基于量子纠缠光子对的三维定位系统及定位方法

1.本发明属于量子导航定位技术领域，具体涉及一种基于量子纠缠光子对的三维定位系统及定位方法。


背景技术：

2.测距技术是实现未知目标物定位与导航的基础，定位系统的测距精度决定了其定位精度。传统测距技术，比如超声波测距、红外测距以及激光测距等均是基于经典物理的测距技术，其测距精度始终受限于标准量子极限。为了获得更高的定位精度，必须寻求一种能够突破标准量子极限的新型测距技术。
3.随着量子理论的建立，量子力学逐渐深入到物理实验中，特别是以量子纠缠为基础的量子理论和应用技术发展迅速。2001年，美国麻省理工学院giovannetti研究小组在《nature》杂志上提出了一种新型测距方法，即量子精密测距。当采用具有频率纠缠和压缩特性的量子光源作为测距系统的光源时，可以将测量精度提高倍。其中m表示纠缠脉冲的个数，n表示一个脉冲中的平均光子数。该技术主要利用光子的纠缠或者压缩特性来实现对距离信息的高精度测量，使得测量精度能够突破标准量子极限的限制，达到海森堡极限。量子精密测距技术为实现高精度定位提供了新的技术支撑。
4.当前，随着纠缠光源制备技术的发展，基于自发参量下转换技术可以获取性能优越的纠缠光子对，分别称为信号光和闲置光。在实际测距过程中，信号光发射至待测目标后反射回本地，与留在本地的闲置光通过符合计数测量的方法获得纠缠光子对的到达时间差，然后根据该时间差求解出距离信息。
5.例如，申请号为202210383672x的中国发明专利要求保护一种基于量子纠缠光的二维平面定位系统及方法，该系统及方法借助于参考光源发出的可见光束与信号光子同轴传输，以实现量子信号的快速高效耦合，通过辅助定位装置光路结构设计，只需要通过旋转其中的直角棱镜反射镜就能实现测距方向的360度转变以及方位角的提取，利用与待测目标点的距离和方位角信息可最终实现量子纠缠光的二维平面的高精度定位。但是，该系统及方法仅能实现二维平面定位。大多数目标均是位于三维空间中的目标，从目前目标定位需求来看，仅实现二维平面定位是不够的，实现目标的三维定位才能准确知晓目标的真实位置。因而，如何基于量子纠缠光实现目标的高精度三维定位是急需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于量子纠缠光子对的三维定位系统及定位方法，用以解决现有技术仅实现目标的二维平面定位无法准确实现位于三维空间中目标的精密定位的问题，以通过实现量子测量技术与传统定位技术的融合，实现空间目标的高精密三维定位。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于量子纠缠光子对的三维定位系统，包括纠缠光源、第一单光子探测器、第二单光子探测器、符合测量模块、耦合器、光纤环形
器、光纤准直器、反射镜、直角棱镜反射镜和角隅棱镜；所述纠缠光源用于产生纠缠光子对并分成闲置光和信号光；所述角隅棱镜设置在目标点处；
8.闲置光的光路上设置有第一单光子探测器，闲置光用于直接被第一单光子探测器接收；
9.信号光的光路上设置有耦合器、光纤环形器、光纤准直器、反射镜、直角棱镜反射镜、角隅棱镜和第二单光子探测器，所述直角棱镜反射镜的水平旋转角和俯仰角可调节；
10.信号光的光路上设置有耦合器、光纤环形器、反射镜、直角棱镜反射镜、角隅棱镜和第二单光子探测器，所述直角棱镜反射镜的水平旋转角和俯仰角可调节；在对目标点进行实际定位测量时，信号光用于依次经过耦合器、光纤环形器、光纤准直器、反射镜、直角棱镜反射镜和角隅棱镜后，沿原路返回至直角棱角反射镜，进而依次经过反射镜、光纤准直器和光纤环形器后被第二单光子探测器接收；
11.所述符合测量模块用于根据实际定位测量过程中第一单光子探测器和第二单光子探测器检测到的光子到达时间序列进行符合计数测量确定闲置光和信号光之间的实际测量光程差；进而利用实际测量光程差和标定出的系统中闲置光和信号光之间的固有光程差确定目标点与直角棱镜反射镜上反射点之间的绝对距离，并依据该绝对距离以及直角棱镜反射镜的位姿信息对目标点进行三维定位。
12.其有益效果为：本发明在整个三维定位系统中设置有直角棱镜反射镜，其水平旋转角和俯仰角可调节，通过改变其水平旋转角和俯仰角来改变入射至直角棱镜反射镜的信号光的走向，从而使得在实际定位测量过程中信号光通过直角棱镜反射镜反射至设置在目标点处的角隅棱镜，进而再通过角隅棱镜沿原路返回，进而被第二单光子探测器接收，根据第一单光子探测器和第二单光子探测器检测到的光子到达时间序列进行符合计数测量确定闲置光和信号光之间的实际测量光程差；进而结合实际测量光程差和标定出的系统中闲置光和信号光之间的固有光程差便可以求得目标点与直角棱镜反射镜上反射点之间的绝对距离，依据该绝对距离以及直角棱镜反射镜的方位角信息便可对目标点进行三维定位。基于该独特的光路设计，可实现高精密测距以及相应位置信息的测量，进而实现高精密三维定位。
13.进一步地，在对系统中闲置光和信号光之间的固有光程差进行标定时，信号光用于依次经过耦合器、光纤环形器、光纤准直器、反射镜到达直角棱镜反射镜，然后沿原路返回至反射镜，进而依次经过光纤准直器和光纤环形器后被第二单光子探测器接收。
14.进一步地，所述目标点与直角棱镜反射镜上反射点之间的绝对距离为：
15.r
oa
＝(l
a-l0)/2
16.式中，r
oa
为目标点a与直角棱镜反射镜上反射点o之间的绝对距离；la为目标点a实际定位测量过程中得到的光程差；l0为系统中闲置光和信号光之间的固有光程差。
17.进一步地，依据该绝对距离r
oa
以及直角棱镜反射镜的位姿信息对目标点进行三维定位时，需依据直角棱镜反射镜的位姿信息确定α和β，记点a'为目标点a在点o所在水平面上的投影点，则α为oa'与测量系统坐标系中x轴的夹角，β为oa与oa'之间的夹角；相应目标点的三维定位结果为：
[0018][0019]
式中，(xa,ya,za)为目标点的三维坐标。
[0020]
其有益效果为：结合目标点在已知坐标系中的水平旋转角和俯仰角，对应于α和β，便可对目标点进行高精密的三维定位。
[0021]
进一步地，所述三维定位系统还包括转台，所述光纤准直器、反射镜和直角棱镜反射镜固定设置在所述转台上；且通过所述转台实现所述直角棱镜反射镜的旋转，以改变直角棱镜反射镜的水平旋转角。
[0022]
其有益效果为：利用转台可以实现直角棱镜反射镜的旋转，为改变信号光的发射方向提供一种新的选择。
[0023]
进一步地，光纤准直器和光纤环形器之间通过柔性光纤连接。
[0024]
其有益效果为：光纤准直器和光纤环形器之间通过柔性光纤连接，使得光纤准直器可以进行相应的水平旋转。
[0025]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于量子纠缠光子对的三维定位方法，包括如下步骤：
[0026]
1)产生纠缠光子对并分成闲置光和信号光；
[0027]
2)对待测目标点进行实际定位测量时，产生的闲置光被第一单光子探测器接收；调节直角棱镜反射镜的水平旋转角度与俯仰角度，使得产生的信号光依次经过耦合器、光纤环形器、光纤准直器、反射镜、直角棱镜反射镜和角隅棱镜后，沿原路返回至直角棱镜反射镜，进而依次经过反射镜、光纤准直器和光纤环形器后被第二单光子探测器接收；依据第一单光子探测器和第二单光子探测器检测到的光子到达时间序列进行符合计数测量以确定闲置光和信号光的实际测量光程差；
[0028]
3)利用标定过程中测量的系统中闲置光和信号光之间的固有光程差以及步骤2)中实际定位测量过程中测量的实际测量光程差，确定目标点与直角棱镜反射镜上反射点之间的绝对距离，并依据该绝对距离以及直角棱镜反射镜的位姿信息对目标点进行三维定位。
[0029]
其有益效果为：通过改进直角棱镜反射镜的水平旋转角和俯仰角，来改变入射至直角棱镜反射镜的信号光的走向，实际定位测量过程中信号光通过角隅棱镜返回，并结合闲置光的到达时间，可得到闲置光和信号光之间的实际测量光程差，进而结合标定过程中测量的系统中闲置光和信号光之间的固有光程差，便可求得目标点与直角棱镜反射镜上反射点之间的绝对距离，依据该绝对距离以及直角棱镜反射镜的位姿信息便可对目标点进行三维定位。基于该独特的光路设计，可实现高精密测距以及相应位置信息的测量，进而实现高精密三维定位。
[0030]
进一步地，步骤3)中的标定过程包括：在对系统的固有光程差进行标定时，产生的闲置光被第一单光子探测器接收；调整直角棱镜反射镜的反射面，使得信号光依次经过耦合器、光纤环形器、光纤准直器、反射镜到达直角棱镜反射镜，然后沿原路返回至反射镜，进而依次经过光纤准直器和光纤环形器后被第二单光子探测器接收；依据第一单光子探测器和第二单光子探测器检测到的光子到达时间序列进行符合计数测量以确定系统中闲置光
和信号光之间的固有光程差。
[0031]
进一步地，所述目标点与直角棱镜反射镜上反射点之间的绝对距离为：
[0032]roa
＝(l
a-l0)/2
[0033]
式中，r
oa
为目标点a与直角棱镜反射镜上反射点o之间的绝对距离；la为目标点a实际定位测量过程中信号光和闲置的光程差；l0为测量系统中闲置光和信号光之间的固有光程差。
[0034]
进一步地，依据该绝对距离以及直角棱镜反射镜的位姿信息对目标点进行三维定位时，需依据直角棱镜反射镜的位姿信息确定α和β，记点a'为目标点a在点o所在水平面上的投影点，则α为oa'与测量系统坐标系中x轴的夹角，β为oa与oa'之间的夹角；相应目标点的三维定位结果为：
[0035][0036]
式中，(xa,ya,za)为目标点的三维坐标。
[0037]
其有益效果为：结合目标点在已知坐标系中的水平旋转角和俯仰角，对应于α和β，便可对目标点进行高精密的三维定位。
附图说明
[0038]
图1是本发明的量子纠缠光子对制备示意图；
[0039]
图2是本发明的基于量子纠缠光子对的三维定位系统原理示意图；
[0040]
图3是本发明的坐标系示意图；
[0041]
图4是本发明的借助高精密转台获取水平旋转角示意图；
[0042]
图5是本发明的目标点坐标测量示意图。
[0043]
其中，1-泵浦激光器，2-光学隔离器，3-1/4波片，4-第一半波片，5-光学透镜，6-长波通二向色镜，7-偏振分束器，8-第二半波片，9-第一反射镜，10-第二反射镜，11-第一单光子探测器，12-时间数字转换器，13-第二单光子探测器，14-耦合器，15-光纤环形器，16-光纤准直器，17-第三反射镜，18-直角棱镜反射镜，19-角隅棱镜，20-符合测量模块。
具体实施方式
[0044]
本发明利用具有纠缠特性的光子对，通过符合计数测量的方法获取目标点与测量系统之间的绝对距离。通过本发明所设计的光路结构，可测量待测目标点与坐标系的坐标轴之间的夹角，从而可求解出目标点在已知坐标系内的精确坐标值。下面结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。
[0045]
基于量子纠缠光子对的三维定位系统实施例：
[0046]
本发明的一种基于量子纠缠光子对的三维定位系统实施例，其结构如图2所示，图2中的纠缠光源利用图1实现。下面结合图1和图2对本发明的三维定位系统进行详细介绍。
[0047]
如图1所示，纠缠光源包括泵浦激光器1，在泵浦激光器1发出的泵浦光(即激光)的光路上依次设置有光学隔离器2、1/4波片3、第一半波片4和光学透镜5，从而得到45
°
偏振光，并入射至sagnac干涉仪。其中，光学隔离器2主要作用为防止背向反射光干扰或者损坏
泵浦激光器1；1/4波片3和第一半波片4主要用来调节泵浦光的偏振态以及不同偏振分量的相对相位。光学透镜5用来会聚泵浦光源，使其焦点位于ppktp晶体的中心。
[0048]
sagnac干涉仪包括偏振分束器7、第二半波片8、周期极化晶体(ppktp)和平面反射镜(包括第一反射镜9和第二反射镜10)。sagnac干涉环内的第二半波片8放置在45
°
方向，用来改变偏振光束的偏振方向。泵浦光中的水平偏振分量在偏振分束器7处发生透射，随后经过第二半波片8和第一反射镜9后传至ppktp晶体并发生参量下转换。形成的纠缠光子经过第二射镜10到达偏振分束器7，其中，水平偏振分量发生透射，竖直偏振分量发生反射，反射后在长波通二向色镜6处发生透射。泵浦光中的竖直偏振分量在偏振分束器7发生反射，经过第二反射镜10后传至ppktp晶体并发生参量下转换。形成的纠缠光子经过第一反射镜9和第二半波片8后到达偏振分束器7，其中，水平偏振分量发生透射后在长波通二向色镜6处再次发生透射，竖直偏振分量发生反射。从而最终得到信号光和闲置光，且最终得到的信号光和闲置光均包含有水平和竖直偏振分量。
[0049]
如图2所示，除了纠缠光源外，整个三维定位系统还包括第一单光子探测器11、时间数字转换器12、第二单光子探测器13、耦合器14、光纤环形器15、光纤准直器16、第三反射镜17、直角棱镜反射镜18、角隅棱镜19和符合测量模块20，且光纤准直器16和光纤环形器15之间通过柔性光纤连接，使得光纤准直器16可以进行相应的水平旋转。
[0050]
闲置光的光路上设置上述介绍的第一单光子探测器11，闲置光直接被第一单光子探测器11耦合接收。
[0051]
信号光的光路上设置上述介绍的耦合器14、光纤环形器15、光纤准直器16、第四反射镜17、直角棱镜反射镜18、角隅棱镜19、第二单光子探测器13。角隅棱镜19设置在目标点处。其中，直角棱镜反射镜18的水平旋转角和俯仰角可以调整，从而实现信号光的如下两个过程：1)当对系统的固有光程差进行标定时，直角棱镜反射镜18的反射面调整至水平方向，经过第三反射镜17反射后到达直角棱镜反射镜的信号光直接沿原路返回；2)当对待测目标点进行定位时，通过调节直角棱镜反射镜18的水平旋转角度与俯仰角度，使得经过第三反射镜17反射后的信号光通过直角棱镜反射镜18反射至角隅棱镜19的中心，并经角隅棱镜19反射后原路返回。无论哪一个过程，最终信号光均经过第三反射镜17、光纤准直器16、光纤环形器15，被第二单光子探测器13耦合接收。
[0052]
第一单光子探测器11和第二单光子探测器13均将采集的电信号传入时间数字转换器12，时间数字转换器12用于记录信号光和闲置光的到达时间序列，进而通过符合测量模块20进行符合计数测量确定闲置光和信号光的光程差。根据光程差可以对目标点进行测距。
[0053]
而且，该三维定位系统中还设置有转台，第三反射镜17和直角棱镜反射镜18可以固定在转台上，从而实现直角棱镜反射镜18的水平旋转角的调整。
[0054]
下面对该三维定位系统的整个测量过程进行介绍，即本发明的一种基于量子纠缠光子对的三维定位方法。
[0055]
步骤一，泵浦激光器1发出的泵浦光首先进入光学隔离器2进行保护，然后经过1/4波片3、第一半波片4、光学透镜5和长波通二向色镜6后达到sagnac干涉仪。
[0056]
步骤二，sagnac干涉仪由偏振分束器7、第二半波片8、周期极化晶体(ppktp)和平面反射镜(包括第一反射镜9和第二反射镜10)组成。通过调节1/4波片3和第一半波片4使得
入射至sagnac干涉仪的泵浦光束为45
°
偏振光。该偏振光通过偏振分束器7分为强度相等的水平(h)和竖直(v)方向的偏振光。两束光在sagnac环内分别经过反射到达ppktp晶体处，并发生参量下转化，进而产生纠缠光子对。信号光和闲置光分别包含有水平和竖直偏振光分量，处于纠缠状态。
[0057]
步骤三，闲置光在测量本地直接被第一单光子探测器11耦合接收并传入时间数字转换器12。
[0058]
步骤四，信号光经过耦合器14进入光纤环形器15的端口
①
，然后从光纤环形器15的端口
②
输出，随后，信号光分别经过光纤准直器16、第三反射镜17和直角棱镜反射镜18后，传至目标点的角隅棱镜19。
[0059]
步骤五，经角隅棱镜19反射的信号光沿原路反射至光纤环形器15的端口
②
，然后从光纤环形器15的端口
③
输出，随后，信号光被第二单光子探测器13耦合接收，并传入时间数字转换器12。
[0060]
步骤六，建立三维直角坐标系，定义信号光束在直角棱镜反射镜18上的反射点为坐标原点。把直角棱镜反射镜18的水平旋转角和俯仰角均调节至0
°
方向，此时直角棱镜反射镜18的反射面与水平面夹角为45
°
。定义信号光束的传播方向为x轴。在水平面内与x轴垂直的方向为y轴，与x轴、y轴分别垂直且方向向上的方向为z轴方向。直角棱镜反射镜通过沿着z轴旋转来调节其水平旋转角，通过沿着y轴旋转来调节其俯仰角。
[0061]
步骤七，标定三维定位系统中信号光和闲置光的固有光程差。把直角棱镜反射镜18的反射面调至水平方向。利用时间数字转换器12分别记录信号光和闲置光的到达时间序列，并通过符合计数测量的方法获取两束光的光程差l0，l0即为信号光和闲置光在测量装置内部的固有光程差。标定完固有光程差之后，在实际测量过程中，即使测量不同位置待测点的坐标，也无需重新标定。
[0062]
步骤八，实际定位过程中，把角隅棱镜19放在待测目标点a。a点在xy平面内的投影为a'。通过调节直角棱镜反射镜18的水平旋转角和俯仰角，使信号光束照射在角隅棱镜19的中心，此时信号光沿原路反射回测量装置。记录此时oa'与x轴的夹角α以及oa与oa'的夹角β。
[0063]
步骤九，通过符合计数测量的方法，获得a点反射的信号光和闲置光之间的光程差la，则a点与o点的距离为r
oa
＝(l
a-l0)/2。
[0064]
步骤十，假设a的坐标值为(xa,ya,za)。通过获得的距离值r
oa
，以及角度值α和β，可以求解a点的坐标值：
[0065][0066]
下面将上述方法应用于具体的实例中进行描述说明。
[0067]
步骤一，如图1所示，泵浦激光器1发出的405nm泵浦光首先进入一个光学隔离器2进行保护，然后激光束通过1/4波片3、第一半波片4、光学透镜5和长波通二向色镜6后到达sagnac干涉仪。
[0068]
步骤二，sagnac干涉仪由偏振分束器7、第二半波片8、周期极化晶体(ppktp)和平面反射镜(包括第一反射镜9和第二反射镜10)组成。通过调节1/4波片3和第一半波片4使得
入射至sagnac干涉仪的泵浦光束为45
°
偏振光。sagnac干涉环内的第二半波片8放置在45
°
方向，用来改变偏振光束的偏振方向。泵浦光中的水平偏振分量在偏振分束器7处发生透射，随后经过第二半波片8和第一反射镜9后传至ppktp晶体并发生参量下转换。形成的纠缠光子经过第二反射镜10到达偏振分束器7，其中水平偏振分量发生透射，竖直偏振分量发生反射。泵浦光中的竖直偏振分量在偏振分束器7发生反射，经过第二反射镜10后传至ppktp晶体并发生参量下转换。形成的纠缠光子经过第一反射镜9和第二半波片8后到达偏振分束器7，其中水平偏振分量发生透射，竖直偏振分量发生反射。因此，信号光和闲置光均包含有水平和竖直偏振分量。
[0069]
步骤三，如图2所示，闲置光在测量本地直接被第一单光子探测器11耦合接收并将电信号传入时间数字转换器12。
[0070]
步骤四，信号光经过耦合器14进入光纤环形器15的端口
①
，然后从光纤环形器15的端口
②
输出，随后，信号光分别经过光纤准直器16、第三反射镜17和直角棱镜反射镜18后，传至目标点的角隅棱镜19。
[0071]
步骤五，经角隅棱镜19反射的信号光沿原路反射至光纤环形器15的端口
②
，然后从光纤环形器15的端口
③
输出，随后，信号光被第二单光子探测器13耦合接收，并传入时间数字转换器12。
[0072]
步骤六，如图3所示，建立三维直角坐标系，定义信号光在直角棱镜反射镜18上的反射点为坐标原点。把直角棱镜反射镜18的水平旋转角和俯仰角均调节至0
°
方向，此时直角棱镜反射镜18的反射面与水平面夹角为45
°
。定义信号光的传播方向为x轴。在水平面内与x轴垂直的方向为y轴。与x轴、y轴分别垂直且方向向上的方向为z轴方向。当直角棱镜反射镜18沿着z轴旋转时，可以改变信号光束在水平面内的传播方向。当直角棱镜反射镜18沿着y轴旋转时，可以改变信号光束在空间内传播方向的俯仰角，进而实现目标点的三维定位。
[0073]
对于获取信号光的水平旋转角，除了通过沿z轴旋转直角棱镜反射镜18外，还可以借助于高精密转台来实现。如图4所示，光纤准直器16、第三反射镜17和直角棱镜反射镜18固定在一个高精密转台上。转台的旋转轴与坐标系的z轴重合。由于光纤准直器16和光纤环形器15之间通过柔性光纤进行连接，因此可以进行相应的水平旋转，进而获得光束的水平旋转角。
[0074]
步骤七，标定系统的固有光程差。把直角棱镜反射镜18的反射面调至水平方向。信号光首先经过耦合器14进入光纤环形器15的端口
①
，然后从光纤环形器15的端口
②
输出。随后，信号光分别经过光纤准直器16、第三反射镜17和直角棱镜反射镜18后沿原路返回至第三反射镜17。之后，信号光沿原路反射至光纤环形器15的端口
②
，然后从光纤环形器15的端口
③
输出。最后，信号光被第二单光子探测器13耦合接收，并传入时间数字转换器12。利用时间数字转换器12分别记录信号光和闲置光的到达时间序列，并通过符合计数测量的方法获取两束光的光程差l0，l0即为信号光和闲置光在测量装置内部的固有光程差。
[0075]
步骤八，如图5所示，把角隅棱镜19放在待测目标点a。a点在xy平面内的投影点为a'。调节直角棱镜反射镜18的水平旋转角和俯仰角，使信号光传至角隅棱镜19的中心。经角隅棱镜19反射的信号光沿原路反射至光纤环形器15的端口
②
，然后从光纤环形器15的端口
③
输出。随后被第二单光子探测器13耦合接收，并将电信号传入时间数字转换器12。记录此
时oa'与x轴的夹角α以及oa与oa'的夹角β。
[0076]
步骤九，通过符合计数测量的方法，获得a点反射的信号光和闲置光之间的光程差la，则a点与o点的距离为r
oa
＝(l
a-l0)/2。
[0077]
步骤十，假设a的坐标值为(xa,ya,za)。通过获得的距离值r
oa
，以及角度值α和β，可以求解a点的坐标值：
[0078][0079]
综上，基于sagnac干涉仪双向泵浦ppktp晶体的方法制备纠缠光子对，信号光经过测量系统传至待测目标点后反射回本地，与闲置光通过符合计数测量的方法解算出待测目标点的绝对距离信息。基于独特的光路结构设计，通过读取直角棱镜反射镜的水平旋转角和俯仰角，可获得信号光束的传播方向与坐标轴之间的夹角。最后结合待测目标点的绝对距离和方位角信息可实现三维高精密定位。
[0080]
基于量子纠缠光子对的三维定位方法实施例：
[0081]
本发明的一种基于量子纠缠光子对的三维定位方法实施例，其整体过程同基于量子纠缠光子对的三维定位系统实施例中介绍的一种基于量子纠缠光子对的三维定位方法一致，这里不再赘述。