一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111474554A(43)申请公布日2020.07.31(21)申请号202010284094.5(22)申请日2020.04.13(71)申请人中国人民解放军国防科技大学地址410073湖南省长沙市开福区德雅路109号(72)发明人刘康王宏强罗成高蒋彦雯王建秋(74)专利代理机构长沙国科天河知识产权代理有限公司43225代理人邱轶(51)Int.Cl.G01S17/50(2006.01)G01S17/89(2020.01)G01S7/487(2006.01)G01J11/00(2006.01)权利要求书2页说明书9页附图4页(54)发明名称一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法(57)摘要本发明涉及一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法，所述系统包括：发射模块、接收模块、信号处理模块、模型生成模块以及输出模块。本发明在发射端通过太赫兹QCL源重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号，在接收端对太赫兹单光子回波信号的探测和接收，通过对回波信号进行单光子计数统计方式获取目标的距离和多普勒频率信息，通过建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型并分析时域分布特性最终得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级；将太赫兹雷达技术与单光子探测技术进行有机结合，可以实现对远程非合作目标极弱回波信号的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题。CN111474554ACN111474554A权利要求书1/2页1.一种太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述系统包括：发射模块，用于通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；接收模块，用于通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；信号处理模块，用于对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；模型生成模块，用于根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；输出模块，用于根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法。2.根据权利要求1所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述发射模块包括依次设置的太赫兹QCL源、第一分束镜、太赫兹信号发射前端、波束控制组件以及发射天线；所述接收模块包括依次设置的接收天线、滤波组件、太赫兹信号接收前端、第二分束镜以及量子电容探测器；所述信号处理模块包括依次设置的技术统计模块、信号处理与控制端，所述技术统计模块连接到所述量子电容探测器。3.根据权利要求2所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述量子电容探测器包括相互连接的天线、超导吸收器、单库伯电子对箱以及超导射频谐振器；其中所述超导吸收器中内置有准粒子，所述单库伯电子对箱包括超导约瑟夫森结和超导岛，所述超导岛与所述超导射频谐振器电容性耦合；当所述超导吸收器中的准粒子经所述约瑟夫森结隧穿进入所述超导岛时，引起所述单库伯电子对箱的电容变化，电容变化引起所述超导射频谐振器的频率变化。4.根据权利要求2所述太赫兹频段单光子雷达系统，其特征在于，所述太赫兹QCL源为太赫兹量子级联激光器，频段为2～5THz，通过光抽运作用电子在不同子带间跃迁来辐射所述太赫兹波脉冲信号。5.一种太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，所述方法包括以下步骤：S1，通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；S2，通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；S3，对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；S4，根据所述太赫兹波脉冲信号、回波信号、目标的距离和多普勒频率信息建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型，并分析所述太赫兹频段单光子的时域分布特性；S5，根据所述回波模型和时域分布特性得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级。6.根据权利要求5所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，步骤S1中，所述太赫兹QCL源发射的太赫兹波脉冲信号表示为：2CN111474554A权利要求书2/2页式中，表示太赫兹波脉冲信号的时间包络，A表示信号幅度，ωs表示发射信号角频率，τ表示调节脉冲宽度pw的参数，i表示虚数。7.根据权利要求6所述太赫兹频段单光子雷达系统的目标探测方法，其特征在于，步骤S2中，太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号表示为：2式中，As表示回波信号幅度，且As＝σA/R，R表示雷达系统与目标之间的距离，σ表示目标的散射系数，td表示回波信号的延