CN108919296A - 基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统及测距方法，其中的基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统由量子态制备系统、发射和接收系统、量子态探测系统、计算机综合分析系统构成，量子态制备系统制备量子态并对其编码；发射和接收系统对编码后的量子态信号进行发射和接收；量子态探测系统对回波信号量子态进行识别；综合分析系统对被识别后的回波信号综合分析。量子态制备系统制备量子偏振态并对其编码，当敌方接收‑复制该信号时，会干扰信号的量子态，从而造成信号误码率的升高，通过对回波信号的误码率分析就能辨识出敌方的欺骗干扰行为，最终达到减少对敌方目标误判的概率。本发明实现了绝对安全和高精度测距的目的。

Description

基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统及测距方法

技术领域：

本发明涉及激光对抗技术，具体涉及基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统及测距方法。

背景技术：

激光技术在过去几十年得到了迅猛的发展。作为武器系统的重要组成部分，激光器件在军事上获得越来越广泛的应用，包括测距机、目标指示器、制导导弹、通信装置、侦察设备等，大大提高了武器系统的作战性能。如激光测距机使火炮的首发命中率大大提高，利用激光制导武器实现对特定目标的精确打击。为了对抗现代化战争中和未来战场上日趋严重的激光威胁，各国加速发展激光对抗技术。激光欺骗式干扰技术作为激光对抗技术的内容之一。它通过发射、转发或反射激光辐射信号，形成具有欺骗功能的激光干扰信号，扰乱或欺骗敌方激光测距、观瞄、跟踪或制导系统，使其获取错误的方位或距离信息，从而极大地降低光电武器系统的作战效能。

按照原理和作用效果的不同，激光欺骗式干扰可分为角度欺骗式干扰和距离欺骗式干扰。干扰激光制导武器时多采用有源方式，距离欺骗式干扰技术目前主要用于干扰激光测距机。

距离欺骗干扰根据产生的欺骗干扰形式的不同，可分为测距正偏差和产生测距负偏差两类。（1）测距正偏差有源型采用电子延迟和激光器，在受到敌方激光测距信号照射后，经极短的电子延迟，按原路发射一个同敌方测距信号同波长、同脉宽的信号，从而产生测距正偏差的干扰信号，使其造成错误判断。干扰激光器可采用Nd：YAG固体激光器，也可采用半导体激光器，控制激光干扰脉冲信号强度，延迟时间精确可调，能非常有效地干扰敌方激光测距机。（2）测距负偏差产生测距负偏差，向警戒空域连续不断地发射高重复频率的激光干扰脉冲，由于它提前到达敌测距机，构成“先入为主”的态势，使敌方测距机接收到一个负偏差(短距离)虚假测距信号，从而有效地隐蔽真目标。

发明内容：

本发明的目的是提供基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统，这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统用于解决反距离欺骗的问题，本发明的另一个目的是提供这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统测距方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统由量子态制备系统、发射和接收系统、量子态探测系统、计算机综合分析系统构成，量子态制备系统包括激光器、第一个电光调制器、偏振器、第二个电光调制器、1/4玻片、衰减器、伪随机信号发生器、时间控制器，激光器、第一电光调制器、偏振器、第二电光调制器、1/4玻片、衰减器依次连接，时间控制器连接伪随机信号发生器，伪随机信号发生器分别连接第一个电光调制器、第二个电光调制器；发射和接收系统包括光学发射系统、光学接收系统，衰减器连接光学发射系统；量子态探测系统包括偏态探测系统、光子计数器，光学接收系统经反射器连接偏态探测系统，偏态探测系统连接光子计数器，时间控制器也连接光子计数器，光子计数器、伪随机信号发生器均连接计算机综合分析系统。

上述方案中发射和接收系统还包括窄带滤光片，窄带滤光片连接光学接收系统，窄带滤光片的作用是用来去除背景光。

上述方案中第一个电光调制器和第二个电光调制器均采用电光晶体，分别为第一电光晶体、第二电光晶体。

上述基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的测距方法通过随机发射四种光子偏振量子态信号并依据量子通信安全协议来实现绝对安全和高精度测距的目标，具体为：首先激光器产生连续长激光脉冲，该脉冲经过第一电光晶体、偏振器、第二电光晶体、1/4玻片和衰减器后，得到具有偏振方向沿水平、垂直、对角和反对角的四种单光子偏振序列，此偏振序列由光学发射和接收进行发射和接收，光学接收系统将接收到的脉冲序列送给偏振态探测系统探测，偏振态探测系统输出的电信号经光子计数器处理后得到标志不同偏振态的二值码序列，利用计算机综合分析系统将该码序列和第二电光晶体的触发码序列进行互相关处理，从而得到目标的距离信息。

上述方案中计算机综合分析系统标志不同偏振态的二值码序列与第二个电光晶体的触发码序列进行对比，给出偏振探测的误码率，如果该误码率超出由BB84协议规定的阈值14.64%，则说明本系统的问询光子被干扰或窃听，系统所得到的距离值不是实际目标距离，即测距不安全。

上述方案中BB84协议中的窃听者伊文Eve被看成目标，而爱丽丝Alice和鲍勃Bob分别扮演发射机和接收机的角色，爱丽丝和鲍勃事先已经共享了机密信息：编码方式；

爱丽丝Alice和鲍勃Bob利用已经共享的信息来探测目标的距离和有无窃听者或干扰者的存在：当窃听者Eve利用接收-转发方式进行窃听时，就会给偏振态编码序列引入统计误差，造成偏振态探测误码率升高而揭示窃听者的干扰行为；Eve利用两组正交偏振基进行窃听，所引起的误码率为：

式中的是发射偏振基和窃听偏振基之间的夹角，当=22.5°时，Eve的误码率最小，最小值为ER=14.46%，如果Eve总是以这个角度进行窃听时，他的窃听误码率最小，他所能获得的正确信息量最大，这样他就可以从这些信息中提取对方的机密信息，达到成功窃听信息的目的；窃听信息后如果Eve总是转发接收到的光子，并且接收端的Bob采用被动方式接收回波信号，则Bob误码率的最小值也是14.46%，Bob端的误码率完全由攻击者的干扰行为决定；用这个误码率作为PMQSL系统的误码率阈值：如果Bob接收信号的误码率低于14.46%，系统获得的距离值是安全的，系统没有受到攻击：如果Bob接收到的信号误码率高于14.46%，则说明系统的距离值是不安全的，暗示有人主动干扰了探测信号。

有益效果：

1、本发明针对距离欺骗式干扰，提出利用量子通信技术和相应的安全协议实现反距离欺骗干扰。通过对量子偏振态进行伪随机编码并利用量子秘钥分发的BB84协议实现绝对安全和高精度测距的目的。

2、传统的接收转发式距离欺骗干扰中敌方可以精确复制我方信号并依次返回“虚假”信号，从而达到欺骗的目的。本专利利用量子偏振态的不可克隆性和量子安全协议来辨识己方信号是否被干扰，解决了反距离欺骗问题。

3、和现有方案相比，本方案具有绝对安全的反欺骗能量和高精度测距的优势。

附图说明：

图1是本发明基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的结构示意图。

图2本发明安全测距协议示意图。

图3是本发明四种偏振态(H, V, D和A)的测距结果图。

图4是本发明接收-转发攻击实验结果图。

图中：1激光器；2第一电光晶体；3偏振器；4第二电光晶体；51/4玻片；6衰减器；7光学发射系统；8伪随机信号发生器；9时间控制器；10光子计数器；11光学接收系统；12反射器；13偏振态探测系统；14窄带滤光片；15计算机综合分析系统。

具体实施方式：

下面结体附图对本发明做进一步的说明：

结合图1所示，这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统由量子态制备系统、发射和接收系统、量子态探测系统、计算机综合分析系统15构成，量子态制备系统制备量子态并对其编码；发射和接收系统对编码后的量子态信号进行发射和接收；量子态探测系统对回波信号量子态进行识别；计算机综合分析系统15对被识别后的回波信号综合分析。量子态制备系统制备量子偏振态并对其编码，当敌方接收-复制该信号时，会干扰信号的量子态，从而造成信号误码率的升高，通过对回波信号的误码率分析就能辨识出敌方的欺骗干扰行为，最终达到减少对敌方目标误判的概率。同时，由于采用序列相关法实现测距，测距精度较高。

量子态制备系统包括激光器1、第一个电光调制器、偏振器3、第二个电光调制器、1/4玻片5、衰减器6、伪随机信号发生器8、时间控制器9，激光器1、第一电光调制器、偏振器3、第二电光调制器、1/4玻片5、衰减器6依次连接，时间控制器9连接伪随机信号发生器8，伪随机信号发生器8分别连接第一个电光调制器、第二个电光调制器。第一个电光调制器和第二个电光调制器均采用电光晶体，分别为第一电光晶体2、第二电光晶体4。

发射和接收系统包括光学发射系统7、窄带滤光片14、光学接收系统11，衰减器6连接光学发射系统7；量子态探测系统包括偏振态探测系统13、光子计数器10，光学接收系统11经反射器12连接偏振态探测系统13，偏振态探测系统13连接光子计数器10，时间控制器9也连接光子计数器10，光子计数器10、伪随机信号发生器8均连接计算机综合分析系统15。

本发明通过随机发射四种光子偏振量子态信号并依据量子通信安全协议来实现绝对安全和高精度测距的目标，其工作原理如下：

激光器1产生波长为650nm的激光，通过第一电光晶体2后激光束被调制成伪随机脉冲序列，该序列通过偏振器3、第二电光晶体4和1/4玻片5后变成偏振方向分别沿着水平、垂直、对角和反对角的四种线偏振光量子态序列。衰减器6将该偏振序列衰减成平均每个脉冲含有一个光子的单光子偏振态脉冲序列，光学发射系统7将这一序列发射出去并照射目标；伪随机信号发生器8产生伪随机信号，这些伪随机信号用作电光晶体的触发信号，同时也被用作参考信号。时间控制器9用来控制随机序列码的时间间隔，同时也被用来触发光子计数器10来记录回波信号；经目标反射的不同偏振态光子由光学接收系统11进行接收，接收到的回波信号经反射器12后进入偏振态探测系统13；窄带滤光片14的作用是用来去除背景光；具有阈值鉴别电路的光子计数器10对偏振态探测系统13输出的电信号进行鉴别；计算机综合分析系统15将光子计数器10的输出信号和伪随机发信号生器8输出的参考信号进行联合处理，给出目标距离信息和该距离的真实性（即，安全性）。

利用普通的激光脉冲信号照射敌方目标后，如果敌方对该信号实施接收-复制-延时-转发等一系列操作，则回波信号所携带的距离信息就不真实，造成我方对敌方目标距离误判。本发明制备量子偏振态并对其编码，当敌方接收-复制该信号时，会干扰信号的量子态，从而造成信号误码率的升高，通过对回波信号的误码率分析就能辨识出敌方的欺骗干扰行为，最终达到减少对敌方目标误判的概率。同时，由于采用序列相关法实现测距，因此，本发明的测距精度较高。

这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的测距方法通过随机发射四种光子偏振量子态信号并依据量子通信安全协议来实现绝对安全和高精度测距的目标，具体为：首先激1光器产生连续长激光脉冲，该脉冲经过第一电光晶体2、偏振器3、第二电光晶体4、1/4玻片5和衰减器6后，得到具有偏振方向沿水平、垂直、对角和反对角的四种单光子偏振序列，此偏振序列由光学发射和接收进行发射和接收，光学接收系统11将接收到的脉冲序列送给偏振态探测系统13探测，偏振态探测系统13输出的电信号经光子计数器10处理后得到标志不同偏振态的二值码序列，利用计算机综合分析系统15将该码序列和第二电光晶体4的触发码序列进行互相关处理，从而得到目标的距离信息。

利用单光子偏振自由度进行安全信息传递是量子密码通信的一种常用手段，其安全性由单光子量子密钥分发(QKD)的BB84协议保证。本发明提出的PMQSL系统采用了改进的BB84协议来保证PMQSL测距的安全性。改进的BB84协议中的窃听者伊文(Eve)被看成目标，而爱丽丝(Alice)和鲍勃(Bob)分别扮演发射机和接收机的角色。显然，爱丽丝和鲍勃事先已经共享了机密信息(编码方式)，其示意图如图2所示。

现在，爱丽丝(Alice)和鲍勃(Bob)利用已经共享的信息来探测目标的距离和有无窃听者或干扰者的存在。当窃听者Eve利用接收-转发方式进行窃听时，就会给偏振态编码序列引入统计误差，造成偏振态探测误码率升高而揭示窃听者的干扰行为。Eve利用两组正交偏振基进行窃听，所引起的误码率为

其中的是发射偏振基和窃听偏振基之间的夹角，当=22.5°时，Eve的误码率最小，最小值为ER=14.46%，也就是说如果Eve总是以这个角度进行窃听时，他的窃听误码率最小，他所能获得的正确信息量最大，这样他就可以从这些信息中提取对方的机密信息，达到成功窃听信息的目的。窃听信息后如果Eve总是转发接收到的光子，并且接收端的Bob采用被动方式接收回波信号，则Bob误码率的最小值也是14.46%，Bob端的误码率完全由攻击者的干扰行为决定。用这个误码率作为PMQSL系统的误码率阈值(或者安全阈值)。如果Bob接收信号的误码率低于14.46%，系统获得的距离值是安全的，系统没有受到攻击。如果Bob接收到的信号误码率高于14.46%，则说明系统的距离值是不安全的，暗示有人主动干扰了探测信号。

图3四种偏振态(H, V, D和A)的测距结果。当无攻击者时，四路接收偏振态的误码率都趋于零。

图4 接收-转发攻击实验结果。

Claims (6)

1.一种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统，其特征是：这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统由量子态制备系统、发射和接收系统、量子态探测系统、计算机综合分析系统（15）构成，量子态制备系统包括激光器（1）、第一个电光调制器、偏振器（3）、第二个电光调制器、1/4玻片（5）、衰减器（6）、伪随机信号发生器（8）、时间控制器（9），激光器（1）、第一电光调制器、偏振器（3）、第二电光调制器、1/4玻片（5）、衰减器（6）依次连接，时间控制器（9）连接伪随机信号发生器（8），伪随机信号发生器（8）分别连接第一个电光调制器、第二个电光调制器；发射和接收系统包括光学发射系统（7）、光学接收系统（11），衰减器（6）连接光学发射系统（7）；量子态探测系统包括偏振态探测系统（13）、光子计数器（10），光学接收系统（11）经反射器（12）连接偏振态探测系统（13），偏振态探测系统（13）连接光子计数器（10），时间控制器（9）也连接光子计数器（10），光子计数器（10）、伪随机信号发生器（8）均连接计算机综合分析系统（15）。

2.根据权利要求1所述的基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统，其特征是：所述的发射和接收系统还包括窄带滤光片（14），窄带滤光片（14）连接光学接收系统（11），窄带滤光片（14）的作用是用来去除背景光。

3.根据权利要求2所述的基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统，其特征是：所述的第一个电光调制器和第二个电光调制器均采用电光晶体，分别为第一电光晶体（2）、第二电光晶体（4）。

4.一种权利要求1或2或3所述的基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的测距方法，其特征是：这种基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的测距方法通过随机发射四种光子偏振量子态信号并依据量子通信安全协议来实现绝对安全和高精度测距的目标，具体为：首先激光器（1）产生连续长激光脉冲，该脉冲经过第一电光晶体（2）、偏振器（3）、第二电光晶体（4）、1/4玻片（5）和衰减器（6）后，得到具有偏振方向沿水平、垂直、对角和反对角的四种单光子偏振序列，此偏振序列由光学发射和接收进行发射和接收，光学接收系统（11）将接收到的脉冲序列送给偏振态探测系统（13）探测，偏振态探测系统（13）输出的电信号经光子计数器（10）处理后得到标志不同偏振态的二值码序列，利用计算机综合分析系统（15）将该码序列和第二电光晶体（4）的触发码序列进行互相关处理，从而得到目标的距离信息。

5.根据权利要求4所述的基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的测距方法，其特征是：所述的计算机综合分析系统（15）标志不同偏振态的二值码序列与第二个电光晶体（4）的触发码序列进行对比，给出偏振探测的误码率，如果该误码率超出由BB84协议规定的阈值14.64%，则说明本系统的问询光子被干扰或窃听，系统所得到的距离值不是实际目标距离，即测距不安全。

6.根据权利要求5所述的基于量子技术的反距离欺骗安全测距系统的测距方法，其特征是：所述的BB84协议中的窃听者伊文Eve被看成目标，而爱丽丝Alice和鲍勃Bob分别扮演发射机和接收机的角色，爱丽丝和鲍勃事先已经共享了机密信息：编码方式；

爱丽丝Alice和鲍勃Bob利用已经共享的信息来探测目标的距离和有无窃听者或干扰者的存在：当窃听者Eve利用接收-转发方式进行窃听时，就会给偏振态编码序列引入统计误差，造成偏振态探测误码率升高而揭示窃听者的干扰行为；Eve利用两组正交偏振基进行窃听，所引起的误码率为：

式中的是发射偏振基和窃听偏振基之间的夹角，当=22.5°时，Eve的误码率最小，最小值为ER=14.46%，如果Eve总是以这个角度进行窃听时，他的窃听误码率最小，他所能获得的正确信息量最大，这样他就可以从这些信息中提取对方的机密信息，达到成功窃听信息的目的；窃听信息后如果Eve总是转发接收到的光子，并且接收端的Bob采用被动方式接收回波信号，则Bob误码率的最小值也是14.46%，Bob端的误码率完全由攻击者的干扰行为决定；用这个误码率作为PMQSL系统的误码率阈值：如果Bob接收信号的误码率低于14.46%，系统获得的距离值是安全的，系统没有受到攻击：如果Bob接收到的信号误码率高于14.46%，则说明系统的距离值是不安全的，暗示有人主动干扰了探测信号。