本发明专利技术适用于星舰量子密钥分发，提供了一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型。该模型考虑大气湍流、海拔高度、不同天气条件对量子通信系统带来的影响，计算并仿真了晴天、晴天有湍流、海雾、降雨四种情况下安全密钥率随着传输距离的变化关系。该发明专利技术更加贴近当前星舰量子通信的实际情况，而且也适用于星地量子通信，为实际的量子密钥分发系统设计提供一定的参考。供一定的参考。供一定的参考。
【技术实现步骤摘要】
一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型
[0001]本专利技术涉及一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型，属于量子光通信
技术介绍
[0002]量子通信是利用量子态叠加与量子纠缠交换来进行信息传递的通信方式，是面向未来的全新通信方式。因为量子的测不准性、纠缠性、以及不可克隆性等，量子通信具有容量大、距离远、速率快以及无条件安全传输的特点。星舰量子通信已经成为了量子保密通信的重要应用场景之一，是实现全球化量子通信网的一种重要方式。
[0003]在量子通信的过程中，利用光的量子特性有利于提高通信的可靠性与安全性。在量子星舰通信系统中传输光量子信号时，会不可避会免得受到大气湍流的影响，发生光束漂移、展宽等现象，此外大气中存在的各种物质，比如雾、雨滴、灰尘等会对光信号起到散射消光等作用，从而造成通信的中断。而当光量子信号通过大气信道从卫星传输至船舰时，大气信道的介质是不均匀而且复杂的，会有大气湍流的影响。此外，当海洋上方出现海雾或者降雨等天气时，光量子信号会经过晴天和海雾或降雨两种天气情况，所以找到一种描述基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型十分有必要。
技术实现思路
[0004]专利技术人发现，目前绝大多数自由空间量子通信链路模型在进行性能分析时，大气信道的影响因素考虑的比较单一，未考虑到垂直传输时大气散射引起的消光系数会随着海拔高度的变化而变化，此外，大气环境的变化，比如从晴天进入海雾或者从晴天进入到降雨环境中对整个量子通信系统带来的影响。为解决该问题，本专利技术提出了一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型，此模型考虑了大气湍流、不同天气条件对量子通信系统带来的影响。在此模型下，考虑到光量子信号在晴天时传输时，大气衰减系数随着海拔高度的变化，并通过椭圆模型估计湍流对大气透射率的影响；当海面出现海雾或者降雨天气时，量子光信号会由晴天进入到雾天或者雨天，在该模型下，可以得到量子安全密钥率随着传输距离的变化情况，基于该模型进行性能分析更加贴近实际场景，以便为实际的星舰量子密钥分发系统设计提供一定的参考。
[0005]本专利技术具体方法步骤如下所述：
[0006]一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型，所述星舰量子下行垂直传输模型的大气信道主要包含四种情况：
[0007]当天气晴朗时，主要考虑海拔高度对大气衰减系数的影响，由于米氏散射引起的大气衰减系数随着海拔高度的增加而减少，当海拔高度超过4km时，大气衰减几乎为0，所以只考虑海拔4km以下；
[0008]天气晴朗，并且考虑大气湍流的影响，通过椭圆模型估计大气湍流对大气透射率的影响；
[0009]海面上方出现海雾天气时，海雾高度有限，光量子信号会先在晴天条件下传输一定距离后进入海雾天气，根据雾天能见度的大小，可以求出海雾的衰减系数，接着得到对大气透射率的影响；
[0010]海面上方出现降雨天气时，光量子信号在晴天中传输一段距离后进入降雨天气，根据降雨强度的大小，可以得到雨天能见度，从而可以求出雨天的衰减系数，接着得到降雨对大气透射率的影响；
[0011]大气信道的四种情况下的大气透射率：
[0012]晴天：T＝T
晴天
[0013]晴天有湍流：T＝T
晴天
×
T
湍流
[0014]海雾：T＝T
晴天
×
T
海雾
[0015]降雨：T＝T
晴天
×
T
降雨
[0016]求出大气信道的总透射率后，假定发送端和接收端采用反向协调方式，可以得到在系统受到个体攻击时，星舰量子密钥分发传输模型的安全密钥率公式为：
[0017][0018]式中，β为反向协调效率，系统总噪声χ
tot
＝χ
line
+χ
h
/T，χ
line
是信道输入的额外噪声，χ
line
＝1/T
‑
1+ε；χ
h
为检测器等效额外噪声，χ为实际零差检测器引入的总噪声，T是大气透射率，ε为信道的额外噪声。
[0019]本专利技术提供的技术方案具有的有益效果是：
[0020]在星舰量子密钥分发过程中考虑大气信道的复杂性，大气衰减随着海拔高度的变化而变化，考虑到海雾、降雨天气高度有限，在光量子信号传输至海面上时，会经过两种天气情况，当信号由晴天进入到雾天或者雨天，可以得到量子安全密钥率随着传输距离的变化情况。该模型更加考虑传输时的实际情况，根据该模型仿真得到的性能结果更加符合实际情况，也更加准确。
附图说明
[0021]图1给出了基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型；
[0022]图2给出了星舰量子传输模型中大气信道的四种情况；
[0023]图3给出了在四种大气信道条件下量子密钥率随着传输距离的变化关系。
具体实施方式
[0024]下面结合说明书附图和实例对本专利技术做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0025]本专利技术提出了一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型，该模型的大气信道比较复杂，所考虑因素较多，主要有以下四点：
[0026]当天气晴朗时，主要考虑海拔高度对大气衰减系数的影响，由于米氏散射引起的大气衰减系数随着海拔高度的增加而减少，当海拔高度超过4km时，大气衰减几乎为0，所以只考虑海拔4km以下；
[0027]天气晴朗，并且考虑大气湍流的影响，通过椭圆模型估计大气湍流对大气透射率
的影响；
[0028]海面上方出现海雾天气时，海雾高度有限，光量子信号会先在晴天条件下传输一定距离后进入海雾天气，根据雾天能见度的大小，可以求出海雾的衰减系数，接着得到对大气透射率的影响；
[0029]海面上方出现降雨天气时，光量子信号在晴天中传输一段距离后进入降雨天气，根据降雨强度的大小，可以得到雨天能见度，从而可以求出雨天的衰减系数，接着得到降雨对大气透射率的影响。
[0030]大气信道的四种情况下的大气透射率：
[0031]晴天：T＝T
晴天
[0032]晴天有湍流：T＝T
晴天
×
T
湍流
[0033]海雾：T＝T
晴天
×
T
海雾
[0034]降雨：T＝T
晴天
×
T
降雨
[0035]求出大气信道的总透射率后，假定发送端和接收端采用反向协调方式，可以得到在系统受到个体攻击时，星舰量子密钥分发传输模型的安全密钥率公式为：
[0036][0037]式中，β为反向协调效率，系统总噪声χ
tot
＝χ
line
+χ
h
/T，χ
line
是信道输入的额外噪声，χ
line...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于不同天气条件的星舰量子下行垂直传输模型，其特征在于，该模型的大气信道比较复杂，所考虑因素较多，主要有以下四点：当天气晴朗时，主要考虑海拔高度对大气衰减系数的影响，由于米氏散射引起的大气衰减系数随着海拔高度的增加而减少，当海拔高度超过4km时，大气衰减几乎为0，所以只考虑海拔4km以下；天气晴朗，并且考虑大气湍流的影响，通过椭圆模型估计大气湍流对大气透射率的影响；海面上方出现海雾天气时，海雾高度有限，光量子信号会先在晴天条件下传输一定距离后进入海雾天气，根据雾天能见度的大小，可以求出海雾的衰减系数，接着得到对大气透射率的影响；海面上方出现降雨天气时，光量子信号在晴天中传输一段距离后进入降雨天气，根据降雨强度的大小，可以得到雨天能见度，从而可以求出雨天的衰减系数，接着得到降雨对大气透射率的影响；大气信道的四种情况下的大气透射率：晴天：T＝T
晴天
晴天有湍流：T＝T
晴天
×
T
湍流
海雾：T＝T
晴天
×
T
海雾
降雨：T＝T
晴天
×
T
降雨
求出大气信道的总透射率后，假定发送端和接收端采用反向协调方式，可以得到在系统受到个体攻击时，星舰量子密钥分发传输模型的安全密钥率公式为：式中，β为反向协调效率，系统总噪声χ
tot
＝χ
line
+χ
h
/T，χ
line
是信道输入的额外噪声，χ
line
＝1/T
‑
1+ε；χ
h
为检测器等效额外噪声，χ为实际零差检测器引入的总噪声，T是大气透射...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，刘舒宇，王思佳，李斌，赵硕，吴彤，刘晨霞，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：
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