自由空间保密光通信关键技术研究

发布时间：2019-09-17 06:20

【摘要】：人类使用光进行通信的历史由来已久,特别是在卫星和潜艇等不便于铺设光纤和线缆的特殊环境中,自由空间光通信因其机动灵活的特性而获得了广泛关注。与传统的微波无线通信技术相比,激光波束的宽度小、方向性好、抗截获和抗电磁干扰的能力强,在通信的保密性方面具有较大的优势。并且当把光衰减到单光子的尺度时,还可以将信息编码在光子的量子态上,利用量子通信技术从理论上实现绝对安全的保密光通信。在本论文中,主要针对自由空间保密光通信的应用背景,分别着眼于星地量子通信和对潜艇保密激光通信的实际需求,进行了星载量子光源和对潜光通信两项关键技术的研究。量子通信是迄今为止唯一被严格数学证明的绝对安全通信方式,而基于卫星平台中继的星地量子密钥分发,是实现全球化广域量子保密通信网络最有前景和最具有可行性的方案。作为中国科学院战略先导性专项首批四颗科学卫星之一,量子科学实验卫星将通过卫星上所搭载的量子光源,与地面站共同组成天地一体化的空间量子实验平台,在国际上首次完成星地高速量子密钥分发实验。针对星地量子通信的需求,本论文在星地链路高衰减和严酷外太空环境的背景下,设计研制了性能优异、高可靠性的星载量子光源,光源的功能和性能满足未来星地量子密钥分发实验的高要求。首先,针对量子密钥分发的原理和空间高可靠性的应用背景,通过理论分析总结了星地量子密钥分发对光源的需求,并选择技术简单、成熟、可靠性高的基于多激光器的方案用于实现量子光源。然后,在光源设计实现的过程中,联合奥康光通器件(中山)有限公司共同设计研制了一款专用于空间环境的激光器产品,对基于增益开关技术的激光器动态调制特性进行了模拟分析,并在此基础上,设计实现了性能优异的弱相干光源,多个激光器输出的量子态在时间、强度、频率和相位等维度不可区分。光源的重复频率为100MHz,偏振消光比和信噪比均优于25dB,所输出光脉冲的时间宽度为123ps,长时间的量子态强度稳定性优于99.4%。最后,作为量子科学实验卫星有效载荷的一部分,光源已顺利通过了一系列的空间环境验证试验,并参与了地面模拟在轨运行的量子密钥分发实验,取得了良好的实验结果。目前卫星有效载荷已经顺利交付,卫星预计于2016年7月发射。由于传统微波对潜通信在通信性能和安全性上的局限性,利用激光实现卫星(飞机)对潜艇的保密通信也有着重要的战略价值和研究意义。而通过理论研究复杂大气-海水信道的固有光学特性,建立起基于真实环境的信道参数模型,并在此基础上结合实际的设备参数研究分析对潜光通信系统的通信性能,是实现对潜保密激光通信的必经途径。针对对潜保密激光通信的需求,本论文建立了基于真实大气-海水信道参数模型的对潜光通信系统的蒙特卡罗仿真算法,并在此基础上分别研究分析了机潜高速双工通信系统和星潜光通信系统的通信性能。首先,针对真实的大气-海水信道,分别建立了基于高度分层的大气参数模型、波动的大气-海水界面模型以及基于深度分层的海水参数模型。海水参数由不同水质类型的海水在特定深度下的叶绿素浓度分布来决定,可以比较好地模拟真实海水的固有光学特性。其次,采用光子传输的蒙特卡罗模拟方法,建立了包含复杂大气-海水信道的对潜光通信系统的仿真算法。再次,针对飞机对潜艇的高速双工通信方案,分别建立了上下行链路的仿真算法,并在此基础上研究分析了系统的通信性能。结果表明,在系统通信容量为1G印s的情况下,JWT I型的海水中潜艇的可通信深度达到了110m,并且系统的潜在通信容量将会随着探测器带宽的提高而有显著的提升。最后,针对卫星对潜艇激光通信的方案,分别建立了信号辐射和背景太阳辐射的仿真算法,并结合实际的设备参数研究分析了系统的通信性能。结果表明,针对目标10-4的通信误码率极限,在JWTI型海水中潜艇的最大可通信深度在140m左右,最大通信数据率可以达到8kbps。本论文的创新之处在于：1.针对星地链路高衰减和严酷外太空环境的背景,设计研制了性能优异、高可靠性的星载量子光源。光源已顺利通过了一系列的空间环境验证试验,并参与了地面模拟在轨运行的量子密钥分发实验,取得了良好的实验结果,为量子科学实验卫星的科学目标实现打下了坚实的基础。目前卫星有效载荷已经顺利交付,卫星预计于2016年7月发射。2.建立了基于真实环境的大气-海水信道参数模型,并在此基础上采用蒙特卡罗方法研究分析了对潜光通信系统的通信性能。文中包含复杂大气-海水信道的对潜光通信系统的相关仿真分析和理论研究工作,朝向对潜艇的战略保密激光通信迈出了关键的一步,并为星(机)潜光通信系统的最终实现提供了重要的设计指导和理论依据。
【图文】：

示意图,量子保密通信,量子光,量子密钥分发

并在此基础上结合地面己有的光纤量子保密通信网络，初步构建一个广逡逑域量子通信体系。该卫星预计于２０１６年７月发射。逡逑图１．２表示了一种通过卫星平台中继实现星地量子通信和全巧化景子保密网逡逑络的不意图。在裔精度捕获、跟踪、瞄准（Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，邋Ｔｒａｃｋｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｐｏｉｎｔｉｎｇ，逡逑ＡＴＰ）系统的辅助下，建立起卫星平台和地面站平台之间的超远距离低损耗量逡逑子信道，进而实现星地之间的量子密钥分发，开展绝对安全的量子通信实歐。逡逑同时卫星分别与不同的地面站建立量子密钥，并利用经典信道将与不同地面站逡逑之间建立的量子密钥进行异或处理并公开发布结果，进而在两个地面站之间建逡逑立绝对安全的共享量子密钥。通过这样的方式能够将两个分隔遥远的地面光纤逡逑网络相互联通，真正的实现广域巧盖量子保密通信网络。逡逑图１．２星地量子通信和全球化量子保密通信网络示意图逡逑＾逦在量子密钥分发实验中，量子光源［４３，４４］主要完成基于真随机数的量子态逡逑的制各工作，光源的性能参数，包括重复频率、脉冲时间宽度、信噪比（Ｓｉｇｎａｌ逡逑化邋Ｎｏｉｓｅ邋Ｒａｔｉｏ

示意图,示意图,基矢,量子态

量子密钥分发是量子信息学科中最贴近于实用化也是最为成熟的一个发展逡逑方向，其中广泛采用的是基于ＢＢ８４协议［６］的通信方案，一个典型的基于偏振逡逑编码和ＢＢ８４协议的ＱＫＤ实验原理框图如图２．１所示。逡逑Ｉ邋Ｈ／ＶＢａｓＵ逡逑ｉ瞧逡逑化ｌａｎｚｅｒｓ逦一＾化，！逦？逦４５？邋Ｂａｓｉｓ逡逑Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋－邋Ｖｅｒｔｉｃａｌ逡逑防ｇｇ？旭ＵＷ．＋广）感ｉ邋化ｂ逡逑广六卢叫３Ｔ邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逦Ｉ逡逑Ｂｉｔ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ邋｜邋１邋ｌＯＯＯｌＯＯｌＯｌＯｊ逡逑Ｐｈｏｔｏｎ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ邋｜邋＾邋Ｊ邋＼一八一八ｊ邋＼邋１逡逑ｉ凸曰巧田凸巧ＤＥＣ凸凸田ｉ邋Ｂａｓｅｓ邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ逡逑Ｉ邋０逦１逦１０逦０逦１逦Ｉ逦０逦）逦０逦１逦０邋Ｉ逦Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ邋Ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ邋；邋ｘ逦？逦ｘ逦？逦Ｊｔ逦Ｘｖ＾ｘ／ｖ＾！逦Ｃｏｍｐａｌ邋化邋ｉｌｉｔｙ逡逑Ｋｅｙ；邋－逦Ｉ逦－逦０逦０逦！逦－逦－逦１逦－邋ｉ邋０邋；逦Ｋｅｙ逡逑图２．１基于偏振编码和ＢＢ８４协议的ＱＫＤ实验巧理示意图［８４］逡逑偏振编码使用单个光子的偏振态作为信息载体，，包括两种基矢下的四种偏逡逑振态，分别为＂Ｗ／＂基矢下的Ｉ巧态和Ｗ态、基矢下的１＋＞态和１－〉逡逑态，同时存在如下关系式：逡逑ｌ±）邋＝邋＾（｜／／）±｜ｙ））逦口．１）逡逑Ｉ：；：逦发送方（通常称为Ａｌｉｃｅ）和接收方（通常称为Ｂｏｂ）通过量子信道来传输逡逑＾逦量子态。Ａｌｉｃｅ随机产生一个比特（＂０＂或＂１＂），并随机选择一个基矢（＂邋＋邋＂逡逑或＂Ｘ＂），来制备量子态（Ｉ好〉、｜Ｖ0、｜＋＞、Ｉ一〉）。光子的量子态被制备好之逡逑后
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.1

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