宇航计测技术

成永杰, 靳刚, 韩斌斌, 彭博, 黄承祖, 刘星汛, 齐万泉

2023, 43(3): 1-4. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.01

摘要 ( 63 )

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随着国际单位制7个基本单位已由基本物理常数定义，计量单位进入了量子化时代。基于里德堡原子干涉效应的微波电场测量技术，依托里德堡原子的稳定性、可复现性等特点，可实现对微波电场的高灵敏度、低不确定度测量，将微波场强幅值直接溯源至时间频率单位，实现场强参数溯源链路的扁平化。文章利用室温铯原子蒸汽室作为探头，采用AT分裂方案和外差法方案，实现了微波频率范围(1~40) GHz，场强幅度范围5 mV/m~10 V/m的微波电场精确测量。本工作在计量、雷达、太赫兹通信、电磁信号监测等领域有广泛的应用前景。

基于冷里德堡原子电磁感应透明和Autler-Townes分裂的原子矢量微波电场计

刘修彬, 贾凤东, 周飞, 俞永宏, 张剑, 谢锋, 钟志萍

2023, 43(3): 5-10. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.02

摘要 ( 38 )

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利用冷原子温度低、里德堡电磁感应透明（EIT）谱峰窄、原子量子态明确的优势，在冷铷原子样品中基于里德堡EIT和Autler-Townes（AT）分裂效应直接通过光谱频率间隔测量了微波电场的极化。结果表明，里德堡EIT-AT分裂间隔随微波电场极化方向的改变呈现单调变化，并与微波电场极化在探测光偏振方向上的投影成正比，实现了微波电场极化分辨率3.2 °。相比于传统的热原子蒸汽池中利用EIT共振处探测光透过率变化的方法而言，基于冷原子的EIT-AT分裂间距测量微波极化的方法具有更为直接、准确和分析简单等优点。该工作对微波极化的绝对测量和电场强度的校准都具有重要的意义。

基于先进量子测量技术的雷达发展动态

白文浩, 吴骥, 杜宇, 杨键

2023, 43(3): 11-15. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.03

摘要 ( 20 )

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传统雷达方案是基于电磁波信号传输理论，通过探测空间中物体反射的电磁波回波信号,来实现目标定位及其他参数的测量。相比于传统雷达方案，量子技术框架下的量子雷达方案旨在提高雷达探测精度和反应速度，同时在抗干扰能力和反隐身功能等方面也具有更加明显的优势。该雷达发展动态研究阐述了量子技术的原理、发展及量子测量技术在雷达中的应用研究动态，着重叙述国内现有最新基于先进量子测量技术的三种量子雷达技术方案，通过案例分析其原理，为未来量子雷达的进一步发展提供可以借鉴的新思路。

用于金属磁微量能计信号读出的两级SQUID放大电路研究

李泰宇, 郑亦宁, 徐元星, 陈滢宇, 唐丽红, 赵越, 王超群, 谢颃星, 高波, 王镇

2023, 43(3): 16-20. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.04

摘要 ( 31 )

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金属磁微量能计（Metallic Magnetic Calorimeter，MMC）是一种具有极高能量分辨率的低温光子探测器。它通过顺磁材料磁化率在低温下随温度急剧变化的特性来实现对光子能量的精确测量。金属磁微量能计通常使用超导量子干涉器进行信号读出。研究介绍了一种用于金属磁微量能计信号读出的两级超导量子干涉器电路。初级放大器的设计采用了二阶梯度计构型，测试结果显示该设计方案有效的抑制了环境噪声的干扰。在液氦温度下，两级放大电路在磁通锁定环模式下实现了27 400 V/A的跨阻增益，白噪声水平达到11.5 pA/Hz^1/2。

基于可编程约瑟夫森直流电压标准的量子直流纳伏电压标准研究

朱珠, 康焱, 张力丹, 胡毅飞

2023, 43(3): 21-25. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.05

摘要 ( 31 )

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介绍了量子直流纳伏电压标准的基本原理、标准的组成、实现方案以及试验数据等等。量子直流纳伏电压标准基于交流约瑟夫森效应，利用可编程约瑟夫森直流电压标准的差分原理实现直流纳伏电压的产生。提出了量子直流纳伏电压标准的基本方案及改进设计方案，进一步提升了标准的性能。量子直流纳伏电压标准能够提供高准确度纳伏级量子化直流电压信号，不仅为纳伏级直流电压的精密测量提供了新的手段，还可以解决纳伏级直流电压的量值溯源难题。

基于量子增强的光学测量技术综述

王曼, 王惠林, 李皓, 孟合民, 马昀楷, 高泽东, 王律, 王希骋, 程洪亮

2023, 43(3): 26-33. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.06

摘要 ( 28 )

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量子技术赋予科学家直接操纵光子的能力，与传统的光辐射体系相比，测量精度得到了飞跃性的提升。但是，这种测量的精度极限在哪里？能否实现准确度更高的测量？针对上述问题，从量子测量理论切入，综述了近年来相关研究对量子测量不确定度极限的探索，并对其中涉及到的具体技术方法给出简明阐述，回顾了与计量学相关的量子光学基本工具和技术，描述实现量子增强光学测量的主要协议和策略，并总结了该领域的主要实验成果和突破。最后，探讨了为推动量子光学计量技术，未来仪器领域应重点发展的重点方向。

单光子探测器校准技术研究进展

刘长明, 张鹏举, 林永杰, 沈荣仁, 刘红波, 史学舜, 庄新港, 吴斌

2023, 43(3): 34-39. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.07

摘要 ( 43 )

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随着量子信息技术的快速发展，单光子探测器作为量子保密通信等领域的核心器件，一直是行业内的研究热点之一。近年来各类新技术的应用使单光子探测器的性能得到很大提高，同时，对其测试、校准技术的研究也受到关注，尤其是基于量子物理效应的新型量子计量方案得到国内外计量机构的重视。文中对单光子探测器的工作机制和单光子探测器国内外校准技术的研究进展进行了简述，梳理了国内外基于标准探测器和相关光子对开展探测效率校准以及后脉冲概率、时间抖动参数的校准技术现状，可为相关领域研究人员提供参考，并对未来技术发展方向提出展望。

相关光子自校准光谱辐照度测量不确定度分析

李健军, 胡友勃, 丁蕾, 翟文超, 夏茂鹏, 郑小兵

2023, 43(3): 40-46. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.08

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基于自发参量下转换原理产生宽波段相关光子辐射定标光源，结合传统的光谱辐照度观测仪器，提出一种新型的相关光子自校准的光谱辐照度测量方案。介绍了光谱辐照度测量原理和系统组成，开展了“通道量子效率→光谱光子数率→光谱辐射功率响应度→光谱辐照度”量值传递路径研究，建立了自校准光谱辐照度测量仪的辐射测量模型，详细分析和评估了该仪器的光谱辐照度测量不确定度。将488 nm激光经积分球、平行光管准直后作为辐照度定标光源，开展了相关光子自校准光谱辐照度测量仪与参考辐照度计的比对实验，初步验证两种测量方法的一致性优于4.2 %。

高稳频微弱激光量子源测量标定技术研究

周志刚, 王加朋, 杜继东, 白岩林, 高振威, 杨海生

2023, 43(3): 47-50. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.09

摘要 ( 25 )

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激光雷达探测系统需求稳定的单光子源作为定标光源，通过输出波长及功率可量化溯源的微弱光量子信号，对探测系统的探测不确定度进行分析，并对接收与探测系统性能进行评估。针对这一需求设计并研制一种输出激光波长稳定、输出平均光子数从10¹¹ s^-1量级至10³ s^-1量级的可调谐高稳频微弱激光量子源，并开展了相关测量标定工作。输出的微弱信号光波长稳定在532.269 nm处，功率覆盖79.3 nW至0.34 fW，平均光子数覆盖10¹¹ s^-1量级至10³ s^-1量级，在10⁵ s^-1量级的稳定度优于0.6 %，能够满足激光雷达系统探测不确定度分析与性能评估等方面的应用需求。

量子点在量子领域的应用展望

张雨, 钟文旭, 刘霞, 王威, 张军英, 林帅

2023, 43(3): 51-55. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.10

摘要 ( 37 )

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量子点是一种新型半导体纳米晶体，作为一种新兴的光电活性材料，可以实现光电转化，具有亮度高、斯托克位移大、吸收光谱宽、摩尔消光系数高、量子产率高、光稳定性好、荧光寿命长等特点。同时，最初量子点概念的提出和成功制备也对量子限域效应的认知提供了一定的帮助。量子点的尺寸在纳米量级范围内，尺寸限域产生了量子限域效应、宏观量子隧道效应、尺寸效应和表面效应，使其具有了独特的性能。随着对量子点的不断深入研究，其在非线形光学、磁介质、催化、医药、功能材料、生命科学和信息技术等领域的应用逐渐开拓，其在量子密钥分发、量子计量学和量子信息处理等应用领域的研究工作也逐渐提上日程。

基于金刚石氮-空位色心的温度测量技术

董先启, 刘岩, 杨仁福

2023, 43(3): 56-60. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.11

摘要 ( 30 )

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量子信息科学的高速发展推动了量子传感技术的研究，产生了很多重要成果，在精密测量领域产生了重要的影响。基于固态金刚石NV色心电子自旋探测的传感技术，可溯源至基本量子物理规律，在磁场、电场、温度、压力等传感领域的计量标准方面有重要的研究价值。金刚石NV色心优异的性质，使得严苛环境下可靠、稳定、高精度的传感应用成为可能。以其在温度测量领域上的应用为例，重点介绍最近十年来NV色心自旋探测原理和方法的发展，并结合最新的研究成果，论述固态量子温度计量的重要研究意义。

（75~325）GHz毫米波量热计吸收负载研制

陈肇岭, 程春悦, 刘宇轩

2023, 43(3): 61-65. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.12

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功率作为微波毫米波计量的最基础参数之一，其测量结果对雷达、通信、遥感等领域的研究和应用具有重要参考价值。研制(50~75)GHz，(75~110)GHz，(110~170)GHz等频段的量热式功率计量标准时，传统吸收负载可采用内部嵌入微型表贴电阻的楔形吸波负载作为微波直流功率替代器件。这种负载存在的问题有以下两点：一是加工难度较大，很难继续向上进行频段扩展；二是传统的毫米波吸波材料在70 GHz以上频段体现出无磁性特征，吸波能力显著下降。基于以上背景，开展了(75~325)GHz直波导形式波导负载研究，包括基于多层体掺杂键合硅片形式的超宽带匹配负载研究。多层体掺杂硅片组合实现了宽频带低反射特性，研制了(75~110)GHz，(140~220)GHz，(220~325)GHz共3个频段的吸收负载。实测电压驻波比的典型值在1.12以下。

基于网络分析仪的多类型微波器件S参数自动校准软件研究

张萍, 毛立勇, 马艺薇, 郑涵之

2023, 43(3): 66-71. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.13

摘要 ( 20 )

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为实现高效测量，减少多种类型被测器件导致的测量参数设置复杂问题，本文通过分析微波网络S参数测量系统的工作原理和性能特点，采用C#多线程、模块化结构设计出S参数自动校准软件，对S参数测量系统建立被测器件的类型、标准件的参数以及测试流程等数据库，同时建立被测参数的测量不确定度模型。基于矢量网络分析仪结合自动校准软件实现反射参数与传输参数的测试，通过试验可发现，采用自动化校准软件的测试结果与手动测试结果具有较高的一致性。

光纤型白光干涉仪光程差的超分辨率识别

侯成城, 郑光金, 尚福洲, 高业胜

2023, 43(3): 72-77. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.14

摘要 ( 11 )

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提出了一种白光干涉仪干涉信号超分辨率识别的方法。白光干涉信号之间的光程差小于相干长度（通常为50 μm）时会发生叠加，叠加导致信号形状发生畸变无法区分。首先从理论研究推导出重叠引起的干涉信号面积变化大小与光程差之间的关系，然后利用重叠导致的面积变化推导出信号真实的光程差从而到达超分辨率识别的目的。实验设计制造并识别了光程差为15 μm左右的干涉信号，证明了该方法具有提升3倍分辨率的可行性。将有利于提高光程差绝对测量的分辨率。

无人机协助无线通信系统的链路仿真分析

谢海波, 邱春荣, 唐金鹏

2023, 43(3): 78-84. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.15

摘要 ( 26 )

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将无人机作为移动转发节点是协助无线通信系统的重要技术。为此，针对由基站、无人机和用户组成的两跳转发的协助通信系统，分析了基于无人机协助的半双工、全双工模式下的协助通信系统的性能。先推导了系统的中断概率和吞吐量的闭合表达式。再分析了环路自干扰对基于全双工模式下中断概率的性能。性能分析表明，采用选择合并技术可降低链路的中断概率。此外，若在无人机端采用干扰消除技术，可有效地降低中断概率。

基于单片机的高精度波形信号直接生成方法研究

陈砚圃, 刘含, 郭博, 石立春

2023, 43(3): 85-90. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.16

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针对直接数字频率合成（DDS）技术不适于单片机直接实现的问题，提出了一种波形信号生成的整周期循环法。借助片内嵌有直接存储器存取控制器（DMA）和数模转换器（DAC）等外设的单片机，该方法可以在不引入DDS专用芯片的情况下直接生成预设波形信号，且在生成信号时完全不占用单片机的CPU时间。对生成波形信号的整周期循环法进行了理论分析，导出了生成信号的频率及最大相对频偏公式，给出了算法实现流程。采用STM32单片机对整周期循环法生成正弦信号进行了实验测试。实验表明生成信号的频率精度高，且波形稳定、质量好。

基于脉冲调制的共频带定位系统抗远近效应研究

张昌良, 吴华兵, 武建锋

2023, 43(3): 91-96. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.17

摘要 ( 8 )

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在共频带定位系统中由于远近效应的影响，近场强定位信号可能对远场弱定位信号形成压制干扰，导致远场信号无法被捕获，进而影响系统的定位精度。针对该系统存在的远近效应问题，本研究利用脉冲调制法对其进行抑制。首先，分析了远近效应产生的原因；其次，对脉冲调制的关键参数占空比和脉冲图案设计进行了深入研究，设计得到了一种适用于本系统的脉冲调制方案；最后，从理论和仿真两方面对所设计的脉冲调制方案进行性能分析。仿真结果表明：在经过脉冲调制后，受到远近效应影响的弱信号被捕获的概率大幅提升；同时，在强弱信号功率比为40dB以内时，使用脉冲调制技术可以有效的改善弱信号捕获性能。

基于深度学习的电力数据分析研究

柳薇, 张波, 梁明源

2023, 43(3): 97-102. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2023.03.18

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针对传统电力数据分析方法存在适用范围有限、模型复杂等导致电器分类准确率较差的问题，提出了一种基于多层堆叠长短期记忆（Long short-term memory，LSTM）网络的电力数据分析模型。首先，根据电力数据的频谱图、Mel频率倒谱系数（Mel-Frequency Cepstral Coefficient，MFCC）和Mel频谱图提取电力数据的特征，然后将其应用于深度学习模型并提高分类任务的性能，从而改善过拟合问题。其次，建立了一个多层堆叠LSTM模型，从而有效提高模型的分类和回归能力。最后，提出了一种改进的软独热编码和多尺度训练方法，从而防止峰值概率分布，提高模型的泛化能力。实验阶段，以家庭电力数据集为例，对所提模型进行验证。仿真结果表明，所提模型软独热编码及多尺度训练对加快训练效果具有一定效果，最终分类准确率到达89.85 %。

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