综述：轴频电场量子探测方法概述

《Journal of Marine Science and Engineering》：An Overview of Quantum Detection Methods for Shaft-Rate Electric Fields

　　

轴频电场（SREF）是海洋中运动舰船产生的一类微弱特征信号，是水下目标探测与识别中的关键物理特征。论文基于轴频电场的生成机理，系统综述了传统检测与提取方法的研究进展。在此基础上，结合量子技术的核心特征，进一步阐明了量子技术应用于SREF检测的可行路径。研究结果表明，里德伯原子（Rydberg atoms）与金刚石氮-空位中心（NV centers）在SREF检测中显示出良好的应用可行性，并且在灵敏度与精度方面相较传统方法具有显著优势。同时，解决探测频段与测量强度问题构成了基于量子技术的SREF检测发展的关键突破口。该研究旨在为SREF的量子探测提供理论基础与技术可行性分析，推动该领域由传统方法向高灵敏度量子传感转变。

1. Introduction

文章指出，当前水下目标探测技术正面临传统声学探测的瓶颈。随着舰船低可探测性技术与降噪技术的发展，单一声学方法已难以满足复杂海洋环境下对水下目标精确探测、识别与定位的需求。在多种非声物理场中，舰船电场由于与船体结构及推进系统高度相关，被视为反映舰船特性的核心载体。其中，轴频电场（SREF）因具有频谱特征明显、传播距离较远和衰减较慢等特点，逐渐成为水下探测研究的重点。文章进一步强调，SREF研究不仅能够为非声探测提供新的感知维度，还有助于推动电场感应引信、电场干扰以及电场防护等技术的发展，因此对海上安全保障具有重要意义。与此同时，复杂海洋环境中的高噪声背景使低信噪比（SNR）条件下SREF信号的有效提取成为主要挑战。文章据此引出量子传感技术，认为其凭借高灵敏度、高精度及微型化潜力，有望弥补传统方法在复杂噪声环境下的不足。

2. Generation and Principle of the SREF

该部分首先阐述了SREF的形成机理。海水作为高导电性电解质溶液，舰船钢制船体与镍铜合金螺旋桨之间因电化学活性差异形成天然腐蚀原电池。为抑制船体过度腐蚀，通常采用阴极保护系统。在该体系中，腐蚀电流与保护电流经海水由阳极流向阴极，再通过尾轴、轴承、联轴器和齿轮等接地结构回流至船体，从而构成完整电流回路，这是SREF产生的前提。螺旋桨转动时会对这一基础电流实施调制，形成以轴频为基频的时变电磁场，并以谐波形式向外传播，从而产生轴频电场。文章指出，这一调制主要通过内调制与外调制实现，其效应比通常不超过5%。SREF属于极低频（ELF）信号，频率一般位于1–7 Hz，强度通常为微伏每米量级，且在海水中衰减显著，易被背景噪声淹没。但其功率谱具有明显线谱特征，因此成为目标识别的重要依据。此外，SREF在水下具有复杂空间分布和明显近场特征，多轴舰船轴系间的相位差还会显著影响其幅值，进一步增加探测难度。本节最后概括了传统检测方法与量子检测路径的总体框架，为后文展开综述奠定基础。

3. Traditional Methods for the SREF

3.1. ALE Method

文章将自适应线增强器（ALE）方法视为SREF传统检测的重要代表。ALE本质上是一种用于加性噪声中线谱参数估计的自适应谱估计技术，其核心在于依托自适应滤波算法动态调整参数，从输入信号中锁定并提取周期性目标分量，同时抑制非规则宽带噪声。文中提到，基于最小均方（LMS）原理的传统ALE在低信噪比场景下能够起到一定的窄带增强作用，而后续基于增量式元学习IDBD算法改进的ALE可进一步突出信号频谱特征，更有效地压制背景噪声并分离窄带SREF信号。针对非高斯噪声背景下性能下降的问题，文中还介绍了基于最大混合相关熵准则（MMCC）的自适应线增强方法，其在高斯与非高斯条件下均能维持较明显的信噪比增益，体现出更强鲁棒性。总体而言，ALE方法特别适用于“强噪声中提取弱周期信号”的应用场景，与SREF检测需求高度契合，但其性能仍受噪声统计特性影响。

3.2. Wavelet Transform-Based Detection Method

小波变换（Wavelet Transform）方法被用于处理SREF这类非平稳信号。文章指出，小波分析能够同时提供时域与频域信息，适合描述SREF低频且缓慢时变的本征属性。相关研究通过连续小波变换对海洋环境电场及舰船SREF实测信号进行分析，并计算尺度-小波能量谱，结果表明该方法在复杂海况下仍具较好鲁棒性，在高信噪比条件下取得较高检测率。文章同时指出，该方法若仅依赖单轴电场信号，存在误警风险。除算法层面外，文中还介绍了基于光纤电流互感器（FOCT）的高精度SREF电流测量方案。该方案借助光纤结构提升硬件抗干扰能力，并结合快速傅里叶变换-离散小波变换（FFT-DWT）算法实现交流与直流稳态信号分离。作者认为，该类方法在环境适应性与抗干扰性方面表现突出，但其硬件成本较高，工程推广难度较大，且光纤对机械振动较敏感，仍需额外减振设计。总体上，小波变换依靠时频双局域能力，对SREF低频、时变特征具有良好适配性。

3.3. Other Detection Methods

除ALE与小波方法外，文章还综述了高阶累积量、熵分析和随机共振等传统检测手段。高阶累积量由于对高斯噪声具有抑制作用，被用于弱信号提取。相关研究将经验模态分解（EMD）与四阶累积量对角切片功率谱结合，即使在?15 dB低信噪比下，仍可识别SREF基频及三次谐波特征。熵分析则通过度量信号复杂度与随机性，实现对不同舰船SREF特征参数的区分。文中提到，基于本征模态函数（IMF）能量排列熵（PE）的特征提取方法，可显著增大不同目标间熵差异，改善传统方法因参数差异过小而造成的识别失效。随机共振技术则利用噪声增强弱信号能量，以提高识别能力；改进的二阶双稳匹配随机共振方法在极低信噪比条件下仍能保留输出信号周期结构，并检测出基频及谐波成分。尽管这些方法各具优势，文章也指出其局限性同样明显，例如高阶累积量法对信噪比仍有较高要求，小波与自适应线谱方法存在边界效应，都会影响整体估计精度。这些问题构成了量子方法受到关注的重要背景。

4. SREF Detection Based on Rydberg Atoms

4.1. Basic Characteristics of Rydberg Atoms

文章指出，里德伯原子是主量子数极大的原子，其外层电子被激发至远离原子核的轨道，因此具有超大轨道半径与原子尺度，轨道半径与主量子数n²成正比。由于电子受核束缚较弱，这类原子对外部电场响应极强。其电偶极跃迁矩阵元与n²成正比，相邻能级间偶极-偶极相互作用强度与n⁴成正比，从而赋予其巨大的电偶极矩和高电场灵敏度。与此同时，里德伯态寿命与n³成正比，较长寿命也为精密测量与量子信息处理提供了有利条件。文章据此认为，里德伯原子的这些基本物理特性使其在微弱SREF探测中具备天然优势。

4.2. Principle of Rydberg Atom Detection

在探测原理上，文章主要介绍了电磁感应透明（EIT）光谱与直流/交流斯塔克效应（DC/AC Stark effect）。EIT是一种光与物质相互作用下产生的量子相干效应，里德伯原子常通过双光子激发构建EIT构型，外加电场会改变EIT谱线特征，由此可实现对电场的高灵敏探测。斯塔克效应则表现为外电场引起的能级分裂与频移，通过精确测量能级变化可反演电场强度。文章进一步梳理了该技术在电场测量中的进展，包括直流电场和超低频电场测量。已有研究实现了±20 μV/cm量级的直流电场测量，也有研究利用集成平行电极的原子蒸气池完成100 Hz超低频电场测量，最小可测场强达到214.8 μV/cm，灵敏度为67.9 μV/cm·Hz^1/2。此外，基于室温铯原子蒸气的EIT方案还实现了50 Hz工频电场幅值与频率测量，频率测量精度达到±0.03 Hz。文章认为，这些结果为SREF所属极低频段探测提供了重要支撑。与此同时，文中也指出，受蒸气池内壁碱金属吸附引起的低频屏蔽效应限制，低于一定频率的电场感知仍十分困难。为此，研究中提出了外接环形电极、插入薄膜电极以及利用紫外光、氩离子激光或加热方式进行表面脱附等方案，以降低可检测频率下限。

5. SREF Detection Based on Diamond NV Centers

5.1. Basic Characteristics of Diamond NV Centers

文章将金刚石氮-空位（NV）中心描述为由替位氮原子与相邻碳空位构成的原子尺度点缺陷，其电子结构可等效表示为S = 1的电子自旋三重态与S = 0的电子自旋单重态。NV中心主要有中性NV⁰与带负电NV^?两种电荷态，其中NV^?因具备优良量子性质而成为研究焦点。其突出优势包括可通过光学方式实现自旋极化与读出、在室温下仍保持较长的基态横向自旋弛豫时间，以及具备纳米尺度空间分辨率。这些性质使NV中心不仅适用于量子计算和量子网络，也使其成为适合高精度电场测量的多功能量子传感器。文章特别强调，其原子尺度传感特性为器件小型化和集成化提供了重要基础。

5.2. Detection Principle of Diamond NV Centers

在检测原理方面，文章主要讨论了连续波或脉冲式光探测磁共振（ODMR）技术。该技术通过施加微波场驱动NV中心不同自旋子能级间的跃迁，其本质与电子顺磁共振（EPR）相关；当微波频率与自旋能级差匹配时，荧光强度发生变化，通过扫描微波频率并记录荧光响应即可得到ODMR谱。外电场引起的能级变化会反映为ODMR谱线的偏移或分裂，进而可实现电场强度反演。文章综述了NV中心技术在电流测量中的若干进展。例如，有研究研制出基于NV中心的电流互感器，可对50 Hz交流电实现约0.3%的测量精度，并表现出较高磁测灵敏度。另有研究提出类霍尔高精度直流传感器，在5–40 A范围内实现低于51 μA的绝对误差，并具有较低的1 h稳定性误差。文章认为，这些成果表明NV中心在直流与低频交流高精度定量测量方面已具备良好基础。与此同时，将NV中心集成至光纤探头和扫描探针的技术逐渐成熟，为舰船等移动平台上的分布式原位探测提供了可行工程路径。面对舰船环境中复杂的电磁噪声，连续动态退耦（CDD）等技术的发展也使NV中心传感器有望在强磁背景下抑制磁场干扰并针对性探测电场信号。

6. Summary and Outlook

在总结部分，文章首先回顾了SREF传统检测方法的发展，并围绕里德伯原子与金刚石NV中心两类量子技术进行了可行性分析。综合已有研究，作者认为里德伯原子技术已在从直流到几十赫兹的频率范围内实现电场测量，检测下限达到微伏每厘米量级，其超大电偶极矩及强外场耦合特征使其在捕获SREF等微弱信号方面具有突出潜力。金刚石NV中心技术则已在直流和低频交流电流测量中展现出高精度、环境适应性强以及易于微型化集成等优势，因此在SREF探测场景中同样具有广阔应用前景。文章同时指出，量子技术迈向工程化应用仍面临多重挑战：一是SREF本身信号极弱且在海水中传播衰减明显，量子探测需与差分或梯度测量、传感器阵列、长时间积分及自适应线谱提取等弱信号增强策略结合；二是海洋环境中的电磁噪声、温盐梯度、水流扰动、海洋生物电活动及生物污损等因素会削弱量子传感器的长期稳定性和可靠性，因此需配置参考通道、环境补偿、抗生物污损封装、隔振设计以及系统性标定；三是量子SREF检测系统在计算复杂度与成本方面仍需优化，分层处理架构与常规传感器和量子传感器相结合的混合感知方案可能是现实路径。尤为关键的是，量子传感技术在SREF特征频带1–7 Hz内的探测性能及电场检测下限仍有待进一步提升。文章据此认为，突破上述技术瓶颈将是实现真实海洋环境下SREF量子精密探测的核心前提。