一种基于原子接收机的距离测量雷达系统和方法
阅读说明：本技术 一种基于原子接收机的距离测量雷达系统和方法 (Distance measurement radar system and method based on atomic receiver ) 是由 林沂 刘燚 吴逢川 王延正 武博 付云起 于 2021-03-25 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种基于原子接收机的距离测量雷达系统和方法。所述系统使用信号源发送雷达测距信号,使用原子接收机接收雷达测距信号经目标反射后产生的回波信号,利用目标回波信号会导致EIT谱产生AT分裂使EIT透射峰幅度降低原理,根据原子接收机在收到回波信号后其输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数,以及根据雷达测距信号的发射时间,根据雷达测距原理计算回波信号对应的目标的距离测量值。基于原子接收机尺寸与雷达工作波长无关、不需要下变频混频器及额外的微波本振信号通道以及电场强度测量灵敏度可逼近标准量子极限的优点,上述系统具有硬件简单、尺寸较小且测距结果准确的特点,可实现更远距离的目标探测。(The application relates to a distance measuring radar system and method based on an atomic receiver. The system uses a signal source to send radar ranging signals, uses an atomic receiver to receive echo signals generated after the radar ranging signals are reflected by a target, uses the principle that the target echo signals can cause an EIT spectrum to generate AT splitting so as to reduce the amplitude of EIT transmission peaks, calculates the distance measurement value of the target corresponding to the echo signals according to the radar ranging principle and the time parameters of the EIT transmission peak value falling part in the output signals of the atomic receiver after the atomic receiver receives the echo signals and the transmitting time of the radar ranging signals. Based on the advantages that the size of the atomic receiver is irrelevant to the working wavelength of the radar, a down-conversion frequency mixer and an additional microwave local oscillation signal channel are not needed, and the electric field intensity measurement sensitivity can approach to the standard quantum limit, the system has the characteristics of simple hardware, small size and accurate distance measurement result, and can realize target detection at longer distance.)
技术领域
本申请涉及雷达测距技术领域，特别是涉及一种基于原子接收机的距离测量雷达系统和方法。
背景技术
雷达作为探测空间目标的主要手段之一，在民用领域及军用领域得到了广泛应用，典型的雷达系统包括毫米波汽车防撞雷达、液位计测量雷达、合成孔径成像雷达等。现有雷达系统通常采用零中频架构或超外差架构的接收机，其工作原理是：由接收天线收集空间微波信号，收集到的信号经过下变频混频器后转化为基带信号，最后对基带信号进行数据采集并处理，完成目标参数估计。
这类雷达系统存在以下的缺陷：
1）雷达系统接收机的天线孔径尺寸受限于chu极限[Chu L J. Physicallimitations of omni‐directional antennas[J]. Journal of applied physics,1948, 19(12): 1163-1175.]，其天线孔径尺寸与雷达工作波长相比拟，雷达工作波长越长，所需的天线孔径尺寸越大。
2）雷达系统通常采用零中频架构或超外差架构的接收机，雷达系统必须包含下变频混频器、中频滤波器、微波本振源等模块，因此雷达系统的硬件复杂度难以降低。
3）雷达系统接收机的灵敏度受限于背景热噪声难以进一步降低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够克服现有雷达系统缺陷的一种基于原子接收机的距离测量雷达系统和方法。
一种基于原子接收机的距离测量雷达系统，包括脉冲信号源、原子接收机和信号处理模块。
脉冲信号源用于根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
原子接收机用于在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
信号处理模块用于处理原子接收机收到回波信号后的输出信号，获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
其中一个实施例中，系统还包括时序控制模块，用于设置脉冲信号源和原子接收机的工作时序。
其中一个实施例中，时序控制模块设置的工作时序为：
脉冲信号源的信号起始发射时刻为，脉冲信号的脉宽为τ，脉冲信号的重复周期为T，隔离保护脉冲信号的脉宽为，且>τ，隔离保护脉冲信号的重复周期为T。
原子接收机进行信号接收的非信号发射时间为++nT＜+（n+1）T，其中n为脉冲信号的重复周期数。
其中一个实施例中，原子接收机包括探测激光器、耦合激光器、探测光二向色镜、耦合光二向色镜、原子气室和光电探测器。探测激光器发射的探测光经探测光二向色镜穿过所述原子气室。耦合激光器发射的耦合光经耦合光二向色镜穿过原子气室。原子气室产生的透射光由光电探测器转换为电信号，该电信号为原子接收机的输出信号。
其中一个实施例中，原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿。
其中一个实施例中，碱金属原子为铯原子或铷原子。
一种基于原子接收机的距离测量方法，包括：
由脉冲信号源根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
由原子接收机在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
其中一个实施例中，根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值的方式包括：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，表示雷达测距信号的发射时间，表示根据输出信号中EIT透射峰值下降处的时间得到的回波信号的到达时间。
其中一个实施例中，获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值的步骤包括：
根据输出信号中EIT透射峰值下降处的峰值下降幅度值区分多个目标，根据雷达测距信号的发射时间和各个目标对应的EIT透射峰值下降处的时间参数，得到各个目标的距离测量值。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
由脉冲信号源根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
由原子接收机在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
由脉冲信号源根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
由原子接收机在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
与现有技术相比，上述一种基于原子接收机的距离测量雷达系统、方法、计算机设备和存储介质，使用脉冲信号源发送雷达测距信号，使用原子接收机接收雷达测距信号经目标反射后产生的回波信号，利用目标回波信号会导致EIT谱产生AT分裂使EIT透射峰幅度降低原理，根据原子接收机在收到回波信号后其输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，以及根据雷达测距信号的发射时间，根据雷达测距原理可以计算回波信号对应的目标的距离测量值。原子接收机利用里德堡原子与微波的量子干涉效应实现微波信号的接收，因此其接收机尺寸与雷达工作波长无关；原子接收机具备实时、直接记录基带信号的能力，不需要下变频混频器及额外的微波本振信号通道，因此能够降低硬件复杂度；此外，基于原子接收机的电场强度测量灵敏度可逼近标准量子极限，因此基于原子接收机的距离测量雷达系统同样具有较高的接收灵敏度。基于原子接收机的上述优点，本申请能够降低测距雷达系统的接收机尺寸和复杂度，提高系统的测距结果准确度，并在发射信号功率保持不变的情况下实现更远距离的目标探测。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于原子接收机的距离测量系统的设备组成示意图；
图2为一个实施例中的时域脉冲信号图；
图3为一个实施例中的时域隔离保护脉冲信号图；
图4为一个实施例中原子接收机进行接信号接收的非信号发射时间示意图；
图5为一个实施例中原子接收机的设备组成示意图；
图6为一个实施例中一种基于原子接收机的距离测量方法的步骤图；
图7为一个实施例中原子接收机输出信号中的EIT透射峰值时域信号图；
图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
一种基于原子接收机的距离测量雷达系统，包括脉冲信号源、原子接收机和信号处理模块。
脉冲信号源用于根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
原子接收机用于在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
信号处理模块用于处理原子接收机收到回波信号后的输出信号，获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
里德堡原子是指原子中有一个电子处于高能态且其能级跃迁满足里德堡方程的一类原子。原子接收机基于里德堡原子实现，其实现原理是电磁诱导透明（electromagnetically induced transparency，EIT）效应，由原子接收天线内的激光器产生探测光和耦合光，两束光与碱性金属原子发生非线性量子相互作用，此时原子接收机中的光电探测器可以接收到探测光的透射峰，称为EIT透射峰。当原子接收机收到微波信号时，该微波信号会使EIT透射峰产生AT分裂，使EIT透射峰值的幅度下降。
利用这一原理，可以本实施例构建了一个基于原子接收机的雷达测距系统，由脉冲信号源发送用于测距的微波信号，并监测原子接收机的EIT透射峰。当空间中存在目标并反射了雷达测距信号时，产生的回波信号会进入原子接收机并引起其EIT透射峰值的幅度下降。因此根据雷达测距信号发出及其对应的回波信号到达之间的时间差，基于雷达回波测距的原理就可以计算出该目标和测距系统之间的距离值。
本实施例基于原子接收机构建雷达测距系统，利用原子接收机的优点能够降低测距雷达系统的接收机尺寸和复杂度，提高系统的测距结果准确度，并在发射信号功率保持不变的情况下实现更远距离的目标探测。
其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于原子接收机的距离测量雷达系统，包括原子接收机、数据采集模块、信号处理模块、时序控制模块、脉冲信号源、功率放大器和发射天线。
时序控制模块用于设置脉冲信号源和原子接收机的工作时序。
脉冲信号源在时序控制模块的控制下，其信号起始发射时刻为，脉冲信号的脉宽为τ，脉冲信号的重复周期为T，如图2所示；隔离保护脉冲信号的脉宽为，且>τ，隔离保护脉冲信号的重复周期为T，如图3所示。
功率放大器用于放大脉冲信号功率，放大后的脉冲信号经过发射天线辐射至自由空间。
原子接收机在时序控制模块的控制下接收回波信号，其进行信号接收的非信号发射时间为++nT＜+（n+1）T，其中n为脉冲信号的重复周期数，如图4所示。
数据采集模块用于采集原子接收机的输出信号。
信号处理模块用于处理原子接收机收到回波信号后的输出信号，获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
其中一个实施例中，如图5所示，原子接收机包括探测激光器501、耦合激光器502、探测光二向色镜503、耦合光二向色镜504、原子气室505和光电探测器506。探测激光器发射的探测光经探测光二向色镜穿过原子气室。耦合激光器发射的耦合光经耦合光二向色镜穿过原子气室。原子气室产生的透射光由光电探测器转换为电信号，该电信号为原子接收机的输出信号。
具体地，设探测激光器输出探测光的波长为，耦合激光器输出耦合光的波长为，原子气室中的碱金属原子在这两束激光的作用下，被激发到里德堡态，产生EIT效应，光电探测器输出EIT谱信号。当空间不存在目标，不会对雷达探测信号进行反射，即没有目标回波信号时，因此原子接收机输出的EIT谱信号保持稳定，设此时EIT透射峰幅度为。当空间存在一个距离为R的目标时，目标回波信号导致EIT谱产生AT分裂，使EIT透射峰幅度降低，此时EIT透射峰幅度设，则有<。
进一步地，原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿，其中的碱金属原子可以是铯原子或铷原子。
其中一个实施例中，如图6所示，提供了一种基于原子接收机的距离测量方法，包括以下步骤：
步骤602，由脉冲信号源根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
步骤604，由原子接收机在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
步骤606，获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
具体地，根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值的方式为：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，表示雷达测距信号的发射时间，表示根据输出信号中EIT透射峰值下降处的时间得到的回波信号的到达时间。
具体地，当信号源为脉冲信号源时，原子接收机输出信号中EIT透射峰值如图7所示。在信号处理过程中，对图7中的时域信号采用经典的脉冲信号检测方法检测信号下降沿，估计目标回波信号的到达时间，则可以得到目标的距离测量值。
应该理解的是，虽然图6的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图6中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
关于基于原子接收机的距离测量方法的具体限定可以参见上文中对于基于原子接收机的距离测量系统的限定，在此不再赘述。上述基于原子接收机的距离测量方法中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储雷达测距信号发射时间和EIT透射峰值变化数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于原子接收机的距离测量方法。
本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
由脉冲信号源根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
由原子接收机在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，表示雷达测距信号的发射时间，表示根据输出信号中EIT透射峰值下降处的时间得到的回波信号的到达时间。
其中一个实施例中，输出信号中EIT透射峰值有多个下降处。处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：根据输出信号中EIT透射峰值下降处的峰值下降幅度值区分多个目标，根据雷达测距信号的发射时间和各个目标对应的EIT透射峰值下降处的时间参数，得到各个目标的距离测量值。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
由脉冲信号源根据预设的信号发射时间发送雷达测距信号。
由原子接收机在预设的非信号发射时间接收雷达测距信号经目标反射产生的回波信号。
获取输出信号中EIT透射峰值下降处的时间参数，并根据获取到的时间参数以及雷达测距信号的发射时间，得到目标的距离测量值。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，表示雷达测距信号的发射时间，表示根据输出信号中EIT透射峰值下降处的时间得到的回波信号的到达时间。
其中一个实施例中，输出信号中EIT透射峰值有多个下降处。计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：根据输出信号中EIT透射峰值下降处的峰值下降幅度值区分多个目标，根据雷达测距信号的发射时间和各个目标对应的EIT透射峰值下降处的时间参数，得到各个目标的距离测量值。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。