量子激光雷達(dá)探測方式和性能提高的研究.pdf

1、由于量子態(tài)獨(dú)特的非經(jīng)典屬性使得量子理論和技術(shù)產(chǎn)生了重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。量子理論和技術(shù)的成熟促進(jìn)了量子通訊，量子計(jì)算，量子度量干涉和傳感等領(lǐng)域的長足發(fā)展。自由空間量子密鑰分發(fā)(quantum key distribution,QKD)已取得初步成功，以量子度量理論為基礎(chǔ)的引力波探測(laser gravitational wave observation,LIGO)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。在上述技術(shù)的發(fā)展過程中，量子傳感理論也開始嶄露頭角，如量子微波雷

2、達(dá)，量子脈沖壓縮激光雷達(dá)，量子增強(qiáng)激光雷達(dá)和量子安全成像激光雷達(dá)等。量子激光雷達(dá)是激光雷達(dá)技術(shù)和量子信息技術(shù)相融合的產(chǎn)物。相對于傳統(tǒng)激光雷達(dá)，量子激光雷達(dá)具有抗干擾性，高靈敏度，高的距離分辨率和角分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前激光雷達(dá)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。本論文將對量子激光雷達(dá)及其性能進(jìn)行系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，設(shè)計(jì)了一種偽隨機(jī)調(diào)制量子安全激光雷達(dá)系統(tǒng)(pseudorandom modulation quantum secure

3、d lidar,PMQSL)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究。理論上分析了偽隨機(jī)碼序列相關(guān)測距的分辨率和測距精度，同時(shí)推算了探測信號(hào)的信噪比。結(jié)合量子秘鑰分發(fā)的BB84安全協(xié)議分析了該系統(tǒng)的測距安全性問題，確定了該系統(tǒng)的誤碼率安全閾值。研究表明當(dāng)系統(tǒng)沒有受到攻擊時(shí)，測距精度能達(dá)到厘米量級。然而，當(dāng)系統(tǒng)受到攻擊時(shí)，系統(tǒng)的測距精度和信噪比都會(huì)大大降低，這也預(yù)示著攻擊者的存在。測距精度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬吻合的很好。原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，

4、該系統(tǒng)具有好的測距和反接收-轉(zhuǎn)發(fā)式攻擊能力。
　　研究了相干疊加態(tài)(coherent superposition states,CSS)超分辨率量子激光雷達(dá)的分辨率和靈敏度。這種激光雷達(dá)可以通過光子數(shù)分辨探測器或者量子零差探測技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，其靈敏度可達(dá)到散彈噪聲極限，分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瑞利衍射極限。推導(dǎo)了強(qiáng)度差探測和投影探測方式下系統(tǒng)的輸出信號(hào)及其靈敏度的表達(dá)式。同時(shí)，深入地分析和討論了疊加相干態(tài)超分辨率的物理本質(zhì)。進(jìn)一步研究了損耗和

5、噪聲環(huán)境中該激光雷達(dá)的綜合性能，分別利用二值輸出奇偶光子計(jì)數(shù)和零-非零光子計(jì)數(shù)探測(即Z-探測或on-off探測)方法推導(dǎo)了馬赫-曾德爾干涉儀(Mach Zehnder interferometry,MZI)輸出信號(hào)的表達(dá)式。利用傳統(tǒng)的主方程方法研究了相位噪聲對該激光雷達(dá)性能的影響。研究表明在實(shí)際環(huán)境中，相對于傳統(tǒng)的相干態(tài)(coherent states,CS)而言，相干疊加態(tài)在信號(hào)靈敏度和分辨率方面更具優(yōu)勢。
　　根據(jù)光子計(jì)數(shù)測

6、量和二值輸出數(shù)據(jù)處理方法得出的條件概率的一般表達(dá)式提出了糾纏相干態(tài)(entangled coherent states,ECS)干涉型量子激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)描述。首先展示了二值輸出奇偶光子計(jì)數(shù)探測信號(hào)的概率和奇偶信號(hào)的平均值，借助于數(shù)值計(jì)算展示了N重超分辨率信號(hào)，即突破了瑞利衍射極限。與傳統(tǒng)相干態(tài)的奇偶探測和強(qiáng)度探測相比，本方案的分辨率分別提高了N倍,其中N是平均光子數(shù)。研究了損耗條件下信號(hào)的分辨率和最優(yōu)相位靈敏度隨損耗率的變化關(guān)系。其次，

7、根據(jù)主方程方法數(shù)值分析了相位噪聲對ECS探測性能的影響。最后，分析了Z-探測方法，結(jié)果表明在相位擴(kuò)散條件下奇偶探測信號(hào)的靈敏度高于Z-探測，這和相干態(tài)的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相反。
　　最后，研究了光子損耗和相位噪聲環(huán)境中相干態(tài)量子激光雷達(dá)的最優(yōu)探測方法。利用泰勒級數(shù)將干涉信號(hào)和相位擴(kuò)散過程產(chǎn)生的相位噪聲分離開來，干涉信號(hào)及其靈敏度的表達(dá)式就可以通過二值輸出零差探測、奇偶光子計(jì)數(shù)探測和零-非零光子計(jì)數(shù)探測方法進(jìn)行解析求解。從這些解析解