空间尘埃等离子体对量子卫星通信性能的影响

发布时间：2019-07-18 20:27

【摘要】：为了研究尘埃等离子体中带电尘埃的粒子半径、粒子浓度和带电荷数对量子通信性能的影响,首先根据Mie散射理论得到单个带电尘埃粒子的光散射截面;然后通过粒子浓度求出总的消光截面,得出链路衰减的数学模型,提出了带电粒子特性与量子纠缠度的关系;针对退极化信道,当单个尘埃粒子所吸附带电粒子的个数为50时,给出了尘埃粒子半径、粒子浓度与信道容量和量子误码率的定量关系.仿真结果表明,当量子信号的传输距离为10km时,尘埃粒子浓度从1×10~(10) m~(-3)增加到10×10~(10) m~(-3),信道容量从0.6726降低到0.1075;尘埃粒子半径从0.1μm增加到10μm时,量子误码率由1.334×10~(-3)增加到5.309×10~(-3).由此可见,尘埃等离子体中带电尘埃粒子的半径和浓度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,为确保量子通信的可靠性,应根据所探测到的等离子体环境的状况,调整卫星通信系统的各项指标参数.
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图片说明：之间的定量关系，并通过仿真进行验证，为光量子信号在星地之间传输时，量子通信系统的有序进行提供参照依据．１带电尘埃粒子的光散射截面对于尘埃等离子体中的单个尘埃粒子，将其视为半径为ｒｄ的球形粒子来处理．尘埃粒子相对于电子、离子和其他中性粒子而言，质量较大，，处于电离层等离子体环境中与周围的电子、离子相互碰撞，吸附一定数量的电子和离子，在其表面周围形成半径为λＤ的屏蔽德拜云［１３］．其模型见图１．其中屏蔽德拜云的屏蔽半径可用德拜长度［１３］表示为图１带电尘埃粒子模型Ｆｉｇ．１ＣｈａｒｇｅｄｄｕｓｔｐａｒｔｉｃｌｅｍｏｄｅｌλＤ＝（ε０ｋＢＴ／ｎｅｅ２）１２（１）式中，ε０为真空中的介电常数，ｋＢ为玻尔兹曼常数，Ｔ为背景温度，ｎｅ为带电尘埃系统中电子密度，ｅ为基元电荷．１２０６００２－２
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图２散射截面与粒子半径的关系Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄ

图片说明：和复折射率等参数有关．由文献［１０］可知，当ｒｄ／λＤ≤５时，可将尘埃粒子看成是孤立的，即尘埃粒子之间的相互作用可以忽略不计，则可得到单个尘埃粒子的光散射截面．若中心尘埃粒子的复折射率取冰晶粒子的复折射率［１１］为１．７８＋７．７８×１０－６ｉ，背景温度Ｔ＝３００Ｋ，电子密度ｎｅ＝５×１０１０ｍ－３．采用波长λ＝１．５５μｍ的光量子信号进行通信，则在不同的电荷数下，单个带电尘埃粒子的光散射截面随粒子半径的变化如图２所示．图２中，ｒｄ表示粒子半径，取值范围为０～１０μｍ，σｓｃａ表示散射截面．从图中可以看出，当电荷图２散射截面与粒子半径的关系Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｒａｄｉｕｓ数一定时，随着尘埃粒子半径的增加，其光散射截面呈类线性增加．因为式中有ｅｘｐ（ｒｄ／λＤ）项，将文中所给参数代入，计算出德拜长度λＤ＝２８．７μｍ，而尘埃粒子的半径取值为０～１０μｍ，所以指数增加不明显，类似于线性增加．当粒子半径一定时，随着电荷数的增加，带电尘埃粒子的带电量在增加，屏蔽德拜云的散射截面和中心尘埃粒子与屏蔽德拜云的相干截面也随之增加，从而总的光散射截面也在增加．１２０６００２－３
【作者单位】：西安邮电大学通信与信息工程学院;西北工业大学电子信息工程学院;西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金(No.61172071) 陕西省国际科技合作与交流计划项目(No.2015KW-013) 陕西省教育厅科研计划项目(No.16JK1711)资助~~
【分类号】：O413;P354.2;TN927.2

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