基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统，其中利用激光照射在遮挡物后反射的回波信号，估计遮挡物距离和信道上的大气衰减值，从而获得与真实情况相符的、时变的星地信道衰减情况。基于模拟获得的真实的星地信道衰减情况和背景噪声，可以通过仿真计算，根据成码公式精确估算任意时间段的成码量，从而能够与实际情况相符地在星地量子密钥分发中实现成码的精确量化估计。星地量子密钥分发中实现成码的精确量化估计。星地量子密钥分发中实现成码的精确量化估计。

【技术实现步骤摘要】
基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统


[0001]本专利技术涉及量子通信领域，特别涉及基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(下简称QKD)是利用量子系统来进行信息的制备、传输、接收以及提纯来得到物理原理上不会被别人窃取的安全对称密钥，这个过程可以保证通讯双方所获得的密钥是完全一致的，并且任何第三方都无法获得任何关于密钥的信息。
[0003]基于BB84协议的量子密钥分发成码量一般是利用预设参数进行估算，即设定一些固定值，直接根据公式计算每秒成码率，再乘以工作时间，即得到成码量。例如，在某些现有技术中，先利用固定参数得到不同距离下的成码率，然后根据实际系统部署情况，得到一定时间内的成码量。
[0004]对于星地成码条件的预判来说，现有技术中一般是利用天气网站查看地面站当地的天气情况来估计是否合适安排成码任务，其中无法提前对成码指标进行量化处理。
[0005]以往的成码量估算方法仅适用于光纤QKD系统，因为光纤QKD系统信道衰减固定，所以成码率也基本上是固定值，因此在传统方法中可以直接计算得到成码率，再乘以工作时间，即可以得到总成码量。但是，对于星地自由空间QKD系统来说，卫星一直在太空中绕地球飞行，卫星和地面站的相对距离和信道环境是实时变化的，所以信道衰减也是实时变化的。同时，星地自由空间QKD系统的工作时间是不固定的，需要卫星和地面站相互在可视范围内才能通信。所以简单的将成码率和时间相乘无法得到每一轨星地之间的成码量。而利用天气网站查看地面站当地的天气情况无法得到地面站与卫星之间信道上的真实气象数据，例如地面站上方云量等信息的真实情况，从而无法得到成码的量化指标。

技术实现思路

[0006]针对星地量子密钥分发中在成码量估算方面存在的上述问题，本专利技术提出了一种基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统，其中利用激光照射在遮挡物后反射的回波信号，估计遮挡物距离和信道上的大气衰减值，从而获得与真实情况相符的、时变的星地信道衰减情况。基于模拟获得的真实的星地信道衰减情况和背景噪声，可以通过仿真计算，根据成码公式精确估算任意时间段的成码量，从而能够与实际情况相符地在星地量子密钥分发中实现成码的量化估计。
[0007]具体而言，本专利技术的一个方面涉及基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法，其包括卫星轨道预估步骤、回波探测步骤和成码量估算步骤，其中：
[0008]在所述卫星轨道预估步骤中，根据星历数据预估卫星轨道；
[0009]在所述回波探测步骤中，向所述卫星轨道发射激光，接收关于所述激光的回波信号，并对所述回波信号进行探测，以便根据所述回波信号计算星地自由空间信道的大气衰减值；以及，
[0010]在所述成码量估算步骤中，基于所述星地自由空间信道的大气衰减值估算单次密钥提取过程中的成码量。
[0011]进一步地，所述卫星轨道预估步骤中还包括确定所述卫星轨道上的多个扫描点的步骤；以及，在所述回波探测步骤中，根据所述回波信号计算所述扫描点的星地自由空间信道的大气衰减值，以及基于多个扫描点的所述星地自由空间信道的大气衰减值，拟合计算得到所述卫星轨道的星地自由空间信道的大气衰减值。
[0012]进一步地，在所述回波探测步骤中，根据所述回波信号的探测时间计算所述星地自由空间信道中遮挡物的距离；以及/或者，根据所述回波信号的探测强度计算所述星地自由空间信道中的大气衰减值。
[0013]进一步地，所述回波探测步骤还包括记录量子密钥分发设备中的单光子探测器在没有卫星信号输入时的计数的步骤。
[0014]更进一步地，所述成码量估算步骤进一步设置成：基于时刻T(i)的所述系统噪声、所述星地自由空间信道的效率、以及所述系统参数，仿真计算所述时刻T(i)的信号态增益Qu、诱骗态增益Qv、信号态误码率Eu、诱骗态误码率Ev、暗计数率Y0、暗计数N0中的部分或全部，并仿真计算以所述时刻T(i)为起始时刻并持续时间dT(i)的时间段i内的信号态计数，其中：T(i+1)＝T(i)+dT(i)，i为自然数，T(1)为所述单次密钥提取过程的起始时刻，并且，在所述时间段i内，星地量子密钥分发系统中的各个参数均保持不变，与所述时间段i的起始时刻T(i)时的参数保持一致；所述信号态增益Qu为所述星地量子密钥分发的发送端发送平均光子数为u的信号态且触发所述单光子探测器响应的概率，所述诱骗态增益Qv为所述发送端发送平均光子数为v的诱骗态且触发所述单光子探测器响应的概率，所述信号态误码率Eu为平均光子数为u的信号态的误码率，所述诱骗态误码率Ev为平均光子数为v的诱骗态的误码率，Y0为所述发送端发送真空态且触发所述单光子探测器暗计数响应的概率，N0为暗计数的总计数；
[0015]将所述单次密钥提取过程中各个时间段i的仿真计算的信号态计数求和，并将信号态计数总和与预设值M进行比较；
[0016]当所述信号态计数总和等于或大于所述预设值M时，计算所述单次密钥提取过程的信号态增益Qu、信号态误码率Eu、Q1和e1的平均值，其中，Q1为所述发送端发送单光子信号并触发所述单光子探测器响应的概率，e1为单光子信号的误码率；
[0017]根据所述信号态增益Qu、信号态误码率Eu、Q1和e1的平均值，估算所述单次密钥提取过程的成码量。
[0018]优选地，所述dT(i)被设置成相同数值；以及/或者，所述dT(i)被设置成1秒；以及/或者，将所述时刻T(i)对应的卫星轨道位置设为所述扫描点。
[0019]进一步地，本专利技术的成码量估算方法还可以包括将单轨中所有的所述单次密钥提取过程中的成码量相加，获得所述单轨的成码量的步骤。
[0020]本专利技术的另一个方面涉及基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算系统，其包括光机设备、量子密钥分发设备和上位机服务器，其中：
[0021]所述上位机服务器被设置用于根据星历数据预估卫星轨道；
[0022]所述光机设备被设置用于向所述卫星轨道发射激光，接收并探测关于所述激光的回波信号；
[0023]所述上位机服务器还被设置成根据所述回波信号计算星地自由空间信道的大气衰减值，以及基于所述大气衰减值估算单次密钥提取过程中的成码量。
[0024]优选地，所述光机设备包括望远镜和信标激光器；所述信标激光器被设置用于向所述卫星轨道发射信标激光；所述望远镜被设置用于接收关于所述信标激光的回波信号。
[0025]优选地，所述成码量估算系统被设置成执行本专利技术提出的上述成码量估算方法。
附图说明
[0026]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于激光回波的星地量子密钥分发的成码量估算方法，其包括卫星轨道预估步骤、回波探测步骤和成码量估算步骤，其中：在所述卫星轨道预估步骤中，根据星历数据预估卫星轨道；在所述回波探测步骤中，向所述卫星轨道发射激光，接收关于所述激光的回波信号，并对所述回波信号进行探测，以便根据所述回波信号计算星地自由空间信道的大气衰减值；以及，在所述成码量估算步骤中，基于所述星地自由空间信道的大气衰减值估算单次密钥提取过程中的成码量。2.如权利要求1所述的成码量估算方法，其中，所述卫星轨道预估步骤中还包括确定所述卫星轨道上的多个扫描点的步骤；以及，在所述回波探测步骤中，根据所述回波信号计算所述扫描点的星地自由空间信道的大气衰减值，以及基于多个扫描点的所述星地自由空间信道的大气衰减值，拟合计算得到所述卫星轨道的星地自由空间信道的大气衰减值。3.如权利要求1所述的成码量估算方法，其中，在所述回波探测步骤中，根据所述回波信号的探测时间计算所述星地自由空间信道中遮挡物的距离；以及/或者，根据所述回波信号的探测强度计算所述星地自由空间信道中的大气衰减值。4.如权利要求1或2所述的成码量估算方法，其中，所述回波探测步骤还包括记录量子密钥分发设备中的单光子探测器在没有卫星信号输入时的计数的步骤。5.如权利要求4所述的成码量估算方法，其中，所述成码量估算步骤进一步设置成：基于所述星地自由空间信道的大气衰减值确定所述星地自由空间信道的效率；基于所述单光子探测器在没有卫星信号输入时的计数确定系统噪声；基于量子密钥分发协议确定系统参数；基于所述星地自由空间信道的效率、所述系统噪声和所述系统参数估算所述成码量。6.如权利要求5所述的成码量估算方法，其中，所述成码量估算步骤进一步设置成：基于时刻T(i)的所述系统噪声、所述星地自由空间信道的效率、以及所述系统参数，仿真计算所述时刻T(i)的信号态增益Qu、诱骗态增益Qv、信号态误码率Eu、诱骗态误码率Ev、暗计数率Y0、暗计数N0中的部分或全部，并仿真计算以所述时刻T(i)为起始时刻并持续时间dT(i)的时间段i内的信号态计数，其中：T(i+1)＝T(i)+dT(i)，i为自然数，T(1)为所述单次密钥提取过程的起始时刻，并且，在所述时间段i内，星地量子密钥分发系统中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昊泽，聂际敏，龚云洪，
申请(专利权)人：广东国科量子通信网络有限公司，
类型：发明
国别省市：