CN104199017B - 基于量子纠缠光的实时测距系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于量子纠缠光的实时测距系统包括光源模块和电路模块；其中，所述光源模块用于产生信号光和参考光；所述电路模块用于根据输入的信号光和参考光计算待测距离。所述光源模块包括半导体激光器、滤波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体以及偏振分束器；其中，半导体激光器用于产生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体后经滤波片滤除泵浦光并产生H偏振光和V偏振光；偏振分束器用于将H偏振光和V偏振光分离出信号光和参考光。本发明还提供相应的方法。本发明采用二阶关联算法提高了抗干扰特性；本发明使用FPGA进行实时的数据处理，将数据采集和数据处理同时进行。

Description

基于量子纠缠光的实时测距系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及量子导航，具体地，涉及一种基于量子纠缠光的实时测距系统及其实现方法。

背景技术

随着人类文明的发展，对于测距技术的需求也应运而生。如今，测距技术已经深入到人类生活的各个领域，在政治、经济、军事等领域更有至关重要的作用。

传统的激光测距技术主要利用激光方向性强、亮度高等特性进行测距。根据激光器的工作方式可以分为连续激光器和脉冲激光器。这种测距方式主要通过接收激光的反射，从而计算往返的时间，最终推算出距离。然而，这种测距方式会受到散粒噪声极限的限制，无法突破这个极限，而量子纠缠利用其关联特性，能够突破这个极限，因此也成为了最新的研究方向。

量子纠缠是多个粒子在一个系统中互相影响的现象，是由薛定谔和爱因斯坦等在质疑量子力学的完备性时提出的。随着量子理论的发展，量子纠缠在各个领域中都得到应用。量子力学中的测不准原理决定了基于量子理论的测量会受到海森堡极限的限制，但是也远远超过传统的测量所能够达到的散粒噪声极限。

双光子纠缠源是目前研究最深入的一种量子纠缠源技术，主要利用晶体的非线性效应，基于二阶非线性效应的BBO和KDP等晶体或者PPLN和PPKTP等准相位匹配晶体的自发参量下准换。由晶体产生的光子对经过信号路与闲置路的传输后，使用单光子探测器进行探测，通过符合计数算法得到光子对的到达时间差，最后通过计算得到距离。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于量子纠缠光的实时测距系统及其方法。

根据本发明的一个方面提供的基于量子纠缠光的实时测距系统，包括光源模块和电路模块；

其中，所述光源模块用于产生信号光和参考光；所述电路模块用于根据输入的信号光和参考光计算待测距离。

优选地，所述光源模块包括半导体激光器、滤波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体以及偏振分束器；

其中，半导体激光器用于产生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体后经滤波片滤除泵浦光并产生H偏振光和V偏振光；

偏振分束器用于将H偏振光和V偏振光分离出信号光和参考光。

优选地，，还包括光子耦合器、信号光路和参考光路，所述信号光路连接未知长度的光纤，所述参考光路连接已知长度的光纤；

所述信号光通过所述光子耦合器输入所述信号光路；所述参考光通过所述光子耦合器输入所述参考光路。

优选地，，电路模块包括第一单光子检测器、第二单光子检测器、模数转化器以及数据处理模块；

其中，第一单光子检测器用于将信号光的光信号转化为第一电信号；

第二单光子检测器用于将参考光的光信号转化为第二电信号；

模数转换器用于将第一电信号和第二电信号由模拟信号转换为数字信号；

数据处理模块用于将根据所述数字信号进行光子到达时间判断、符合计数以及计算测量距离。

优选地，，还包括第一衰减器和第二衰减器，所述第一衰减器用于衰减所述第一电信号；所述第二衰减器用于衰减所述第二电信号。

优选地，，所述数据处理模块采用FPGA；所述模数转化器采用高速数模转化器，采样率为2.5G，量化间隔为0.5mV。

根据本发明的另一个方面提供的基于量子纠缠光的实时测距系统的实现方法，，包括如下步骤：

步骤1：对信号光路和参考光路分别进行模数转换后输入数据处理模块；

步骤2：分别对信号光路和参考光路的采样值进行光子到达阈值判定并计算光子到达时间；

步骤3：通过符合计数得到光子对并记录光子对的到达时间差和光子对数；

步骤4：当计时器到达设定值时，得到平均的到达时间差，进而得到信号光路和参考光路的时间差；

步骤5：根据群折射率和信号光路和参考光路的时间差计算测量距离。

优选地，光子到达时间的计算包括如下步骤：

步骤1：根据单光子计数器的输出设定光子到达判定阈值T1和光子到达时刻阈值T2，

步骤2：采集到的连续两个信号超过T1时，即确认为光子到达；

步骤3：根据前后两个采集到的间隔信号推算出单光子计数器输出到达T2的时刻，即光子到达的时刻。

根据本发明提供的基于FPGA的数据处理流程，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用二阶关联算法提高了抗干扰特性；

2、本发明使用FPGA进行实时的数据处理，将数据采集和数据处理同时进行；

3、本发明结构简单，易于组装。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中基于量子纠缠光的实时测距系统的结构示意框图；

图2为本发明中基于量子纠缠光的实时测距系统的实现方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例中，本发明提供的基于量子纠缠光的实时测距系统包括光源部和电路部，其中，所述光源模块用于产生信号光和参考光；所述电路模块用于根据输入的信号光和参考光计算待测距离。

光源模块包括半导体激光器、滤波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体(PPKTP晶体)、偏振分束器以及光子耦合器；

半导体激光器用于产生波长为405nm的泵浦光，经过偏振片后发生水平极化后入射周期性极化晶体，然后经过滤波片滤除泵浦光，产生H偏振和V偏振的光，最后由偏振分束器分离出波长为810nm的信号光和810nm的参考光。

激光器发出的泵浦光依次经过四分之一波片和二分之一波片，将泵浦光的偏振方向调整为水平偏振，然后通过偏振片得到水平偏振的激光。信号路和参考路光信号分别在光纤中传输之后，需要通过光子耦合器将光信号耦合到单光子探测器中，然后进行符合测量。

电路部包括第一单光子检测器、第二单光子检测器、模数转化器以及数据处理模块。其中，第一单光子计数器用于将信号光的光信号转化为第一电信号；第二单光子检测器用于将参考光的光信号转化为第二电信号；模数转换器用于将第一电信号和第二电信号由模拟信号转换为数字信号；数据处理模块用于将根据所述数字信号进行光子到达时间判断、符合计数以及计算测量距离。

所述数据处理模块采用FPGA；所述模数转化器采用高速数模转化器，采样率为2.5G，量化间隔为0.5mV。

本发明提供的基于量子纠缠光的实时测距系统还包括信号光路和参考光路，所述信号光路连接未知长度的光纤，所述参考光路连接已知长度的光纤；所述信号光输入所述信号光路；所述参考光输入所述参考光路。

如图2所示，在本实施例中，本发明提供的量子纠缠实时测距系统的实现方法包括如下步骤：

步骤1：使用数模转化器对信号光路和参考光路分别进行模数转换，并将转换的结果输入到FPGA中；

步骤2：FPGA分别对信号光路和参考光路的采样值进行光子到达阈值判定并通过计算得到光子到达时间；

步骤3：通过符合计数得到光子对并记录光子对的到达时间差和光子对数；

步骤4：当计时器到达一秒时，得到平均的到达时间差，进而得到信号光路和参考光路的时间差；

步骤5：根据群折射率和信号光路和参考光路的时间差计算测量距离。

其中，步骤2计算光子到达时间的步骤如下：首先根据使用的单光子检测器的输出设定一个光子到达判定阈值T1和光子到达时刻阈值T2，当FPGA采集到的连续两个信号超过这个阈值T1时，认为有光子到达；由于单光子计数器的输出脉冲的上升沿近似于直线，因此根据前后两个采集到的间隔为400ps的信号(采样率为2.5GHz)推算出单光子计数器输出到达T2的时刻，并将此认为是光子到达的时刻。二阶关联算法为每当信号路有一个光子到达时，查看参考路在时间范围T(即符合计数门宽)内是否有光子到达，如果有，则认为这是一个光子对，符合数增加一，同时记录两个光子到达的时间差t。每隔1秒钟计算所有光子对的时间差t的平均值，由此推算出相应的距离。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种基于量子纠缠光的实时测距系统的实现方法，其特征在于，

所述基于量子纠缠光的实时测距系统，包括光源模块和电路模块；

其中，所述光源模块用于产生信号光和参考光；所述电路模块用于根据输入的信号光和参考光计算待测距离；

所述光源模块包括半导体激光器、滤波片、四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体以及偏振分束器；

其中，半导体激光器用于产生泵浦光，泵浦光依次入射四分一波片、二分之一波片、偏振片、周期性极化晶体后经滤波片滤除泵浦光并产生H偏振光和V偏振光；

偏振分束器用于将H偏振光和V偏振光分离出信号光和参考光；

还包括光子耦合器、信号光路和参考光路，所述信号光路连接未知长度的光纤，所述参考光路连接已知长度的光纤；

所述信号光通过所述光子耦合器输入所述信号光路；所述参考光通过所述光子耦合器输入所述参考光路；电路模块包括第一单光子检测器、第二单光子检测器、模数转化器以及数据处理模块；

其中，第一单光子检测器用于将信号光的光信号转化为第一电信号；

第二单光子检测器用于将参考光的光信号转化为第二电信号；

模数转换器用于将第一电信号和第二电信号由模拟信号转换为数字信号；

数据处理模块用于将根据所述数字信号进行光子到达时间判断、符合计数以及计算测量距离；还包括第一衰减器和第二衰减器，所述第一衰减器用于衰减所述第一电信号；所述第二衰减器用于衰减所述第二电信号；

包括如下步骤：

步骤1：对信号光路和参考光路分别进行模数转换后输入数据处理模块；

步骤2：分别对信号光路和参考光路的采样值进行光子到达阈值判定并计算光子到达时间；

步骤3：通过符合计数得到光子对并记录光子对的到达时间差和光子对数；

步骤4：当计时器到达设定值时，得到平均的到达时间差，进而得到信号光路和参考光路的时间差；

步骤5：根据群折射率和信号光路和参考光路的时间差计算测量距离；

光子到达时间的计算包括如下步骤：

步骤1：根据单光子计数器的输出设定光子到达判定阈值T1和光子到达时刻阈值T2，

步骤2：采集到的连续两个信号超过T1时，即确认为光子到达；

步骤3：根据前后两个采集到的间隔信号推算出单光子计数器输出到达T2的时刻，即光子到达的时刻。