一种基于量子纠缠光关联特性的分布式距离相关定位方法

摘要

本发明提出了一种基于量子纠缠光关联特性的分布式三边定位方法。首先，将连续泵浦光通过反射镜和偏振片生成偏振光，照射至周期极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled KTP，PPKTP)晶体，产生具有纠缠特性的闲置光和信号光；然后，闲置光由本地单光子探测器探测，信号光发送至待测目标，并反射回本地用另一单光子探测器探测；其次，利用高速采集电路记录光路到达的时刻信息，并生成时间标签序列；再次，通过符合计数得到二阶纠缠光关联特性曲线，找出其峰值所对应的延迟，从而计算出本地接入点到待测目标的距离；最后，部署3个位置已知的本地接入点，利用三边定位原理计算出待定位目标的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及量子精密测量领域，特别涉及一种利用量子纠缠光关联特性来提升分布式距离相关定位方法的定位精度。

背景技术

随着物联网时代的到来，路径查询、物流监控、导航定位等位置服务已渗透到人们生产生活中的方方面面。常见的定位系统有全球定位系统、蜂窝基站定位系统、惯性导航定位系统、北斗卫星定位系统，广泛应用于交通导航、卫星授时应用、应急指挥、民用水情测报服务等，发挥了至关重要作用。

由于上述定位系统大多是基于牛顿力学、麦克斯韦方程组及香农信息论等为主要内容的经典物理学，其定位精度受到了经典散粒噪声的限制，普遍维持在米级，很难有进一步的提高。此外，上述定位系统大多依赖于无线信号而极易受到电离层和对流层的干扰，导致信号的非线性传播，系统抗干扰能力差。因此，一种以量子力学为理论基础的方法因其具有高定位精度和高安全性的特点，在定位应用上具有非常可观的研究前景。

目前，基于无线信号的三边定位方法因信号易受多径效应的影响，导致很难保持移动目标与信号接入点之间的时间精确同步，在复杂的实际应用中受到了较大的限制。此外，信号传播速率较快，即使是十分微小的时间误差也会造成巨大的定位误差，急剧降低定位性能。因此，对于高精度的时钟同步技术的要求就显得更为迫切，而量子定位方法依靠符合计数测量时差，已经被证实相比经典方法可以提供更高的时钟同步精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于量子纠缠光关联特性的分布式距离相关定位方法。与传统的基于无线信号的距离相关定位方法相比，基于量子纠缠态的方案不再依赖于电磁波等无线信号，而是利用纠缠光子的二阶关联特性提升定位精度，理论上可达纳米级。

本发明所采用的技术方案为：一种基于量子纠缠光关联特性的分布式距离相关定位方法，具体包括以下步骤：

步骤一、利用波长为405nm的半导体激光器产生高质量的泵浦光，利用焦距分别为300mm和75mm的透镜组成望远镜系统，对泵浦光进行光场压缩，得到纯净的泵浦光；

步骤二、将纯净的泵浦光照射周期极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled KTP，PPKTP)晶体产生自发参量下转换过程，光束以一定概率发生参量下转换得到纠缠光；

步骤三、将得到的纠缠光通过反射波长为405nm的高通全反镜，反射多余未转换的泵浦光，并利用干涉滤波片滤除环境中的干扰光，得到高质量的纠缠光；

步骤四、利用偏振分束器分离波长为810nm的纠缠光，得到闲置光和参考光；

步骤五、将闲置光和信号光分别通过光子耦合器，闲置光直接由本地单光子探测器1探测，信号光发送至距离L处的待测目标，并反射回来用单光子探测器2探测；

步骤六、在采集时间T内，通过高速采集电路记录信号到达的时刻信息并设置不同的通道标志位CH1和CH2，闲置光和信号光到达的时刻信息分别以时间标签序列T

步骤七、对时间序列标签T

其中，T为总采样时间，δ为符合门宽，R

当R

步骤八、基于最小二乘拟合算法对所获得的离散点(τ,g

其中，c为光速；

步骤九、根据三边定位原理，通过部署位置坐标已知的3个纠缠光收发机(即本地接入点)，根据上述方法可得3个本地接入点到目标的距离L

所述步骤七中包括以下步骤：

步骤七(一)、对T

步骤七(二)、选取T

步骤七(三)、在每一个时间区间内搜索T

步骤七(四)、搜索完T

所述步骤九中包括以下步骤：

步骤九(一)、假设3个本地接入点的物理坐标分别为(x

将公式(5)展开，化简得到：

步骤九(二)、设

即有Y＝ΑX，其中，

步骤九(三)、利用最小二乘关系式

附图说明

图1为本发明量子纠缠光测距光路图；

图2为本发明高速采集电路工作时序图；

图3为本发明符合计数算法流程图；

图4为本发明符合计数算法下高速采集电路工作时序图；

图5为本发明三边定位原理图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

步骤一、利用波长为405nm的半导体激光器产生高质量的泵浦光，利用焦距分别为300mm和75mm的透镜组成的望远镜系统，对泵浦光进行光场压缩，得到纯净的泵浦光；

步骤二、将纯净的泵浦光照射PPKTP晶体产生自发参量下转换过程，光束以一定概率发生参量下转换得到纠缠光；

步骤三、将得到的纠缠光通过反射波长为405nm的高通全反镜，反射多余未转换的泵浦光，并利用干涉滤波片滤除环境中的干扰光，得到高质量的纠缠光；

步骤四、利用偏振分束器分离波长为810nm的纠缠光，得到具有相等光强I的信号光和闲置光，满足：

其中，符号“∝”表示正相关，d为晶体长度，c为光速，Δk为相位失配量，满足：

其中，Λ为极化周期，k

步骤五、将闲置光和信号光分别通过光子耦合器，闲置光直接由本地单光子探测器1探测，信号光发送至距离L远处的待测目标，并反射回来用单光子探测器2探测；

步骤六、将采集时间T设为30s，通过高速采集电路记录信号到达的时刻信息并设置不同的通道标志位CH1和CH2，闲置光和信号光到达的时刻信息分别以时间标签序列T

步骤七、对时间序列标签T

其中，δ为符合门宽，R

当R

步骤八、基于最小二乘拟合算法对所获得的离散点(τ,g

其中，c为光速；

步骤九、根据三边定位原理，通过部署位置坐标已知的3个本地接入点，根据上述方法可得3个本地接入点到目标的距离L

所述步骤七中包括以下步骤：

步骤七(一)、对T

步骤七(二)、选取T

步骤七(三)、在每一个时间区间内搜索T

步骤七(四)、搜索完T

所述步骤九中包括以下步骤：

步骤九(一)、假设3个本地接入点的物理坐标分别为(x

将公式(14)展开，化简得到：

步骤九(二)、设

即有Y＝ΑX，其中，

步骤九(三)、利用最小二乘关系式