自由空间量子密钥分配中运动平台姿态跟踪关键技术研究

发布时间：2017-08-23 21:41

  本文关键词：自由空间量子密钥分配中运动平台姿态跟踪关键技术研究

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【摘要】：21世纪以来,量子通信技术随着光电子技术、计算机技术和现代通信理论的发展逐渐成为改变人类科学认知的一门新兴科学,是解决当前通信技术手段难以保障信息绝对安全的一种通信方案。量子秘钥分配技术作为量子通信技术实用化的一个关键领域,正在受到人们越来越多的重视。本论文以自由空间量子密钥分配系统中运动平台姿态测量及稳定跟踪为研究对象,重点研究了在运动环境下量子密钥分配过程中偏振基矢的空间传递过程,分析了偏振基矢的获取方法。以正交偏振信标光作为运动平台姿态和偏振基矢改变的测量载体,通过使用二维光电位置传感器对信标光携带的三维姿态进行测量,从而获得运动平台的俯仰、方位和滚转的角度信息,同步实现运动目标跟踪和偏振基矢测量的目的。针对二维光电位置传感器的三维姿态测量原理,进行了深入的理论分析和仿真,建立了单器件三维姿态测量的数学模型。通过位置测量实验、偏振测量实验和三维姿态测量实验,验证了单器件三维姿态测量方案的可行性。同时,在青海湖和普陀山对不同的运动平台进行了自由空间量子密钥分配试验,对运动平台进行了测试,分析了车载运动平台、热气球运动平台和机载运动平台的运动特点,针对量子密钥分配中原有的ATP系统在运动平台上跟踪带宽不足、目标捕获时间过长的问题,在原有二级稳瞄系统中增加了初级跟踪环节,提高了系统的捕获、跟踪和瞄准效率和稳定性。在跟踪策略上,引入符号法控制,根据不同的符号向量产生不同的控制策略,实现稳定、自适应的目标跟踪控制过程,改善了原有PID控制方法试探性修改控制参数的弊端。在信号处理上,利用形态学滤波的方法设计了一种交替混合型形态学滤波器,实现了信号的快速、稳定的滤波输出。本论文基于中国科学院知识创新工程重大项目支持,重点从工程技术的角度对自由空间量子密钥分配系统中运动平台的姿态测量和跟踪方法进行分析和研究,对其中的关键技术进行论证和推导,对运动目标的三维姿态获取进行试验和仿真,推动了运动平台量子密钥分配技术的工程化发展。整个论文的创新点主要包括:1)在深入分析偏振光传递机理的基础上,对二维光电位置传感器的横向光电效应在三维姿态测量中的应用进行理论推导和模型仿真,提出一种基于二维光电位置传感器实现三维姿态测量的分振幅测量方法,实现了方位、俯仰和偏振基矢角的同步测量(方位、俯仰角度测量范围±15°、分辨率0.005°;偏振基矢角度测量范围0~90°,最优分辨率0.1°)。2)通过建立符号向量,提出一种基于符号法的跟踪控制策略,改进了常规PID控制中控制系统参数需要试探性修改的弊端,提高了跟踪控制过程的稳定性和自适应性,在大负载条件下实现初跟踪±0.1°的跟踪精度;3)基于形态学的信号滤波方法,通过选取多类型的结构元素,建立一种交替混合型形态学滤波器,在满足试验精度的前提下实现了信号的快速稳定输出过程;4)通过对车载运动平台、热气球浮空运动平台和机载运动平台运动特征进行分析,获得不同运动平台的运动参数和频谱构成,优化了ATP跟踪系统的控制参数,较好地完成了自由空间量子密钥分配中的试验工作。
【关键词】：量子密钥分配 运动平台 偏振基矢 符号法控制 形态学滤波
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413;TN918.4
【目录】：

• 致谢4-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-29
• 1.1 课题背景13-15
• 1.2 量子密钥分配技术及编码协议15-22
• 1.2.1 量子密钥分配技术15-20
• 1.2.2 量子密钥编码协议20-22
• 1.3 国内外自由空间运动平台光量子通信技术发展现状22-27
• 1.4 论文的研究内容及意义27-28
• 1.5 小结28-29
• 2 量子密钥分配中的偏振基矢29-65
• 2.1 量子密钥分配中的光路系统29-36
• 2.1.1 量子密钥分配光路29-33
• 2.1.2 偏振基矢检测信标光路33-36
• 2.2 偏振光的空间姿态传递36-51
• 2.2.1 偏振光的姿态传递过程36-38
• 2.2.2 偏振光的镀膜界面分析38-42
• 2.2.3 偏振光的方位角变化42-46
• 2.2.4 透镜对偏振光的影响46-47
• 2.2.5 大气对偏振光的影响47-51
• 2.3 偏振基矢角的检测51-60
• 2.3.1 Malus定律的椭偏光应用51-52
• 2.3.2 偏振角度的检测方法52-55
• 2.3.3 正交信标光的姿态检测55-60
• 2.4 偏振基矢角的偏差对量子密钥分配中误码率的影响60-63
• 2.5 小结63-65
• 3 运动平台方位-俯仰-滚转的三维姿态分析及传感过程65-97
• 3.1 运动平台的三维姿态65-73
• 3.2 三维姿态测量中的场矢量73-74
• 3.3 二维面光电探测器的功能及三维姿态测量原理74-83
• 3.4 二维PSD探测器进行三维姿态测量83-95
• 3.4.1 横向光电效应84-87
• 3.4.2 点光源照射下电极电流及位置计算87-92
• 3.4.3 光斑模式及电势场分布92-95
• 3.5 小结95-97
• 4 信标三维姿态测量及信号处理97-119
• 4.1 三维姿态测量中的传感器及附加实验部件97-101
• 4.1.1 二维PSD探测系统的性能指标97-98
• 4.1.2 光功率和能量计98-99
• 4.1.3 附加实验部件99-101
• 4.2 光电导式传感器的噪声及分析101-104
• 4.3 三维姿态测量及验证104-112
• 4.3.1 位置测量实验104-107
• 4.3.2 偏振测量实验107-109
• 4.3.3 三维姿态解耦实验109-112
• 4.4 基于形态学的滤波器设计112-117
• 4.4.1 形态学滤波运算112-114
• 4.4.2 交替混合型形态滤波及效果114-117
• 4.5 小结117-119
• 5 运动平台运动特征及符号法控制策略119-147
• 5.1 信标初指向系统119-128
• 5.1.1 初指向用大负载电机转台121-122
• 5.1.2 惯性减震平台122-124
• 5.1.3 GPS互联指向124-128
• 5.2 运动平台的运动特征128-133
• 5.2.1 车载运动平台128-129
• 5.2.2 热气球运动平台129-132
• 5.2.3 机载运动平台132-133
• 5.3 初指向系统中的符号法控制策略133-142
• 5.3.1 初始条件及符号法判别134-140
• 5.3.2 二分法控制参数更新140-141
• 5.3.3 超调及超前补偿141-142
• 5.4 控制性能及效果142-145
• 5.5 小结145-147
• 6 运动平台外场试验147-159
• 6.1 车载运动平台试验147-150
• 6.2 热气球运动平台试验150-154
• 6.3 机载运动平台试验154-157
• 6.4 小结157-159
• 7 总结及展望159-161
• 参考文献161-169
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果169-170

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本文编号：727506