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基于相干态光源的量子干涉雷达的大气影响机理研究

王书  
【摘要】:经典雷达受电磁理论的限制,在距离分辨率、接收机灵敏度等性能指标上均遇到难以突破的瓶颈;基于量子信息和光量子探测技术的量子雷达则能够打破经典理论的桎梏,实现超分辨率、超灵敏度,大大提高雷达的探测性能。截止目前,国内外研究团队发展出三种不同类型的方案:干涉式量子雷达、接收端量子增强雷达和量子照明雷达,其中干涉式量子雷达对器件要求较高,但其在性能上具有独特的优势。量子雷达对大气层内目标探测时,其发射的光量子信号容易受到大气介质的影响,如:大气分子、气溶胶粒子对光子的吸收和散射导致信号衰减;大气湍流使得光子在传播过程中出现漂移、扩展、闪烁、相位起伏等效应;这些影响将使得量子光场发生退相干,逐渐丢失量子特性,严重降低量子雷达的探测性能。故构建量子光场的大气传播模型、研究大气介质对量子雷达的影响机理,是量子雷达实用化的基础。目前经典电磁波的大气传输理论已比较成熟,但量子光场的大气传输过程尚未系统开战,有必要对量子雷达的大气影响机理开展系统深入的理论研究。本文选择基于相干态光源的量子干涉雷达作为研究对象,研究了量子雷达的大气影响机理,并进一步分析提出了削弱或克服大气效应产生的影响的方法。本文完成的主要研究工作和取得的创新性成果如下:1)深入分析了干涉式量子雷达技术的基本原理:本文以马赫-曾德尔干涉仪作为量子干涉雷达的模型开展研究,借鉴了光波大气传播经典理论研究的方法和研究的结果。同时,探索了光量子大气传播问题的研究方法,建立了初步的研究思路和框架,通过主方程将大气对量子光场的影响扩展到量子光学领域。2)对基于相干态光源的干涉式量子雷达进行了详细的理论计算:本文根据马赫-曾德尔干涉仪的基本结构和原理,重点推导了以相干态做为光源的量子干涉雷达经过大气传播的回波信号,给出了具体的解析表达式,同时选择了相应的探测方案,证明了量子干涉雷达具有超越衍射极限的超分辨率特性和超灵敏度特性。3)结合经典大气光传播理论,推导了一套量子光场的大气传输模型:本文将经典大气传输理论与量子光学相结合,由经典理论给出电场传播,并根据其结果构建量子算符描述量子光场在大气介质中的演化。该理论本质上属于半经典\半量子理论,虽然具有一定的局限性,尚未得到实验的验证,但作为开创性工作,为该领域的后续研究工作打下了基础;4)研究了基于相干态光源的干涉式量子雷达的大气影响机理:本文重点分析了大气衰减、大气闪烁和大气相位起伏对量子干涉雷达的影响,并且重点推导了有关大气闪烁的大气透过率概率密度函数。经过研究,发现大气衰减和闪烁效应在一定程度上有利于量子干涉雷达,同时适当调整量子雷达参数,如接收端的接收口径、平均光子数、相位扩散速率等,可以一定程度上减轻大气对探测性能的影响。对于参数的调整并不是单调的增大或减小,例如在某些情况下当增大发射功率时,可能导致系统灵敏度降低。本文推导了一套量子光场的大气传输模型,构建了基于相干态光源的量子干涉雷达及其信号探测方案的理论模型,证明了量子干涉雷达具有超越衍射极限的超分辨率特性。该量子干涉雷达模型经过进一步的补充和完善,可以应用于实际量子雷达的设计和研制。


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