CN109617688B - 一种针对复杂环境的相位补偿控制方法 - Google Patents

一种针对复杂环境的相位补偿控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对复杂环境的相位补偿控制方法，包括对发送端和接收端进行初始化操作；在系统每次传输工作结束后下次传输工作开始前，系统均进行两点扫描操作，即发送端固定发送前一次传输的随机四相位调制中的相位M1，接收端交替加载前一次传输的随机四相位调制中的相位M2和相位M3，分别统计相位M1与相位M2干涉的计数、相位M1与相位M3干涉的计数；根据两次计数计算相位补偿量，将相位补偿量叠加到下次传输的四相位电压上；本发明在剧烈的环境温度变化、振动变化、远距离传输、数据的样本量较少的情况下，均能保持高性能、高效率传输，同时可正确补偿相位的快速漂移，系统相位补偿及时，且效率较高，耗时短，系统误码率低。

Description

一种针对复杂环境的相位补偿控制方法
技术领域
本发明属于量子保密通信相关技术领域，具体涉及一种针对复杂环境的相位补偿控制方法，其中复杂环境包括：温度环境、振动环境、远距离传输环境等。
背景技术
目前的相位编码量子密码系统，针对相位漂移主要采用的是主动相位补偿方法，其中主要包括两种：第一种是通过扫描的方式，即发送端固定一个相位，接收端一个完整周期遍历，找到两端相位匹配的点；第二种是通过采用对基丢弃的数据进行数据分析计算相位漂移量，对相位变化进行实时补偿。
第一种方法扫描耗时长，一般的扫描时间为100ms量级。
第二种方法选择的是整个一次完整传输的数据进行处理，相位的漂移为一次完整传输时间的平均漂移量，且由于采用的是数据分析，相位漂移量计算依赖统计数据的样本数量，因此当复杂环境剧烈变化时或者统计数据的样本数量较小时，第二种方法无法得到正确的相位补偿；其中复杂环境剧烈变化指温度剧烈变化、振动频率变化和远距离传输的距离变化等；由于第二种方法的相位的漂移为一次完整传输时间的平均漂移量，因此在温度剧烈变化、振动频率过高导致的相位漂移过快的情况下，第二种方法存在系统相位补偿不及时以及补偿不准确导致的系统误码率过高的问题；另远距离传输会导致信噪比下降，第二种方法由于噪声的影响，会导致漂移量计算有偏差，影响传输性能，因此在信噪比较低的情况下，第二种方法也无法正确的补偿相位漂移。
针对上述的问题，需要提出一种针对复杂环境下的相位补偿控制方法，从而来解决第一种方法中的耗时长的问题、第二方法中的复杂环境剧烈变化和统计数据的样本数量小导致无法得到正确相位补偿的问题，其中复杂环境包括：温度环境、振动环境、远距离传输环境等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种针对复杂环境的相位补偿控制方法，本针对复杂环境的相位补偿控制方法可以抵抗剧烈的复杂环境变化，在剧烈的环境温度变化、振动变化、远距离传输以及数据的样本量较少的情况下，本发明均保持高性能、高效率传输，同时可以正确补偿相位的快速漂移，系统相位补偿及时，且效率较高，耗时短，系统误码率低。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种针对复杂环境的相位补偿控制方法，用于量子密钥分配系统，所述量子密钥分配系统包括发送端和接收端，所述相位补偿控制方法包括以下步骤：
(1)对量子密钥分配系统的发送端和接收端进行初始化操作；
(2)在量子密钥分配系统每次传输工作结束后下次传输工作开始前，量子密钥分配系统均进行两点扫描操作，所述两点扫描操作为：发送端固定发送前一次传输的随机四相位调制中的某相位M1，接收端交替加载前一次传输的随机四相位调制中的某相位M2和某相位M3，统计相位M1与相位M2干涉的计数为NM2，统计相位M1与相位M3干涉的计数为NM3；
(3)根据计数NM2和计数NM3计算相位漂移量
Figure BDA00019616388100000213
根据相位漂移量
Figure BDA00019616388100000214
得到相位补偿量ω，将相位补偿量ω叠加到下一次传输的四相位电压上。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤(1)具体为：对量子密钥分配系统的发送端和接收端进行初始化操作，确定发送端和接收端中干涉环干涉的条纹可见度K,接收端的半波电压对应的软件数字量为n。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤(2)中的随机四相位调制分别为0，
Figure BDA0001961638810000021
π；
所述相位M1为0相位或
Figure BDA0001961638810000022
相位或
Figure BDA0001961638810000023
相位或π相位，所述相位M2为0相位或
Figure BDA0001961638810000024
相位或
Figure BDA0001961638810000025
相位或π相位，所述相位M3为0相位或
Figure BDA0001961638810000026
相位或
Figure BDA0001961638810000027
相位或π相位，且所述相位M2与相位M1的相位差为
Figure BDA0001961638810000028
所述相位M3与相位M1的相位差为
Figure BDA0001961638810000029
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的相位漂移量
Figure BDA00019616388100000215
为：
Figure BDA00019616388100000210
所述相位补偿量ω为下一次传输时四相位需补偿电压对应软件数字量：
Figure BDA00019616388100000211
作为本发明进一步改进的技术方案，所述量子密钥分配系统在进行每次传输工作时，需将每次传输时间控制为
Figure BDA00019616388100000212
N为自然数，N的值根据复杂环境的变化进行设置。
本发明的有益效果为：
(1)本发明解决了复杂环境剧烈变化下的相位补偿控制问题，如温度剧烈变化、振动频率过高导致的相位漂移过快，从而使系统相位补偿不及时导致的系统误码率过高的问题。针对上述问题，本发明将每次传输时间控制为
Figure BDA0001961638810000031
根据复杂环境剧烈的程度不同，设置不同的N值，保持系统一直处于最优性能，且在每次传输结束后下一次传输开始前均通过两点扫描操作正确得到下一次传输的相位补偿量，系统相位补偿及时，可以补偿相位的快速漂移，系统误码率低，且两点扫描占用时间较短，效率较高。另本发明的两点扫描操作不依赖统计数据的样本数量，因此即使样本数量少，也不影响本发明得到正确的相位补偿量。最后，本发明的两点扫描操作与传统扫描方式相比，两点扫描操作占用的时间极短，为1ms量级，耗时较短，在保障系统性能的同时，也能保障了系统的运行效率。因此本发明能保持高性能、高效率传输。
(2)远距离传输环境下，系统本身的信号收益率低，噪声不变，导致信噪比下降。使用现有技术第二种方法中传输的数据进行数据分析从而计算相位漂移量的话，由于信噪比低，对传输数据具有影响，会导致漂移量计算有偏差，影响传输性能。而信噪比低对本发明的二点扫描操作中的扫描过程和计算过程没有影响，因此本发明在信噪比较低的情况下，通过二点扫描法仍能有效并正确加载相位漂移量，不仅正确的补偿相位漂移，且效率较高。
(3)由于本发明的两点扫描占用时间极短，因此本发明能在补偿相位漂移的同时，可以保障系统的运行效率。
(4)本发明的相位补偿控制方法可以实现高精度的及时且实时补偿相位，提高系统性能和效率。
附图说明
图1为本实施例的QKD系统框架图。
图2为相位补偿运行模式图。
具体实施方式
下面根据图1至图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
一种针对复杂环境的相位补偿控制方法，用于量子密钥分配系统，所述量子密钥分配系统包括发送端和接收端，所述相位补偿控制方法包括以下步骤：
(1)对量子密钥分配系统的发送端和接收端进行初始化操作，确定发送端和接收端中干涉环干涉的条纹可见度K,接收端的半波电压对应的软件数字量为n；
(2)在量子密钥分配系统每次传输工作结束后下次传输工作开始前，量子密钥分配系统均进行两点扫描操作，所述两点扫描操作为：发送端固定发送前一次传输的随机四相位调制中的某相位M1，接收端交替加载前一次传输的随机四相位调制中的某相位M2和某相位M3，统计相位M1与相位M2干涉的计数为NM2，统计相位M1与相位M3干涉的计数为NM3；其中步骤(2)中的随机四相位调制分别为0，
Figure BDA0001961638810000041
π；所述相位M1为0相位或
Figure BDA0001961638810000042
相位或
Figure BDA0001961638810000043
相位或π相位，所述相位M2为0相位或
Figure BDA0001961638810000044
相位或
Figure BDA0001961638810000045
相位或π相位，所述相位M3为0相位或
Figure BDA0001961638810000046
相位或
Figure BDA0001961638810000047
相位或π相位，且所述相位M2与相位M1的相位差为
Figure BDA0001961638810000048
所述相位M3与相位M1的相位差为
Figure BDA0001961638810000049
(3)根据计数NM2和计数NM3计算相位漂移量
Figure BDA00019616388100000410
根据相位漂移量
Figure BDA00019616388100000411
得到相位补偿量ω，将相位补偿量ω叠加到下一次传输的四相位电压上。
所述的相位漂移量
Figure BDA00019616388100000412
为：
Figure BDA00019616388100000413
所述相位补偿量ω为下一次传输时四相位需补偿电压对应软件数字量：
Figure BDA00019616388100000414
进一步地，所述量子密钥分配系统在进行每次传输工作时，需将每次传输时间控制为
Figure BDA00019616388100000415
N为自然数，N的值根据复杂环境的变化进行设置。
本实施例的量子密钥分配系统(QKD系统)的结构如图1所示，包括发送端和接收端，发送端和接收端通过量子信道连接，发送端包括电路控制模块、量子激光器、干涉仪、同步激光器、两个衰减器和合波器，发送端的电路控制模块分别与量子激光器、干涉仪内的相位调制器、两个衰减器和同步激光器连接，发送端的量子激光器与干涉仪连接，发送端的干涉仪与一个衰减器连接，发送端的同步激光器与另一个衰减器连接，发送端的两个衰减器均与合波器连接。接收端包括电路控制模块、干涉仪、量子探测器和同步探测器，接收端的电路控制模块分别与干涉仪内的相位调制器、量子探测器和同步探测器连接，接收端的合波器分别与同步探测器和干涉仪连接，接收端的干涉仪与量子探测器连接。发送端和接收端的干涉仪的长臂光纤中均连接有相位调制器。图1的结构仅仅为一种量子密钥分配系统的结构图，本领域的技术人员应当理解，本发明的相位补偿控制方法不仅适用于图1中的一种量子密钥分配系统的结构，还普遍适用于其他各种量子密钥分配系统的结构。
图1中QKD系统相位BB84协议传输过程：发送端通过电路控制模块利用同一时钟信号分别触发量子激光器和同步激光器发射出信号光与同步光，所述信号光为调制光，所述同步光作为同步信号传输到接收端并由同步探测器响应从而为接收端所用；发送端干涉仪长臂内的相位调制器通过电路控制模块的控制对信号光进行随机四相位调制，即随机编码0、
Figure BDA00019616388100000416
π相位中的一个，短臂不进行调制；一个衰减器对信号光进行衰减，另一个衰减器对同步光进行衰减，衰减后的信号光和同步光均通过发送端的合波器合入一根信道传输，并在接收端通过接收端合波器进行分解；分解后的信号光经过接收端的干涉仪，干涉仪长臂内的相位调制器通过电路控制模块的控制对信号光进行随机四相位调制，即随机解码0、
Figure BDA0001961638810000051
π相位中的一个，短臂不进行调制；干涉后的信号光进入量子探测器进行探测，量子探测器的探测结果经过后处理过程最终得到安全密钥。图1中QKD系统的传输过程为现有技术，发送端和接收端内的干涉仪结构采用现有技术，在这不再进行具体阐述。
参见图2，图2为图1中QKD系统的相位补偿运行模式图，系统第一次运行之前进行初始化过程，适配两端(即发送端和接收端)的相位，然后进行系统的传输，系统传输完成后，在下一次传输开始之前，进行二点扫描，确定相位漂移量，在下一次传输时根据确定的相位漂移量，进行相位的补偿传输。依次进行下去。
图2中相位补偿控制方法具体为：系统两端(即发送端和接收端)作初始化操作，确定两端干涉环干涉的条纹可见度K,接收端相位调制器的半波电压对应V以及该半波电压对应的软件数字量为n，两端的四相位加载数字量；系统第一次传输；系统在第二次传输之前进行第一次两点扫描：即发送端固定发送第一次传输的0相位，接收端的相位调制器交替加载第一次传输的
Figure BDA0001961638810000052
和
Figure BDA0001961638810000053
相位，量子探测器分别统计一段时间(1ms)内，0相位和
Figure BDA0001961638810000054
相位干涉的计数为Nπ/2，0相位和
Figure BDA0001961638810000055
相位干涉的计数为N3π/2；再根据得到的计数Nπ/2和计数N3π/2作公式运算，计算相位漂移量
Figure BDA0001961638810000056
Figure BDA0001961638810000057
最后根据计算的相位漂移量进行加载对应的电压补偿相位(相位补偿量ω)，根据补偿后的相位进行第二次传输。根据公式推导，传输时四相位需补偿电压对应软件数字量(即相位补偿量ω)为：
Figure BDA0001961638810000058
依次类推，实际第n次传输时，根据初始化得到的干涉条纹度K、接收端相位调制器的半波电压对应软件数字量n,系统在第n次传输之前进行两点扫描(即进行第n-1次两点扫描)，发送端固定发送n-1次传输的0相位，接收端交替加载n-1次传输的
Figure BDA0001961638810000059
和
Figure BDA00019616388100000510
相位，统计一段时间(1ms)内，第n-1次两点扫描中0相位和
Figure BDA00019616388100000511
相位干涉的计数为Nπ/2、0相位和
Figure BDA00019616388100000512
相位干涉的计数为N3π/2，根据公式计算得相位补偿量ω，叠加到第n次传输的接收端的四相位电压上。
当针对剧烈的环境温度变化、振动变化情况下，系统将传输模块分块化处理。例如：正常环境温度下，系统每次的传输时间控制为1s，然后进行相位补偿可以得到很好的效果；当环境温度剧烈变化时，可以将系统每次传输的时间控制为
Figure BDA0001961638810000061
根据环境剧烈的程度不同，设置不同的N值，保持系统一直处于最优性能。因为两点扫描占用的时间极短，为1ms量级，所以将传输进行N分块传输，对系统的效率影响极低。在保障系统性能的同时，保障了系统的效率。
本实施例的相位补偿方法原理总结：采用两点扫描的方法进行主动相位补偿，即一次传输完成且在下一次进行传输过程之前，使用两点扫描法确定相位补偿量，在下一次传输的过程中，使用补偿后的相位进行传输。使系统一直处于高精度的实时相位补偿。
本实施例解决了复杂的环境条件下的相位补偿控制问题，例如：温度剧烈变化、振动频率过高导致的相位漂移过快；系统相位补偿不及时导致的系统误码率过高。针对上述问题，由于本实施例的两点扫描时间较短，通过两点扫描法以及将传输时间分成(1/N)s处理，可以补偿相位的快速漂移，系统相位补偿及时，且效率较高，系统误码率低。
远距离传输环境下，系统本身的信号收益率低，噪声不变，导致信噪比下降，本实施例解决了如何在信噪比较低的情况下，正确的补偿相位漂移的问题；针对上述问题，本实施例在信噪比较低的情况下，可通过二点扫描法有效的正确加载相位漂移量，效率较高。
本实施例能在补偿相位漂移的同时，保障系统的运行效率；比如说：本实施例将每次传输时间分为0.1s，二点扫描时间为1ms，二点扫描时间占比传输时间较短，1％左右，而传统的扫描时间为100ms量级，占比50％，所以本实施例的二点扫描法与传统的扫描方法相比效率更高，保障了占传输时间的百分比。
另外，现有技术严重影响了量子密码系统的误码率和安全成码率，甚至在补偿不及时的情况下，甚至无法安全成码，严重影响系统性能。本实施例的相位补偿控制方法可以实现高精度的及时且实时补偿相位，提高系统性能和效率。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种针对复杂环境的相位补偿控制方法，用于量子密钥分配系统，所述量子密钥分配系统包括发送端和接收端，其特征在于：所述相位补偿控制方法包括以下步骤：
(1)对量子密钥分配系统的发送端和接收端进行初始化操作；
(2)在量子密钥分配系统每次传输工作结束后下次传输工作开始前，量子密钥分配系统均进行两点扫描操作，所述两点扫描操作为：发送端固定发送前一次传输的随机四相位调制中的某相位M1，接收端交替加载前一次传输的随机四相位调制中的某相位M2和某相位M3，统计相位M1与相位M2干涉的计数为NM，统计相位M1与相位M3干涉的计数为NM；
(3)根据计数NM和计数NM计算相位漂移量
Figure FDA0003084549530000011
根据相位漂移量
Figure FDA0003084549530000012
得到相位补偿量ω，将相位补偿量ω叠加到下一次传输的四相位电压上；
所述步骤(1)具体为：对量子密钥分配系统的发送端和接收端进行初始化操作，确定发送端和接收端中干涉环干涉的条纹可见度K,接收端的半波电压对应的软件数字量为n；
所述的相位漂移量
Figure FDA0003084549530000013
为：
Figure FDA0003084549530000014
所述相位补偿量ω为下一次传输时四相位需补偿电压对应软件数字量：
Figure FDA0003084549530000015
2.根据权利要求1所述的针对复杂环境的相位补偿控制方法，其特征在于：
所述步骤(2)中的随机四相位调制分别为0，
Figure FDA0003084549530000016
π；
所述相位M1为0相位或
Figure FDA0003084549530000017
相位或
Figure FDA0003084549530000018
相位或π相位，所述相位M2为0相位或
Figure FDA0003084549530000019
相位或
Figure FDA00030845495300000110
相位或π相位，所述相位M3为0相位或
Figure FDA00030845495300000111
相位或
Figure FDA00030845495300000112
相位或π相位，且所述相位M2与相位M1的相位差为
Figure FDA00030845495300000113
所述相位M3与相位M1的相位差为
Figure FDA00030845495300000114
3.根据权利要求1所述的针对复杂环境的相位补偿控制方法，其特征在于：所述量子密钥分配系统在进行每次传输工作时，需将每次传输时间控制为
Figure FDA00030845495300000115
秒，N为自然数，N的值根据复杂环境的变化进行设置。
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