大气带电粒子对星地量子链路通信性能影响的研究

发布时间：2020-10-12 04:59

　　 量子通信是量子论和经典信息论相结合后,所发展出的新型交叉学科。研究和实验结果表明,由于量子独有的天赋特征,量子通信具有其他通信体系所无可比拟的安全性。而全球量子通信的广域网建设必将成为不远将来量子通信研究范畴的重点。而量子卫星通信具有安全保密、系统容量大等亮点,对于军事、金融等领域具有重大的应用价值,是构建全球量子通信网的重要组成部分,已成为本领域当前的研究热点。2016年8月16日1时40分,中国发射了“墨子号”科学实验卫星,此次量子卫星的成功发射,也标志着中国对量子通信研究与发展的支持与重视。随后,中国科学院的研究人员将借助量子卫星平台,进行一系列验证性实验,以期突破量子通信在各个方面的技术障碍。基于量子卫星通信的星地量子链路,是建立全球量子通信广域网络所不可或缺的重要组成部分。然而,现阶段在大气带电粒子所引起的各种极端天气条件下,对星地量子链路通信性能影响方面的研究很少,为此本文结合量子卫星通信基本理论,分析了大气带电粒子对星地量子链路光量子信号传输的衰减模型,侧重于研究,光量子信号与带电粒子所引起的各极端自然环境,相互影响的关系,详细地研究了雷暴云、带电沙尘暴等恶劣天气对星地量子链路通信性能的影响,为以后量子卫星通信的更深层次的研究奠定了理论参考依据。本文的创新点主要分为:一、根据雷暴云中大气带电粒子的消光截面与数目浓度分布函数,得到了大气带电粒子浓度、电荷密度与星地量子链路衰减系数的关系并进行了参数仿真。针对退极化信道和振幅阻尼信道,构建了大气带电粒子浓度、电荷密度与星地量子链路信道容量之间的函数关系并进行了仿真分析。针对退极化信道,构建了大气带电粒子浓度、电荷密度与星地量子链路信道平均保真度、信道生存函数之间的关系并进行了参数仿真和数据分析。二、根据非球形大气带电粒子的消光截面,并结合谱分布函数,得到了椭球形、切比雪夫大气带电粒子等效半径、粒子浓度与星地量子链路衰减系数的关系。建立了椭球形、切比雪夫大气带电粒子等效半径、电荷密度及传输扩散时间与星地量子链路纠缠度之间的关系。剖析了大气能见度与星地量子链路通信保真度之间的定量关系。并在章节末尾处,首次把本文数据与前人研究成果进行了数据对比分析。三、为了研究带电沙尘粒子本身物理特性与星地量子链路光子能量、密钥分发和信道建立速率之间的关系。按照带电沙尘粒子的谱分布函数与前向散射振幅,提出了带电沙尘暴对光量子信号的消光衰减表达式。在其中,首次将带电粒子的荷质比这一表征粒子带电性的参量,考虑进运算。同时,还对全文进行了概括总结,并展望了量子卫星通信未来的发展,将多个量子卫星的星间切换考虑其中,最终实现全球广域量子网络。
【学位单位】：西安邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O413;TN91
【部分图文】：

信号在地卫之间进行传输时，不可避免地会穿过雷暴云光效应，严重影响星地量子链路通信系统的通信性能。雷暴云中大气带电粒子的粒子浓度、电荷密度与信道容间的函数关系。并进行了仿真实验验证，为雷暴云背景运行提供参照依据。粒子模型气带电粒子主要有沙尘、云雾和雨滴等几种，沙尘的形规则，通常在理论分析时，都作简化，较多的是简化为示，考虑一个均匀、各向同性且无磁性的球形粒子[23]，云中存在一定的静电场，设这一电场沿竖直方向，用 E R，介电常数为1 ，相对介电常数为r ，由于粒子间的荷密度为1 ，电荷分布角为0 。电场 Ee作用下，考虑频率为 f 的光量子信号沿 z 轴方向，粒子内外电势满足拉普拉斯方程2 0。

4 6 2 *21 r r0 0 2 020 0 0 1 π 1 4π33 sin2 6 3 k R RkEE E 量子链路衰减的影响输如图 3.2 所示。

雷爆云的米氏散射的消光系数为 ext0A N R R Q m, x dR R~R+dR 范围内大气带电粒子的消光截面，Q m, 212, 2 1 Ren nnQ m x n a bx 电粒子平均复折射率，na ，nb 是米氏系数，x 为2πRx d 中的雷暴云环境中，随机分布着介电性质相同，初始振幅为0I 的量子态垂直入射，入射面为 xz z 为 0 和 d。，光量子态在雷暴云环境中经过粒子的散射与吸减。
【参考文献】

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本文编号：2837680