自由空間保密光通信關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人類使用光進行通信的歷史由來已久，特別是在衛(wèi)星和潛艇等不便于鋪設(shè)光纖和線纜的特殊環(huán)境中，自由空間光通信因其機動靈活的特性而獲得了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的微波無線通信技術(shù)相比，激光波束的寬度小、方向性好、抗截獲和抗電磁干擾的能力強，在通信的保密性方面具有較大的優(yōu)勢。并且當把光衰減到單光子的尺度時，還可以將信息編碼在光子的量子態(tài)上，利用量子通信技術(shù)從理論上實現(xiàn)絕對安全的保密光通信。
　　在本論文中，主要針對自由空間保密光通信的應用背景，分別

2、著眼于星地量子通信和對潛艇保密激光通信的實際需求，進行了星載量子光源和對潛光通信兩項關(guān)鍵技術(shù)的研究。
　　量子通信是迄今為止唯一被嚴格數(shù)學證明的絕對安全通信方式，而基于衛(wèi)星平臺中繼的星地量子密鑰分發(fā)，是實現(xiàn)全球化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)最有前景和最具有可行性的方案。作為中國科學院戰(zhàn)略先導性專項首批四顆科學衛(wèi)星之一，量子科學實驗衛(wèi)星將通過衛(wèi)星上所搭載的量子光源，與地面站共同組成天地一體化的空間量子實驗平臺，在國際上首次完成星地高速量子密

3、鑰分發(fā)實驗。
　　針對星地量子通信的需求，本論文在星地鏈路高衰減和嚴酷外太空環(huán)境的背景下，設(shè)計研制了性能優(yōu)異、高可靠性的星載量子光源，光源的功能和性能滿足未來星地量子密鑰分發(fā)實驗的高要求。
　　首先，針對量子密鑰分發(fā)的原理和空間高可靠性的應用背景，通過理論分析總結(jié)了星地量子密鑰分發(fā)對光源的需求，并選擇技術(shù)簡單、成熟、可靠性高的基于多激光器的方案用于實現(xiàn)量子光源。然后，在光源設(shè)計實現(xiàn)的過程中，聯(lián)合奧康光通器件（中山）有限公司共

4、同設(shè)計研制了一款專用于空間環(huán)境的激光器產(chǎn)品，對基于增益開關(guān)技術(shù)的激光器動態(tài)調(diào)制特性進行了模擬分析，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了性能優(yōu)異的弱相干光源，多個激光器輸出的量子態(tài)在時間、強度、頻率和相位等維度不可區(qū)分。光源的重復頻率為100MHz，偏振消光比和信噪比均優(yōu)于25dB，所輸出光脈沖的時間寬度為123ps，長時間的量子態(tài)強度穩(wěn)定性優(yōu)于99.4％。最后，作為量子科學實驗衛(wèi)星有效載荷的一部分，光源已順利通過了一系列的空間環(huán)境驗證試驗，并參與了

5、地面模擬在軌運行的量子密鑰分發(fā)實驗，取得了良好的實驗結(jié)果。目前衛(wèi)星有效載荷已經(jīng)順利交付，衛(wèi)星預計于2016年7月發(fā)射。
　　由于傳統(tǒng)微波對潛通信在通信性能和安全性上的局限性，利用激光實現(xiàn)衛(wèi)星（飛機）對潛艇的保密通信也有著重要的戰(zhàn)略價值和研究意義。而通過理論研究復雜大氣-海水信道的固有光學特性，建立起基于真實環(huán)境的信道參數(shù)模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際的設(shè)備參數(shù)研究分析對潛光通信系統(tǒng)的通信性能，是實現(xiàn)對潛保密激光通信的必經(jīng)途徑。

6、　　針對對潛保密激光通信的需求，本論文建立了基于真實大氣-海水信道參數(shù)模型的對潛光通信系統(tǒng)的蒙特卡羅仿真算法，并在此基礎(chǔ)上分別研究分析了機潛高速雙工通信系統(tǒng)和星潛光通信系統(tǒng)的通信性能。
　　首先，針對真實的大氣-海水信道，分別建立了基于高度分層的大氣參數(shù)模型、波動的大氣-海水界面模型以及基于深度分層的海水參數(shù)模型。海水參數(shù)由不同水質(zhì)類型的海水在特定深度下的葉綠素濃度分布來決定，可以比較好地模擬真實海水的固有光學特性。其次，采用光子

7、傳輸?shù)拿商乜_模擬方法，建立了包含復雜大氣-海水信道的對潛光通信系統(tǒng)的仿真算法。再次，針對飛機對潛艇的高速雙工通信方案，分別建立了上下行鏈路的仿真算法，并在此基礎(chǔ)上研究分析了系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明，在系統(tǒng)通信容量為1Gbps的情況下，JWTⅠ型的海水中潛艇的可通信深度達到了110m，并且系統(tǒng)的潛在通信容量將會隨著探測器帶寬的提高而有顯著的提升。最后，針對衛(wèi)星對潛艇激光通信的方案，分別建立了信號輻射和背景太陽輻射的仿真算法，并結(jié)合實際的

8、設(shè)備參數(shù)研究分析了系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明，針對目標10-4的通信誤碼率極限，在JWTⅠ型海水中潛艇的最大可通信深度在140m左右，最大通信數(shù)據(jù)率可以達到8kbps。
　　本論文的創(chuàng)新之處在于:
　　1.針對星地鏈路高衰減和嚴酷外太空環(huán)境的背景，設(shè)計研制了性能優(yōu)異、高可靠性的星載量子光源。光源已順利通過了一系列的空間環(huán)境驗證試驗，并參與了地面模擬在軌運行的量子密鑰分發(fā)實驗，取得了良好的實驗結(jié)果，為量子科學實驗衛(wèi)星的科學目標實