量子雷达在未来电子战中的应用前景

量子雷达在未来电子战中的应用前景

刘嵩鹤王倞张勇

解放军95072部队广西南宁530022

摘要：雷达在军事电子战中扮演着极为重要的角色，其中量子雷达是近些年发展的新概念，其利用量子效应来控制电磁波的量子态，突破了传统雷达探测技术瓶颈，在隐身目标探测、雷达成像等方面具有巨大应用前景。本文简述了当前量子雷达探测基础理论，给出量子雷达对比传统雷达的技术优势，从而提出量子雷达在未来电子战的应用方向。

关键词：量子雷达；技术优势；电子战；应用前景

雷达是现代军事战争中极为重要的军事装备，可实现全天时、全天候和复杂环境下的搜索、监测、侦察和跟踪各种威胁目标的功能，随着雷达技术的飞速发展，对抗雷达的作战平台和作战方式等得到极大促进，电子战设备变得愈发先进。但未来电子战的复杂多样化要求，以及紧张的电磁频谱资源，让传统的雷达技术瓶颈突显出来。

量子雷达技术是近年发展的新概念，其主要是将电磁场的量子效应与传统雷达探测技术相结合，通过对电磁场的微观量子和量子态进行操作和控制，并采用量子系统估计和检测技术实现目标探测、目标测量和目标成像，突破传统雷达技术瓶颈，提升雷达探测性能[1-2]，这在未来电子战中有着巨大的应用前景。

1量子雷达探测的基本原理

与经典电动力学认为电磁波的波动可由波动方程来描述不同，量子理论认为电磁波对应的是光量子或光子。光子具有确定波长，其能量由波长决定[1]。

E=hv（1）

其中，电磁波频率越高，对应的光子能量越大。

早在1935年，爱因斯坦等人提出了量子纠缠（QuantumEntanglement）概念[3]，称其为“鬼魅的远距离作用”。即使是相隔遥远空间距离的两个光子（分属两个互相纠缠的波束），它们之间也存在着强关联，这是一种已被证实的奇特现象。利用光子作为信息载体，量子雷达发射由光子组成的相互“量子纠缠”的两个信号波束：一个波束与目标相互作用后部分能量被反射回来，并由接收端中的光子探测器来接收该部分回波，与保留在系统内部的另一个波束相匹配，通过量子系统状态估计与测量技术获取回波中的目标信息。

2量子雷达技术优势

雷达的微波毫米波（300MHz-300GHz）信号具备远程探测能力，但其在复杂电磁环境中的探测和识别目标的能力较弱，而光子在探测精度高和识别目标能力突出，但其在大气中衰减严重，不适合远距离探测。因此，量子雷达在微波波段的实现将会极大提升军事雷达系统工作能力。文献[2]中提出了一种微波量子雷达实现方案。该方案是利用将两部分极化纠缠的微波光子去实现信号探测的过程：一部分光子去探测目标，另一部分光子则直接被传输至信号处理端备份。接收端是由具备微波光子吸收能力的超材料制成的光子探测器，其将探测到的回波信号光子，并传输至信号处理端。信号处理端则利用纠缠测量技术获取回波信号中下目标信息。

通过剖析微波量子雷达处理过程，可知量子雷达具备如下技术优势[1-4]：（1）在量子雷达中，利用量子纠缠效应，即使很小部分的光子（即能量很低）从目标物体反射回接收端，通过与备份光子纠缠测试，得到目标信息；（2）传统微波雷达接收机系统噪声主要是由系统内部各个微波器件产生的热噪声和外界环境背景中噪声（人为噪声和自然噪声）组成，对目标回波的信息提取是以信噪比为基础，较高的信噪比才能满足接收机灵敏度要求；与传统雷达接收机相比，量子雷达系统中的噪声主要为接收系统内部器件的散粒噪声和外部环境背景噪声，具有极低的噪声基底，因此量子雷达可以在低信噪比下获取目标信息；（3）传统雷达系统通常在信号调制中，主要是时域、频域和极化等信号调制方式，而量子雷达通过对微波量子进行调制，其状态空间可构成无穷维的Hilbert空间，因此调制维度提高，可在更高维度上提取目标信息，同时使得探测信号更加难以被截获、跟踪，具有较强抗干扰和抗侦听能力。

3量子雷达在电子战中的应用场景

基于微观量子态信息，电磁场的开发利用变得更加紧迫，尤其使得未来电子战系统实现攻防一体变得更加有意义。信息优势是决胜电子战的重要一环，如何从复杂电磁环境中找到感兴趣的信号时刻考验着雷达系统的发展。

在战争中，通信方总是千方百计地希望通信内容不被敌方窃听，同时保证己方能够实时、快速、准确地通信。量子雷达可利用单个量子传输安全密钥：采用普通方式发送秘密，再利用量子通信进行钥匙传输，即量子密钥分发手段，接收者只有拿到钥匙后才能解读秘密。在一个量子发生变化，来自同一个信号源的另一个量子也会发生变化，即量子纠缠。通信过程中，若量子被窃听方的电子束或光线等观测时，会改变量子本身状态，这就造成窃听方所观测到的信息不准确，同时接收方因量子状态改变导致接收信息错误，从而发现被窃听。

电子情报搜集在电子战中起着关键地位，从复杂电磁环境中获取情报信息的时效性变得特别重要，传统的电子侦察设备往往利用无源探测手段，虽不易被敌方探测，但受电子干扰影响严重，往往失去最佳态势信息获取时间，错失战机。利用量子纠缠特性，量子雷达可以有效地对抗敌方电子干扰，对目标探测搜索从而获得更多的敌方信息，以作为干扰或攻击作战行动的依据。目前，量子雷达突破传统雷达在反隐身和目标识别等方面的技术瓶颈，尤其在探测隐形战斗机方面的重要应用已引发军事大国的研究热潮。

能够在复杂电磁环境中找到威胁目标信号，并实时地自动生成有效对抗措施，通过观测威胁目标的反应来判断对抗措施有效性，再进行下一步作战计划，是实施电子对抗的流程。

基于雷达微波的电子对抗手段有利用干扰源压制敌方信号、迷惑和欺骗敌防空系统等，其都是基于目标的电磁波特性来实施干扰，以免己方遭到敌方攻击。若配备量子雷达，当遭到敌雷达探测和搜索时，己方可利用其对敌雷达信号进行量子束照射干扰，利用量子态直接改变其雷达信号特性，造成敌方雷达接收无法识别回波信息；同时利用量子纠缠态，己方可根据备份量子的状态变化，获取敌方探测雷达信息。

4结语

量子雷达是一种新概念雷达，突破了传统雷达系统的技术瓶颈，利用量子信息技术实现了更强的探测能力、抗干扰能力、反隐身能力和目标识别能力，在未来电子战中具有巨大应用前景。美国、中国、俄罗斯等军事大国均已研制出量子雷达，并通过了初步试验测试，但这些雷达都处于科研阶段，还未达到实用化要求，究其主要原因是量子雷达受到很多技术方面的制约。像量子发射机和接收机是量子雷达系统中的关键器件，雷达系统为实现高目标探测性能对这些关键元器件提出了极高要求。量子信息处理也是量子雷达系统实现精确探测目标的关键技术，影响着量子雷达检测识别概率。

参考文献：

[1]夏凌昊,翟计全,赵盛至,单光子量子雷达的恒虚警率监测条件[J].现代雷达,2018,40(10)，10-13.

[2]刘康,量子雷达目标散射特性研究[D],国防科学技术大学,2014.

[3]A.Einstein,B.Podolsky,N.Rosen.Canquantum-mechanicaldescriptionofphysicalrealitybeconsideredcomplete[J].PhysicsReview,1935,47:777-780.

[4]王宏强,刘康,程永强,秦玉亮,黎湘,蒋彦雯,量子雷达及其研究进展[J],电子学报,2017,45(2),492-500.