基于連續變量的量子雷達的制作方法
實用新型屬于一種量子探測及量子信息領域，尤其涉及基于連續變量的量子雷達。
背景技術：
隨著量子信息理論和相應實驗技術的發展，利用量子密鑰分發機制來解決經典通信領域存在的安全問題正在日益變成現實，這將從根本上解決通信安全問題。量子信息理論的發展絕不僅僅有利于通信領域，越來越多的其他領域可以通過借鑒其原理和方法來解決該領域自身存在的安全問題，這使得量子信息領域的外延在不斷地拓展。
在軍事領域，量子雷達的概念在最近幾年得到廣泛的關注。現有量子雷達的發展趨勢主要有以下兩個：
1. 通過巧妙借用量子密鑰分發機制，來解決雷達受到干擾的問題。這里主要指現有雷達最難以處理的有源干擾問題：雷達的探測信號被目標物體截獲同時目標物體或者第三方裝置發射和探測信號相同波形的干擾信號（從經典物理的角度看，這兩種信號是無法區分的），促使雷達對目標判斷錯誤，無法得到目標真實信息。
2. 利用量子探測的相關技術，借助非經典光（例如壓縮光）或者借助于量子糾纏來明顯提升雷達的分辨率，可以將雷達的分辨率由經典極限提升到量子極限（海森堡極限）。
由此可以上述兩個不同方向的量子雷達分別稱為第一類量子雷達和第二類量子雷達。
關于第一類雷達，最早的理論方案和實驗驗證由Mehul Malik等人于2012年提出和完成，并以Quantum-secured imaging 為題發表在Applied Physics Letters 雜志上。下面就簡單介紹上述文獻中提供的第一類量子雷達的方法。
方案的具體步驟如下（參照圖1）：
1、氦氖激光器發出的激光先經過聲光調制器（AOM）的調制從而形成一系列平均光子數為1的脈沖。
2、脈沖經過一個放置在電動旋轉平臺上的半波片(HWPa)，從而將脈沖的偏振隨機極化到以下四種情況：水平偏振（H），垂直偏振(V)，對角偏振(D)和反對角偏振(A)。此即量子密鑰分發中的編碼。
3、將編碼完成的光脈沖對準目標物體發射。
4、利用干涉濾光片(IF)將反射光脈沖中源于環境的背景噪聲干擾濾掉。
5、利用半波片（HWPb）和偏振分束器(PBS)構成一個偏振測量裝置對收到的光脈沖進行測量。當半波片和垂直偏振方向平行時，測量光脈沖處于水平偏振態還是垂直偏振態。而當半波片和垂直偏振方向成22.5°夾角時，測量光脈沖處于對角還是反對角偏振態。
6、在偏振分束器的兩側放置兩個鏡頭，分別用于不同偏振光脈沖的成像。最后利用電子倍增CCD(EMCCD)成像。
該量子雷達系統的方案脫胎于量子密鑰分發中的BB84協議。當反射光子的偏振和入射時相比出現超過25%的錯誤率的時候，即可判定目標在干擾探測，此時對應探測光被完全截獲并且返回的信號全部為干擾信號。在上述技術文章中，研究者本身并未直接提出該方案為量子雷達，同時在驗證實驗中采用的目標物體是鏡子。
從上面背景技術的介紹可以清晰的看到現有的技術方案運用的是弱脈沖光源（平均光子數為1），偏振編碼且編碼通過電動裝置進行，需要非常精細的成像裝置。這就使得現有技術方案在以下方面存在問題：
1、已有研究表明，光的偏振經由物體（非鏡面）散射后會發生明顯變化，這就表明原有方案存在根本問題。在未有任何干擾的情況下，就會監測到回波脈沖的偏振有明顯的錯誤率。因此在探測實際物體時，利用該方案來判別回波信號是否被干擾從原理上并不可行。
2 采用平均光子數為1的弱脈沖作為探測信號，由于自由空間種存在各種環境因素使光子散射較為明顯，因此該方案的探測距離將極為有限。
3、其采用電動機械裝置編碼，編碼速率將會很低。同時電動機械裝置長期使用的可靠性也成問題。
4、由于采用弱脈沖，那么相應的回波信號也會更弱，需要非常精細的成像裝置。這增加了成本，降低了裝置的可靠性。
基于上述問題，在本實用新型中提出一種基于連續變量的量子雷達新方案，從而解決現有方案中所存在的問題。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種基于連續變量的量子雷達。能在雷達探測時，實時知曉雷達脈沖是否被目標截獲并相應發送錯誤信號而使探測受到干擾。為此，本實用新型提供以下技術方案：
包括探測信號發生裝置及回波信號處理裝置，所述探測信號發生裝置包括脈沖生成裝置、基于連續變量編碼的編碼裝置，所述回波信號處理裝置包括監測裝置及成像裝置,所述量子雷達還包括分束裝置、第一光纖延時線及第二光纖延時線，所述分束裝置包括第一分束器、第二分束器、第一偏振分束器；
所述脈沖生成裝置及編碼裝置之間光路連接，所述脈沖生成裝置用于生成光脈沖信號，所述光脈沖信號通過第一分束器分成本振光及信號光，所述編碼裝置用于對信號光進行編碼，編碼后信號光與本振光通過第一偏振分束器合為量子雷達的探測信號；本振光用于輔助測量。
所述探測信號經物體反射后的回波信號通過第二分束器進行分束，分束后形成第一回波信號及第二回波信號，所述監測裝置與分束器光路連接并接收第一回波信號，所述成像裝置與分束器光路連接并接收第二回波信號；所述第一光纖延時線使本振光和信號光偏離同步；所述第二光纖延時線使第一回波信號中本振光和信號光重新同步，再進入監測裝置；
即，若所述第一光纖延時線用于延遲第一分束器分成的本振光，則對應的所述第二光纖延時線用于延遲第二回波信號中的信號光，反之若第一光纖延時線用于延遲第一分束器分成的信號光，則對應的所述第二光纖延時線用于延遲第二回波信號中的本振光；因此探測時兩種光信號不同步而測量時同步，使測量能夠完成。
所述監測裝置還用于記錄第一回波信號以及探測信號中信號光的量子態，并將兩者進行比對，判定探測信號是否被干擾。
所述監測裝置還用于記錄第一回波信號以及探測信號中信號光的量子態，并將兩者進行比對，判定探測信號是否被干擾。
上述裝置，探測信號中包含了本振光以及編碼后的信號光，其中本振光用于輔助測量。當信號光和本振光都發射的時候，兩者相隔時間非常短，因此環境引起的相位偏移可以認為是相同的，不會產生新的相位差，直接測量即可。
在采用上述技術方案的基礎上，本實用新型還可采用以下進一步的技術方案：
進一步的，所述監測裝置包括第二偏振分束器、平衡零差測量裝置/外差測量裝置、第二光纖延時線及數據處理裝置，當為平衡零差測量裝置時，還包括第二相位調制器及量子隨機數發生器；
所述平衡零差測量裝置/外差測量裝置用于測量第一回波信號中信號光的量子態；所述數據處理裝置用于記錄探測信號和第一回波信號中信號光的量子態，并將兩者進行比對。所述數據處理裝置可為計算機或者單片機等。
進一步的，所述編碼裝置為離散編碼調制裝置，所述離散編碼調制裝置包括光路連接的相位調制器和量子隨機數發生器。
進一步的，所述編碼裝置為高斯編碼調制裝置，所述編碼裝置為高斯編碼調制裝置，所述高斯編碼調制裝置包括振幅調制器、相位調制器、可變光衰減器、第一量子隨機數發生器以及第二量子隨機數發生器，所述振幅調制器、相位調制器、可變光衰減器依次連接，所述第一量子隨機數發生器與所述振幅調制器光路連接，第一量子隨機數發生器與所述相位調制器光路連接。
本實用新型還包括了另能解決相同技術問題的一種基于連續變量的量子雷達，包括探測信號發生裝置及回波信號處理裝置，所述探測信號發生裝置包括脈沖生成裝置、基于連續變量編碼的編碼裝置，所述回波信號處理裝置包括監測裝置及成像裝置；所述量子雷達還包括分束裝置及光纖延時線；
所述脈沖生成裝置及編碼裝置之間光路連接，所述脈沖生成裝置用于生成光脈沖信號，所述光脈沖信號包括參考光，信號光和本振光。所述編碼裝置用于對信號光進行編碼，編碼后信號光與參考光作為量子雷達的探測信號，本振光保留在本地直接進入監測裝置，用于輔助測量。
所述探測信號經物體反射后形成回波信號，所述回波信號通過分束裝置進行分束，分束后形成第一回波信號及第二回波信號，所述監測裝置與分束裝置光路連接并接收第一回波信號，所述成像裝置與分束裝置光路連接并接收第二回波信號；所述光纖延時線用于延時本振光，使得本振光與信號光、參考光同步進入監測裝置。
所述監測裝置還用于根據所述第一回波信號中參考光的測量值修正第一回波信號中信號光的測量值，并將修正后信號光的測量值與記錄的探測信號中信號光的量子態進行比對，判定探測信號是否被干擾。
進一步的，所述監測裝置包括平衡零差測量裝置/外差測量裝置、數據處理裝置以及光纖延時線，當為平衡零差測量裝置時，還包括第二相位調制器及量子隨機數發生器，所述平衡零差測量裝置/外差測量裝置用于測量第一回波信號中信號光和參考光的量子態；所述數據處理裝置用于記錄探測信號中編碼后信號光及參考光的量子態，同時根據參考光的測量值修正第一回波信號中的信號光的量子態，最終將探測信號中信號光的量子態和第一回波信號中修正后信號光的量子態進行比對。
其進一步的裝置結構與前述的裝置一致。
上述裝置中本振光不發出，即本振光保留在本地。此時，信號光經反射回到接收裝置后，由于環境的影響會和本振光之間存在不確定的相位差。因此，需要通過參考光的測量值來計算該相位差，再利用該相位差的值來修正信號光的測量值，這樣才能得到準確的信號光的量子態。因此，該測量裝置的探測信號為包括參考光和編碼后的信號光。
不難看到，將本振光作為探測信號發出的方案操作起來更為簡便。但在量子信息領域的相關研究表明，本振光發出的方案存在安全風險，敵方通過同時截獲本振光和信號光可能會得到準確的關于信號光的編碼信息。而將本振光保留在本地時，可以避免上述安全漏洞，但需要參考光的輔助。
利用本實用新型可以實現以下處理方法：
S1.生成光脈沖信號，所述光脈沖信號包括本振光、信號光，或者包括本振光、信號光及參考光；
S2.將光脈沖信號的信號光進行連續變量的編碼調制，并記錄編碼后探測信號中信號光的量子態；所述編碼方法包括離散編碼調制或高斯編碼調制，所述連續變量是連續變化的物理量；
S3.含有編碼后信號光的光脈沖信號作為量子雷達的探測信號；
S4.對經物體反射后的回波信號進行分束，形成第一回波信號和第二回波信號，第一回波信號通過監測裝置進行測量和比對，第二回波信號通過成像裝置進行成像處理；
S5.根據測量比對結果判斷探測信號是否受到干擾。
進一步的，步驟S1中，信號光、本振光及參考光均由同一個脈沖生成裝置生成，或者，一個脈沖生成裝置生成信號光及參考光，另一個脈沖生成裝置生成本振光。所述本振光用于輔助測量。
進一步的，步驟S2中，編碼調制為離散編碼調制：在量子隨機數發生器控制下，對信號光的相位進行調制，使其隨機編碼到和本振光相位相差0或π的兩個離散量子態。
進一步的，步驟S2中，編碼調制為高斯編碼調制：利用兩個量子隨機數發生器生成兩組滿足如下高斯分布的隨機數，均值為0，方差為VAN0，根據兩組隨機數的值調制信號光量子態中的x和p。最后調節信號光強度，使其方差與所述高斯分布一致。
進一步的，步驟S3中，所述探測信號包括信號光和本振光時，步驟S1中只需生成這兩中光。
進一步的，步驟S3中，考慮將本振光保留在本地，所述探測信號不包括本振光時，步驟S1中在生成信號光和本振光的同時，還需生成參考光。此時參考光和信號光合成為探測信號，而本振光保留在本地且直接進入監測模塊輔助測量。
進一步的，步驟S5中，通過比對第一回波信號中信號光的量子態和探測信號中信號光的量子態，判定探測信號是否被干擾。
進一步的，若探測信號包括參考光，則所述第一回波信號中參考光的測量值用于修正第一回波信號中信號光的測量值。
進一步的，將光脈沖信號脈沖進行分束器分成強弱分明的兩束光，其中強光為本振光，經光纖進入監測裝置，弱光中的一部分光經過調制形成強度上更弱一些的信號光而未調制的作為參考光。
該種測量裝置是本振光在本地不發出，即保留在本地的時候，信號光經傳輸回到接收裝置后，由于環境的影響會和本振光之存在不確定的相位差。通過參考光的測量值來計算該相位差，再利用相位差的值來修正信號光的測量值，這樣才能得到準確的信號光的量子態。因此，該裝置的探測信號包括參考光和編碼后的信號光。
下面從理論上簡單分析一下本發明。對于激光脈沖，根據量子光學的知識，可以用相干態|α>來進行描述。α是一個復數，可以表示為α=|α|ei?。其中|α|表示脈沖的振幅而?表示脈沖的相位。上述相位和振幅調制，理論上即是對這兩個值的改變。同時α=x+ip，相位和振幅的調制也和x和p的調制對應。且相干態中x和p和熟知的位置和動量是對應的，都是連續變化的物理量。對相干態進行相位和振幅的調制也等同于對x和p做相應的調制。本發明對上述連續變化的物理量進行調制從而實現編碼，因此本發明是一種基于連續變量的量子雷達。
α值不同的兩個相干態并不正交。|α|越大，相干態之間的正交性越好。為了避免上述情況，必須選用較弱的光進行編碼。由于態之間并不正交，量子不可克隆定理成立，對于這樣的一系列脈沖信號，敵方將不可能確切知曉其量子態且不可能準確復制。因此敵方無法發送在量子力學意義上編碼相同的干擾信號。其發送的干擾信號必然和原始信號存在差別，即某些量子態會發生變化（出錯）。通過監測回波信號量子態的錯誤情況，即可發現回波信號中是否存在敵方干擾信號。
當不存在任何有源干擾時，由于環境中各因素（如云）以及儀器自身因素（光學器件自身的固有缺陷）的影響，回波信號中信號光的量子態也存在一定的錯誤率，這些因素都可以歸結到信噪比之中，并且可以通過前期測量進行量化。有源干擾，從理論角度看，極大降低了信噪比，回波信號的量子態會有明顯的錯誤率提升。
在實際應用中，需要實時監控量子態的錯誤率。如果信號被全部干擾，那么將會出現很高的錯誤率，這非常容易被探測到。而當只有小部分信號被干擾時，在實時監控中某個時段內會出現錯誤率突然變大的情況。
由于采用本實用新型的技術方案，本實用新型的有益效果為：本發明克服了原有方案中，因采用偏振編碼所存在的光脈沖經實際物體反射后偏振變化的問題。
本實用新型使用的器件都是成熟和通用的光學和通信器件，和原有方案相比更經濟實用且精度和穩定性更佳。。例如，零差測量現在已經有非常成熟的器件，這和原方案的單脈沖計數相比，實施起來要高效和準確很多。
本實用新型的信號脈沖不要求單光子，其平均光子數要遠大于1。如果環境相同，本實用新型中探測的距離將明顯高于原有方案，這提高了量子雷達的實用性。原有方案由于發射脈沖信號的平均光子數為1，使其回波脈沖信號的平均光子數將小于1，因此需要非常精細的成像系統。而本方案由于脈沖較強，因此只需要普通CCD即可得到較為清晰的圖像。
本實用新型同時能夠測量信號被部分干擾和干擾的情況。
附圖說明
圖1為背景技術中指出的第一類量子雷達的方法示意圖。
圖2為本實用新型提供的基于連續變量的量子雷達的實施例（本振光和信號光同時發射的方案）。
圖3為本實用新型提供的基于連續變量的量子雷達的實施例（本振光不發射的方案）。
圖4為本實用新型提供的基于連續變量的量子雷達的實施例（本振光不發射的方案）。
圖 5-1為離散編碼調制碼裝置的具體結構。
圖5-2為高斯編碼調制裝置的具體結構。
圖6為平衡零差測量裝置的具體結構。
圖7為外差測量裝置的具體結構。
具體實施方式
實施例1：
如圖2所示，激光光源發射出連續激光，連續激光經脈沖調節器調制后形成一系列光脈沖信號。優選地激光光源為美國RIO公司型號為PLANEX平面波導外腔激光器（其噪聲水平低便于精密測量），波長為1064nm，帶寬為1.5kHz。
利用振幅調制器AM將輸出的連續光調制成1MHz的時鐘光脈沖信號。本實施例通過連續激光光源加振幅調制器來得到激光脈沖，也可以直接用脈沖激光。
光脈沖信號經由1:99的第一分束器BS1分成兩個強弱分明的光。強的為本振光，并不對其編碼，其主要作用將是輔助后面的零差測量。弱的光為信號光，也就是需要編碼的光。根據量子力學理論，相干態的強度越低（激光脈沖用相干態來描述），其態之間的正交性越差。所有量子密鑰分發機制的安全性都源于量子不可克隆定理，而不可克隆定理的前提是態之間的非正交性。因此必須選用較弱的光來編碼。
對于信號光，將進行編碼操作。編碼方式主要有以下兩種（見圖5）。
第一種：離散編碼調制。只需要用到相位調制器PM。相位調制將由一個量子隨機數發生器（QRNG）控制。量子隨機數發生器將隨機生成0和1，而相應的相位調制器將信號光的相位調制到0或π（相對于本振光的相位），從而完成編碼過程。此時信號光的量子態將是隨機的|α>或|-α>( |x+ip>或|-x-ip>)，且兩者并不正交。因此目標無法完全知曉信號光的量子態，任何干擾重發都會導致錯誤的量子態出現。用計算機記錄隨機數的0、1序列，這樣也就記錄了信號光的量子態。
第二種：高斯編碼調制。需要振幅調節器AM，相位調節器PM和可變光衰減器來（VOA）。具體調制方式為：利用兩個量子隨機數發生器（QRNG1和QRNG2）生成兩組滿足高斯分布(均值為0，方差為VAN0，其中N0為散粒噪聲極限)的隨機數xA和pA，并通過相位和振幅調制器的調制使信號光變成如下相干態 |xA+ipA>。隨后通過可變光衰減器調節經過調制后的信號光，使其光強的方差為VAN0。為了更精確地控制方差，還可以在可變光衰減器后面再加一個振幅調制器。用計算機記錄每組xA和pA值，這樣也就記錄了信號光的量子態。
對于本振光，使用20m的第一光纖延時線1使信號光脈沖相對于本振光脈沖延遲100ns。
用第一偏振分束器PBS1將本振光及信號光中偏振正交部分耦合在一起，以便于最后測量得時候加以分離。本振光及信號光經耦合后的光脈沖就是量子雷達所需的探測光源，即量子雷達的探測信號。探測信號通過一個光學望遠鏡發射到自由空間中進行目標探測。
相同的光學望遠鏡用于回波信號的接收。同時利用環行器來實現信號收發的分離。
回波信號通過環流器后進入回波信號處理裝置。首先信號進過一個干涉濾光片（IF）。干涉濾光片的中心波長和激光波長相同，且半峰寬為10nm。用以濾去回波中的噪聲干擾信號。
隨后第二分束器BS2將回波信號分成兩路。其分束比為10：90，90%用于成像，10%用于測量，優選為保偏分束器。這兩路回波信號將分別進入監測裝置和成像裝置。
對于成像那一路，通過成像裝置成像。讓回波信號直接經過成像透鏡，并在成像鏡頭后面放置成像裝置進行成像，所述成像裝置可為CCD裝置。
對于監測這一路，先用第二偏振分束器PBS2重新將光脈沖分離成信號光和本振光兩路。
對于本振光，先讓其通過一個相位調制器PM2。相位調制器PM2的相位受一個量子隨機數發生器（QRNG）控制，隨機的在π/2和0兩者之間變化，從而可以在后續隨機測量信號光量子態中的x或p。同時信號光經過20m的第二光纖延時線2的延遲使其在時間上和本振光同步進入平衡零差測量裝置（BHD）。
信號光和本振光同步進入BHD（具體見圖6），BHD隨機測得回波信號中信號光量子態中x或者p值。將測量結果輸入到計算機，通過和對應探測信號中信號光量子態的相應分量對比，判別量子態是否發生改變。
本實用新型也可以選用外差測量裝置來代替BHD。當采用外差測量裝置時，本振光將無須先經過隨機相位調制，而是經過延遲后和信號光同時進入外差測量裝置。外差測量裝置可以同時測量得到信號光量子態中x和p值。接著同樣和對應探測信號中信號光的量子態進行對比來判別量子態是否發生改變。
實施例2：
上述實施例將本振光和信號光同時發射，也可以將本振光保留在本地，不進行發射，如圖3所示，相對實施例1有以下區別特征及相同特征：
1、脈沖生成裝置1調制生成信號光的同時，也生成參考光。且優選地參考光的強度要比信號光高一個量級，但比本振光依然要弱很多。
2、編碼裝置將只對信號光進行編碼。編碼方式和實施例1相同。
3、在監測裝置中，脈沖生成裝置2生成本振光，和實施例1相同，本振光先要進行π/2和0的隨機相位調制，隨后經過光纖延時線以保證其和回波信號同時進入到BHD。
4、實施例2無需偏振分束器進行本振光和信號光的耦合來形成探測信號。
5、利用BHD測量時將根據參考光的測量結果進一步的修正信號光的測量結果。
其余步驟和本振光發射的實施例相同，不再詳述。
實施例3：
將實施例2中兩個脈沖生成裝置縮減為一個脈沖生成裝置，如圖4所示。
具體實施步驟為：
1、脈沖生成裝置生成強脈沖。
2、脈沖進過分光比為10：90的分束器（BS1）分成強弱分明的兩束光。其中強光為本振光，經光纖進入監測裝置。
3、弱光中的一部分光經過振幅調制（AM2）調制形成強度上更弱一些的信號光而未經調制光的作為參考光。
本方案剩余步驟和實施例2完全相同，在此不再詳述。和實施例1所述相同，也可以在方案2，3中用外差測量裝置替代BHD，所需改動和實施例1中所述相同。
本實用新型的干擾判定如下：
量子態發生改變的幾率（或曰錯誤率）將成為評判干擾是否存在的最終標準。需要實時監控錯誤率的變化情況。如果發生全部或者大部分信號被干擾的情況，則整體信號的錯誤率將有明顯增加，將很容易探測到。但如果只有一小部分信號被干擾，則整體的錯誤率可能不會有非常明顯的波動，但是實時錯誤率的曲線將會有明顯波動。
對于高斯編碼，除了嚴格比對量子態以外，也可以采用如下比對方式：根據測量得到的數據，來計算數據的均值和方差。若不存在干擾，則數據的分布和原有的高斯分布是基本吻合的；而當有截獲和重發情況的發生，則接收到數據的分布會發生偏離，該偏離會表現為均值和方差的偏離。同樣，通過實時監測均值和方差，可以監控部分信號被截獲的情況。
平衡零差測量裝置BHD結構見圖6。主要由一個平衡光分束器（分數比50：50）和兩個相同的高性能光電探測器（D1和D2構成）。而輸出的則是兩路探測得到的光電流之間的差值。通過對本振光的相位調制，可以通過差值電流來確定信號光量子態中的x或p值。
外差測量裝置具體結構見圖7。主要由4個平衡光分束器和4個相同的高性能光電探測器構成。外差測量裝置可以簡單的理解為兩個BHD的組合，且兩個BHD的輸入光皆是通過對入射的信號光和本振光進行平衡分束得到。在其中一個BHD中，對入射的本振光進行π/2的相位調值，這樣可以同時在該裝置中測量得到信號光量子態的p值。而另一個BHD裝置沒有相位調制，將測量得到信號光量子態中x值。因此外差測量裝置可以同時測得信號光的x和p值。
以上公開的僅為本實用新型的具體實施例，但是本實用新型并非局限于此，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。顯然這些改動和變型均應屬于本實用新型要求的保護范圍保護內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本實用新型構成任何特殊限制。
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