【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于微波量子雷達(dá)領(lǐng)域,具體涉及一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)。
技術(shù)介紹
1、量子雷達(dá)是雷達(dá)技術(shù)與量子技術(shù)相結(jié)合的一種新體制雷達(dá)，它充分利用電磁波的量子特性來(lái)突破經(jīng)典探測(cè)的性能極限，具有廣闊的應(yīng)用前景。量子雷達(dá)優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是它具備更高的靈敏度，在相同的發(fā)射功率、天線規(guī)模下，能夠探測(cè)更遠(yuǎn)的距離。
2、對(duì)光學(xué)頻段的量子雷達(dá)，尤其是基于單光子探測(cè)的激光量子雷達(dá)，已經(jīng)有了充分的研究，但是對(duì)微波量子雷達(dá)的研究尚處于起步階段。文獻(xiàn)《渦旋微波量子雷達(dá)》（雷達(dá)學(xué)報(bào)，2021年05期）公開(kāi)了一種基于電磁波軌道角動(dòng)量(oam)量子態(tài)的微波量子雷達(dá)系統(tǒng)，oam量子態(tài)對(duì)傳統(tǒng)吸波材料具有強(qiáng)反射系數(shù)，造成雷達(dá)散射截面積(rcs)增加，可提升目標(biāo)回波的接收信號(hào)功率和檢測(cè)概率，在收發(fā)端均采用相同極化方式下，與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，實(shí)驗(yàn)中回波功率提高約9db，不足之處是該類型微波量子雷達(dá)需要在發(fā)射端使用回旋管等設(shè)備制備oam量子態(tài)，與常規(guī)微波雷達(dá)尤其是相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射機(jī)思路差異大，回旋管的壽命和可靠性也不如固態(tài)器件，給微波量子雷達(dá)的進(jìn)一步應(yīng)用帶來(lái)了障礙。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)的目的在于：提出一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，利用低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的超高靈敏度特性，對(duì)極微弱信號(hào)到普通信號(hào)進(jìn)行有效接收檢測(cè)，能夠與傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)很好的匹配，提升微波量子雷達(dá)的可靠性和實(shí)用性。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所采
3、具體包括：低溫開(kāi)關(guān)和兩個(gè)并列的接收通道，第一接收通道為微波單光子探測(cè)器接收鏈路，包括依次排列的衰減器、微波單光子探測(cè)器、讀出信號(hào)放大器、讀出信號(hào)讀取設(shè)備，第二接收通道為參量放大器接收鏈路，包括依次排列的參量放大器、后級(jí)放大器、信號(hào)采樣設(shè)備、信號(hào)處理設(shè)備。
4、衰減器的作用是將外界帶噪聲的回波信號(hào)進(jìn)行衰減，避免過(guò)高的輸入噪聲對(duì)信號(hào)探測(cè)的影響；微波單光子探測(cè)器的作用是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收，輸出包含探測(cè)結(jié)果的讀出信號(hào)；讀出信號(hào)放大器的作用是對(duì)讀出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，方便后續(xù)設(shè)備的讀?。蛔x出信號(hào)讀取設(shè)備的作用是對(duì)放大后的讀出信號(hào)進(jìn)行讀取和分析。
5、衰減器將外界輸入到微波量子雷達(dá)接收機(jī)的帶噪聲的回波信號(hào)進(jìn)行衰減，目的是保持單光子檢測(cè)的虛警概率不超出雷達(dá)設(shè)計(jì)要求。虛警概率為
6、
7、其中，pfa,1是微波單光子探測(cè)器接收鏈路的虛警概率，nn是輸入微波單光子探測(cè)器的平均噪聲光子數(shù)，cd是微波單光子探測(cè)器暗計(jì)數(shù)率，b是接收機(jī)帶寬，nn的表達(dá)式為
8、
9、其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，ta是外界輸入的噪聲溫度，τ是脈沖時(shí)間，h是普朗克常數(shù)，f是接收機(jī)頻率，l是衰減器衰減量。
10、雷達(dá)一般會(huì)給定虛警概率的上限，假定這一上限為pfa,0，也就是
11、pfa,1≤pfa,0
12、在其它參數(shù)給定的情況下，可以根據(jù)上式計(jì)算獲得衰減器需要的衰減量l。
13、微波單光子探測(cè)器為基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的信號(hào)探測(cè)器件，能判斷輸入信號(hào)中是否有光子存在，也即輸出“1”（有光子）或者“0”（無(wú)光子）。
14、參量放大器的作用是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行超低噪聲的放大，保證接收鏈路的性能；后級(jí)放大器的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，方便后續(xù)采樣和處理；信號(hào)采樣設(shè)備的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣；信號(hào)處理設(shè)備的作用是根據(jù)信號(hào)數(shù)字采樣的結(jié)果，通過(guò)計(jì)算對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
15、本專利技術(shù)微波量子雷達(dá)接收機(jī)先使用微波單光子探測(cè)器接收鏈路接受回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)環(huán)境噪聲的預(yù)先接收，分析虛警概率是否符合要求，當(dāng)虛警概率符合要求時(shí)，繼續(xù)使用微波單光子探測(cè)器接收鏈路進(jìn)行信號(hào)接收和檢測(cè)；當(dāng)虛警概率不符合要求時(shí)，則利用低溫開(kāi)關(guān)切換至參量放大器接收鏈路進(jìn)行信號(hào)接收和檢測(cè)。
16、虛警概率的判斷方法為：
17、利用低溫開(kāi)關(guān)，選擇微波單光子探測(cè)器接收鏈路，在雷達(dá)正式工作之前，首先在沒(méi)有探測(cè)目標(biāo)的情況下，按照雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行回波接收檢測(cè)，這時(shí)微波單光子探測(cè)器輸出“1”代表的均為噪聲引起的虛警，根據(jù)統(tǒng)計(jì)到的“1”的次數(shù)，計(jì)算得到實(shí)際的虛警概率為：
18、
19、其中，pfa,1'為實(shí)際的虛警概率，k是統(tǒng)計(jì)得到虛警的“1”出現(xiàn)的次數(shù)，τk是統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)。
20、將實(shí)際的虛警概率pfa,1'與雷達(dá)設(shè)計(jì)的虛警概率上限pfa,0對(duì)比，如果pfa,1'≤pfa,0，則符合要求，如果pfa,1'>pfa,0，則不符合要求。
21、微波單光子探測(cè)器接收鏈路信號(hào)檢測(cè)原則為：當(dāng)微波單光子探測(cè)器輸出的結(jié)果為“1”時(shí)，判定目標(biāo)信號(hào)存在；當(dāng)微波單光子探測(cè)器輸出的結(jié)果為“0”時(shí)，判定目標(biāo)信號(hào)不存在。
22、參量放大器接收鏈路的檢測(cè)原則為：首先通過(guò)對(duì)環(huán)境噪聲的預(yù)先接收，計(jì)算檢測(cè)門(mén)限電壓：在雷達(dá)正式工作之前，在沒(méi)有探測(cè)目標(biāo)的情況下，按照雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行回波接收檢測(cè)，雷達(dá)接收到的平均功率即為噪聲功率pn；
23、參量放大器為基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的信號(hào)探測(cè)器件，能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行超低噪聲的放大，器件的指標(biāo)包括放大器噪聲t；考慮到外界噪聲ta，參量放大器接收總的噪聲為t+ta，噪聲功率為pn=k（t+ta）b，虛警概率為：
24、
25、其中，pfa,2是參量放大器接收鏈路的虛警概率，vt是檢測(cè)門(mén)限電壓，exp()是e指數(shù)函數(shù)；
26、假定雷達(dá)給定虛警概率的上限為pfa,0，也就是：
27、pfa,2≤pfa,0
28、在其它參數(shù)給定的情況下，根據(jù)上式計(jì)算獲得檢測(cè)門(mén)限電壓vt為：
29、
30、則，當(dāng)輸出電壓超過(guò)檢測(cè)門(mén)限電壓vt時(shí)，判定目標(biāo)信號(hào)存在；反之，判定目標(biāo)信號(hào)不存在。
31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案的有益效果為：本專利技術(shù)能夠?qū)臉O微弱能量到常規(guī)回波能量的大尺度信號(hào)進(jìn)行有效的接收檢測(cè)。當(dāng)信號(hào)與噪聲極其微弱時(shí)，使用微波單光子探測(cè)器接收鏈路能對(duì)單個(gè)光子水平的信號(hào)進(jìn)行有效的探測(cè)；當(dāng)信號(hào)與噪聲超出微波單光子探測(cè)器容許范圍時(shí)，使用參量放大器接收鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)大動(dòng)態(tài)的信號(hào)探測(cè)，同時(shí)可以兼容常規(guī)微波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和工作體制，從而提升微波量子雷達(dá)的可靠性和實(shí)用性。
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1.一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：包括低溫開(kāi)關(guān)和兩個(gè)并列的接收通道，第一接收通道為微波單光子探測(cè)器接收鏈路，包括依次排列的衰減器、微波單光子探測(cè)器、讀出信號(hào)放大器、讀出信號(hào)讀取設(shè)備，第二接收通道為參量放大器接收鏈路，包括依次排列的參量放大器、后級(jí)放大器、信號(hào)采樣設(shè)備、信號(hào)處理設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：使用微波單光子探測(cè)器接收鏈路接受回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)環(huán)境噪聲的預(yù)先接收，分析虛警概率是否符合要求，當(dāng)虛警概率符合要求時(shí)，繼續(xù)使用微波單光子探測(cè)器接收鏈路進(jìn)行信號(hào)接收
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于，虛警概率的判斷方法為：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于，參量放大器接收鏈路的檢測(cè)原則為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：包括低溫開(kāi)關(guān)和兩個(gè)并列的接收通道，第一接收通道為微波單光子探測(cè)器接收鏈路，包括依次排列的衰減器、微波單光子探測(cè)器、讀出信號(hào)放大器、讀出信號(hào)讀取設(shè)備，第二接收通道為參量放大器接收鏈路，包括依次排列的參量放大器、后級(jí)放大器、信號(hào)采樣設(shè)備、信號(hào)處理設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的微波量子雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙盛至，翟計(jì)全，劉偉，夏凌昊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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