CN111162903B - 一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统和方法。携带本发明中量子密钥分发设备的飞行器与任一同样携带此设备的飞行器或地面站之间能够实现理论上绝对安全的点对点量子保密通信。通信的发送方首先对强激光进行衰减得到平均光子数为单光子级别的准单光子激光，然后根据偏振BB84协议对其进行偏振态调制，并通过光学天线经由自由空间发送给接收方。接收方通过光学天线接收来自发送方的单光子，并通过量子信号接收系统解调单光子所携带的密钥信息。由于未知量子态的单个光子具有不可复制、不可分割的特性，使得第三方无法在不被发现的情况下窃取通信双方的密钥信息，保证了飞行器通信信息的安全性。

Description

一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统及方法

技术领域

本发明涉及量子密钥分发领域，具体涉及一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统及方法。

背景技术

随着互联网的大范围普及，信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人们对保密通信的需求也到了前所未有的高度。量子密钥分发以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。量子密钥分发技术在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分发到通信双方。

BB84协议是IBM公司的C.H.Bennett和加拿大Montreal大学的G.Brassard在1984年提出的第一个量子密钥分发协议。基于BB84协议、B92协议及其它协议实现超远距离量子通信一直是量子信息领域的难点之一。由于光纤本身而非形变、纯度、缺陷所造成的光衰减的影响，光信号在光纤信道的传输损耗已难以随着制备工艺的发展而进一步大幅度降低，通过光纤信道实现的量子通信的距离已经接近极限距离。与之相对的是，部分频率的光子在大气中传输时其损耗远远小于在光纤信道中传输的损耗，尤其是在位于40Km大气层以上的外层空间，光功率衰减几乎为零。因此，自由空间光通信技术能够有效弥补光纤信道远距离光通信损耗过高的问题，将卫星、飞机等应用于量子密钥分发领域，有望实现城域甚至全球范围内的量子保密通信。

光纤由于其双折射特性，使得在光纤中传输的光信号的偏振状态会在传输过程中不断的变化。尽管在实际应用中可以使用保偏光纤实现光波的偏振态传输，但随着传输距离的增加，光波的偏振状态同样会有一定的改变，而这种改变足以造成实际通信中误码的增加，降低通信的速率。而在自由空间光传输中，即使光波传输很远的距离，光波的偏振状态也几乎没有变化。这种特性使得自由空间更适合用于实现偏振调制的量子密钥分发系统。

专利技术201810955173.7，公开了一种基于自主反馈航空量子加密通信方法，应用于任意二架航空器之间，航空器之间通过量子信道和经典信道进行航空量子通信，实现了对航空器发送的数据信息进行量子加密。但是仅涉及两架航空器之间的量子保密通信，未涉及航空器与固定地面站，移动地面或海面载具之间保密通信。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够应用于飞机器，使飞行器通过利用自由空间进行量子密钥分发的方式实现量子保密通信。搭载此设备的任一飞行器能够与地面站或另一飞行器建立实时的量子密钥分发通信链路。

本发明的另一目的是提供一种基于以上一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统的密钥分发方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，包括飞行器F_n与地面站G_m设备，所述飞行器F_n与地面站G_m设备均包括量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统用于发送和接收量子通信信号，所述量子密钥分发系统发送量子通信信号时为发送方，接收量子通信信号时为接收方，其中：

所述量子密钥分发系统包括通信信号产生模块、通信信号收发模块、通信信号接收选择模块、偏振基矢探测模块、量子信号探测模块、精跟踪信标产生模块、精跟踪信标探测模块、精跟踪信标收发模块及光学天线模块；

所述通信信号产生模块用于产生量子信号与偏振基矢信号；

所述通信信号收发模块用于将产生的量子信号和偏振基矢信号从光纤耦合到自由空间，并传输到光学天线模块；以及用于将光学天线模块接收的量子信号和偏振基矢信号从自由空间耦合到光纤，并传输到偏振基矢探测模块及量子信号探测模块；

所述偏振基矢探测模块用于对接收的偏振基矢信号进行探测；

所述量子信号探测模块用于对接收的量子信号进行偏振态检测；

所述通信信号接收选择模块用于对量子信号进行偏振基矢补偿，以及用于控制偏振基矢探测模块及量子信号探测模块进行探测模式之间的切换；

所述精跟踪信标产生模块用于产生精跟踪信标；；

所述精跟踪信标探测模块用于对接收的精跟踪信标进行成像探测；

所述精跟踪信标收发模块在处于接收精跟踪信标模式时，接收光学天线模块接收精跟踪信标并传输到精跟踪信标探测模块；当处于发射精跟踪信标模式时，用于将精跟踪信标产生模块产生的精跟踪信标传输到光学天线模块；

所述光学天线模块用于将通信信号收发模块与精跟踪信标收发模块传输的信号光发射到接收方；将接收方接收到的量子信号和偏振基矢信号传输通信信号收发模块以及接收方接收到的精跟踪信标传输到精跟踪信标收发模块。

优选地，所述通信信号产生模块包括光纤激光器、第一光纤分束器、强度调制器、固定光衰减器、可变光衰减器、第二光纤分束器、光功率探测器、光纤耦合器及第一偏振调制器；

所述光纤激光器的输出与第一光纤分束器的输入端连接，所述第一光纤分束器的第一输出端口通过光纤依次连接第二光纤分束器和光功率探测器；所述第一光纤分束器的第二输出端口通过光纤依次顺序连接强度调制器、固定光衰减器、可变光衰减器、光纤耦合器及第一偏振调制器；所述第二光纤分束器又通过第一光开关与光纤耦合器连接。

优选地，所述通信信号收发模块包括光束整形器、激光扩束器、第一超窄带滤光片、光纤准直器和光纤环形器；

所述光纤环形器的第一端口与所述偏振调制器连接，所述光纤环形器的第二端口通过单模光纤与所述光纤准直器连接，所述光纤准直器又依次连接超窄带滤光片、激光扩束器和光束整形器。

优选地，所述通信信号接收选择模块包括第二偏振调制器和第二光开关，所述第二光开关具有第一输出端口和第二输出端口两个输出端口；

所述第二偏振调制器与所述光纤环形器的第三端口连接，所述第二光开关与所述第二偏振调制器连接。

优选地，所述偏振基矢探测模块包括检偏器、光放大器和光功率探测器；

所述检偏器与第二光开关的第一输出端口连接，所述检偏器又依次连接光放大器和光功率探测器。

优选地，所述量子信号探测模块包括第三光纤分束器、两个光纤偏振控制器，两个光纤偏振分束器和四个单光子探测器；

所述第三光纤分束器与所述第二光开关的第二输出端口连接，所述第三光纤分束器的两个输出端口分别依次连接一个光纤偏振控制器和光纤偏振分束器，一个光纤偏振分束器上连接有两个单光子探测器。

优选地，所述精跟踪信标收发模块包括依次连接的第二超窄带滤光片和旋转反射镜；

所述精跟踪信标产生模块包括依次连接的光束整形器和半导体激光器。

优选地，所述精跟踪信标探测模块包括依次连接的成像透镜和CMOS摄像头。

优选地，所述光学天线模块包括凸面反射镜、凹面反射镜、第三平面反射镜、凸透镜、第二平面反射镜、第一平面反射镜、快速倾斜反射镜和二向色镜；

所述二向色镜分别与所述光束整形器以及第二超窄带滤光片连接，所述二向色镜又依次连接快速倾斜反射镜、第三平面反射镜、第二平面反射镜、凸透镜、第一平面反射镜、凸面反射镜以及凹面反射镜。

一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发方法，应用上述一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，所述飞行器F_n与地面站G_m设备能够进行点对点量子保密通信，通信双方中发送信号的为发送方Alice，接收信号的为接收方Bob，该方法包括以下步骤：

步骤一：通信双方发起通信请求，然后进行身份认证，身份认证通过之后进行初步对准操作完成ATP的捕获过程；

步骤二：初步对准后通过所述精跟踪信标产生模块产生精跟踪信标；精跟踪信标通过精跟踪信标收发模块和精跟踪信标探测模块对自由空间量子密钥分发系统进行ATP校准实现瞄准与跟踪；

步骤三：所述发送方Alice产生激光脉冲，然后通过衰减获得平均光子数为单光子级别的光脉冲；

步骤四：单光子脉冲信号经偏振调制器将密钥信息随机调制到光子的偏振态上，然后通过光学天线模块经自由空间发射到接收方Bob；

步骤五：Bob接收到单光子信号后，通过偏振测量设备测量单光子的偏振信息；

步骤六：Alice和Bob通过公开信道筛出双方选择相同基的数据，丢弃其他数据；

步骤七：Alice和Bob选择筛选码的一部分进行误码检测，判断是否存在窃听，若存在窃听，则中止通信并丢弃已产生的密钥；若不存在窃听，则通过误码纠错和保密增强得到最终的安全密钥。

本发明有益的技术效果：本发明中通信的发送方首先对强激光进行衰减得到平均光子数为单光子级别的准单光子激光，然后对其进行偏振态调制，并通过光学天线经由自由空间发送给接收方。接收方通过光学天线接收来自发送方的单光子，并通过量子信号接收系统解调单光子所携带的密钥信息。由于未知量子态的单个光子具有不可复制、不可分割的特性，使得理论上第三方无法在不被发现的情况下窃取通信双方的密钥信息，保证了飞行器通信信息的安全性。

附图说明

图1是本发明一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统示意图。

图2是本发明一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统中飞行器位置参数示意图。

图3是本发明一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统中飞机器姿态参数示意图。

图4是本发明一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统中天线姿态参数示意图。

图5是本发明一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统的量子密钥分发系的整体结构示意图。

图6本发明一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

如图1-6所示，一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，包括飞行器F_n与地面站G_m设备，所述飞行器F_n与地面站G_m设备均包括量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统用于发送和接收量子通信信号，所述量子密钥分发系统发送量子通信信号时为发送方Alice，接收量子通信信号时为接收方Bob。

实际应用时，通信双方的其中一方或双方为飞行器，或者一方为飞行器，一方为地面站设备。飞行器F_n在量子密钥分发过程中能够根据实际情况在发送方Alice和接收方Bob的角色中进行灵活选择与切换。发送方Alice和接收方Bob均具有ATP系统和量子通信系统，能够发射并检测粗跟踪和精跟踪信标；具有产生单光子脉冲，对产生的单光子进行偏振调制，以及对单光子信号进行偏振态探测的能力。除了具有发送量子信号的能力之外，还具有发送与量子信号相同频率的偏振基矢信号用以检测传输路径大气环境和偏振基矢校准的能力。

发送方Alice和接收方Bob可进行经典通信(例如无线电通信或者经典激光通信)，同时均具有定位系统，能够实时获取自身定位信息，并通过经典通信系统与通信的另一方共享定位信息。

通信双方的量子密钥通信协议为诱骗态BB84协议。

Alice发送方对单光子偏振态的调制，其调制方式遵循BB84协议，随机且等概率的将单光子偏振态调制到0°水平偏振态|→>＝|0>、90°垂直偏振态|↑>＝|1>、45°偏振态或-45°偏振态/>

接收方Bob能够区分光子的水平偏振态|→|、垂直偏振态|↑>、45°偏振态或-45°偏振态/>并将偏振态信息转换为不同探测器的响应，不同探测器响应所对应的码值用于产生最终密钥。

如图1所示，飞行器F_n能够与在量子密钥分发实际安全距离之内的任意一个地面站G_m或飞行器F_n进行量子密钥分发，并且在同一时刻只能与一个地面站G_m或飞行器F_n进行量子密钥分发。

如图1所示，该系统中的地面站G_m可以是地面固定的通信基站、移动的地面或海上载具。飞行器F_n与地面站G_m分别携带本发明中的量子密钥分发设备，能够同时实现发送方和接收方的功能。飞行器F_n与地面站G_m能够根据实际情况灵活选择在通信过程中作为发送方或接收方。

如图2所示，飞行器位置参数包括经度θ、纬度λ、高度L。地面站位置参数包括经度θ、纬度λ、高度L。

如图3所示，飞行器姿态参数包括横滚角γ、纵摇角和航向角ω。地面站姿态参数包括横滚角γ、纵摇角/>和航向角ω。固定地面站姿态参数横滚角γ、纵摇角/>和航向角ω通常为常数。

如图4所示，飞行器天线姿态参数包括方位角α、俯仰角β。地面站G_m设备天线姿态参数包括方位角α、俯仰角β。

如图5所示，所述量子密钥分发系统包括通信信号产生模块01、通信信号收发模块02、通信信号接收选择模块03、偏振基矢探测模块04、量子信号探测模块05、精跟踪信标产生模块07、精跟踪信标探测模块08、精跟踪信标产生模块06及光学天线模块09；

所述通信信号产生模块01用于产生量子信号与偏振基矢信号；

所述通信信号收发模块02用于将产生的量子信号和偏振基矢信号从光纤耦合到自由空间，并传输到光学天线模块；以及用于将光学天线模块接收的量子信号和偏振基矢信号从自由空间耦合到光纤，并传输到偏振基矢探测模块及量子信号探测模块；

所述通信信号接收选择模块03用于对量子信号进行偏振基矢补偿，以及用于控制偏振基矢探测模块及量子信号探测模块进行探测模式之间的切换；

所述偏振基矢探测模块04用于对接收的偏振基矢信号进行探测；

所述量子信号探测模块05用于对接收的量子信号进行偏振态检测；

所述精跟踪信标收发模块06在处于接收精跟踪信标模式时，接收光学天线模块接收精跟踪信标并传输到精跟踪信标探测模块；当处于发射精跟踪信标模式时，用于将精跟踪信标产生模块产生的精跟踪信标传输到光学天线模块；

所述精跟踪信标产生模块07用于产生精跟踪信标；；

所述精跟踪信标探测模块08用于对接收的精跟踪信标进行成像探测；

所述光学天线模块09用于将通信信号收发模块与精跟踪信标收发模块传输的信号光发射到接收方；将接收方接收到的量子信号和偏振基矢信号传输到通信信号收发模块以及接收方接收到的精跟踪信标传输到精跟踪信标收发模块。

具体地，精跟踪信标产生模块07、精跟踪信标收发模块06及光学天线模块09配合组成精跟踪信标发射系统。

通信信号产生模块01、通信信号收发模块02及光学天线模块09组成配合组成量子信号和偏振基矢信号发射系统。

所述光学天线模块09、精跟踪信标收发模块06和精跟踪信标探测模块08配合组成精跟踪信标探测系统。

所述光学天线模块09、通信信号收发模块02、通信信号接收选择模块03、偏振基矢信号探测模块04配合组成偏振基矢信号探测系统。

所述光学天线模块09、通信信号收发模块02、通信信号接收选择模块03、量子信号探测模块05配合组成量子信号探测系统。

光学天线模块组成光学天线系统。

具体地，所述通信信号产生模块包括光纤激光器101、第一光纤分束器102、强度调制器103、固定光衰减器104、可变光衰减器105、第二光纤分束器106、光功率探测器107、第一光开关108、光纤耦合器109及第一偏振调制器110；

所述光纤激光101的输出与第一光纤分束器102的输入端连接，所述第一光纤分束器102的第一输出端口依次连接第二光纤分束器106和光功率探测器107；所述第一光纤分束器102的第二输出端口依次顺序连接强度调制器103、固定光衰减器104、可变光衰减器105、光纤耦合器109及第一偏振调制器110；所述第二光纤分束器106又通过第一光开关108与光纤耦合器109连接。

优选地，所述通信信号收发模块02包括光束整形器116、激光扩束器115、第一超窄带滤光片114、光纤准直器113和光纤环形器111；

所述光纤环形器111的第一端口与所述偏振调制器110连接，所述光纤环形器111的第二端口通过单模光纤112与所述光纤准直器113连接，所述光纤准直器113又依次连接第一超窄带滤光片114、激光扩束器115和光束整形器116。

优选地，所述通信信号接收选择模块03包括第二偏振调制器201和第二光开关202，所述第二光开关202具有第一输出端口和第二输出端口两个输出端口；

所述第二偏振调制器201与所述光纤环形器111的第三端口连接，所述第二光开关202与所述第二偏振调制器201连接。

优选地，所述偏振基矢探测模块04包括检偏器203、光放大器204和光功率探测器205；

所述检偏器203与第二光开关202的第一输出端口连接，所述检偏器203又依次连接光放大器204和光功率探测器205。

优选地，所述量子信号探测模块05包括第三光纤分束器206、两个光纤偏振控制器(207,208)，两个光纤偏振分束器(209,210)和四个单光子探测器(211,212,213,214)；

所述第三光纤分束器206与所述第二光开关202的第二输出端口连接，所述第三光纤分束器206的两个输出端口分别依次连接一个光纤偏振控制器和光纤偏振分束器，一个光纤偏振分束器上连接有两个单光子探测器。

优选地，所述精跟踪信标收发模块06包括依次连接的第二超窄带滤光片301和旋转反射镜302；

所述精跟踪信标产生模块07包括依次连接的光束整形器305和半导体激光器306；所述光束整形器305与所述旋转反射镜302连接。

优选地，所述精跟踪信标探测模块08包括依次连接的成像透镜303和CMOS摄像头304，所述成像透镜303与所述旋转反射镜302连接。

优选地，所述光学天线模块09包括凸面反射镜001、凹面反射镜002、第一平面反射镜003、凸透镜004、第二平面反射镜005、第三平面反射镜006、快速倾斜反射镜007和二向色镜008；

所述二向色镜008分别与所述光束整形器116以及第二超窄带滤光片301连接，所述二向色镜008又依次连接快速倾斜反射镜007、第三平面反射镜006、第二平面反射镜005、凸透镜004、第一平面反射镜003、凸面反射镜001以及凹面反射镜002。

其中：凸面反射镜001、凹面反射镜002、第一平面反射镜003、凸透镜004共同组成卡塞格林望远镜系统，将本地的信号光发送至自由空间以及对来自自由空间的信号光进行接收。第一平面反射镜003第二平面反射镜005、第三平面反射镜006、快速倾斜反射镜007共同组成库德光路，将光束转折到随轴系转动的导光光路，使光束能够免受转台转动的影响，按照预定方向出射。

具体地，本发明系统具体工作过程如下：

发送方根据用户保密通信需要，首先通过经典通信网络向通信的另一方(接收方)发送请求信号。接收方接收到来自发送方的请求信号，接收方响应发送方请求，向发送方发送通信系统上线信号。

发送方、接收方双方进行身份认证，确认双方为合法用户。若身份认证失败，则放弃本次通信并响应告警信号。若身份认证成功，则发送方、接收方通过经典通信网络进行位置、姿态信息交互。

通信双方进行程序跟踪。计算机通过对双方位置、姿态信息的处理、运算与比较，得出通信双方相对于天线实际角度在标准时间内的角度误差，然后将此值反馈到ATP粗跟踪系统，伺服系统驱动天线旋转平台消除角度误差。不考虑通信双方的横滚角γ、纵摇角和航向角ω，发送方位置参数为经度θ、纬度λ、高度L，位置坐标表示为(θ、λ、L)。接收方位置参数为经度θ′、纬度λ′、高度L′，位置坐标表示为(θ′、λ′、L′)。

接收方天线理论方位角：

接收方天线理论俯仰角：

发送方天线理论方位角：

发送方天线理论俯仰角：

然后再补偿通信双方自身姿态横滚角γ、纵摇角和航向角ω。

参考图6，发送方、接收方完成程序跟踪。发送方向接收方发射粗跟踪信标。接收方由粗跟踪相机接收粗跟踪信标对目标进行捕获。接收方将探测结果通过经典通信网络反馈给发送方。接收方和发送方根据接收方对粗跟踪信标的探测结果，通过ATP系统控制光学天线的旋转平台调整姿态。

发送方、接收方完成粗跟踪捕获，通信双方进行精跟踪。发送方向接收方发送波长为532nm的精跟踪信标，接收方接收精跟踪信标并通过CMOS摄像头探测。

精跟踪信标具体发送过程如下：

发送方精跟踪信标收发模块06中的旋转反射镜302的反射光束传输方向指向光束整形镜305。首先半导体激光器306出射波长为532nm的精跟踪信标光。精跟踪信标经过光束整形镜305，精跟踪信标由原先的高斯光斑转换为环形光斑。经过波前整形之后的精跟踪信标经过旋转反射镜302反射到中心波长为532nm、带宽约为5nm的第二超窄带滤光片滤光301。滤光后的精跟踪信标经过透射中心波长为532nm的二向色镜008透射到光学天线模块09。最后精跟踪信标通过光学天线模块09发射到接收方。

精跟踪信标具体接收并探测过程如下：

接收方精跟踪信标收发模块06中的旋转反射镜302反射光束传输方向指向成像透镜303。光学天线模块09接收来自发送方的精跟踪信标并传输至二向色镜008。精跟踪信标经过二向色镜008透射，首先传输到精跟踪信标收发模块的第二超窄带滤光片滤光301，然后经过旋转反射镜302反射到精跟踪信标探测模块08。精跟踪信标经过成像透镜303在CMOS摄像头304成像。

接收方将探测结果通过经典通信网络反馈给发送方。接收方和发送方根据接收方对精跟踪信标的探测结果各自通过ATP系统调整快速倾斜反射镜007。

由于大气传输信道会造成偏振对比度的下降，以及由于地面站和飞行器天线姿态的变化导致的偏振基矢的改变，发送方和接收方需要进行偏振基矢校准。由偏振对比度ER造成的通信误码率P_e(er)可以表示为对于线偏振光，通常情况下ER＞＞1，因此

偏振基矢的偏差可等效为偏振对比度的下降，基矢偏差用α表示，其等效的偏振对比度表示为

在通信双方完成精跟踪之后，通信双方进行偏振基矢校准。发送方向接收方发送偏振基矢信号，接收方接收偏振基矢信号并通过光功率探测器进行探测。

偏振基矢信号发送具体过程如下：

发送方的通信信号产生模块01的中第一光开关108打开。光纤激光器101发射波长为850nm的脉冲激光，激光通过第一光纤分束器102分成两束能量不均等的光束，能量占入射光90％的强光信号从端口1输出，能量占入射光能量10％的弱光从输出端口1输出。强光信号再经过第二纤分束器106分束，能量占入射光90％的强光信号作为偏振基矢信号。偏振基矢信号通过第一光开关108经由光纤耦合器109与量子信号光耦合。由于量子信号光的强度比偏振基矢信号光弱的多，因此当偏振基矢信号与量子信号耦合时，量子信号对偏振基矢信号探测结果的影响可忽略不计。偏振基矢信号经过偏振调制器110调制稳定的水平偏振，再从通信信号收发模块02中的光纤环形器111的端口1输入从端口2输出。然后偏振基矢信号经过光纤准直器113将光纤光转换为自由空间中传输的平行光。偏振基矢信号光转换为自由空间传输之后经过激光扩束器115进行扩束与准直，然后经过光束整形镜116进行波前整形。最后再经过光学天线模块09中的二向色镜008反射进入库德光路，最后通过望远镜发送到接收方。

偏振基矢信号接收并探测过程如下：

接收方的中的第二光开关202指向端口1。接收方通过光学天线模块09接收来自发送方的偏振基矢信号。偏振基矢信号经过库德光路由光束整形镜116整形，然后反向经过激光扩束器115缩束，再通过第一超窄带滤光片114滤除空间杂光和光纤准直器113耦合到单模光纤112，最后通过光环形器111的端口2输入并从端口3输出到偏振基矢信号探测模块。偏振基矢信号经过偏振调制器201进行偏振基矢补偿之后进入第二光开关202从端口1输出。偏振基矢信号经过只允许水平偏振透射的检偏器203，再经过光放大器204进行光功率放大，最后由光功率探测器205进行光功率探测。接收方根据探测器探测的结果对偏振调制器201进行控制，直到偏振调制器附加的偏振补偿能够让光功率探测器205稳定在光功率探测峰值附近。

当通信双方完成偏振基矢校准之后，通信双方系统进行量子密钥分发。发送方向接收方发送量子信号，接收方接收量子信号并对量子信号的偏振态进行探测。

发送方发送量子信号的具体过程如下：

光纤激光器101发射波长为850nm、频率为50MHz、脉冲宽度为500ps的脉冲激光。脉冲激光通过第一光纤分束器102分成两束能量不均等的光束，能量占入射光能量10％的弱光从端口2输出作为量子信号。量子信号首先经过强度调制器103进行强度调制，调制参数有三个，分别作为量子信号(0.125hv)、诱骗态信号与(0.5hv)真空信号(0hv)。然后再经过固定光衰减器104，其次再经过由电信号实时控制的可调光衰减器105进行光衰减得到输出强度与单光子水平相当的稳定的量子信号。由第一光纤分束器102分束的能量占入射光能量90％的强光从端口1输出，然后进入第二光纤分束器106分为能量分别占入射光能量10％和90％的光束，其中能量占10％的光束从端口1输出，然后由光功率探测器107探测光功率，探测结果反馈到本地计算机作为可调光衰减器105的控制信号，控制衰减器的衰减系数，使经过衰减之后的量子信号的能量保持稳定。调制到单光子水平的量子信号输入光纤耦合器109并从端口2输出到光纤环形器111的端口1，并从光纤环形器111的端口2输出。然后量子信号经过通信信号收发模块02和光学天线模块09发送到接收方。

此时，发射方的通信信号产生模块01中的第一光开关108闭合，无偏振基矢信号输入到光纤耦合器109。因此，光纤耦合器109端口2此时仅输出量子信号光。

接收方接收并探测量子信号的具体过程如下：

接收方的量子信号探测模块05中的第二光开关202指向端口2。接收方通过光学天线模块接收来自发送方的量子信号。量子信号经过库德光路由光束整形镜116整形，然后反向经过激光扩束器115缩束，再通过第一超窄带滤光片114滤除空间杂光和光纤准直器113耦合到单模光纤112，然后通过光环形器111的端口2输入并从端口3输出进入量子信号探测模块05。量子信号首先经过偏振调制器201进行偏振补偿之后进入第二光开关202并从端口2输出。然后量子信号进入第三光纤分束器206，并以相等的概率随机地从端口1或端口2射出。如果量子信号从206光纤分束器的端口1出射，则量子信号通过光纤偏振控制器207之后保持入射前的偏振态，然后经过偏振分束器211分束，水平偏振态从端口1输出由单光子探测器213接收，垂直偏振态从端口2输出由单光子探测器214接收。如果量子信号从第三光纤分束器206的端口2出射，则量子信号通过光纤偏振控制器208之后偏振态旋转45°，然后经过偏振分束器211分束，水平偏振态从端口1输出由单光子探测器211接收，垂直偏振态从端口2输出由单光子探测器212接收。根据单个脉冲周期内探测器的响应情况，分别生成对应的码值0或码值1作为初始密钥。

在通信过程中通信双方不断对目标进行跟踪和瞄准，当通信过程中目标发生的偏离超过阈值时，量子通信暂停，保留已分发的密钥信息，跟踪系统迅速调正天线姿态。当跟踪误差重新稳定在阈值以下时，继续进行量子密钥分发。

由于飞行器在通信过程中会不断地运动，飞行器的天线姿态会随着飞行器的运动而不断变化，导致通信双方的偏振基矢出现偏差。因此，当发送方和接收方完成初始地偏振基矢校准之后，在进行量子信号发射的过程中需要不断地进行偏振基矢校准。此时，发送方的第一光开关108与接收方的第二光开关202在量子信号发射过程中以100Hz的频率保持开启状态，同时光开关的上升沿与下降沿应分别小于15ns，且发送方的第一光开关与接收方的第二光开关的开关时间应保持同步。

发送方和接收方通过经典通信网络进行基矢比对，抛弃基矢不相同的数据，保留基矢相同的数据作为通信的初始密钥。

通信双方选择初始密钥的一部分进行误码检测，判断是否存在窃听，若存在窃听，则中止通信。若无窃听，则保留剩余的初始密钥，并对密钥进行误码纠错和保密增强，得到最终的安全密钥。

如图6所示，一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发方法，应用上述一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，所述飞行器F_n与地面站G_m设备进行点对点通信，通信双方发送信号的为发送方Alice，接收信号的为接收方Bob，该方法包括以下步骤：

步骤一：通信双方发起通信请求，然后进行身份认证，身份认证通过之后进行初步对准操作完成ATP的捕获过程；

步骤二：初步对准后通过所述精跟踪信标产生模块产生精跟踪信标；精跟踪信标通过精跟踪信标收发模块和精跟踪信标探测模块对自由空间量子密钥分发系统进行ATP校准实现瞄准与跟踪；

步骤三：所述发送方Alice产生经典激光脉冲，然后通过激光衰减获得平均光子数为单光子级别的光脉冲；

步骤四：单光子脉冲信号经偏振调制器将密钥信息调制到光子的偏振态上，然后通过光学天线模块经自由空间发射到接收方Bob；

步骤五：Bob接收到单光子信号后，通过偏振测量设备测量单光子的偏振信息；

步骤六：Alice和Bob通过公开信道筛出双方选择相同基的数据，丢弃其他数据；

步骤七：Alice和Bob选择筛选码的一部分进行误码检测，判断是否存在窃听，若存在窃听，则中止通信并丢弃已产生的密钥；若不存在窃听，则通过误码纠错和保密增强得到最终的安全密钥。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，包括飞行器F_n与地面站G_m设备，其特征在于，所述飞行器F_n与地面站G_m设备均包括量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统用于发送和接收量子通信信号，所述量子密钥分发系统发送量子通信信号时为发送方，接收量子通信信号时为接收方，其中：

所述量子密钥分发系统包括通信信号产生模块、通信信号收发模块、通信信号接收选择模块、偏振基矢探测模块、量子信号探测模块、精跟踪信标产生模块、精跟踪信标探测模块、精跟踪信标收发模块及光学天线模块；

所述通信信号产生模块用于产生量子信号与偏振基矢信号；

所述通信信号收发模块用于将产生的量子信号和偏振基矢信号从光纤耦合到自由空间，并传输到光学天线模块；以及用于将光学天线模块接收的量子信号和偏振基矢信号从自由空间耦合到光纤，并传输到偏振基矢探测模块及量子信号探测模块；

所述偏振基矢探测模块用于对接收的偏振基矢信号进行探测；

所述量子信号探测模块用于对接收的量子信号进行偏振态检测；

所述通信信号接收选择模块用于对量子信号进行偏振基矢补偿，以及用于控制偏振基矢探测模块及量子信号探测模块进行探测模式之间的切换；

所述精跟踪信标产生模块用于产生精跟踪信标；

所述精跟踪信标探测模块用于对接收的精跟踪信标进行成像探测；

所述精跟踪信标收发模块在处于接收精跟踪信标模式时，接收光学天线模块接收的精跟踪信标并传输到精跟踪信标探测模块；当处于发射精跟踪信标模式时，用于将精跟踪信标产生模块产生的精跟踪信标传输到光学天线模块；

所述光学天线模块用于将通信信号收发模块与精跟踪信标收发模块传输的信号光发射到接收方；将接收方接收到的量子信号和偏振基矢信号传输到通信信号收发模块以及接收方接收到的精跟踪信标传输到精跟踪信标收发模块；

通信双方进行程序跟踪；计算机通过对双方位置、姿态信息的处理、运算与比较，得出通信双方相对于天线实际角度在标准时间内的角度误差，然后将此值反馈到ATP粗跟踪系统，伺服系统驱动天线旋转平台消除角度误差；不考虑通信双方的横滚角γ、纵摇角和航向角ω，发送方位置参数为经度θ、纬度λ、高度L，位置坐标表示为(θ、λ、L)；接收方位置参数为经度θ′、纬度λ′、高度L′，位置坐标表示为(θ′、λ′、L′)；

接收方天线理论方位角：

接收方天线理论俯仰角：

发送方天线理论方位角：

发送方天线理论俯仰角：

2.如权利要求1所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述通信信号产生模块包括光纤激光器、第一光纤分束器、强度调制器、固定光衰减器、可变光衰减器、第二光纤分束器、光功率探测器、光纤耦合器及第一偏振调制器；

所述光纤激光器的输出与第一光纤分束器的输入端连接，所述第一光纤分束器的第一输出端口通过光纤依次连接第二光纤分束器和光功率探测器；所述第一光纤分束器的第二输出端口通过光纤依次顺序连接强度调制器、固定光衰减器、可变光衰减器、光纤耦合器及第一偏振调制器；所述第二光纤分束器又通过第一光开关与光纤耦合器连接。

3.如权利要求2所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述通信信号收发模块包括光束整形器、激光扩束器、第一超窄带滤光片、光纤准直器和光纤环形器；

所述光纤环形器的第一端口与所述偏振调制器连接，所述光纤环形器的第二端口通过单模光纤与所述光纤准直器连接，所述光纤准直器又依次连接第一超窄带滤光片、激光扩束器和光束整形器。

4.如权利要求3所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述通信信号接收选择模块包括第二偏振调制器和第二光开关，所述第二光开关具有第一输出端口和第二输出端口两个输出端口；

所述第二偏振调制器与所述光纤环形器的第三端口连接，所述第二光开关与所述第二偏振调制器连接。

5.如权利要求4所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述偏振基矢探测模块包括检偏器、光放大器和光功率探测器；

所述检偏器与第二光开关的第一输出端口连接，所述检偏器又依次连接光放大器和光功率探测器。

6.如权利要求5所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子信号探测模块包括第三光纤分束器、两个光纤偏振控制器，两个光纤偏振分束器和四个单光子探测器；

所述第三光纤分束器与所述第二光开关的第二输出端口连接，所述第三光纤分束器的两个输出端口分别依次连接一个光纤偏振控制器和光纤偏振分束器，一个光纤偏振分束器上连接有两个单光子探测器。

7.如权利要求6所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述精跟踪信标收发模块包括依次连接的第二超窄带滤光片和旋转反射镜；

所述精跟踪信标产生模块包括依次连接的光束整形器和半导体激光器。

8.如权利要求7所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述精跟踪信标探测模块包括依次连接的成像透镜和CMOS摄像头。

9.如权利要求7所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，所述光学天线模块包括凸面反射镜、凹面反射镜、第三平面反射镜、凸透镜、第二平面反射镜、第一平面反射镜、快速倾斜反射镜和二向色镜；

所述二向色镜分别与所述光束整形器以及第二超窄带滤光片连接，所述二向色镜又依次连接快速倾斜反射镜、第三平面反射镜、第二平面反射镜、凸透镜、第一平面反射镜、凸面反射镜以及凹面反射镜。

10.一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发方法，应用如权利要求1-9任意一项所述的一种用于飞行器的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于，飞行器F_n与地面站G_m设备进行点对点通信，通信双方中发送信号的为发送方Alice，接收信号的为接收方Bob，该方法包括以下步骤：

步骤一：通信双方发起通信请求，然后进行身份认证，身份认证通过之后进行初步对准操作完成ATP的捕获过程；

步骤二：初步对准后通过所述精跟踪信标产生模块产生精跟踪信标；精跟踪信标通过精跟踪信标收发模块和精跟踪信标探测模块对自由空间量子密钥分发系统进行ATP校准实现瞄准与跟踪；

步骤三：所述发送方Alice产生激光脉冲，然后通过衰减获得平均光子数为单光子级别的光脉冲；

步骤四：单光子脉冲信号经偏振调制器将密钥信息调制到光子的偏振态上，然后通过光学天线模块经自由空间发射到接收方Bob；

步骤五：Bob接收到单光子信号后，通过偏振测量设备测量单光子的偏振信息；

步骤六：Alice和Bob通过公开信道筛出双方选择相同基的数据，丢弃其他数据；

步骤七：Alice和Bob选择筛选码的一部分进行误码检测，判断是否存在窃听，若存在窃听，则中止通信并丢弃已产生的密钥；若不存在窃听，则通过误码纠错和保密增强得到最终的安全密钥。