本文關(guān)鍵詞：量子激光雷達(dá)探測(cè)方式和性能提高的研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：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(zhǎng)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(cè)(laser gravitational wave observation,LIGO)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。在上述技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,量子傳感理論也開(kāi)始嶄露頭角,如量子微波雷達(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(duì)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(duì)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 secured lidar,PMQSL),并對(duì)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(cè)距的分辨率和測(cè)距精度,同時(shí)推算了探測(cè)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(cè)距安全性問(wèn)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(méi)有受到攻擊時(shí),測(cè)距精度能達(dá)到厘米量級(jí)。然而,當(dāng)系統(tǒng)受到攻擊時(shí),系統(tǒng)的測(cè)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(cè)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,該系統(tǒng)具有好的測(cè)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(guò)光子數(shù)分辨探測(cè)器或者量子零差探測(cè)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(cè)和投影探測(cè)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(cè)(即Z-探測(cè)或on-off探測(cè))方法推導(dǎo)了馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(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(duì)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(duì)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(shì)。根據(jù)光子計(jì)數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)和強(qiáng)度探測(cè)相比,本方案的分辨率分別提高了N和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,根據(jù)主方程方法數(shù)值分析了相位噪聲對(duì)ECS探測(cè)性能的影響。最后,分析了Z-探測(cè)方法,結(jié)果表明在相位擴(kuò)散條件下奇偶探測(cè)信號(hào)的靈敏度高于Z-探測(cè),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(cè)方法。利用泰勒級(jí)數(shù)將干涉信號(hào)和相位擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生的相位噪聲分離開(kāi)來(lái),干涉信號(hào)及其靈敏度的表達(dá)式就可以通過(guò)二值輸出零差探測(cè)、奇偶光子計(jì)數(shù)探測(cè)和零-非零光子計(jì)數(shù)探測(cè)方法進(jìn)行解析求解。從這些解析解中就可以看出,相位噪聲和光子數(shù)損耗降低了干涉信號(hào)的相干性并進(jìn)一步降低了系統(tǒng)性能。數(shù)值結(jié)果表明在相位擴(kuò)散區(qū)2κ10-內(nèi)零差探測(cè)擁有最好的分辨率和靈敏度,在剩余區(qū)域內(nèi)奇偶探測(cè)信號(hào)的分辨率最好而Z-探測(cè)信號(hào)的靈敏度最高。此外,Z-探測(cè)信號(hào)的靈敏度在有無(wú)噪聲和損耗時(shí)均優(yōu)于奇偶探測(cè)。
[Abstract]:The quantum key distribution ( QKD ) has been successfully developed in the field of quantum key distribution ( QKD ) . In this paper , we study the effect of phase noise on the detection performance of ECS by using Taylor series . The results show that the sensitivity of this scheme is higher than that of Z - detection . The results show that the sensitivity of the signal is higher than that of the conventional coherent state .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN958.98

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本文編號(hào)：1392570