量子雷达探测目标的基本原理与进展

2014-02-07江涛，孙俊

中国电子科学研究院学报 2014年1期

江涛，孙俊

(南京电子技术研究所，南京 210039)

0 概述

雷达技术经过半个多世纪的发展，所肩负的使命越来越重，但同时面临的挑战也越来越严峻。量子信息科学作为量子物理与信息技术的结合体，通过全新的信息处理方式，可以突破经典信息系统的性能极限。那么，其是否可以与雷达探测需求相结合，利用量子信息技术解决雷达面临的反隐身、反杂波和反干扰等难题，成为一个值得深入探讨的概念。

早在1966年，P.A.Bakut首次提出在雷达系统中使用量子信号的可行性论证[1]，并在20世纪80年代，不断涌现出突破标准量子极限的研究进展[2，3]，进入20世纪90年代，F.H.Madjid，R.E.Jehle等人开始研究雷达系统中的量子探测问题[4]。继而催生了量子测距、量子同步、量子传感和量子成像等新兴研究领域，并引起了美国国防部高级研究计划局(DARPA)的关注，DARPA在2007年启动了量子传感项目(Quantum Sensor Program, QSP)[5]和量子激光雷达项目(Quantum Lidar)[6]，标志着量子雷达研究领域的正式形成。

量子雷达目前主要包括干涉式量子雷达(Interferometric Quantum Radar)、接收端量子增强激光雷达(Quantum Enhanced Lidar/Ladar)、量子照射(Quantum Illumination)等三种量子雷达探测体制[7～9]。2011年年底，M.Lanzagorta对量子雷达的研究状况做了全面总结[10]。并提出了量子雷达方程、量子雷达散射截面等概念。从目前的发展状态来看，量子雷达的理论和实验研究处于起步阶段，虽然尚有大量问题有待解决，但是具有广阔的应用前景。

首先对量子雷达的基本概念进行阐述，并将其与经典雷达技术进行比较，分析其在信息载体和检测机理等方面与经典雷达的异同点；然后，对量子雷达国外发展现状进行综述，分析不同量子雷达的探测体制在应用中存在优缺点；最后，对量子雷达后续发展中必须解决的关键技术进行梳理。

1 量子雷达的内涵与应用

量子雷达是将量子信息技术引入经典雷达探测领域，解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈，提升雷达的综合性能。量子雷达属于一种新概念雷达，首要应用是实现目标有无的探测，在此基础上可以进一步扩展应用领域，包括量子成像雷达、量子测距雷达和量子导航雷达等，下面重点关注应用量子信息技术解决雷达探测目标中存在的技术瓶颈。

1.1 量子雷达与经典雷达的关系

从雷达的发展历程来看，雷达的技术维度主要包括调制方式和检测机理等。二战期间雷达的雏形近单纯利用发射的电磁波信号，经过目标表面散射后，通过判断接收信号的能量，实现目标的有无，这种雷达称为非相参雷达。非相参雷达的信息载体只能通过信号的绝对幅度或幅度的变化来体现，检测机理就是简单的能量检测，非相参雷达无法区分杂波和目标，信息利用方式单一，应用领域受到较大的限制。

雷达利用信息的方式随着雷达技术的发展，不断发生变化，从单纯利用信号的强度信息，演化为综合利用电磁信号的频率和相位信息，即电磁场的二阶特性。通过发射电磁波二阶特性的应用，在调制方式上，出现了线性调频、相位编码和捷变频等复杂信号形式，这些信号形式有效解决了传统雷达时宽与带宽的矛盾，并提升雷达抗干扰、抗杂波的能力。在检测技术上，催生了动目标检测(MTD)技术、空时自适应处理(STAP)技术和脉冲多普勒体制(PD)，这些技术利用目标和杂波在多普勒域上的差异，实现杂波中运动目标的有效检测，提升雷达抗杂波能力[11]。

从本质上来说，量子雷达并没有脱离经典雷达探测的理论体系，只是在利用量子理论的进行系统分析时，对雷达中一些概念和物理现象，如”接收机噪声“等，具有全新的，更准确的理解[12]。在此基础上，量子雷达从信息调制载体和检测处理等方面入手，提升雷达的性能。总体而言，量子雷达是对经典雷达理论的更新和补充，而不是颠覆和取代。

首先，经典雷达通过对宏观电磁波相位和频率的操作和控制，获取其在空间、时间和频率等维度上的调制效应，而量子信息技术的信息载体为电磁场的微观量子和量子态。相比较而言，一方面，量子雷达将雷达探测发射信息的调制维度，由电磁场宏观的空、时、频特征，推广至可以表征“微观粒子相关关系”的量子态特征，对传统雷达探测的信息维度进行扩充；另一方面，量子雷达将雷达探测接收信号的检测极限，由宏观电磁场能量检测的灵敏度，扩展为微观量子检测的“暗计数”[13]。

其次，经典雷达检测理论在经历了由能量检测向相参检测的扩展后，目前的检测机理是利用回波信号在宏观空、时、频域的相参性特征，以回波信号信噪比最大为准则，实现目标信号有无的检测和目标信号参数的估计。在经典电磁理论下，雷达接收机的噪声是由于器件中短电流引起的散粒噪声(shot noise)引起，而量子理论则认为部分噪声是由于入射信号场在量子层面的微观特性导致的[12]，因此，量子雷达一方面可以通过相应的量子操作(如压缩真空注入(SVI)和相位敏感放大(PSA)等)，降低接收端的噪声水平；提升雷达性能；另一方面，可以利用信号在微观层面存在的高维度相参特性，通过量子检测与估计理论，利用目标信号与噪声在高维度上差异，可以进一步提升信号检测的性能，甚至突破经典检测与估计的理论极限

1.2 量子雷达的应用前景

随着各种隐身目标的出现，战场环境的电磁空间也越来越恶劣，经典雷达技术在反隐身探测和抗监听和抗干扰方面依然存在技术瓶颈。

首先，隐身目标的本质就是通过气动外形、电磁吸波材料等技术的应用，最大程度降低电磁波的后向散射强度，使得回波信号的能量远小于经典雷达接收机的噪声基底，导致实现目标检测必须更长的积累时间或更大的发射功率。因此，经典雷达采用低频段探测、增大功率口径积和增加驻留时间，提高隐身目标的回波能量，从而提升隐身目标的检测性能。

但是在工程实现中，经典的反隐身方法均存在一定局限性。首先，雷达的功率口径积不可能无限制的扩大，平台载荷、雷达灵活性的限制和半导体技术、系统集成技术等均限制了雷达可实现的功率口径积；其次，低频段探测将面临外界电磁环境干扰的影响，且频率越低，电磁环境越复杂，环境电磁干扰越严重，信号处理难度越大，此外，根据雷达基本概念可知，频率越低、相同天线口径的天线增益越低，为了不损失天线增益必须增加天线口径，工程实现难度加大；最后，增加驻留时间需要考虑到雷达覆盖空域和搜索数据量的需求，即雷达必须在特定时间内完成对特定空域的搜索，在缺乏隐身目标来袭方向先验引导的情况下，雷达的驻留时间相对有限。

但是换个思路考虑，若可以在不降低信号积累得益的前提下，有效降低整个接收系统的噪声基底，等效于提高回波信号信噪比，提升雷达对低可观测目标，甚至隐身目标的探测能力。

其次，现代高科技战争必须夺取制信息权，电磁环境作为信息的传输空间必然成为敌我双方争夺的焦点。电子侦听和电子干扰成为现代战争中雷达必须面临的技术难题。为了降低雷达信号被侦听的概率，经典雷达体制下，常采用发射LPI波形或多基地的方法降低雷达被侦听和被干扰的概率。

但是随着电子侦收技术，特别是数字技术和集成技术的发展，使得干扰机的侦收带宽越来越宽，信号分析和转发响应越来越快，单纯通过捷变频和脉内调制等时间频率分集的方式，已经越来越难达到抗截获抗干扰的目的；而通过多基地布站，利用空间分集对抗主瓣电子干扰，则需要较长的基线，且多基地雷达的基线长度与干扰距离成正比。因此在实际战场中，多基地雷达对抗远距离主瓣干扰存在一定的应用限制。

综合而言，电子对抗中如何更有效的利用信息空间的维度，构建在多个维度空间均难以截获和分析的信号波形，是提升雷达系统在电子对抗环境下生存能力的根本问题。

1.3 量子雷达的技术优势

针对经典雷达领域在隐身目标探测和电子对抗领域存在的技术难点，量子信息技术均存在一定的技术优势，可以通过与经典雷达相结合，提升雷达的探测性能。

首先，量子信息技术中的信息载体为单个量子，信号的产生、调制和接收、检测的对象均为单个量子，因此整个接收系统具有极高的灵敏度，即量子接收系统的噪声基底极低，相比经典雷达的接收机，噪声基底能够降低若干个数量级。在忽略工作频段、杂波和动态范围等实现因素，则雷达作用距离可以大幅提升数倍甚至数十倍。从而大大提升雷达对于微弱目标，甚至隐身目标的探测能力[13]。

其次，量子信息技术中的调制对象为量子态，相比较经典雷达的信息调制对象，量子态可以表征量子“涨落变化”等微观信息，具有比经典时、频、极化等更加高阶的信息，即调制信息维度更高。从信息论角度出发，通过对高维信息的操作，可以获取更多的性能。对于目标探测而言，通过高阶信息调制，可以再不影响积累得益的前提下，进一步压低噪声基底，从而提升噪声中微弱目标检测的能力[14]；从信号分析角度出发，通过对信号进行量子高阶微观调制，使得传统信号分析方法难以准确提取征收信号中调制的信息，从而提升在电子对抗环境下的抗侦听能力。

综合而言，通过量子信息技术的引入，通过量子化接收，原理上可以有效降低接收信号中的噪声基底功率；通过量子态调制，原理上可以增加信息处理的维度，一方面可以提升信噪比得益，另一方面可以降低发射信号被准确分析和复制的可能性，从而在目标探测和电子对抗领域具有广阔的应用潜力。

2 量子雷达的发展历程和现状

2.1 量子雷达基础理论的发展历程

量子雷达的研究历史可以追溯到20世纪六、七十年代。当时，经典电动力学、经典检测与估计理论、以及经典信息论的理论体系已经建立，考虑到这些经典理论的基本出发点(对任意的时、空场，可以进行精确测量)与量子力学的基本观点(不确定性原理)相矛盾，而量子力学对现实世界的描述更为准确，经典力学只是量子力学在一定条件下的特例，一些研究人员开始关注通信与雷达系统的的量子效应，研究经典检测估计理论与量子力学的关系，并尝试对经典检测估计理论进行量子扩展，以创立适用范围更广的量子检测与估计理论。1966年，P.A.Bakut发表了第一篇关于量子雷达的文章，探讨了在雷达系统中使用量子信号的可能性[1]。为了突破经典检测与估计方法的性能极限，1970年左右，Helstrom等人开始研究量子检测与估计理论[2]。随后，量子最优接收机的理论和验证性实验研究相继展开。1976年，Helstrom出版了其经典著作量子探测与估计理论(quantum detection and estimation theory)，宣告了量子雷达的重要理论基础量子检测与估计理论的建立[3]。随后的80年代，人们对量子光学中压缩态的研究加深了对量子噪声特性的认识，接着开始出现大量如何突破标准量子极限的研究。

21世纪初，以美国麻省理工大学、路易斯安那州立大学、西北大学、德州大学、雷神BBN公司、哈里斯公司和ITT公司等研究团队为代表的研究人员提出了多种不同体制的量子雷达方案[7～9]，主要包括干涉式量子雷达(interferometric quantum Radar)、接收端量子增强激光雷达(quantum enhanced lidar)和量子照射(quantum illumination)。2011年底，M.Lanzagorta出版了Quantum Radar一书[10]，该书对量子雷达的研究状况做了全面总结，从理论上探讨了将量子雷达的工作频段由光波扩展至微波毫米波波段的可能性，并提出了量子雷达方程、量子雷达散射截面等概念。最后，需要说明的是，DARPA正在进行的Information in a Photon项目(启动于2009年)已经将量子增强技术在信息系统中的应用研究推向了高潮，2012年，意大利的E.D.Lopaeva利用PDC产生的非经典光源配合二阶相关性测量，获得超越标准量子极限的实验结果[10]。

综上所述，量子雷达是一个新兴的研究领域，其理论和实验研究处于起步阶段，有大量的问题有待解决，随着研究的继续深入，相信终有一天，性能更强的量子雷达会从理论走向工程应用。

2.2 量子雷达分类

根据前面对于量子雷达基本概念的介绍可以看出，量子雷达探测从发射信号形式和接收检测机理两个层面，对经典雷达进行了扩展和延生，因此，根据量子技术应用层面的差异，将量子雷达分为三大类:第一类为干涉式量子雷达，这种雷达只在发射机中使用量子技术，采用非经典源照射目标区域，接收机进行干涉式测量；第二类为接收端量子增强雷达，这种雷达采用经典源照射目标区域，只在接收机中使用量子技术；第三类为量子照射雷达，这种雷达在发射机和接收机中都使用量子技术，采用非经典源照射目标区域，接收端进行量子检测与估计。

干涉式量子雷达使用非经典源(纠缠或压缩)照射目标区域，在接收端进行经典的相干检测。利用光源的量子特性，可以使雷达系统的距离分辨能力和角分辨能力突破经典性能极限(短噪声极限，瑞利衍射极限)。干涉式量子雷达的概念示意图和数学模型示意图，如图 1所示。

图1 干涉式量子雷达原理示意图

从图 1(a)可以看出，整个系统与量子干涉仪很像，所以我们可以使用量子干涉仪模型来分析干涉式量子雷达的性能。图 1(b)为干涉式量子雷达的Mach-Zender干涉仪模型，利用该模型，可以分析损耗、大气对量子雷达性能的影响。根据目前的分析结果表明，干涉式量子雷达的性能易受损耗、大气的影响。目前来看，除非能够克服真实环境对其性能影响的有效方法，否则干涉式量子雷达体制的应用前景非常有限。

(2)接收端量子增强激光雷达

通过对干涉式量子雷达的研究发现，损耗、大气效应等对非经典量子态的影响非常大，进而严重影响雷达探测的性能。因此，在量子传感器项目的后期，DARPA将研究重点转向了接收端量子增强激光雷达。这种量子雷达与干涉式量子雷达不同，它采用相干态光源(经典光源)扫描目标区域，在接收处理中，利用微观量子所具有高纬度相参特性，达到提高雷达的角度分辨率和增加雷达探测距离的目的。

到目前为止，路易斯安那州立大学和麻省理工学院分别提出了三种实现方案，即：

A.接收端采用具有光子数分辨能力的探测器；

2）随时让学生认知设备或者训练技能的教学效果不理想。学生从听课转向实训操作需要时间，由于课时量的限制，很难实现这一理想的情景。教师讲一个部位，几十名学生无法一起认知一台设备；分成几个小组先后认知一台设备，无疑会降低课堂的时间利用率。设备数量足够的话，分成几个小组同时认知或者操作机器设备，教师又无法做到一一指教。

B.基于零差检测的奇偶探测；

C.采用压缩真空注入(SVI)和相位敏感放大(PSA)的零差检测。

以接收端采用压缩真空注入和相位敏感放大的零差检测量子雷达为例，分别给出了系统结构示意图和实验系统结构框图，如图2和图3所示。

图2 接收端采用SVI和PSA的量子增强雷达系统结构示意图

图3 实验系统结构框图

接收端量子增强激光雷达的理论研究仍在进行，其实验研究也已经开始，这种方案是目前为止所有三种量子雷达方案中发展最快的一种方案。

(3)量子照射雷达

量子照射雷达在发射信号中使用纠缠光源扫描目标区域，在接收处理中，利用量子高纬度相参特性，进行量子最优联合检测，从而实现目标的高灵敏探测。目前的理论和实验研究表明，即使因为真实环境导致信号具有加大损耗，且存在背景噪声的条件下，基于量子照射的目标探测系统依然具有高灵敏度的优异特性。基于量子照射的目标探测系统示意图，如图4所示。

图4 基于量子照射的目标探测系统示意图

对于量子照射雷达而言，发射信号采用纠缠光源和接收检测采用量子最优联合检测是两大核心。从2008年美国麻省理工大学的Seth Lloyd提出了基于量子照射的目标探测方案以来，美国麻省理工大学的研究团队研究了基于高斯态的量子照射、量子照射目标探测系统接收机设计、量子照射目标探测系统的角分辨能力等问题。

量子照射目标探测系统的两种亚最优接收机设计方案及理论预期性能，如图5所示[14，15]。

2012年，意大利的研究团队提出了使用空间多模相关光源和光子数二阶相关性测量的量子照射方案，并对该方案的错误检测概率性能进行了理论和实验研究[9]。该方案的错误检测概率性能曲线，如图6所示。

总之，基于量子照射的目标探测技术在损耗很大、噪声很大的条件下，依然可以实现对目标的高灵敏探测，国际上针对该问题的理论和实验研究已经开始，总体来说处于起步阶段，有大量问题有待研究。

图5 量子照射目标探测系统的两种接收机设计方案及理论预期性能

图6 空间多模相关量子照射方案错误检测概率性能曲线

3 量子雷达探测重点发展方向

3.1 量子雷达探测的目标散射特性研究

对于雷达探测而言，目标的散射特性直接关系到雷达探测的性能。对于经典雷达探测机理下的目标特性，包括RCS、极化等已经开展了大量的研究。而目前对于量子探测雷达而言，对于目标量子散射特性却缺乏研究。

由于量子探测雷达发射信息载体为一小束光子，所以这个体制中的雷达-目标相互作用可以描述成光子-原子的散射过程，这一过程由量子电动力学的定义可得。因此，使用宏观意义下的雷达散射截面积表征量子雷达照射目标的能见度，在理论上是不符的[16]。

根据美国现有的研究成果表面，量子散射过程可能以弹性碰撞取代波动衍射特性，导致目标量子RCS与经典RCS存在较大差异。但是目前依然缺乏足够的实验数据验证结论。

3.2 量子雷达探测的机理性理论和实验研究

对于量子雷达探测而言，虽然没有突破经典雷达探测的理论框架，但是对于检测理论和信号载体均进行了不同程度的扩展，由此产生了全新的探测机理。相比较国外的理论研究，我国在量子最优检测等方面的理论和实验研究尚处于起步阶段，还需要大力开展相关理论，特别是实验验证工作。

3.3 量子雷达探测的总体系统设计

量子雷达探测作为量子信息技术与雷达探测相结合的产物，是对经典雷达探测理论的有益补充和扩展，因此量子雷达探测应该作为经典雷达探测的一种辅助子系统存在，因此需要从两个方面开展对量子雷达的总体设计。

首先，对于量子雷达探测子系统本身而言，其需要根据量子雷达探测的基本原理，在现有各种实验系统的基础上，第一步：明确量子雷达系统的总体指标体系，鉴于量子雷达探测在发射信号载体和接收检测机理上与经典雷达的差异，需要对系统的总体指标进行重新分解和定义；第二步：明确量子雷达系统的主要分系统和对应的指标，为了实现量子雷达探测，无论是信号产生、调制还是信号接收、检测等处理，分系统的实现方式同样有别于经典雷达，因此需要对分系统的构成，以及相应的分系统指标进行分解；第三步：在分系统指标的牵引下，开展分系统实现途径的论证工作。

其次，对于量子雷达探测与经典雷达结合问题而言，其需要根据量子雷达自身的特点和固有局限性，如量子雷达接收系统可能存在的动态范围有限等问题，对雷达系统进行整体规划，在充分融合宏观和微观优势的基础上，构建新体制雷达架构，并对全新的架构进行总体规划和顶层设计。

3.4 量子雷达探测的核心元器件技术

对于量子雷达探测而言，为了获取目标探测的高性能，需要非经典光源、干涉仪、单光子探测器等一系列核心元器件的支撑。但是对于雷达探测而言，系统对上述核心器件的指标提出了极高的要求，如光源的亮度、单光子探测器的暗计数水平等，因此需要在总体设计和指标分配的牵引下，明确量子雷达探测中需要重点攻关的核心元器件，并开展相应的基础攻关工作，为量子雷达探测系统的研制提供基础。

4 结语

基于量子信息技术的量子雷达探测，在检测理论和信息载体等方面，对经典雷达理论进行扩展，并具备突破经典雷达极限的应用潜力。量子雷达理论主要以经典雷达理论、量子力学、量子光学、量子场论、量子检测与估计理论、量子香浓理论等为基础；此外，量子通信、量子测量和量子传感等新兴研究领域的研究成果，对量子雷达探测的研究同样具有重要的参考价值。

量子雷达的研究主要围绕以下问题展开：量子态的产生、传输、探测、量子态与目标相互作用的机理、以及如何利用量子特性突破经典性能极限。与经典雷达理论相比，量子雷达在扩展了的域空间中进行系统设计，在考虑了电磁场量子特性的基础上优化目标探测与信息获取系统，以突破经典性能极限。此外，量子特性的引入给雷达抗干扰设计、反隐身设计提供了新的可能性。

量子雷达是一个新兴的研究领域，其理论和实验研究处于起步阶段，有大量的问题有待解决，随着研究的继续深入，相信终有一天，性能更强的量子雷达会从理论走向工程应用。

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