Remote Sensing更新 | 理解量子雷達(dá)的限制和可能性

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 2024-9-30 08:01:00

引言
量子雷達(dá)(QR)近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注，可提供增強(qiáng)的探測(cè)能力和潛在的優(yōu)勢(shì)，超越經(jīng)典雷達(dá)系統(tǒng)。本文旨在全面概述量子雷達(dá)技術(shù)、其理論基礎(chǔ)以及目前限制其廣泛應(yīng)用的實(shí)際限制[1]。

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量子雷達(dá)基礎(chǔ)
量子雷達(dá)基于量子照明(QI)原理，利用糾纏光子對(duì)來(lái)探測(cè)和定位目標(biāo)。這個(gè)概念涉及生成糾纏光子對(duì)，其中一個(gè)光子(信號(hào))被發(fā)送到潛在目標(biāo)，而另一個(gè)(閑置)被保留在接收器。探測(cè)過(guò)程依賴(lài)于接收到的光子與存儲(chǔ)的閑置光子之間的相關(guān)性。

已提出兩種主要類(lèi)型的量子雷達(dá)：
1. 量子照明(QI)雷達(dá)
2. 量子雙模壓縮(QTMS)雷達(dá)

QTMS雷達(dá)的操作類(lèi)似于傳統(tǒng)雷達(dá)，但利用量子效應(yīng)可能增強(qiáng)探測(cè)能力。

圖1：比較了傳統(tǒng)雷達(dá)(CR)、噪聲雷達(dá)(NR)和量子雷達(dá)(QR)的框圖，突出了信號(hào)生成和處理的差異。
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光子統(tǒng)計(jì)和背景噪聲
量子雷達(dá)操作的一個(gè)關(guān)鍵方面是信號(hào)光子和背景噪聲光子之間的關(guān)系。每個(gè)模式的平均背景光子數(shù)(NB)由玻色-愛(ài)因斯坦方程描述：

其中：
h = 普朗克常數(shù)
f = 頻率
KB = 玻爾茲曼常數(shù)
Ts = 系統(tǒng)溫度

圖2：顯示了不同系統(tǒng)溫度下每單位模式的平均光子數(shù)(NB)與頻率的關(guān)系，說(shuō)明了頻率與背景噪聲之間的關(guān)系。

量子雷達(dá)的距離限制
量子雷達(dá)系統(tǒng)的最大探測(cè)距離受到幾個(gè)因素的根本限制，包括發(fā)射的光子數(shù)、目標(biāo)的雷達(dá)截面積和系統(tǒng)的噪聲溫度。

距離R處目標(biāo)的自由空間雙向衰減由以下公式給出：

其中：
G = 天線(xiàn)增益
λ = 波長(zhǎng)
σ = 雷達(dá)截面積

圖3：顯示了X波段頻率下不同天線(xiàn)增益的自由空間衰減(aR)與距離的關(guān)系，展示了衰減隨距離的快速增加。

量子雷達(dá)的最大探測(cè)距離(Rmax)可以用以下公式計(jì)算：

其中：
L = 總損耗
SNRmin = 最小所需信噪比
Ns = 每個(gè)模式的平均信號(hào)光子數(shù)
ηQ = 量子優(yōu)勢(shì)
B = 帶寬
T = 信號(hào)持續(xù)時(shí)間

圖4顯示了X波段QR的雷達(dá)探測(cè)距離(Rmax)與不同系統(tǒng)溫度和量子優(yōu)勢(shì)下的時(shí)間持續(xù)關(guān)系，說(shuō)明了量子雷達(dá)系統(tǒng)的有限探測(cè)距離。
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與經(jīng)典雷達(dá)和噪聲雷達(dá)的比較
為了理解量子雷達(dá)的潛在優(yōu)勢(shì)和限制，比較其與經(jīng)典雷達(dá)(CR)和噪聲雷達(dá)(NR)系統(tǒng)非常重要。

噪聲雷達(dá)波形
噪聲雷達(dá)系統(tǒng)使用可以調(diào)整的偽隨機(jī)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)理想的特性，如低峰值旁瓣電平(PSL)和可接受的峰均比(PAPR)。相比之下，量子雷達(dá)信號(hào)本質(zhì)上是隨機(jī)的，無(wú)法修改，導(dǎo)致由于較差的PAPR而造成更高的損耗。

圖5：說(shuō)明了信噪比損耗與PAPR之間的關(guān)系，顯示了定制噪聲雷達(dá)波形相對(duì)于量子雷達(dá)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。

探測(cè)距離比較
噪聲雷達(dá)和量子雷達(dá)之間的最大探測(cè)距離比可以表示為：

其中：
PT = 發(fā)射功率
KB = 玻爾茲曼常數(shù)
Ts = 系統(tǒng)溫度
B = 帶寬
NB = 每個(gè)模式的平均背景光子數(shù)
Ns = 每個(gè)模式的平均信號(hào)光子數(shù)
ηQ = 量子優(yōu)勢(shì)

圖6：比較了X波段頻率下噪聲雷達(dá)和量子雷達(dá)的最大探測(cè)距離，展示了噪聲雷達(dá)相對(duì)于量子雷達(dá)的顯著距離優(yōu)勢(shì)。

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實(shí)際限制和挑戰(zhàn)
幾個(gè)實(shí)際限制和挑戰(zhàn)阻礙了量子雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施：
1. 低信號(hào)光子計(jì)數(shù)：量子雷達(dá)在每個(gè)模式光子數(shù)很少(Ns
2. 低溫冷卻需求：為實(shí)現(xiàn)理論上的量子優(yōu)勢(shì)，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)（包括天線(xiàn)）必須冷卻到極低溫度（接近絕對(duì)零度），這對(duì)大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。
3. 有限帶寬：量子雷達(dá)系統(tǒng)的帶寬受到監(jiān)管和技術(shù)限制，通常不超過(guò)載波頻率的10%。
4. 大氣效應(yīng)：在量子效應(yīng)更明顯的較高頻率下，大氣衰減成為一個(gè)關(guān)鍵因素，限制了系統(tǒng)的操作范圍。
5. 目標(biāo)波動(dòng)和多普勒效應(yīng)：量子雷達(dá)所需的長(zhǎng)積分時(shí)間使系統(tǒng)容易受到目標(biāo)閃爍和多普勒頻率偏移的影響，可能會(huì)抵消任何量子優(yōu)勢(shì)。

潛在應(yīng)用和未來(lái)前景
雖然量子雷達(dá)當(dāng)前的限制使其不適合傳統(tǒng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)，但在某些特定應(yīng)用中可能找到用途：
1. 短程感測(cè)：生物醫(yī)學(xué)感測(cè)、微波斷層掃描和非侵入式生命體征監(jiān)測(cè)等應(yīng)用可能受益于量子雷達(dá)的低功率特性。
2. 細(xì)胞生物學(xué)研究：在需要對(duì)單個(gè)細(xì)胞施加極低輻射功率的情況下，量子照明技術(shù)可能有用。
3. 高頻感測(cè)：由于量子效應(yīng)在更高頻率下更加明顯，在太赫茲、紅外或光學(xué)領(lǐng)域可能存在潛在應(yīng)用。
4. 其他領(lǐng)域的量子感測(cè)：量子照明原理可能在雷達(dá)以外的其他感測(cè)和計(jì)量領(lǐng)域找到應(yīng)用。

結(jié)論
量子雷達(dá)技術(shù)雖然在理論上有前景，但面臨著嚴(yán)重的實(shí)際挑戰(zhàn)，限制了其在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。固有的距離限制，加上對(duì)低溫冷卻的需求，以及無(wú)法在不失去量子優(yōu)勢(shì)的情況下放大信號(hào)，使量子雷達(dá)不適用于大多數(shù)常規(guī)雷達(dá)應(yīng)用。

量子雷達(dá)據(jù)稱(chēng)的優(yōu)勢(shì)，如改進(jìn)隱身目標(biāo)的探測(cè)或顯著增強(qiáng)距離性能，并未得到當(dāng)前理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。事實(shí)上，傳統(tǒng)雷達(dá)和噪聲雷達(dá)系統(tǒng)在探測(cè)距離和整體性能方面始終優(yōu)于量子雷達(dá)。

然而，量子雷達(dá)的研究已經(jīng)促進(jìn)了我們對(duì)量子感測(cè)的理解，可能為其他領(lǐng)域的新應(yīng)用開(kāi)辟機(jī)遇。隨著研究的繼續(xù)，以批判和現(xiàn)實(shí)的視角看待量子雷達(dá)技術(shù)非常重要，重點(diǎn)關(guān)注其獨(dú)特屬性可能提供真正優(yōu)勢(shì)的潛在特定應(yīng)用。

未來(lái)的量子雷達(dá)研究應(yīng)該集中于：

開(kāi)發(fā)更高效的方法來(lái)生成和探測(cè)微波頻率下的糾纏光子對(duì)。

探索短程、低功率感測(cè)場(chǎng)景中的潛在應(yīng)用。

研究在其他頻段（如太赫茲或光學(xué)領(lǐng)域）使用量子照明原理的可能性。

解決實(shí)施量子雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際挑戰(zhàn)，包括低溫冷卻和信號(hào)處理。

通過(guò)理解量子雷達(dá)的限制和可能性，研究人員和工程師可以更好地引導(dǎo)他們的努力，開(kāi)發(fā)實(shí)用的量子感測(cè)技術(shù)，有朝一日可能補(bǔ)充或增強(qiáng)現(xiàn)有的雷達(dá)和感測(cè)系統(tǒng)。

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參考文獻(xiàn)
[1] G. Pavan and G. Galati, "Range Limitations in Microwave Quantum Radar," Remote Sens., vol. 16, no. 2543, pp. 1-20, Jul. 2024, doi: 10.3390/rs16142543.

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