微波電場計的原理和國內(nèi)外進(jìn)展

近年來，基于原子精密譜的微波測量引起了極大關(guān)注，由此誕生了原子微波電場計、原子微波磁場計和原子微波功率標(biāo)準(zhǔn)等。原子微波探測技術(shù)是一種物理原理全新的技術(shù)，它把微波場強(qiáng)通過基本物理常量與頻率測量直接聯(lián)系起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電磁量的國際單位制溯源。這種新型微波測量技術(shù)的最大優(yōu)勢在于不需要校準(zhǔn)，且其理論測量靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電子微波測量技術(shù)。另一方面，為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子學(xué)中極為復(fù)雜甚至無法完成的寬帶信號產(chǎn)生、控制和處理，以實(shí)現(xiàn)多功能、高精度、實(shí)時探測的雷達(dá)探測，科學(xué)家們發(fā)展了大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁干擾的微波光子學(xué)技術(shù)。本文嘗試總結(jié)了包括原子微波電場計、原子微波磁場計、微波光子雷達(dá)在內(nèi)的國內(nèi)外微波場測量歷史。微波磁場測量原理在此文中不再贅述，請參考之前的公眾號推文（芯片表面微波磁場測量技術(shù)），本文重點(diǎn)介紹微波電場計的原理和國內(nèi)外進(jìn)展。本文最后做了一些粗淺的展望，希望拋磚引玉，供國內(nèi)從事相關(guān)研究的射頻工程師一些參考。

一、微波場精密測量的歷史

1.1原子微波磁場計

①瑞士巴塞爾大學(xué)(University of Basel) Philipp Treutlein博士團(tuán)隊于2010年采用基態(tài)原子拉比振蕩測量了施加于冷銣原子上的微波磁場[1]；2012年，用二維熱原子氣室實(shí)現(xiàn)了350μm分辨率的二維磁場探測；2015年用厚為6mm×6mm×140μm的超薄二維微加工氣室將成像空間分辨率提高至100μm以內(nèi)，在50μm×50μm×140μm體元內(nèi)探測靈敏度達(dá)到；2016年演示了頻率可調(diào)的場探測，通過施加0.8T的靜磁場將可探測的微波場頻率提高至約26.4GHz。作者在原理性驗(yàn)證裝置中實(shí)現(xiàn)了18GHz微波磁場測量準(zhǔn)確度約為10％，并指出通過采用更小氣室，測量有望達(dá)到10-3量級的準(zhǔn)確度[2]。

②瑞士納沙泰爾大學(xué)(University of Neuchatel) G. Mileti教授團(tuán)隊與P. Treutlein博士團(tuán)隊合作，對小型銣原子鐘磁控管型諧振腔內(nèi)的微波磁場強(qiáng)度分布進(jìn)行了測量。2015年報道的結(jié)果顯示微波磁場測量空間分辨率小于100μm，6.8GHz微波磁場振幅測量不確定度＜3％（＜8nT），為分析和改進(jìn)氣室型原子鐘性能提供了幫助[3,4]。

③2019年，E. K. Dietsche, A. Larrouy, S. Haroche1, J. M. Raimond1,M. Brune1, S. Gleyzes團(tuán)隊報告了一種基于里德堡電平的高靈敏度單原子磁力計的實(shí)現(xiàn)，其n≈50。它依賴于一個量子干涉過程，涉及兩個具有相反磁矩的圓形狀態(tài)的疊加|nC＋>和|nC->，通過量子態(tài)工程在銣原子的斯塔克歧管中制備。從經(jīng)典的角度來說，這種狀態(tài)對應(yīng)于一個電子在0.3μm直徑的圓形軌跡上同時向兩個相反的方向運(yùn)行。根據(jù)對稱性，這兩種狀態(tài)經(jīng)歷了完全一樣的斯塔克效應(yīng)。這種敏感的磁場探測因此完全不受電擾動的影響，從而導(dǎo)致一個疊加的相干時間長[5]。

1.2原子微波電場計

① 美國俄克拉荷馬大學(xué)(University of Oklahama) J. P. Shaffer教授團(tuán)隊于2012年在國際上首次報道了里德堡原子微波電場計[6,7]，實(shí)現(xiàn)的微波電場測量靈敏度達(dá)到

，可探測的最小場強(qiáng)約為8μVcm-1。同時指出理論上可探測弱于100nVcm-1的微波電場，目前探測能力受限于探測光和耦合激光的頻率和功率穩(wěn)定性；2013年，首次演示了矢量電場計，實(shí)驗(yàn)測量顯示微波電場偏振分辨率為0.5°；2014年首次將該傳感技術(shù)用于微波電場成像，結(jié)果在6.9 GHz上的成像空間分辨率為66μm(~λ/650)；2015年分析了原子氣室的結(jié)構(gòu)對電場測量的影響；2016年和2017年又分別采用基于Mach-Zehnder干涉儀的零差探測技術(shù)和頻率調(diào)制技術(shù)改進(jìn)了測量，目前該團(tuán)隊已將微波電場探測靈敏度優(yōu)化至。

② 美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）則更多地開展了里德堡電場計的創(chuàng)新應(yīng)用，把可探測場推進(jìn)至毫米波，甚至是太赫茲波段。如，2014年NIST組對頻率為104.77GHz的電場進(jìn)行了測量成像，空間分辨率≈100μm[8,9]；2016年用銣銫混合氣室實(shí)現(xiàn)了兩個EIT信號同步探測，研究表明封閉在同一氣室中的兩種元素可以充當(dāng)兩個獨(dú)立的場探測器，同期還利用頻率失諧方法提高電場測量靈敏度；作為計量機(jī)構(gòu)，NIST科學(xué)家開展原子微波測量研究的目標(biāo)是建立基于量子的新電磁標(biāo)準(zhǔn)，為此，2017年該團(tuán)隊對影響電場測量的因素予以了細(xì)致分析。他們將測量不確定度來源分為與量子相關(guān)和與微波相關(guān)兩個方面，其中量子不確定度主要來自于電偶極矩，誤差為0.1％；目前與微波相關(guān)的不確定度是這一探測技術(shù)不確定度的主要來源，而微波不確定度的最大來源則是承載原子的介電氣室。

③ 美國密歇根大學(xué)(University of Michigan) G. Raithel教授團(tuán)隊重點(diǎn)研究了微波強(qiáng)電場測量。在弱場（近似1mV/m到幾十V/m）單光子躍遷情況下，原子和微波場互作用強(qiáng)度比里德堡能級結(jié)構(gòu)小，能級頻移可用擾動理論來描述。此時，拉比頻率是功率平方根的線性函數(shù)，電場強(qiáng)度可直接由里德堡EIT線的AT分裂寬度得到；而在強(qiáng)場下，原子響應(yīng)變得高度非線性，為此G. Raithel教授團(tuán)隊借助無擾動弗洛奎模型來分析里德堡能級移動和激發(fā)速率。作為示例，2016年研究報道了微波輻射場達(dá)到目標(biāo)雙光子65D~66D里德堡態(tài)微波離子化率20％(230V/m)時的里德堡EIT系統(tǒng)響應(yīng)，絕對強(qiáng)場測量準(zhǔn)確度為6％[10]；2017年又報道了連續(xù)波強(qiáng)電場測量，在Ka波段實(shí)現(xiàn)了±1GHz帶寬、~230V/m→1kV/m場強(qiáng)的測量[11]。

④ 中國山西大學(xué)(Shanxi University)物理學(xué)科科研團(tuán)隊在基于原子體系的微波精密測量研究中取得了突破性進(jìn)展，由賈鎖堂教授和肖連團(tuán)教授帶頭的激光光譜研究團(tuán)隊，在國際上首次實(shí)現(xiàn)里德堡原子微波超外差接收機(jī)樣機(jī)[12]，極大提升了微波電場場強(qiáng)的探測靈敏度，微波測量靈敏度達(dá)，優(yōu)于之前國際最好水平1000倍，最小可探測微波場強(qiáng)約400pV/cm，優(yōu)于之前國際最好水平10000倍。

⑤南京航空航天大學(xué)(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics)的史經(jīng)展、張方正、賁德、潘時龍教授于2020年提出了一種光子輔助的單系統(tǒng)，用于在大光譜范圍內(nèi)測量微波信號的頻率和相位噪聲[13]。要測量的頻率和相位噪聲均從被測信號與其副本之間的相位差中提取，該相位差被光纖和可變光延遲線（VODL）所延遲。系統(tǒng)校準(zhǔn)、頻率測量和相位噪聲測量是通過在不同的工作模式下調(diào)整VODL來執(zhí)行的。實(shí)驗(yàn)證明了在5至50 GHz較大頻率范圍內(nèi)對微波信號的準(zhǔn)確頻率和相位噪聲測量。

1.3微波光子雷達(dá)[14]

①早在20世紀(jì)80年代末，美國DARPA就開始支持微波光子雷達(dá)相關(guān)的研究，并將微波光子學(xué)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用分3個階段。第1階段開展高線性模擬光鏈路的研究，利用超低損耗的光纖（傳輸損耗僅有0.0002 dB/m）取代傳統(tǒng)微波雷達(dá)接收前端中體積大、質(zhì)量大、損耗大和易被電磁干擾的同軸電纜，這個階段的典型成果為20世紀(jì)70年代末美國莫哈韋沙漠中的“深空網(wǎng)絡(luò)”。第2階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光控（真延時）波束形成網(wǎng)絡(luò)，用于替代在寬帶情況下會出現(xiàn)波束傾斜、孔徑渡越等問題的傳統(tǒng)相移波束形成網(wǎng)絡(luò)，這個階段的典型成果是1994 年美國休斯飛機(jī)公司（Hughes Aircraft）實(shí)現(xiàn)的基于光纖波束形成網(wǎng)絡(luò)的寬帶共形陣列。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著光纖通信的蓬勃發(fā)展，光子技術(shù)越來越成熟，光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升，微波光子技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。因而，美國DARPA將微波光子雷達(dá)研究第3階段目標(biāo)定為微波光子信號處理的實(shí)現(xiàn)，期望研制出芯片化的微波光子雷達(dá)射頻前端，目前不少項目及其衍生項目還在執(zhí)行中。

②不同于美國，歐盟更加關(guān)注微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的研究。世界十大防務(wù)集團(tuán)之一——意大利芬梅卡尼卡集團(tuán)認(rèn)為微波光子雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展要分4步走。第1步，采用光子技術(shù)輔助射頻功能的完成，主要包括利用光纖進(jìn)行射頻信號的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)龋坏?步，采用光子完成復(fù)雜的射頻功能，包括高頻高穩(wěn)高純微波信號的光學(xué)產(chǎn)生，利用光子技術(shù)進(jìn)行微波信號的移相濾波變頻采樣等處理；第3步，光子技術(shù)取代部分電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮作用，主要涉及光控波束形成在部分雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用；第4步，采用光子技術(shù)構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)，亦即實(shí)現(xiàn)全光的雷達(dá)收發(fā)樣機(jī)。歐盟第1次在雷達(dá)系統(tǒng)中測試微波光子技術(shù)要追溯到1996年歐洲最大防務(wù)電子集團(tuán)——泰勒斯（Thales）集團(tuán)完成的光控相控陣樣機(jī)。2013年，意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的Bogoni團(tuán)隊完成了1個結(jié)合微波光子多載波產(chǎn)生、發(fā)射和接收的光子雷達(dá)收發(fā)信機(jī)PHODIR。2015年，Bogoni研究組對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將PHODIR雷達(dá)拓展至雙波段，還研究了雷達(dá)/通信雙用途原型機(jī)。

③俄羅斯也一直在發(fā)展微波光子雷達(dá)技術(shù)。2014年俄羅斯最大的無線電子設(shè)備制造商無線電電子技術(shù)聯(lián)合集團(tuán)（KRET）開展“射頻光子相控陣”（ROFAR）項目研究。該項目旨在開發(fā)基于光子技術(shù)的通用技術(shù)和核心器件，制造射頻光子相控陣樣機(jī)，用于下一代雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。ROFAR 采用分布式系統(tǒng)，可以發(fā)射帶寬高達(dá)100 GHz的信號，發(fā)射機(jī)能效大于60%，可以對幾百km外的物體實(shí)現(xiàn)3D成像。相對于傳統(tǒng)雷達(dá)，ROFAR雷達(dá)的系統(tǒng)質(zhì)量降低50%，分辨率可以提升數(shù)10倍。

④國內(nèi)微波光子雷達(dá)的研究可以追溯至21世紀(jì)初，雖然相比美國和歐盟起步略晚，但發(fā)展極為迅速。2013年南京航空航天大學(xué)成立了雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先后開展了基于光纖連接的分布式雷達(dá)、超寬帶噪聲雷達(dá)、無源雷達(dá)等雷達(dá)系統(tǒng)研究。2017年6月，南京航空航天大學(xué)聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)第14研究所研制出了可實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)實(shí)時成像的微波光子雷達(dá)驗(yàn)證系統(tǒng)[15]。該系統(tǒng)利用微波光子技術(shù)對接收信號進(jìn)行預(yù)處理，在不損失信息量的前提下極大地壓縮了數(shù)據(jù)量，成功實(shí)現(xiàn)了對小尺寸目標(biāo)的實(shí)時高分辨成像，成像精度優(yōu)于2 cm。此技術(shù)突破了電子技術(shù)對帶寬與處理速度的限制，能為高精度實(shí)時雷達(dá)目標(biāo)監(jiān)測提供可靠的技術(shù)支持。同期，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊也完成了基于微波光子技術(shù)的SAR成像研究，其雷達(dá)發(fā)射信號帶寬為600 MHz，對應(yīng)成像分辨率25 cm。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大型非合作目標(biāo)波音737的成像，有效論證了微波光子雷達(dá)的可行性。清華大學(xué)也報道了一種用于測距和成像的光子雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用1個4位光數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生了1個中心頻率10 GHz，帶寬4 GHz的線性調(diào)頻信號，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射、目標(biāo)反射及接收天線接收后，攜帶上目標(biāo)的距離和速度等信息。該光子雷達(dá)系統(tǒng)的距離精度為5 cm，測速精度為2 m/s。此外，2015年上海交通大學(xué)還報道了基于鎖模激光器的光子雷達(dá)系統(tǒng)，用于測距。

二、里德堡精密測量微波電場

南京郵電大學(xué)智能芯片精密測量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)就芯片表面微波磁場的精密測量的原理在公眾號里做了比較詳細(xì)的介紹。下面，我們就以上三個方向中的原子微波電場計技術(shù)展開，具體介紹中國山西大學(xué)激光光譜研究團(tuán)隊在里德堡精密測量微波電場方面取得的突破。

2.1測量原理

根據(jù)圖1所示產(chǎn)生一個里德堡原子超外差。關(guān)鍵的新成分是和里德堡轉(zhuǎn)換發(fā)生共振的局部強(qiáng)微波場，拉比頻率為ΩL。目標(biāo)是測量在里德堡狀態(tài)間產(chǎn)生頻率的信號微波，其中ΩS?<<ΩL，頻率去諧δS?和相位ΦS?都是相對于其局部場測量的。考慮2πδS?<<ΓEIT?，其中ΓEIT?為典型EIT線寬。

圖1 里德堡原子態(tài)

在原子超外差中，微波信號中的全部信息被編碼在微波處理的里德堡態(tài)的一階能量位移中。強(qiáng)共振局域微波場導(dǎo)致兩種處理后的狀態(tài)|±>被ηΩL分開，其中η為普朗克常量，它們分別是兩個裸里德堡態(tài)|3>和|4>的對稱和反對稱疊加。當(dāng)其被一個小微波信號擾動時，|±>需要一瞬間的能量變換±El=±ηΩScos(2πδSt+ΦS)/2。

在探測El時，使用ΩL作為控制旋鈕來控制里德堡原子的EIT光譜，如圖2所示。由于強(qiáng)局域微波引起EIT峰的Autler-Townes（AT）分裂，共振透射點(diǎn)的位置移到每條EIT線的傾斜段上，其斜率為|κ|。因此，當(dāng)能量擾動±El使兩條EIT線向外偏移時，這種偏移以的速率κ線性轉(zhuǎn)移為共振光透射的變化。通過調(diào)節(jié)ΩL，可以修改EIT線的輪廓，從而有效地控制在其中的位置（如圖2）。這使得我們能夠在位于兩條EIT線的最大值的一半附近時獲得最大斜率|κ0|的最佳點(diǎn)。

圖2 微波處理的里德堡EIT光譜微波傳感圖

里德堡原子超外差因此檢測到微波信號作為振蕩光學(xué)讀出，由有信號和無信號時共振光傳輸中的變化表示，如圖3所示。當(dāng)在最佳點(diǎn)操作時，有：

Pout(t) = |P(δS)|cos(2πδSt+ΦS)（1）

此處，|P(f)|是在線性頻率f下P(t)的單邊傅里葉譜的振幅，信號的拉比頻率ΩS由測量算出:

（2）

這提供了信號振幅，其中μ是與里德堡躍遷有關(guān)的偶極矩。整個過程使用的是均方根振幅。關(guān)鍵的是， |κ0|和|P(δS?)|都是直接從光譜中導(dǎo)出的，從而從根本上將電場測量簡化為光學(xué)頻率測量，并確保測量的SI可追溯性。

圖3 測量原理圖

公式（1）和（2）是基于原子超外差的微波傳感的核心。在測量ΩS<<ΓEIT?區(qū)域的超弱電場方面，它比現(xiàn)有的原子微波傳感器有顯著的優(yōu)勢。在相位和頻率分辨率方面，它也在可追蹤的振幅測量中可觀地提高了靈敏度。特別是，原子超外差的靈敏度具有有利的標(biāo)度（S∝σ，其中σ為經(jīng)典噪聲引起的誤差）和最小可探測場（,其中T為測量時間）。這與標(biāo)準(zhǔn)原子電子計形成鮮明對比[16-17]，其對于ΩS?<<ΓEIT?實(shí)現(xiàn)非線性檢測，其中，。結(jié)合在最優(yōu)點(diǎn)的操作，原子超外差最大限度地提高了效率，以努力通過降低經(jīng)典噪聲來提高靈敏度，或者通過增加測量時間來進(jìn)入更小的領(lǐng)域。

2.2實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

在室溫蒸氣池使用Cs原子可實(shí)現(xiàn)里德堡原子超外差。下面提供了最佳點(diǎn)和線性關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。掃描為局部微波場函數(shù)的|P(δS)|，其特點(diǎn)是它最大值的存在（如圖4），說明存在一個最佳點(diǎn)。

圖4 局部微波場函數(shù)|P(δS)|曲線圖

與此最大值相對應(yīng)的EIT譜（如圖5），與雙峰擬合結(jié)合，表明諧振傳輸點(diǎn)確實(shí)位于每條EIT線的半最大值，或者說ΩL～ΓEIT。

圖5 與最大值相對應(yīng)的EIT譜

圖4和圖5中的實(shí)心曲線代表了理論上的計算，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。圖6印證了ΩS<<ΩL?時原子超外差的|P(δS?)| ∝E?S的關(guān)系，但當(dāng)ΩS～ΩL?時，線性開始被破壞。要在給定相同的光學(xué)讀出噪聲的情況下，在ΩS?<<ΓEIT～ΩL的體系中進(jìn)一步說明線性檢測比非線性檢測的優(yōu)勢，將設(shè)置轉(zhuǎn)換為原子的標(biāo)準(zhǔn)配置。然后發(fā)現(xiàn)其光輸出（如圖6）的比例正比于（近乎二次方）與E?S的比例，達(dá)到了單位信噪比(SNR)，其ES?值遠(yuǎn)大于原子超外差。要注意的是，對于ΩS?>ΓEIT，ES的線性檢測通過AT分裂測量是可行的。

圖6 不同設(shè)置下的光信號曲線

2.3技術(shù)優(yōu)勢

在建立了傳感原理之后，現(xiàn)在根據(jù)方程（1）和（2）證明原子超外差在微波測量中的卓越性能。從1s的測量時間內(nèi)獲得的電場ES（如圖7），可得出靈敏度為

，比傳統(tǒng)技術(shù)提高了38倍。

圖7 1s的測量時間內(nèi)獲得的電場ES

為找到可實(shí)現(xiàn)的最小的可測場Emin，要降低影響系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的噪聲。在不同時間對同一信號的測量顯示出一個隨機(jī)信號在1%范圍內(nèi)波動到T=5000s（如圖8），顯示出系統(tǒng)在這段時間內(nèi)的穩(wěn)定性。測量的Emin(T)和相一致，符合預(yù)期。因此得到T=5000s時的E?min=780pVcm-1。

圖8ES隨時間的變化

圖9顯示了微波電場在T=5000s時的典型單邊傅里葉頻譜。因?yàn)門按原理受外部同步時鐘穩(wěn)定性的限制，可延長到4小時以上，預(yù)計達(dá)到。

圖9 微波電場在T=5000s時的典型單邊傅里葉頻譜

圖7顯示，原子超外差也實(shí)現(xiàn)了比所有其他原子傳感器更高的性能，其微波場測量精度低于8μVcm-1。最小不確定度在1s的測量時間內(nèi)為10-8Vcm-1，基本上由基于EIT譜的光學(xué)測頻精度決定。圖7還比較了原子超外差法和標(biāo)準(zhǔn)天線法的測量結(jié)果。在177nVcm-1≤ES≤1.78mVcm-1的范圍內(nèi)，它們不確定度均為約5%?？梢哉J(rèn)為，這種不確定性源于與設(shè)置微波發(fā)生器輸出功率的天線方法有關(guān)的不確定性。原子超外差單次測量的相對統(tǒng)計不確定度隨信號的減小而增大，但可以通過多次測量的平均值來減小。當(dāng)ES<177nVcm-1或E?S>1.78mVcm-1時，原子超外差的系統(tǒng)不確定性才變得顯著，前者由于信號和噪聲的非相干和，后者由于線性關(guān)系的分解。在極弱場范圍的測量補(bǔ)充了對于強(qiáng)磁場的AT分裂測量，。

圖10顯示了原子超外差感知多普勒頻移和識別目標(biāo)運(yùn)動的能力，在航空、氣象和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要作用。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射的微波從一個周期性運(yùn)動的物體反射出來，這個物體被原子超外差接收（連同發(fā)射的微波一起）產(chǎn)生Pout(t)，模擬多普勒雷達(dá)探測。相應(yīng)的單邊傅里葉振幅譜顯示五個明顯的峰值（如圖10），中心峰值對應(yīng)于發(fā)射頻率。測得的多普勒頻移δf=±4.4mHz，由此確定物體朝向（或遠(yuǎn)離）天線的徑向速度，即ν=95μms-1。兩個側(cè)峰距中心2δf遠(yuǎn)，表明發(fā)生了多次反射。頻率分辨率為0.2mHz，受快速傅里葉變換（FFT）的分辨率帶寬（RBW）的限制。頻率精度，，對于數(shù)百nVcm-1的磁場，達(dá)到亞μHz。當(dāng)前原子超熱的帶寬超過100kHz，這使我們能夠測量從幾μms-1到幾kms-1的速度，涵蓋了從細(xì)胞遷移到火箭快速飛行的運(yùn)動。

圖10 原子超外差感知多普勒頻移的單邊傅里葉振幅譜

原子超外差分解微波相位的能力如圖11所示。從P(t)中提取的相位Φout和真實(shí)相位ΦS顯示出良好的一致性。通過測量對應(yīng)于跳躍輸入相位ΦS的Φout，可估計相位分辨率為0.8°，與理論一致。

圖11Φout和ΦS的關(guān)系曲線

2.4應(yīng)用前景

以上介紹了一種基于微波修飾里德堡光譜的新型微波傳感技術(shù)，它可以同時實(shí)現(xiàn)超高靈敏度信號電場的SI可追蹤測量以及相位和頻率的檢測。通過產(chǎn)生有利的縮放，該技術(shù)顯著提高了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)工作的效率，以降低靈敏度增益的經(jīng)典噪聲，從而為實(shí)現(xiàn)量子投影噪聲限制（QPNL）下

的靈敏度開辟了一條可行的途徑，這在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)中是極具挑戰(zhàn)性的。從目前的技術(shù)和非經(jīng)典資源的組合中，可以預(yù)期靈敏度將會得到進(jìn)一步提高。同樣吸引人的是將里德堡原子超外差應(yīng)用于超小場區(qū)可追蹤微波電場標(biāo)準(zhǔn)的前景。該技術(shù)可推廣應(yīng)用于從射頻區(qū)到遠(yuǎn)紅外區(qū)的電磁輻射檢測，并具有小型化的可行性。該研究在實(shí)現(xiàn)未來量子接收機(jī)的道路上邁出了一大步，例如在雷達(dá)或射電望遠(yuǎn)鏡中，具有SI可追蹤精度和超高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)；在太赫茲通信中，也可通過相位或頻率調(diào)制恢復(fù)太赫茲載波中編碼的信息。

三、微波場精密測量的總結(jié)與展望

3.1橫向趨勢

由于歷史發(fā)展原因，微波場精密測量技術(shù)早期的發(fā)展主要集中在美國、西歐等較發(fā)達(dá)地區(qū)，中國在該方面的研究起步較晚。但隨著我國對量子研究的不斷深入，中國科研團(tuán)隊在國內(nèi)和國際上取得了一次又一次突破。山西大學(xué)賈鎖堂、肖連團(tuán)教授團(tuán)隊、南京航空航天大學(xué)潘時龍教授團(tuán)隊等的研究成果，都在國際上引起轟動。當(dāng)前國內(nèi)眾多高校都在微波場精密測量方向投入甚多，中國在該方向的研究已呈現(xiàn)比肩甚至超越歐美的趨勢。

3.2技術(shù)更新

早期的微弱電磁場測量都是基于電子來進(jìn)行的，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)基于里德堡原子的微波精密測量具有更高的精度和靈敏度，便發(fā)展了原子微波電場計和原子微波磁場計兩大分支。同時，基于光子的探測和成像技術(shù)也得到進(jìn)一步發(fā)展和成熟。未來，極有可能有更具優(yōu)勢的新技術(shù)涌現(xiàn)，微波場精密測量將得到進(jìn)一步發(fā)展。

3.3縱向趨勢

隨著時間的推進(jìn)，由于技術(shù)的更新，精密測量技術(shù)的精度在納米級方向得到進(jìn)一步的發(fā)展，精密測量分辨率不斷提高，不確定度不斷降低。里德堡原子微波電場計剛起步時，實(shí)現(xiàn)的微波電場測量靈敏度雖已可達(dá)

，但最新技術(shù)已經(jīng)達(dá)到。原子微波磁場計和微波光子雷達(dá)的靈敏度也同樣在不斷刷新?？梢灶A(yù)見，未來精密測量技術(shù)將越來越精密化、精準(zhǔn)化，人類對微觀領(lǐng)域的度量將越來越得心應(yīng)手。

3.4應(yīng)用前景及展望

目前，微波場精密測量方面的一些新技術(shù)尚處于孵化階段，還未得到成熟應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和可靠性的不斷提高，其在科研、軍事、探測、醫(yī)學(xué)、制造、通信等各個領(lǐng)域的應(yīng)用必然會愈加廣泛。

譬如，當(dāng)前我國芯片發(fā)展的一大障礙便是芯片的微型化與電磁干擾間的矛盾，而使用微波場測量技術(shù)，就可精確探測出芯片整體和局部的電磁場走勢，從而為解決方案的提出和實(shí)現(xiàn)提供了可能性。并且可以試想，運(yùn)用該技術(shù)，可以精確看出芯片內(nèi)部正在傳輸與變換的信號，若是芯片某一部分出現(xiàn)問題，就能輕而易舉地檢測出[18-20]。

并且，該技術(shù)應(yīng)用于生活，也將給人們帶來極大便利。如在醫(yī)學(xué)檢測中運(yùn)用精密測量，人體中各種生物信號的微弱變化都能被發(fā)現(xiàn)，從而許多疑難病癥的診斷和治療，甚至某一生命體征微小異常帶來的潛在危害預(yù)見，都將得到實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，微波場精密測量技術(shù)發(fā)展前景廣闊，在不遠(yuǎn)的將來必然會作為一項新興技術(shù)造福社會。

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