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基于光量子传输距离矩阵构建的动态目标定位方法

周牧 王敏 曹静阳 何维

周牧, 王敏, 曹静阳, 何维. 基于光量子传输距离矩阵构建的动态目标定位方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250020
引用本文: 周牧, 王敏, 曹静阳, 何维. 基于光量子传输距离矩阵构建的动态目标定位方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250020
ZHOU Mu, WANG Min, CAO Jingyang, HE Wei. Dynamic Target Localization Method Based on Optical Quantum Transmission Distance Matrix Constructing[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250020
Citation: ZHOU Mu, WANG Min, CAO Jingyang, HE Wei. Dynamic Target Localization Method Based on Optical Quantum Transmission Distance Matrix Constructing[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250020

基于光量子传输距离矩阵构建的动态目标定位方法

doi: 10.11999/JEIT250020 cstr: 32379.14.JEIT250020
基金项目: 国家自然科学基金(62571074, 62501100),重庆市自然科学基金(CSTB2025NSCQ-LZX0142),重庆市技术创新与应用发展专项(重大项目)(CSTB2024TIAD-STX0035)
详细信息
    作者简介:

    周牧:男,博士生导师,研究方向为量子精密测量、无线定位与感知、多源信息融合与机器学习等

    王敏:女,硕士生,研究方向为量子目标定位技术

    曹静阳:女,博士生,研究方向为量子成像

    何维:女,博士,研究方向为量子雷达

    通讯作者:

    周牧 zhoumu@cqupt.edu.cn

  • 中图分类号: O431.2

Dynamic Target Localization Method Based on Optical Quantum Transmission Distance Matrix Constructing

Funds: The National Natural Science Foundation of China(62571074, 62501100), The Natural Science Foundation of Chongqing(CSTB2025NSCQ-LZX0142), The Special Project of Chongqing Technology Innovation and Application Development (Major Project)(CSTB2024TIAD-STX0035)
  • 摘要: 利用纠缠态光量子的时间关联特性能够实现对目标的精确定位,但现有量子定位算法主要针对相对静止目标,难以适用于动态目标。于是,该文提出一种基于光量子传输距离矩阵构建的动态目标定位方法,以实现对运动目标的高精度定位。首先,通过对量子回波信号进行分析,结合符合计数结果估计背景噪声,优化检测阈值,实现了高灵敏度的目标检测。其次,利用速度测量矩阵进行自适应光量子分组,以提升定位系统的精确度。最后,通过构建光量子传输距离矩阵,求解光源坐标、目标位置与光量子传输距离的方程组,实现了动态目标位置估计。实测结果表明,该文方法实现了对动态目标的高精度定位,定位误差为厘米级,该方法定位误差在0.06 m内的置信概率达85%,相较于现有光量子定位方法的置信概率提高了69%,相较于传统单光子激光雷达动态目标定位方法提高了31%。
  • 图  1  基于光量子传输距离矩阵构建的动态目标定位方法光路结构图

    图  2  本文方法框架图

    图  3  基于背景噪声估计的动态阈值检测原理图

    图  4  动态目标纠缠光量子符合计数过程图

    图  5  运动目标轨迹图与光源位置图

    图  6  基于背景噪声估计的动态阈值检测示意图

    图  7  不同检测方法下的检测事件比较图

    图  8  运动目标不同时间分组下的符合计数结果

    图  9  自适应光量子分组定位结果

    图  10  纠缠光量子定位实验平台

    图  11  不同纠缠光量子对数符合计数结果

    图  12  实测实验结果

    表  1  分组测速误差表

    误差(cm/s) 分组1次 分组2次
    中位误差 5.01 1.83
    中位误差 2.02 2.02
    平均误差 1.04 1.04
    最小误差 1.13 1.13
    25%误差 1.96 1.96
    75%误差 9.40 9.40
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    表  2  实验主要参数

    名称 取值
    激光器功率(${\text{mw}}$) $40$
    非线性晶体尺寸(${\text{m}}{{\text{m}}^3}$) $1 \times 2 \times 20$
    温度控制器精度($^\circ {\text{C}}$) $0.01$
    同步与符合模块时间测量范围(${\text{ms}}$) $ \ge 1$
    单光子探测器死时间(${\text{ns}}$) $ \le 20$
    单光子探测器暗计数($ {\text{Hz}} $) $ \lt 500 $
    单光子探测器饱和计数(${\text{MHz}}$) $35$
    单光子探测器探测效率 $ \gt 60\% $
    下载: 导出CSV
  • [1] HORODECKI R, HORODECKI P, HORODECKI M, et al. Quantum entanglement[J]. Reviews of Modern Physics, 2009, 81(2): 865–942. doi: 10.1103/RevModPhys.81.865.
    [2] ZHONG Shengyang. Quantum entanglement: An analysis via the orthogonality relation[J]. Foundations of Physics, 2023, 53(4): 75. doi: 10.1007/s10701-023-00710-0.
    [3] 蔚娟, 张岩, 吴银花, 等. 双模压缩态量子相干性演化的实验研究[J]. 物理学报, 2023, 72(3): 034202. doi: 10.7498/aps.72.20221923.

    WEI Juan, ZHANG Yan, WU Yinhua, et al. Experimental demonstration on quantum coherence evolution of two-mode squeezed state[J]. Acta Physica Sinica, 2023, 72(3): 034202. doi: 10.7498/aps.72.20221923.
    [4] GENOVESE M. Real applications of quantum imaging[J]. Journal of Optics, 2016, 18(7): 073002. doi: 10.1088/2040-8978/18/7/073002.
    [5] GIOVANNETTI V, LLOYD S, and MACCONE L. Quantum-enhanced positioning and clock synchronization[J]. Nature, 2001, 412(6845): 417–419. doi: 10.1038/35086525.
    [6] LLOYD S. Enhanced sensitivity of photodetection via quantum illumination[J]. Science, 2008, 321(5895): 1463–1465. doi: 10.1126/science.1160627.
    [7] 杨春燕, 吴德伟, 余永林, 等. 干涉式量子定位系统最优星座分布研究[J]. 测绘通报, 2009(12): 1–6.

    YANG Chunyan, WU Dewei, YU Yonglin, et al. Research on optimal constellation distribution of interferometric quantum positioning system[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2009(12): 1–6.
    [8] ZHUANG Quntao. Quantum ranging with Gaussian entanglement[J]. Physical Review Letters, 2021, 126(24): 240501. doi: 10.1103/PhysRevLett.126.240501.
    [9] 侯阿慧, 胡以华, 方佳节, 等. 平动小目标光子探测回波特性及测距误差研究[J]. 物理学报, 2022, 71(7): 074205. doi: 10.7498/aps.71.20211998.

    HOU Ahui, HU Yihua, FANG Jiajie, et al. Photon echo probability distribution characteristics and range walk error of small translational target for photon ranging[J]. Acta Physica Sinica, 2022, 71(7): 074205. doi: 10.7498/aps.71.20211998.
    [10] 汪泳钦, 丛爽. 量子定位系统中的卫星间链路超前瞄准角跟踪补偿[J]. 导航定位学报, 2023, 11(2): 80–91. doi: 10.16547/j.cnki.10-1096.20230209.

    WANG Yongqin and CONG Shuang. Tracking compensation of inter satellite link point ahead angle in quantum positioning system[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(2): 80–91. doi: 10.16547/j.cnki.10-1096.20230209.
    [11] 贺海, 杨鹏飞, 张鹏飞, 等. 基于1/4波片的腔增强自发参量下转换过程中双折射效应的补偿[J]. 物理学报, 2023, 72(12): 124203. doi: 10.7498/aps.72.20230422.

    HE Hai, YANG Pengfei, ZHANG Pengfei, et al. Birefringence compensation utilizing quarter-wave plates in cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion process[J]. Acta Physica Sinica, 2023, 72(12): 124203. doi: 10.7498/aps.72.20230422.
    [12] HE Hai, YANG Pengfei, ZHANG Pengfei, et al. Birefringence compensation utilizing quarter-wave plates in cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion process[J]. Acta Physica Sinica, 2023, 72(12): 124203. doi: 10.7498/aps.72.20230422. (查阅网上资料,本条文献是第11条文献的英文翻译信息,请确认).
    [13] KWIAT P G, MATTLE K, WEINFURTER H, et al. New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs[J]. Physical Review Letters, 1995, 75(24): 4337–4341. doi: 10.1103/PhysRevLett.75.4337.
    [14] OMSHANKAR, VENKATARAMAN V, and GHOSH J. Unveiling quantum correlations of SPDC biphoton spatial modes using spatial light modulator[J]. Journal of Optics, 2024, 26(12): 125201. doi: 10.1088/2040-8986/ad89d8.
    [15] 郭立新, 吴振森, 张民. 湍流大气中漫射目标光散射特性研究[J]. 电子与信息学报, 2001, 23(4): 388–395.

    GUO Lixin, WU Zhensen, and ZHANG Min. Light scattering from a diffuse target in the turbulent atmosphere[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2001, 23(4): 388–395.
    [16] LEE S M, KIM H, CHA M, et al. Polarization-entangled photon-pair source obtained via type-II non-collinear SPDC process with PPKTP crystal[J]. Optics Express, 2016, 24(3): 2941–2953. doi: 10.1364/OE.24.002941.
    [17] QUAN Runai, DONG Ruifang, and XIANG Xiao. High-precision nonlocal temporal correlation identification of entangled photon pairs for quantum clock synchronization[J]. Review of Scientific Instruments, 2020, 91(12): 123109. doi: 10.1063/5.0031166.
    [18] MAUGHAN N M, MOODY J W, and MILLER D R. Monte Carlo simulation of near-infrared light propagation through homogeneous mixed media[J]. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(10): 105007. doi: 10.1117/1.JBO.18.10.105007.
    [19] 周牧, 张靖, 谢良波, 等. 基于自适应光源选择的纠缠光量子定位方法[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(9): 3058–3064. doi: 10.11999/JEIT220212.

    ZHOU Mu, ZHANG Jing, XIE Liangbo, et al. Entangled light quantum positioning method based on adaptive light source selection[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(9): 3058–3064. doi: 10.11999/JEIT220212.
    [20] HE Weiji, CHEN Yunfei, SIMA Boyu, et al. Performance characteristics of single photon pulse ranging system using Monte Carlo simulation[J]. Optik, 2013, 124(24): 6559–6564. doi: 10.1016/j.ijleo.2013.05.120.
    [21] HADFIELD R H, LEACH J, FLEMING F, et al. Single-photon detection for long-range imaging and sensing[J]. Optica, 2023, 10(9): 1124–1141. doi: 10.1364/optica.488853.
    [22] 周牧, 嵇长银, 谢良波, 等. 基于符合计数滤波优化的光量子成像方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(6): 2089–2097. doi: 10.11999/JEIT220627.

    ZHOU Mu, JI Changyin, XIE Liangbo, et al. Optical quantum imaging method based on filter optimization of coincidence counting[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(6): 2089–2097. doi: 10.11999/JEIT220627.
    [23] 龚建华. 用蒙特卡洛法计算几何平均自由程[J]. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 1995, 18(2): 143–147.

    GONG Jianhua. Computation of the mean geometric free path by Monte Carlo's method[J]. Journal of Hefei University of Technology: Natural Science Edition, 1995, 18(2): 143–147.
    [24] LI Zhijian, LAI Jiancheng, WANG Chunyong, et al. Influence of dead-time on detection efficiency and range performance of photon-counting laser radar that uses a Geiger-mode avalanche photodiode[J]. Applied Optics, 2017, 56(23): 6680–6687. doi: 10.1364/AO.56.006680.
    [25] ZHOU Mu, WANG Qian, XIE Liangbo, et al. Passive target positioning on uncertain detection path based on entangled light quantum[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2023, 72: 7007714. doi: 10.1109/TIM.2023.3325857.
    [26] LI Zhikang, LIU Bo, WANG Huachuang, et al. Advancement on target ranging and tracking by single-point photon counting lidar[J]. Optics Express, 2022, 30(17): 29907–29922. doi: 10.1364/OE.464070.
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-01-10
  • 修回日期:  2025-10-21
  • 录用日期:  2025-11-03
  • 网络出版日期:  2025-11-09

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