷达。当然不排除这只是实验用的检测手段。另外文中提到“与常规APD探测相比,SSPD探测技术的威力平均提高一倍,是解决当前远程预警探测任务中光电探测系统威力瓶颈问题的有效手段”。这里APD探测指的是光电探测,SSPD探测指的是单光子探测。所以我们对中电科14所的量子雷达有了进一步的认识,她是基于单光子检测的激光雷达,研制它所针对的是解决传统光电探测系统无法远距离探测的问题。所以说14所的量子雷达是用来替代传统光电探测系统,配合经典雷达系统完成远距离目标探测任务的。

《最前沿| 量子探测技术发展》

这个“132km”级别的目标探测的实验也在另外一篇中电科14所的文章《新时代的奋斗者丨量子雷达的追梦者——记14所七好党员夏凌昊》中得到了验证。

《新时代的奋斗者丨量子雷达的追梦者——记14所七好党员夏凌昊》

同时,在此次展览期间我们带着一些疑问也采访了展台的工作人员。我们首先提出该量子雷达是否使用了量子纠缠理论,工作人员明确回答没有。其次我们问到了这款雷达是否属于量子增强型激光雷达,工作人员回答是的,属于激光雷达的范畴。我们询问这个类似望远镜的装置具体作用,工作人员回答一个是发射机一个是接收机。我们询问那个圆柱体的物体是什么作用,工作人员回答是后端数据处理装置。

类似望远镜的发射机和接收机

根据以上的信息我们基本可以概括出中电科14所的量子雷达的轮廓,它是一部基于单光子检测的,工作在近红外光谱的量子增强技术的激光雷达。属于第二类量子增强型雷达和第三类量子照明雷达之间的产品。它的作用是解决传统光电探测系统由于受到目标的距离、背景噪声以及热辐射对传统直接探测方法灵敏度的影响较大,基于光的波粒二相性,为了提高探测介质的粒子特性而使用近红外频段的激光雷达,在接收端使用光子计数器,并使用了量子增强技术。比较遗憾的是,由于未使用量子纠缠的技术,所以尚未达到真正的第三种量子照明雷达的阶段。

圆柱体的后端数据处理装置

不过但就该量子雷达的在同等设备体积和功耗下,目前已经实现了132公里级别的动目标探测和识别能力,就已经远超传统光电探测设备的能力,弥补了由于传统光电探测系统与经典源雷达系统一起工作时的探测距离不足的短板。


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