CN114362830B - 一种基于tf-qkd网络的震动检测方法及tf-qkd网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TF‑QKD网络的震动检测方法，以及可同时检测震动的TF‑QKD网络及其应用。其中，本发明借助TF‑QKD网络在量子通信过程中所需要的采集由光纤链路在相位参考光脉冲上引起的相对相位差的的冗余数据过程，利用这种由光纤链路引起的相对相位差的的变化，通过数据分析得到光纤链路上的震动等噪声的信息，由此实现对光纤链路及其所在区域的震动检测，而不需要增加专用的震动测试设备，也无需改变已有TF‑QKD网络架构。
Description
技术领域
本发明涉及震动检测技术领域，具体涉及一种基于TF-QKD网络的震动检测方法，以及可同时检测震动的TF-QKD网络。
背景技术
为实现震动检测，现有技术中的经典方案是在每个监测点通过测量加速度进行震动检测，相应传感器获得震动信号的加速度数据，并且与之前加速度数据进行比对，通过加速度的变化量检测是否发生地震。但是，在这种检测方案下，如果需要在大范围内进行高精度的震动检测，例如检测地震源，需要铺设大数量的测量点，且测量点分布比较密集，从而导致非常高的成本。
光纤传感器本身具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、功耗小、灵敏度高、布设灵活、易于联网等突出优点，通过光纤传感的方式来进行检测震动是目前比较先进的检测方式。光纤传感方式利用光波作为信号的载体，基于光调制效应，在外界环境因素发生震动等变化时，光波的物理参量(如强度、波长、频率、相位等)对应进行调整，然后利用光纤作为光波的传输媒介，利用光电探测器接受光波信号，确定光波相位和光强的变化，从而得到外界的震动变化情况。光纤传感应用在震动检测中，能够得到较为准确的检测结果，且光纤传感利用城市范围内光纤资源比较丰富、在城际等陆地范围有现有光纤来进行检测震动。但是，光纤传感的方式需要增加额外的测试设备，才能对震动信息进行检测和分析。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种基于TF-QKD网络的震动检测方法，以及可同时检测震动的TF-QKD网络及其应用。其中，本发明借助TF-QKD网络在量子通信过程中所需要的采集由光纤链路在相位参考光脉冲上引起的相对相位差的的冗余数据过程，利用这种由光纤链路引起的相对相位差/>的的变化，通过数据分析得到光纤链路上的震动等噪声的信息，由此实现对光纤链路及其所在区域的震动检测，而不需要增加专用的震动测试设备，也无需改变已有TF-QKD网络架构。
具体而言，本发明的第一方面涉及一种基于TF-QKD网络的震动检测方法，其包括以下步骤：
由Alice端发送第一参考相位光脉冲，并由Bob端发送第二参考相位光脉冲；
连续记录所述第一和第二参考相位光脉冲在Charlie端的干涉结果，并根据所述干涉结果计算所述第一和第二参考相位光脉冲之间的相对相位差；
根据所述相对相位差计算得到由所述TF-QKD网络中的光纤链路引起的相对相位差的变化；以及，
根据所述光纤链路引起的相对相位差的变化，检测所述光纤链路上的震动状态。
进一步地，可以根据所述所述光纤链路引起的相对相位差的变化速率，分析所述光纤链路上的震动强度。
进一步地，可以对所述光纤链路引起的相对相位差的变化进行傅里叶分析，确定所述光纤链路上的震动频率。
更进一步地，可以根据所述震动频率，确定震动来源和/或震动类型。
本发明的第二方面涉及一种同时可实现震动检测的TF-QKD网络，其包括Alice端、Bob端和Charlie端；
所述Alice端被设置用于通过光纤链路向所述Charlie端发送第一信号脉冲和第一参考相位光脉冲；
所述Bob端被设置用于通过光纤链路向所述Charlie端发送第二信号脉冲和第二参考相位光脉冲；
所述Charlie端被设置用于使所述第一和第二信号脉冲发生干涉以连续生成并记录第一干涉结果，以及使所述第一和第二参考相位光脉冲发生干涉以连续生成并记录第二干涉结果；
其中，所述Charlie端还被设置成根据所述第二干涉结果计算所述第一和第二参考相位光脉冲之间的相对相位差，根据所述相对相位差计算得到光纤链路引起的相对相位差的变化，以及根据所述光纤链路引起的相对相位差的变化，检测所述光纤链路上的震动状态。
可选地，所述信号脉冲和参考相位光脉冲采用时分复用或波分复用的编码方式。
进一步地，所述Charlie端还被设置成根据所述光纤链路引起的相对相位差的变化速率，分析所述光纤链路上的震动强度。
进一步地，所述Charlie端还被设置成对所述光纤链路引起的相对相位差的变化进行傅里叶分析，确定所述光纤链路上的震动频率。
更进一步地，所述Charlie端还被设置成根据所述震动频率，确定震动来源和/或震动类型。
本发明的第三方面涉及本发明的震动检测方法在保证TF-QKD网络中光纤链路的安全性上的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的可同时实现震动检测的TF-QKD网络的一种示例；
图2示出了用于本发明的TF-QKD网络的信号光脉冲和参考相位脉冲光的时序的一种示例。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
近年，一种新兴的量子通信协议——双场量子密钥分发(TF-QKD)协议被提出，该协议的核心是利用单光子干涉作为有效探测，相比于传统BB84协议和测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)协议中利用双光子符合作为有效探测，TF-QKD可以将传统量子密钥分发(QKD)成码率从随信道损耗线性下降的关系，提升至随信道损耗平方根下降。从而能够突破传统无中继QKD的线性成码极限，实现非常远距离的密钥分发。目前，TF-QKD在实验室及现场已分别实现大于500km距离的密钥分发。
TF-QKD网络通常包括Alice和Bob这两个发送端，以及一个测量端Charlie。
Alice端可以产生第一信号光脉冲和第一相位参考光脉冲，并通过第一光纤链路发送给Charlie端；类似地，Bob端可以产生第二信号光脉冲和第二相位参考光脉冲，并通过第二光纤链路发送给Charlie端。
在TF-QKD网络中，信号光脉冲承载有QKD编码信息，用于量子密钥的产生，其通常为单光子水平；相位参考光脉冲用于精确估计例如光纤链路传输过程对光信号的相位扰动，其具有相对较强的光强，因此通常被称作强相位参考光脉冲。
发送端通常采用时分复用或波分复用的编码方式实现信号光脉冲和相位参考光脉冲，即在编码中一部分用于调制信号光脉冲，另一部分则调制强相位参考光脉冲。图2示出了在时分复用编码方案中，信号光脉冲与相位参考光脉冲编码的波形时序的一个示例。
继续参见图1，当在Alice端中，光源处的相位为在光信号上编码的相位为/>时，第一相位参考光脉冲在从Alice端输出时其相位则为/>类似地，当在Bob端中，光源处相位为/>在光信号上编码的相位为/>时，第二相位参考光脉冲在从Alice端输出时其相位则为/>
当第一和第二相位参考光脉冲分别由发送端向测量端Charlie传输中，由于现实环境中声音、震动等噪声不可避免，这些噪声将会引起光纤折射率以及长度变化，进而会导致光纤链路中传输的相位参考光脉冲的相位/频率快速起伏。例如，第一相位参考光脉冲在从发送端到测量端的第一光纤链路传输过程中发生的相位扰动记为第二相位参考光脉冲在从发送端到测量端的第二光纤链路传输过程中发生的相位扰动记为/>因此，在测量端Charlie处，第一相位参考光脉冲在分束器处发生干涉时的相位为/>第二相位参考光脉冲在分束器处发生干涉时的相位为/>
由于这种光纤链路引起的相位扰动和/>同样存在于信号光脉冲中，因此TF-QKD需要借助相位参考光脉冲获知这种相位扰动，并通过实时数据后处理方式进行补偿，以在信号光脉冲上消除这种相位扰动/>和/>从而允许测量端Charlie能够通过第一和第二信号光脉冲的干涉结果精确得到相位编码信息。
来自Alice和Bob端的光信号分别通过相应的光纤链路传输，当光信号到达Charlie时进行干涉。在光分束器(BS)的一路输出端口进入光电探测器PD1或PD2的响应概率为：
其中，
在TF-QKD过程中，两个发送端中的光源会被波长锁定，因此，为固定值；第一和第二相位参考光脉冲上的编码相位为已知值，因此/>是已知的，并且在进行震动检测时可以将其设置为固定值。此时，φ的变化将由两路光纤链路上的相位扰动之间的相位差/> 引起。换言之，φ的变化与两路光纤链路上的相位扰动之间的相位差相对应。而光纤链路上的震动将会引起其引入的相位扰动的变化，进而导致光纤链路上相位扰动之间的相位差/>的变化。
因此，在本发明的TF-QKD网络中，可以由测量端Charlie连续获取和记录第一和第二相位参考光脉冲的干涉结果，并根据该干涉结果获得第一和第二相位参考光脉冲之间的相位差从而得到该相位差/>的变化情况，即由光纤链路在第一和第二相位参考光脉冲上引起的相对相位差/>的变化。
因此，测量端Charlie通过分析光纤链路引起的相对相位差 的变化，可以获知光纤链路上的相位扰动的变化，由此检测出光纤链路上的震动状态。
进一步地，可以通过分析光纤链路引起的相对相位差的变化速率，得到发生于光纤链路中的震动强度。
此外，还可以将这种相对相位差的变化进行傅里叶变换，以对其进行频域分析，获得光纤链路上的震动频率。因此，允许根据震动频率等对震动来源及其种类进行分析。
至此，本领域技术人员能够理解，借助本发明的TF-QKD网络，还可能实现对铺设有光纤链路的地表交通情况进行检测。同时，光纤在外界传输过程中可能会受到自然灾害、人为或者鸟兽的破坏，使得通信遭到中断，通过在借助TF-QKD网络实现量子通信的过程中，可以实时对光纤链路的情况进行检测，这对于保证量子通信的链路安全具有重要作用。
由于TF-QKD网络在进行量子通信过程中本来就需要采集这种由光纤链路上相位扰动在两路相位参考光脉冲上引起的相对相位差的的冗余数据过程，即通过连续采集记录相位参考光脉冲的干涉结果以精准估计光纤链路变化导致的相对相位差。由此可见，本发明的TF-QKD可以利用该冗余相位差信息进行震动等链路噪声的检测，而不需要增加专用的震动测试设备，也无需改变已有TF-QKD网络架构。
进一步地，本发明同时还公开了一种基于TF-QKD网络实现的震动检测方法。
在根据本发明的震动检测方法中，将由Alice端发送第一参考相位光脉冲，并由Bob端发送第二参考相位光脉冲。
然后，在测量端Charlie处连续记录第一和第二参考相位光脉冲的干涉结果，并根据该干涉结果计算获得第一和第二参考相位光脉冲之间的相对相位差。
根据连续记录的这种相位相位差可以获知相位相位差/>的变化，即由光纤链路引起的相对相位差的变化，而光纤链路引起的相对相位差的这种变化与光纤链路上的震动等噪声有关，因此可以检测TF-QKD网络中的光纤链路上的震动状态。
进一步地，根据光纤链路引起的相对相位差的变化速率，可以分析得到该光纤链路上的震动强度。
进一步地，通过对光纤链路引起的相对相位差的变化进行傅里叶变化，借助频域分析可以确定光纤链路上的震动频率，进而分析确定震动来源及其类型。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于TF-QKD网络的震动检测方法，其包括以下步骤：
由Alice端发送第一参考相位光脉冲，并由Bob端发送第二参考相位光脉冲；
连续记录所述第一和第二参考相位光脉冲在Charlie端的干涉结果，并根据所述干涉结果计算所述第一和第二参考相位光脉冲之间的相对相位差；
根据所述相对相位差，计算得到由所述TF-QKD网络中的光纤链路引起的相对相位差的变化；以及，
根据所述光纤链路引起的相对相位差的变化，检测所述光纤链路上的震动状态。
2.如权利要求1所述的震动检测方法，其中，根据所述所述光纤链路引起的相对相位差的变化速率，分析所述光纤链路上的震动强度。
3.如权利要求1所述的震动检测方法，其中，对所述光纤链路引起的相对相位差的变化进行傅里叶分析，确定所述光纤链路上的震动频率。
4.如权利要求3所述的震动检测方法，其中，根据所述震动频率，确定震动来源和/或震动类型。
5.一种同时可实现震动检测的TF-QKD网络，其包括Alice端、Bob端和Charlie端；
所述Alice端被设置用于通过光纤链路向所述Charlie端发送第一信号脉冲和第一参考相位光脉冲；
所述Bob端被设置用于通过光纤链路向所述Charlie端发送第二信号脉冲和第二参考相位光脉冲；
所述Charlie端被设置用于使所述第一和第二信号脉冲发生干涉以连续生成并记录第一干涉结果，以及使所述第一和第二参考相位光脉冲发生干涉以连续生成并记录第二干涉结果；
其中，所述Charlie端还被设置成根据所述第二干涉结果计算所述第一和第二参考相位光脉冲之间的相对相位差，根据所述相对相位差计算得到光纤链路引起的相对相位差的变化，以及根据所述光纤链路引起的相对相位差的变化，检测所述光纤链路上的震动状态。
6.如权利要求5所述的TF-QKD网络，其中，所述信号脉冲和参考相位光脉冲采用时分复用或波分复用的编码方式。
7.如权利要求5所述的TF-QKD网络，其中，所述Charlie端还被设置成根据所述光纤链路引起的相对相位差的变化速率，分析所述光纤链路上的震动强度。
8.如权利要求5所述的TF-QKD网络，其中，所述Charlie端还被设置成对所述光纤链路引起的相对相位差的变化进行傅里叶分析，确定所述光纤链路上的震动频率。
9.如权利要求8所述的TF-QKD网络，其中，所述Charlie端还被设置成根据所述震动频率，确定震动来源和/或震动类型。
10.如权利要求1-4中任一项所述的震动检测方法在保证TF-QKD网络中光纤链路的安全性上的应用。
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