您的位置 > 中国测绘新闻网 > 科技
量子无线电可以帮助在室内 地下和水下进行通信和测绘

2019-02-15 来源:端科技

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员证明,量子物理学可以在GPS和普通手机和无线电无法可靠或甚至根本无法工作的地方进行通信和制图,例如室内,城市峡谷,水下和地下。

该技术可以帮助海员,士兵和测量员等。GPS信号在水,土壤或建筑物墙壁中不能深入或根本不穿透,因此不能被潜艇或地下活动如勘测地雷使用。在城市摩天大楼中,GPS也可能无法在室内或室外使用。对于士兵来说,在军事或灾难恢复任务期间,在瓦砾或许多干扰电磁设备混乱的环境中可能会阻挡无线电信号。

NIST团队正在试验低频磁性无线电 - 极低频(VLF)数字调制磁信号 - 与高频率的传统电磁通信信号相比,它可以在建筑材料,水和土壤中传播得更远。

VLF电磁场已经在水下通信中使用。但是音频或视频的数据承载能力不足,只有单向文本。潜艇还必须拖曳笨重的天线电缆,减速并升至潜望镜深度(18米,或约60英尺,低于地面)进行通信。

“非常低频通信的大问题,包括磁性无线电,接收机灵敏度差,现有发射机和接收机的带宽非常有限。这意味着数据速率很低,”NIST项目负责人Dave Howe说。

“使用量子传感器可以获得最佳的磁场灵敏度。灵敏度的提高原则上可以延长通信范围。量子方法还可以像手机一样获得高带宽通信。我们需要带宽与水下音频通信其他令人生畏的环境,“他说。

作为迈向这一目标的一步,NIST研究人员通过依赖于铷原子量子特性的磁场传感器,证明了数字调制磁信号的检测,即由数字位0和1组成的消息。NIST技术改变磁场以调制或控制频率 - 特别是信号波形的水平和垂直位置 - 由原子产生。

“原子提供非常快速的响应和非常高的灵敏度,”Howe说。“经典通信涉及带宽和灵敏度之间的权衡。我们现在可以使用量子传感器。”

传统上,这种原子磁力计用于测量自然发生的磁场,但在这个NIST项目中,它们被用于接收编码通信信号。在未来,NIST团队计划开发改进的发射器。研究人员在“科学仪器评论”上发表了他们的研究结果。

Howe说,量子方法比传统的磁传感器技术更敏感,可用于通信。研究人员还演示了一种信号处理技术,以减少环境磁噪声,例如来自电网,否则会限制通信范围。Howe说,这意味着接收器可以检测到较弱的信号,或者可以增加信号范围。

对于这些研究,NIST开发了一种直流(DC)磁力计,其中偏振光用作检测器来测量由磁场引起的铷原子的“自旋”。原子在一个小玻璃容器中。原子旋转速率的变化对应于DC磁场中的振荡,产生交流(AC)电子信号或光检测器处的电压,这对于通信更有用。

除了高灵敏度之外,这种“光泵浦”磁力计还提供诸如室温操作,小尺寸,低功率和成本以及减少干扰的优点。这种传感器不会漂移或需要校准。

在NIST测试中,传感器检测到的信号明显弱于典型的环境磁场噪声。该传感器检测到数字调制的磁场信号,其强度为1皮otela(地球磁场强度的百万分之一),频率非常低,低于1千赫兹(kHz)。(这低于VLF无线电的频率,该频率跨越3-30 kHz并用于某些政府和军事服务。)调制技术抑制了环境噪声及其谐波或倍数,有效地增加了信道容量。

研究人员还进行了计算,以估计通信和位置范围限制。在NIST测试的室内噪声环境中,对应于良好信噪比的空间范围是几十米,但如果噪声降低到传感器的灵敏度水平,则可以扩展到数百米。“这比现在在室内可能的要好,”豪说。

精确定位位置更具挑战性。测量到的定位能力的不确定性为16米,远高于3米的目标,但是这个指标可以通过未来的噪声抑制技术,增加的传感器带宽和改进的数字算法来提高,这些算法可以准确地提取距离测量,Howe解释说。

为了进一步提高性能,NIST团队现在正在构建和测试定制量子磁力计。Howe说,与原子钟一样,该设备将通过切换原子的内部能量水平以及其他属性来检测信号。研究人员希望通过提高传感器灵敏度,更有效地抑制噪声,以及增加和有效利用传感器的带宽来扩展低频磁场信号的范围。

Howe说,NIST战略需要发明一个全新的领域,它结合了量子物理学和低频磁性无线电。该团队计划通过开发低噪声振荡器来提高灵敏度,以改善发射器和接收器之间的时序,并研究如何使用量子物理学来超越现有的带宽限制。