基于量子纠缠光子对的三维定位系统及定位方法

技术特征：
1.一种基于量子纠缠光子对的三维定位系统，其特征在于，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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光子对的三维定位系统，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的基于量子纠缠光子对的三维定位系统，其特征在于，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：r
oa
＝(l
a-l0)/2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；l
a
为目标点a实际定位测量过程中得到的实际测量光程差；l0为系统中闲置光和信号光之间的固有光程差。4.根据权利要求3所述的基于量子纠缠光子对的三维定位系统，其特征在于，依据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：式中，(x
a
,y
a
,z
a
)为目标点的三维坐标。5.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光子对的三维定位系统，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光子对的三维定位系统，其特征在于，光纤准直器和光纤环形器之间通过柔性光纤连接。
7.一种基于量子纠缠光子对的三维定位方法，其特征在于，包括如下步骤：1)产生纠缠光子对并分成闲置光和信号光；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；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。8.根据权利要求7所述的基于量子纠缠光子对的三维定位方法，其特征在于，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。9.根据权利要求8所述的基于量子纠缠光子对的三维定位方法，其特征在于，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：r
oa
＝(l
a-l0)/2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；l
a
为目标点a实际定位测量过程中得到的实际测量光程差；l0为系统中闲置光和信号光之间的固有光程差。10.根据权利要求9所述的基于量子纠缠光子对的三维定位方法，其特征在于，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：式中，(x
a
,y
a
,z
a
)为目标点的三维坐标。

技术总结
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。本发明利用基于Sagnac干涉仪双向泵浦PPKTP晶体的方法制备纠缠光子对，信号光经过测量光路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。进而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。信息可实现三维高精密定位。信息可实现三维高精密定位。


技术研发人员：魏亚旭 李建胜 李广云 王安成 王力 郭雨岩
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/10/25