干涉量子雷达测量方法性能分析_吴琼

由于隐身技术和电子对抗技术的进步和日 益成熟 ， 雷达作为一类典型的电子信息系统 ， 担 其目标探测 负着 信 息 获 取 和 精 确 制 导 的 重 任 ， 传统雷达系统采用 能力 受 到 越 来 越 多 的 挑 战 ． 电磁 波 探 测 目 标 ， 利用电磁场和传统电动力学 描述 雷 达 信 号 ． 当前雷达系统对抗反隐身能力 较弱 ， 在噪声和易损耗环境中信号处理复杂 ， 成 像能 力 和 实 时 性 有 待 进 一 步 提 高 ． 虽然超宽带 雷达的出现在一定程度上提高了雷达系统的目 标识 别 和 成 像 能 力 ， 但仍迫切需要进一步研究 一种 新 体 制 雷 达 ． 新体制雷达要在承袭传统雷 达系统优点的同时 ， 有效提高雷达的探测 、 识别 和分辨目标的能力
： ／ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｕ ． ２ ０ １ ６． ０ ５． ０ ２ １ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ ３ ２ ３ ２ ｊ ｊ ｊ
干涉量子雷达测量方法性能分析
吴 琼， 柏业超 ＊ ， 张兴敢
（ ） 南京大学电子科学与工程学院 ， 南京 ， ２ １ ０ ０ ２ ３ 摘 要： 目前隐身技术 、 空间小目标探测以及行星防御等应用领域对雷达系统的 性 能 提 出 更 高 要 求 ， 随着量子信息 利用量子技术改进远程传感器系统并提高传感器灵敏度 已 成 为 众 多 科 学 领 域 的 研 究 热 技术和量子计算机的发展 ， 点． 初步研究结果表明 ， 依赖于少量纠缠叠加光子的量子雷达与不采用纠缠光子 的 雷 达 相 比 ， 其分辨率以二次方的 同时 ， 对于同一个目标 ， 量子雷达比传统雷 达 的 有 效 探 测 距 离 更 远 ， 且量子散射截面旁瓣为射频隐身目 速率提高 ． 标的探测提供了一种新方法 ． 介绍了量子雷达的基 本 概 念 和 分 类 、 探 测 机 理， 并 从 干 涉 测 量 的 角 度 出 发， 重点分析 了干涉量子雷达的几种不同测量方法的性能 ． 对比分 析 相 位 估 计 误 差 和 目 标 距 离 估 计 误 差 ， 给出了测量方法所达 到的量子极限以及系统所达到的超级灵敏度区域 ． 关键词 ： 干涉量子雷达 ， 海森伯极限 ， 纠缠态光子 ， 干涉测量法 中图分类号 ： ＴＮ ９ ５ ７． ５ １ 文献标识码 ： Ａ
Ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｆ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｙ ｑ
＊ ， ， Ｗｕ Ｑ ｉ ｏ ｎቤተ መጻሕፍቲ ባይዱＢ ａ ｉ Ｙ ｅ ｃ ｈ ａ ｏ Ｚ ｈ ａ ｎ Ｘ ｉ ｎ ａ ｎ ｇ ｇ ｇ ｇ
） 基金项目 ： 毫米波国家重点实验室开放课题 （ Ｋ ２ ０ １ ５ １ ４ 收稿日期 ： ２ ０ １ ６－０ ３－０ ９ ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ｃ ｈ ｂ ａ ｉ ＊ 通讯联系人 ， ＠ｎ ｊ ｙ
·９ ４ ０·
南京大学学报 （ 自然科学 ）
第５ ２卷
ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｏ ｆ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｕ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ａ ｒ ｅ ａ ． ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｇ ｙ ｐ ｙ ｐ ｑ ： ， ， ， Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｈ ｅ ｉ ｓ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｓ ｇ ｇ ｙ ｑ ｐ ｙ
第５ ２卷 第５期 ２ ０ １ ６年９月
南京大学学报 （ 自然科学 ）
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ ＮＡＮ Ｊ Ｉ ＮＧ ＵＮ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ （ ） ＮＡＴＵＲ Ａ Ｌ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ５ ２，Ｎ ｏ ． ５ ， Ｓ ｅ ｔ ．２ ０ １ ６ ｐ
（ ， ， ， ） Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ ２ １ ０ ０ ２ ３， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｊ ｇ ｙ ｊ ｇ ： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｓ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｉ ｎ ｍ ｏ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｒ ｏ ｍ ｏ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ － ｙ ｇ ｙ ｇ ｐ ｐ ， ｕ ｔ ｓ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｔ ｉ ｓ ｔ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｄ ｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄ ｈ ｉ ｈ ｅ ｒ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ａ ｌ ｓ ｏ － ｐ ｐ ｇ ｙ ｇ ｑ ｙ ｓ ａ ｔ ｉ ａ ｌ ｓ ｍ ａ ｌ ｌ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｒ ｄ ｅ ｆ ｅ ｎ ｓ ｅ ｎ ｅ ｅ ｄ ｈ ｉ ｈ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｒ ｅ ｍ ｏ ｔ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ｉ ｔ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ － ｐ ｇ ｐ ｙ ｇ ｐ ｕ ａ ｎ ｃ ｏ ｍ ｅ ａ ｈ ｏ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｔ ｏ ｉ ｃ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｍ ｏ ｔ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ － ｑ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ ｙ ｇ ， ｔ ｕ ｍ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｃ ｏ ｍ ｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ． Ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｙ ｐ ｑ ｑ ｐ ｑ ｐ ａ ｌ ｓ ｏ ｈ ｅ ｌ ｓ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ． Ａ ｌ ｌ ａ ｂ ｏ ｖ ｅ ｈ ａ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｒ ｔ ｈ ｏ ｆ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｒ ｏ ｍ ｔ ｅ ｄ ｕ ａ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ － ｐ ｇ ｐ ｑ ｐ ｐ ｑ ｇ ｙ ， ｔ ｕ ｍ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｕ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈ ｅ Ｒ Ｆ ｓ ｔ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｗ ｅ ａ ｏ ｎ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ． Ｐ ｒ ｅ ｌ ｉ ｍ ｉ ｎ ａ ｒ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｓ ｙ ｇ ｐ ｙ ｙ ｐ ｓ ｔ ｕ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｄ ｅ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｏ ｎ ａ ｓ ｍ ａ ｌ ｌ ａ ｍ ｏ ｕ ｎ ｔ ｏ ｆ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｄ ｓ ｕ ｅ ｒ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ａ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｓ ｕ ａ ｄ － ｙ ｑ ｐ ｇ ｐ ｇ ｐ ｐ ｑ ， ｒ ａ ｔ ｉ ｃ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｈ ｅ ｎ ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ａ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｄ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｓ ． Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍ ｅ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｐ ｇ ｐ ｇ ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｒ ｏ ｈ ａ ｓ ｆ ａ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｌ ｏ ｂ ｅ － ｑ ｐ ｐ ｐ ａ ｅ ｒ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｎ ｅ ｗ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ Ｒ Ｆ ｓ ｔ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｔ ａ ｎ ｄ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ｐ ｇ ｐ ， ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ， ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｙ ｑ ｐ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｆ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｍ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ． Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｅ ｓ ｔ ｉ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ － ｐ ｐ ｙ ｑ ｇ
［ １］
相位测量误差的影响 ．
１ 量子雷达基本原理
１． １ 量子雷达 系 统 组 成 传 统 雷 达 发 射 电 磁 波探 测 目 标 ， 其信号可看成是由大量的光量子 构成 ， 而量子雷达采用相对较少的光子 ， 基于电 磁波的量子效应对感兴趣目标进行远距离探