基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)包括光源模塊和電路模塊；其中，所述光源模塊用于產(chǎn)生信號光和參考光；所述電路模塊用于根據(jù)輸入的信號光和參考光計算待測距離。所述光源模塊包括半導(dǎo)體激光器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體以及偏振分束器；其中，半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體后經(jīng)濾波片濾除泵浦光并產(chǎn)生H偏振光和V偏振光；偏振分束器用于將H偏振光和V偏振光分離出信號光和參考光。本發(fā)明還提供相應(yīng)的方法。本發(fā)明采用二階關(guān)聯(lián)算法提高了抗干擾特性；本發(fā)明使用FPGA進行實時的數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理同時進行。
【專利說明】基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子導(dǎo)航，具體地，涉及一種基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類文明的發(fā)展，對于測距技術(shù)的需求也應(yīng)運而生。如今，測距技術(shù)已經(jīng)深入到人類生活的各個領(lǐng)域，在政治、經(jīng)濟、軍事等領(lǐng)域更有至關(guān)重要的作用。
[0003]傳統(tǒng)的激光測距技術(shù)主要利用激光方向性強、亮度高等特性進行測距。根據(jù)激光器的工作方式可以分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。這種測距方式主要通過接收激光的反射，從而計算往返的時間，最終推算出距離。然而，這種測距方式會受到散粒噪聲極限的限制，無法突破這個極限，而量子糾纏利用其關(guān)聯(lián)特性，能夠突破這個極限，因此也成為了最新的研究方向。
[0004]量子糾纏是多個粒子在一個系統(tǒng)中互相影響的現(xiàn)象，是由薛定諤和愛因斯坦等在質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性時提出的。隨著量子理論的發(fā)展，量子糾纏在各個領(lǐng)域中都得到應(yīng)用。量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理決定了基于量子理論的測量會受到海森堡極限的限制，但是也遠遠超過傳統(tǒng)的測量所能夠達到的散粒噪聲極限。
[0005]雙光子糾纏源是目前研究最深入的一種量子糾纏源技術(shù)，主要利用晶體的非線性效應(yīng)，基于二階非線性效應(yīng)的BBO和KDP等晶體或者PPLN和PPKTP等準(zhǔn)相位匹配晶體的自發(fā)參量下準(zhǔn)換。由晶體產(chǎn)生的光子對經(jīng)過信號路與閑置路的傳輸后，使用單光子探測器進行探測，通過符合計數(shù)算法得到光子對的到達時間差，最后通過計算得到距離。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)及其方法。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面提供的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，包括光源模塊和電路模塊；
[0008]其中，所述光源模塊用于產(chǎn)生信號光和參考光；所述電路模塊用于根據(jù)輸入的信號光和參考光計算待測距離。
[0009]優(yōu)選地,所述光源模塊包括半導(dǎo)體激光器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體以及偏振分束器；
[0010]其中，半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體后經(jīng)濾波片濾除泵浦光并產(chǎn)生H偏振光和V偏振光；
[0011]偏振分束器用于將H偏振光和V偏振光分離出信號光和參考光。
[0012]優(yōu)選地，，還包括光子耦合器、信號光路和參考光路，所述信號光路連接未知長度的光纖，所述參考光路連接已知長度的光纖；
[0013]所述信號光通過所述光子耦合器輸入所述信號光路；所述參考光通過所述光子耦合器輸入所述參考光路。
[0014]優(yōu)選地，，電路模塊包括第一單光子檢測器、第二單光子檢測器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器以及數(shù)據(jù)處理模塊；
[0015]其中，第一單光子檢測器用于將信號光的光信號轉(zhuǎn)化為第一電信號；
[0016]第二單光子檢測器用于將參考光的光信號轉(zhuǎn)化為第二電信號；
[0017]模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將第一電信號和第二電信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0018]數(shù)據(jù)處理模塊用于將根據(jù)所述數(shù)字信號進行光子到達時間判斷、符合計數(shù)以及計算測量距離。
[0019]優(yōu)選地，，還包括第一衰減器和第二衰減器，所述第一衰減器用于衰減所述第一電信號；所述第二衰減器用于衰減所述第二電信號。
[0020]優(yōu)選地，，所述數(shù)據(jù)處理模塊采用FPGA ;所述模數(shù)轉(zhuǎn)化器采用高速數(shù)模轉(zhuǎn)化器，采樣率為2.5G，量化間隔為0.5mV。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面提供的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，，包括如下步驟:
[0022]步驟1:對信號光路和參考光路分別進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)據(jù)處理模塊；
[0023]步驟2:分別對信號光路和參考光路的采樣值進行光子到達閾值判定并計算光子到達時間；
[0024]步驟3:通過符合計數(shù)得到光子對并記錄光子對的到達時間差和光子對數(shù)；
[0025]步驟4:當(dāng)計時器到達設(shè)定值時，得到平均的到達時間差，進而得到信號光路和參考光路的時間差；
[0026]步驟5:根據(jù)群折射率和信號光路和參考光路的時間差計算測量距離。
[0027]優(yōu)選地，光子到達時間的計算包括如下步驟:
[0028]步驟1:根據(jù)單光子計數(shù)器的輸出設(shè)定光子到達判定閾值Tl和光子到達時刻閾值T2,
[0029]步驟2:采集到的連續(xù)兩個信號超過Tl時，即確認為光子到達；
[0030]步驟3:根據(jù)前后兩個采集到的間隔信號推算出單光子計數(shù)器輸出到達T2的時亥IJ，即光子到達的時刻。
[0031]根據(jù)本發(fā)明提供的基于FPGA的數(shù)據(jù)處理流程，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0032]1、本發(fā)明采用二階關(guān)聯(lián)算法提高了抗干擾特性；
[0033]2、本發(fā)明使用FPGA進行實時的數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理同時進行；
[0034]3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于組裝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0036]圖1為本發(fā)明中基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0037]圖2為本發(fā)明中基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)的實現(xiàn)方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0039]如圖1所示，本實施例中，本發(fā)明提供的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)包括光源部和電路部，其中，所述光源模塊用于產(chǎn)生信號光和參考光；所述電路模塊用于根據(jù)輸入的信號光和參考光計算待測距離。
[0040]光源模塊包括半導(dǎo)體激光器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體(PPKTP晶體)、偏振分束器以及光子耦合器；
[0041]半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生波長為405nm的泵浦光，經(jīng)過偏振片后發(fā)生水平極化后入射周期性極化晶體，然后經(jīng)過濾波片濾除泵浦光，產(chǎn)生H偏振和V偏振的光，最后由偏振分束器分離出波長為810nm的信號光和810nm的參考光。
[0042]激光器發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過四分之一波片和二分之一波片，將泵浦光的偏振方向調(diào)整為水平偏振，然后通過偏振片得到水平偏振的激光。信號路和參考路光信號分別在光纖中傳輸之后，需要通過光子耦合器將光信號耦合到單光子探測器中，然后進行符合測量。
[0043]電路部包括第一單光子檢測器、第二單光子檢測器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器以及數(shù)據(jù)處理模塊。其中，第一單光子計數(shù)器用于將信號光的光信號轉(zhuǎn)化為第一電信號；第二單光子檢測器用于將參考光的光信號轉(zhuǎn)化為第二電信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將第一電信號和第二電信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理模塊用于將根據(jù)所述數(shù)字信號進行光子到達時間判斷、符合計數(shù)以及計算測量距離。
[0044]所述數(shù)據(jù)處理模塊采用FPGA ;所述模數(shù)轉(zhuǎn)化器采用高速數(shù)模轉(zhuǎn)化器，采樣率為
2.5G，量化間隔為0.5mV。
[0045]本發(fā)明提供的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)還包括信號光路和參考光路，所述信號光路連接未知長度的光纖，所述參考光路連接已知長度的光纖；所述信號光輸入所述信號光路；所述參考光輸入所述參考光路。
[0046]如圖2所示，在本實施例中，本發(fā)明提供的量子糾纏實時測距系統(tǒng)的實現(xiàn)方法包括如下步驟:
[0047]步驟1:使用數(shù)模轉(zhuǎn)化器對信號光路和參考光路分別進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸入到FPGA中；
[0048]步驟2 =FPGA分別對信號光路和參考光路的采樣值進行光子到達閾值判定并通過計算得到光子到達時間；
[0049]步驟3:通過符合計數(shù)得到光子對并記錄光子對的到達時間差和光子對數(shù)；
[0050]步驟4:當(dāng)計時器到達一秒時，得到平均的到達時間差，進而得到信號光路和參考光路的時間差；
[0051]步驟5:根據(jù)群折射率和信號光路和參考光路的時間差計算測量距離。
[0052]其中，步驟2計算光子到達時間的步驟如下:首先根據(jù)使用的單光子檢測器的輸出設(shè)定一個光子到達判定閾值Tl和光子到達時刻閾值T2，當(dāng)FPGA采集到的連續(xù)兩個信號超過這個閾值Tl時，認為有光子到達；由于單光子計數(shù)器的輸出脈沖的上升沿近似于直線，因此根據(jù)前后兩個采集到的間隔為400PS的信號(采樣率為2.5GHz)推算出單光子計數(shù)器輸出到達T2的時刻，并將此認為是光子到達的時刻。二階關(guān)聯(lián)算法為每當(dāng)信號路有一個光子到達時，查看參考路在時間范圍T (即符合計數(shù)門寬)內(nèi)是否有光子到達，如果有，則認為這是一個光子對，符合數(shù)增加一，同時記錄兩個光子到達的時間差t。每隔I秒鐘計算所有光子對的時間差t的平均值，由此推算出相應(yīng)的距離。
[0053]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，其特征在于，包括光源模塊和電路模塊； 其中，所述光源模塊用于產(chǎn)生信號光和參考光；所述電路模塊用于根據(jù)輸入的信號光和參考光計算待測距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，其特征在于，所述光源模塊包括半導(dǎo)體激光器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體以及偏振分束器； 其中，半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性極化晶體后經(jīng)濾波片濾除泵浦光并產(chǎn)生H偏振光和V偏振光； 偏振分束器用于將H偏振光和V偏振光分離出信號光和參考光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，其特征在于，還包括光子耦合器、信號光路和參考光路，所述信號光路連接未知長度的光纖，所述參考光路連接已知長度的光纖； 所述信號光通過所述光子耦合器輸入所述信號光路；所述參考光通過所述光子耦合器輸入所述參考光路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，其特征在于，電路模塊包括第一單光子檢測器、第二單光子檢測器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器以及數(shù)據(jù)處理模塊； 其中，第一單光子檢測器用于將信號光的光信號轉(zhuǎn)化為第一電信號； 第二單光子檢測器用于將參考光的光信號轉(zhuǎn)化為第二電信號； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將第一電信號和第二電信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)據(jù)處理模塊用于將根據(jù)所述數(shù)字信號進行光子到達時間判斷、符合計數(shù)以及計算測量距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，其特征在于，還包括第一衰減器和第二衰減器，所述第一衰減器用于衰減所述第一電信號；所述第二衰減器用于衰減所述第二電信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊采用FPGA ;所述模數(shù)轉(zhuǎn)化器采用高速數(shù)模轉(zhuǎn)化器，采樣率為2.5G，量化間隔為0.5mV。
7.—種權(quán)利要求1至6任一項所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:對信號光路和參考光路分別進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)據(jù)處理模塊； 步驟2:分別對信號光路和參考光路的采樣值進行光子到達閾值判定并計算光子到達時間； 步驟3:通過符合計數(shù)得到光子對并記錄光子對的到達時間差和光子對數(shù)； 步驟4:當(dāng)計時器到達設(shè)定值時，得到平均的到達時間差，進而得到信號光路和參考光路的時間差； 步驟5:根據(jù)群折射率和信號光路和參考光路的時間差計算測量距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于量子糾纏光的實時測距系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，光子到達時間的計算包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)單光子計數(shù)器的輸出設(shè)定光子到達判定閾值Tl和光子到達時刻閾值T2， 步驟2:采集到的連續(xù)兩個信號超過Tl時，即確認為光子到達； 步驟3:根據(jù)前后兩個采集到的間隔信號推算出單光子計數(shù)器輸出到達T2的時刻，即光子到達的時刻。
【文檔編號】G01S11/12GK104199017SQ201410381646
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】韓笑純, 曾貴華 申請人:上海交通大學(xué)