CN110855372A - 一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置及方法，装置包括发射端、接收端以及传输光纤，所述发射端发射量子保密通信信号和监控信号至传输光纤中，所述量子保密通信信号的波长和监控信号的波长不相等，所述传输光纤还与接收端连接，接收传输光纤中传输过来的信号，所述监控信号在传输光纤传输过程中产生的后向散射信号被发射端接收，发射端通过后向散射信号感知并定位窃听。本发明中，采用基于相位敏感光时域反射技术，在窃听者对量子保密通信系统实施窃听前，对其引起的光纤振动或扰动进行提前感知，并通过后向散射信号光，准确定位窃听者的窃听位置，有利于事前感知并定位窃听者，保障量子保密通信系统的安全性。

Description

一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置及方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，更具体地，涉及一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置及方法。

背景技术

量子保密通信是一种利用量子力学原理来保障信息安全传输的保密通信技术，在国防、金融、政务等领域具有重要的应用价值。量子保密通信技术主要是基于量子力学测不准原理和量子不可克隆定律实现量子密钥分发，即用量子信道传递密钥，然后利用密钥给经典信息加密后，用传统的经典信道传递加密后的信息，从而为通信网络提供物理层的安全性。将量子密钥分发与现代光纤通信技术相结合的量子保密通信是一种可实现数据物理层安全、高效传输的新兴保密通信技术。

量子密钥分发以量子物理的基本原理为基础，利用单光子的量子态作为信息载体进行编码、传递、检测，可在空间分离的用户之间共享密钥，实现无条件安全的密钥分发。基于量子密钥分发的保密通信从原理上是绝对安全的，无法被破解的，因为窃听者既无法复制单光子的量子态来试图窃取保密数据，又无法将单个光子分割以测量其量子态。一旦对光子进行测量就会改变光子的状态，进而影响测量的误码率，从而被发送方感知到窃听者的存在。量子密钥分发技术的实现与数学计算的复杂度无关，即便拥有无限强的计算能力，也无法攻破分发的密钥。因此，量子保密通信被认为是未来提升网络信息安全的重要技术手段之一。

尽管量子保密通信技术是一种理论上绝对安全的通信方式，但其存在的关键问题是一旦有窃听者入侵量子通信系统，并进行量子态的测量窃听，会干扰光子的量子态，进而导致发送双方密钥协商的误码率增加，发送方会立刻停止进行密钥分发，停止所有进行正常的通信。系统的安全性和鲁棒性之间的矛盾是其难以解决的固有问题。如果窃听者一直恶意连续地进行窃听，则量子保密通信系统将始终不能进行任何通信，毫无任何保密性和可靠性而言。因此，亟需在量子保密通信系统中发展一种能够事前感知并定位窃听者的方法，一旦有窃听者入侵量子保密通信系统，在其实施保密信息的窃取前，便迅速感知其存在，并对其进行准确定位，及时制止非法窃听行为，保障量子保密通信系统的安全性和鲁棒性。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，解决量子通信存在的窃听定位难以及可靠性低的问题。

本发明的进一步目的是提供一种量子保密通信系统中感知及定位窃听方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，包括发射端、接收端以及传输光纤，所述发射端发射量子保密通信信号和监控信号至传输光纤中，所述量子保密通信信号的波长和监控信号的波长不相等，所述传输光纤还与接收端连接，接收传输光纤中传输过来的信号，所述监控信号在传输光纤传输过程中产生的后向散射信号被发射端接收，发射端通过后向散射信号感知并定位窃听。

上述方案中，将监控信号通过波分复用耦合至光纤通信信号传输的同一根光纤中，保持现有量子保密通信系统不变，前向传输的监控信号经光纤传输后，由于光纤具有非匀质性，将导致后向的瑞利散射效应，产生后向散射信号被发射端接收，当光纤通信信道周边有窃听行为导致的振动或微小扰动事件发生时，振动或扰动所产生的信号通过机械波传播，引起光纤的振动，该区域的长度、折射率等光纤特性发生改变，进而引起该位置光相位的改变。通过后向散射光的干涉，相位的变化会引起后向散射光功率的变化，从而导致后向散射信号功率的变化，根据后向散射信号功率的变化确定窃听行为和窃听位置，实现量子保密通信系统分布式监控和定位，无需反射装置，且对通信波长无限制。

优选地，所述发射端包括量子保密通信发射模块和相位敏感光时域反射测量模块，所述量子保密通信发射模块输出量子保密通信信号，所述相位敏感光时域反射测量模块输出监控信号并接受监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号。

优选地，所述发射端还包括波分复用器，所述量子保密通信发射模块的输出端与波分复用器相对应的输入端口连接，所述相位敏感光时域反射测量模块的输出端与波分复用器相对应的输入端口连接，所述波分复用器的输出端口与传输光纤连接，通过在常规的量子保密通信系统中增加一个波分复用器，就可以将相位敏感光时域反射测量模块的监控信号耦合到传输光纤链路中。

优选地，所述相位敏感光时域反射测量模块包括窄线宽激光器、脉冲调制器、光放大器、光环形器、光电探测模块、信号采集模块、信号存储模块以及信号处理模块，其中：

所述窄线宽激光器的输出端与脉冲调制器的输入端连接；

所述脉冲调制器的输出端与光放大器的输入端连接；

光放大器的输出端与光环形器的第一端口连接，所述光环形器的第二端口与波分复用器相对应的输入端口连接，光环形器的第三端口与光电探测模块的输入端连接；

光电探测模块的输出端与信号采集模块的输入端连接；

信号采集模块的输出端分别与信号存储模块的输入端、信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块对返回的后向散射信号进行处理，得到是否存在窃听行为以及窃听位置；

窃听监控波长由窄线宽激光器(数个GHz左右)产生，经过脉冲调制器，产生脉冲探测光信号，然后该信号经光放大器放大，进入光环形器的第一端口中，并从第二端口中输出。输出的监控信号与量子保密通信信号合波，耦合到传输光纤链路中。前向传输的监控信号进行传输后，会产生后向散射，散射的光信号会反向传回光环形器的第二端口中，并从光环形器的第三端口中输出，进入到光电探测模块中进行光电变换，将探测到的后向散射信号转化为电信号，并经过信号采集模块进行数据采集，同时将无窃听者入侵量子通信系统时采集到的后向散射信号作为参考信号存储在信号存储模块中。由数据采集模块采集的后向散射信号每次都输入到信号处理模块中，信号处理模块根据后向散射参考信号和数据采集模块的后向散射信号进行相减运算，并将光信号的时间信息转换为光纤长度信息，来感知并定位量子通信系统中的窃听行为。

优选地，所述量子保密通信信号和监控信号的波长通道以粗波长复用进行复用，所述粗波长复用的间隔为20nm，或者以密集波分复用的间隔(如0.8nm)进行。

优选地，所述接收端包括波分复用解复用模块和量子保密通信接收模块，其中：

波分复用解复用模块与传输光纤连接，将传输光纤中的量子保密通信信号解复用，所述波分复用解复用模块将解复用的量子保密通信信号传输至量子保密通信接收模块。

一种量子保密通信系统中感知及定位窃听方法，所述方法应用于上述所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，包括以下步骤：

S1：预先获取无任何扰动时的参考后向散射曲线；

S2：通信时，发射端发射量子保密通信信号以及监控信号至传输光纤中进行传输；

S3：监控信号在传输光纤传输时，由于散射返回的后向散射信号被发射端接收，形成后向散射曲线，所述后向散射曲线和参考后向散射曲线均为以与发射端的距离为横坐标，以信号功率为纵坐标的曲线，并获取不同距离的后向散射信号的往返时间；

S4：后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种在量子保密通信系统中感知并定位窃听装置及方法，以提高密钥分发的安全性，增强量子通信系统的可靠性。在本发明中，采用基于相位敏感光时域反射技术，在窃听者对量子保密通信系统实施窃听前，对其引起的光纤振动或扰动进行提前感知，并通过后向散射信号光，准确定位窃听者的窃听位置，有利于事前感知并定位窃听者，保障量子保密通信系统的安全性。同时，通过快速感知和定位窃听者，可以及时阻止窃听者的窃听测量，避免传统量子通信系统中一发现窃听就停止所有正常通信的弊端，极大地提高量子保密通信的可靠性。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

图中，1为相位敏感光时域反射测量模块，101为窄线宽激光器，102为脉冲调制器，103为光放大器，104为光环形器，105为光电探测模块，106为信号采集模块，107为信号存储模块，108为信号处理模块，2为量子保密通信发射模块，3为波分复用器，4为波分复用解复用模块，5为量子保密通信接收模块，6为传输光纤。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，如图1，包括发射端、接收端以及传输光纤6，所述发射端发射量子保密通信信号和监控信号至传输光纤6中，所述量子保密通信信号的波长和监控信号的波长不相等，所述传输光纤6还与接收端连接，接收传输光纤6中传输过来的信号，所述监控信号在传输光纤6传输过程中产生的后向散射信号被发射端接收，发射端通过后向散射信号感知并定位窃听。

所述发射端包括量子保密通信发射模块2和相位敏感光时域反射测量模块1，所述量子保密通信发射模块2输出量子保密通信信号，所述相位敏感光时域反射测量模块1输出监控信号并接受监控信号在传输光纤6传输过程中返回的后向散射信号。

所述发射端还包括波分复用器3，所述量子保密通信发射模块2的输出端与波分复用器3相对应的输入端口连接，所述相位敏感光时域反射测量模块1的输出端与波分复用器3相对应的输入端口连接，所述波分复用器3的输出端口与传输光纤6连接。

所述相位敏感光时域反射测量模块1包括窄线宽激光器101、脉冲调制器102、光放大器103、光环形器104、光电探测模块105、信号采集模块106、信号存储模块107以及信号处理模块108，其中：

所述窄线宽激光器101的输出端与脉冲调制器102的输入端连接；

所述脉冲调制器102的输出端与光放大器103的输入端连接；

光放大器103的输出端与光环形器104的第一端口连接，所述光环形器104的第二端口与波分复用器3相对应的输入端口连接，光环形器104的第三端口与光电探测模块105的输入端连接；

光电探测模块105的输出端与信号采集模块106的输入端连接；

信号采集模块106的输出端分别与信号存储模块107的输入端、信号处理模块108的输入端连接，所述信号处理模块108对返回的后向散射信号进行处理，得到是否存在窃听行为以及窃听位置。

所述量子保密通信信号和监控信号的波长通道以粗波长复用进行复用，所述粗波长复用的间隔为20nm。

所述接收端包括波分复用解复用模块4和量子保密通信接收模块5，其中：

波分复用解复用模块4与传输光纤6连接，将传输光纤6中的量子保密通信信号解复用，所述波分复用解复用模块4将解复用的量子保密通信信号传输至量子保密通信接收模块5。

在具体实施过程中，一种量子保密通信系统中感知及定位窃听方法，如图2，包括以下步骤：

S1：预先获取无任何扰动时的参考后向散射曲线；

S2：通信时，发射端发射量子保密通信信号以及监控信号至传输光纤6中进行传输；

S3：监控信号在传输光纤6传输时，由于散射返回的后向散射信号被发射端接收，形成后向散射曲线，所述后向散射曲线和参考后向散射曲线均为以与发射端的距离为横坐标，以信号功率为纵坐标的曲线，并获取不同距离的后向散射信号的往返时间；

S4：后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，其特征在于，包括发射端、接收端以及传输光纤，所述发射端发射量子保密通信信号和监控信号至传输光纤中，所述量子保密通信信号的波长和监控信号的波长不相等，所述传输光纤还与接收端连接，接收传输光纤中传输过来的信号，所述监控信号在传输光纤传输过程中产生的后向散射信号被发射端接收，发射端通过后向散射信号感知并定位窃听。

2.根据权利要求1所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，其特征在于，所述发射端包括量子保密通信发射模块和相位敏感光时域反射测量模块，所述量子保密通信发射模块输出量子保密通信信号，所述相位敏感光时域反射测量模块输出监控信号并接受监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号。

3.根据权利要求2所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，其特征在于，所述发射端还包括波分复用器，所述量子保密通信发射模块的输出端与波分复用器相对应的输入端口连接，所述相位敏感光时域反射测量模块的输出端与波分复用器相对应的输入端口连接，所述波分复用器的输出端口与传输光纤连接。

4.根据权利要求3所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，其特征在于，所述相位敏感光时域反射测量模块包括窄线宽激光器、脉冲调制器、光放大器、光环形器、光电探测模块、信号采集模块、信号存储模块以及信号处理模块，其中：

所述窄线宽激光器的输出端与脉冲调制器的输入端连接；

所述脉冲调制器的输出端与光放大器的输入端连接；

光放大器的输出端与光环形器的第一端口连接，所述光环形器的第二端口与波分复用器相对应的输入端口连接，光环形器的第三端口与光电探测模块的输入端连接；

光电探测模块的输出端与信号采集模块的输入端连接；

信号采集模块的输出端分别与信号存储模块的输入端、信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块对返回的后向散射信号进行处理，得到是否存在窃听行为以及窃听位置。

5.根据权利要求4所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，其特征在于，所述量子保密通信信号和监控信号的波长通道以粗波长复用进行复用，所述粗波长复用的间隔为20nm。

6.根据权利要求5所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，其特征在于，所述接收端包括波分复用解复用模块和量子保密通信接收模块，其中：

波分复用解复用模块与传输光纤连接，将传输光纤中的量子保密通信信号解复用，所述波分复用解复用模块将解复用的量子保密通信信号传输至量子保密通信接收模块。

7.一种量子保密通信系统中感知及定位窃听方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至6所述的量子保密通信系统中感知及定位窃听装置，包括以下步骤：

S1：预先获取无任何扰动时的参考后向散射曲线；

S2：通信时，发射端发射量子保密通信信号以及监控信号至传输光纤中进行传输；

S3：监控信号在传输光纤传输时，由于散射返回的后向散射信号被发射端接收，形成后向散射曲线，所述后向散射曲线和参考后向散射曲线均为以与发射端的距离为横坐标，以信号功率为纵坐标的曲线，并获取不同距离的后向散射信号的往返时间；

S4：后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位。

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