本发明专利技术属于量子光学与微波电场测量的技术领域，公开了一种基于里德堡原子群阵列的波源定位装置，包括探测激光器、耦合激光器，探测激光器发出的激光经第一阵列分束器后分为平行的三束探测光并入射至碱金属原子气室，然后经二向色镜后入射至光电探测器组；耦合激光器发出的激光第二阵列分束器后分成平行的三束耦合光，并与三束探测光分别反向重合入射至碱金属原子气室，形成里德堡原子群阵列；本征天线用于沿垂直于探测光方向向碱金属原子气室内的发出里德堡原子群阵列本征微波信号；光电探测器组用于分别接收三束探测光信号强度并发送至计算单元得到目标天线的三维位置。本发明专利技术测量操作简单，有益于设备集成，可实时在线反馈。反馈。反馈。
【技术实现步骤摘要】
一种基于里德堡原子群阵列的波源定位装置和系统
[0001]本专利技术涉及一种波源定位方法，具体涉及一种基于里德堡原子群阵列的波源定位装置和系统，属于量子光学与微波电场测量的
技术介绍
[0002]定位技术的研究和应用十分广泛，其利用无线电测向机测出信号发射源发出的电磁波及其传播方向，以确定信号发射源位置。该技术在电子对抗、目标探测、导航定位等领域都有重要应用，主要体现为信号分选和识别、方向引导、提供辐射源方向和位置情报等。其中，无源定位方法由于其不主动地辐射电磁波，而是通过截获目标辐射源辐射的电磁波信号进行位置确定，可以避免暴露自身位置的特点而广受青睐。
[0003]现有的无源探测系统使用的多是偶极天线，而偶极天线由金属、介质或金属介质混合材料构成，这些材料会影响电磁场的边界条件，对空间电磁波产生扰动，进而影响测量精度。此外，现有的天线单元孔径尺寸因受限于Chu
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Harrington极限，其天线孔径尺寸必须与波长相比拟，需要测量的电磁波频率越低，波长越长，所需测向系统的天线孔径尺寸越大。
[0004]传统的测向定位方法，每个观测点利用线阵或面阵分别对目标进行一维或二维测向，然后结合观测站的地理坐标进行交叉定位，计算目标位置的二维坐标或三维坐标。使用现有的测向定位方法对目标进行三维定位，需要每个观测站使用面阵同时测量目标的方位角和俯仰角，导致布设的天线阵列成本较高，且难以布设在某些特定的狭窄区域内。
[0005]里德堡原子是指一个或多个最外层电子处于高激发态的原子，具有相干时间长、对外部电磁场响应敏感的特点。利用里德堡原子群与微波电磁场的相互作用可实现对空间电磁场强度、偏振、相位等参数的精确测量。而现有技术中，单个里德堡原子传感器的物理孔径有限，且利用里德堡原子传感器的定位仅能探测到一维到达角，不能实现二维到达角测量以及三维空间定位的需求。
技术实现思路
[0006]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于里德堡原子群阵列的波源定位方法与装置，以实现波源的空间定位。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，包括探测激光器、第一阵列分束器、碱金属原子气室、二向色镜、耦合激光器、第二阵列分束器、本征天线、光电探测器组、计算单元，
[0008]所述探测激光器发出的激光经第一阵列分束器后分为平行的三束探测光，形成L型排列的探测光阵列并入射至所述碱金属原子气室，然后经所述二向色镜后入射至所述光电探测器组；所述耦合激光器发出的激光第二阵列分束器后分成平行的三束耦合光，形成L型排列的耦合光阵列并与所述三束探测光分别反向重合入射至所述碱金属原子气室，形成截面为L型排列的里德堡原子群阵列；
[0009]所述本征天线设置在所述碱金属原子气室一侧，用于沿垂直于探测光方向，向所述碱金属原子气室内里德堡原子群阵列发射本征微波信号；
[0010]所述光电探测器组用于分别接收所述三束探测光信号强度并发送至所述计算单元；
[0011]所述计算单元用于根据三束探测光信号的相位差信息和时间信息，计算得到目标天线的三维位置。
[0012]所述第一阵列分束器和第二阵列分束器为空间光调制器，或分束器与平面反射镜形成的组合分束器。
[0013]所述的一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，还包括校准天线，所述校准天线设置在高度可调节的二维平移台上；所述二维平移台用于带动所述校准天线进行二维移动；
[0014]所述计算单元用于根据所述校准天线的实际位置，以及对应的探测光信号的时间相位信息，计算得到时间相位信息与天线实际位置的指纹谱；
[0015]所述计算单元根据所述指纹谱和目标天线对应的探测光信号相位信息和时间信息，得到目标天线的位置。
[0016]所述计算单元基于比时法或比相法，或结合比时法和比相法计算得到目标天线的三组到达角，并根据三组到达角计算目标天线的三维位置。
[0017]比相法的计算公式为：
[0018][0019][0020][0021][0022]其中，θ'、ρ'、σ'分别为比相法计算得到的目标天线在xoy、zox、yoz基准面的方位角；l表示目标天线到坐标原点的相对光程差，l
x
、l
y
、l
z
为相对光程差l在x,y,z三个坐标轴上的分量；为相对光程差在yoz,zox,xoy三个基准面上的投影分量；分别表示两个阵元之前测量到的相位差，d和h分别表示水平和竖直方向上的基线长度，k为微波的波矢。
[0023]比时法的计算公式为：
[0024][0025][0026][0027]其中，θ”、ρ'、σ”分别表示比时法计算得到的目标天线在xoy、zox、yoz基准面的方位角，其中，ε
z
、ε
y
、ε
x
分别为目标天线在xoy、zox、yoz基准面上的仰角，分别为目标天线在xoy、zox、yoz基准面上的仰角，c表示光速，t
13
表示干涉信号到位于坐标原点和位于y轴上的里德堡原子群阵元中所用时间之差，t
23
表示干涉信号到位于x轴上的和位于y轴上的里德堡原子群阵元中所用时间之差，t
12
表示干涉信号到位于坐标原点和位于x轴上的里德堡原子群阵中所用时间之差。
[0028]结合比时法或比相法得到目标天线的三个方位角的具体方法为：
[0029]θ＝min(θ'，θ”)，ρ＝min(ρ',ρ”)，σ＝min(σ',σ”)
[0030]其中，θ，ρ，σ表示最终结合比时法或比相法计算得到目标天线在xoy、zox、yoz基准面的方位角。
[0031]所述的一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，还包括第一锁频控制器，探测激光控制器，第二锁频控制器和耦合激光控制器；所述第一锁频控制器和第二锁频控制器分别用于对探测激光器和耦合激光器进行锁频；所述探测激光控制器和耦合激光器控制器分别用于控制探测激光器和耦合激光器的工作状态。
[0032]计算单元得到目标天线的三维位置的计算公式为：
[0033][0034]其中，(x,y,z)表示目标天线的位置，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)分别表示三个阵元的三维坐标、θ，ρ，σ表示目标天线在xoy、zox、yoz基准面的方位角，ε
z
、ε
y
、ε
x
分别为目标天线在xoy、zox、yoz基准面上的仰角。
[0035]此外，本专利技术还提供了一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位系统，包括多个所述的装置，装置间距离信息已知，各装置间信息联通且计时同步。
[0036]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0037]本专利技术提供了一种基于里德堡原子群阵列的波源定位方法与装置，采用里德堡原子群阵列实现波本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，其特征在于，包括探测激光器(3)、第一阵列分束器(6)、碱金属原子气室(7)、二向色镜(8)、耦合激光器(14)、第二阵列分束器(9)、本征天线(16)、光电探测器组(20)、计算单元(21)，所述探测激光器(3)发出的激光经第一阵列分束器(6)后分为平行的三束探测光，形成L型排列的探测光阵列并入射至所述碱金属原子气室(7)，然后经所述二向色镜(8)后入射至所述光电探测器组(20)；所述耦合激光器(14)发出的激光第二阵列分束器后分成平行的三束耦合光，形成L型排列的耦合光阵列并与所述三束探测光分别反向重合入射至所述碱金属原子气室(7)，形成截面为L型排列的里德堡原子群阵列(23)；所述本征天线(16)设置在所述碱金属原子气室(7)一侧，用于沿垂直于探测光方向，向所述碱金属原子气室(7)内里德堡原子群阵列(23)发射本征微波信号；所述光电探测器组(20)用于分别接收所述三束探测光信号强度并发送至所述计算单元；所述计算单元用于根据三束探测光信号的相位差信息和时间信息，计算得到目标天线的三维位置。2.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，其特征在于，所述第一阵列分束器(6)和第二阵列分束器(9)为空间光调制器，或分束器与平面反射镜形成的组合分束器。3.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，其特征在于，还包括校准天线，所述校准天线设置在高度可调节的二维平移台上；所述二维平移台用于带动所述校准天线进行二维移动；所述计算单元用于根据所述校准天线的实际位置，以及对应的探测光信号的时间相位信息，计算得到时间相位信息与天线实际位置的指纹谱；所述计算单元根据所述指纹谱和目标天线对应的探测光信号相位信息和时间信息，得到目标天线的位置。4.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，其特征在于，所述计算单元基于比时法或比相法，或结合比时法和比相法计算得到目标天线的三组到达角，并根据三组到达角计算目标天线的三维位置。5.根据权利要求4所述的一种基于里德堡原子群阵列进行波源定位的装置，其特征在于，比相法的计算公式为：于，比相法的计算公式为：于，比相法的计算公式为：
其中，θ'、ρ'、σ'分别为比相法计算得到的目标天线在xoy、zox、yoz基准面的方位角；l表示目标天线到坐标原点的相对光程差，l
x
、l
y
、l
z
为相对光程差l在x,y,z三个坐标轴上的分量；为相对光程差在yoz,zox,xoy三个基准面上的...
【专利技术属性】
技术研发人员：元晋鹏，汪丽蓉，燕阳，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：
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