《量子雷达》第5章 量子雷达发射机 预习2025.8.14

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一、量子雷达发射机核心架构

量子雷达发射机由量子光源、量子态调制单元、波束赋形天线三部分组成，其工作流程如下：

图1：量子雷达发射机工作流程

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二、关键技术分解

1. 量子光源技术

量子雷达性能的核心依赖非经典光场的生成，主要光源类型包括：

• 纠缠光子源
  • 实现方式：通过非线性晶体（如PPLN）的参量下转换（SPDC）产生纠缠光子对。
  • 关键参数：纠缠保真度＞95%，光子对生成率＞1 GHz。
  • 优势：光子间量子关联可抑制环境噪声，提升信噪比3–6 dB。
• 压缩态光源
  • 实现方式：光学参量振荡器（OPO）生成振幅压缩态，噪声基底低于标准量子极限。
  • 关键参数：压缩度＞10 dB（即噪声降低90%）。
• 相干态调控光源
  • 工程化路径：对激光器输出的经典相干态进行量子测量后选择，生成非经典态。
  • 优势：兼容现有激光雷达系统，占空比达16%（远高于纠缠源的0.1%）。

表1：量子光源类型对比

光源类型	生成效率	抗噪能力	工程复杂度
纠缠光子源	低（＜0.1%）	极强	高（需低温环境）
压缩态光源	中（30–50%）	强	中
相干态调控非经典源	高（＞16%）	中等	低

2. 量子态调制技术

量子态调制赋予雷达信号更高维的信息载体，主要方法包括：

• 偏振编码
  • 正交偏振纠缠光子对（如H/V偏振态）用于目标材料鉴别。
• 轨道角动量（OAM）调制
  • 利用OAM模态（如拓扑荷数ℓ=±1,±2,…）实现多信道并行探测，提升分辨率。
  • 系统实现：高速电子枪→电子回旋→OAM模态选择器→波束赋形天线。
• 时-频域量子编码
  • 通过光子到达时间差与频率纠缠组合，增强抗干扰能力。

图2：OAM调制发射子系统架构

3. 发射天线与波束控制

• 量子波束赋形
  • 传统天线（如反射面、阵列天线）需适配量子态空间分布特性。
  • 关键挑战：量子态在传播中的退相干（大气湍流导致保真度下降0.5 dB/km）。
• 自适应光学校正
  • 通过变形镜实时补偿大气扰动，维持量子关联性。

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三、典型系统架构实例

1. 单光子量子雷达发射机（中国电科14所方案）

• 工作流程：
  1. 纠缠光子源生成信号光子与闲置光子对。
  2. 信号光子经望远镜发射至目标，闲置光子本地存储。
  3. 接收端通过量子关联测量提取目标信息。
• 实测性能：百公里级探测距离，可识别鸟类大小隐身目标。

2. 量子-经典混合发射机

• 设计思路：经典雷达发射高功率信号，量子接收机进行高灵敏度检测。
• 优势：兼顾探测距离（经典）与抗隐身能力（量子），降低系统复杂度。

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四、预习与复习重点

预习要点

1. 基础概念：
   • 量子纠缠态、压缩态、OAM模态的物理定义。
   • 参量下转换（SPDC）与光学参量振荡（OPO）的原理差异。
2. 关键公式：
   • 纠缠光子生成率：$$R_{pair}=\eta \cdot P_{pump}\cdot {\chi }^{(2)}$$
     （η：晶体效率，P：泵浦功率，χ⁽²⁾：非线性系数）。
   • 量子雷达方程：$$P_r=\frac{P_t\cdot G_t\cdot {\sigma }_Q\cdot A_r}{(4\pi {)}^2{R}^4}$$
     （${\sigma }_Q$：量子散射截面，区别于经典RCS）。

复习重点

1. 技术瓶颈：
   • 量子态传输损耗（大气吸收/湍流退相干）。
   • 低温要求：超导单光子探测器需液氦冷却（＜1K），成本高昂。
2. 前沿进展：
   • 微波量子雷达：奥地利IST团队利用约瑟夫森参量转换器实现室温目标探测。
   • 人工智能辅助：深度学习优化量子态调制策略，提升复杂环境适应性。

考点梳理

• 辨析题：比较量子照明雷达与干涉量子雷达的发射机设计差异。
  → 关键点：纠缠光源 vs. 压缩态光源；关联检测 vs. 相位敏感测量 。
• 设计题：给出隐身目标探测场景，设计发射机参数（光源类型、调制方式）。
  → 方案示例：选择纠缠光源+偏振编码，利用量子关联抑制背景噪声 。

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• 扩展阅读：
  • 量子态大气传输模型：见《中国激光》2018年“大气闪烁影响”。
  • 非经典态调控实验装置：参考“基于非经典态光场的量子雷达”。

此整理覆盖量子雷达发射机的理论框架、技术实现及前沿动态，建议结合《量子雷达》第5章原文与实验文献深化关键模型理解。实际系统设计需权衡量子优势与工程约束（如成本、环境适应性）。