偏振相位调制紫外保密通信技术研究

紫外光通信是一种可实现非视线信息传输的新型通信方式，在局域安全通信领域有较好的应用前景。目前紫外光通信系统中信息加载多采用紫外光振幅调制方式，信息传输仅受经典加密方式保护，存在较大安全隐患。为提高紫外光通信系统的数据传输安全性，本课题基于量子通信中的Yuen-Kumar协议，创造性提出一套基于偏振相位调制的高安全紫外保密通信系统，并建立传输模型对该通信方案进行性能评估。项目研究解决的主要关键问题有：（1）获取紫外偏振态斯托克斯参数的密勒矩阵，利用蒙特卡罗方法建立紫外偏振光大气传输模型并实验修正；（2）根据不同条件下紫外偏振光大气传输模拟结果，设计偏振相位调制紫外保密通信系统；（3）结合量子Yuen-Kumar协议中安全性与偏振基个数和发送器光源强度关系，评估该系统方案的安全性能和通信效率。其研究结果为构建新型局域紫外保密通信系统奠定基础，也能为偏振光大气遥感探测和常规量子通信技术提供借鉴。

紫外光通信是一种可实现非视线信息传输的新型通信方式，在局域安全通信领域有较好的应用前景。目前紫外光通信系统中信息加载多采用紫外光振幅调制方式，信息传输仅受经典加密方式保护，存在较大安全隐患。为提高紫外光通信系统的数据传输安全性，本项目基于量子通信中的Yuen-Kumar协议，创造性提出了一套基于偏振相位调制的高安全紫外保密通信系统，建立了偏振光大气传输模型对该通信方案进行性能评估，初步完成了偏振光大气传输实验系统的搭建及演示。取得了以下一些重要结果：. （1）散射特性和辐射传输算法研究基础。深入分析了大气的粒子组成特征，从散射特性上对光信号的传输过程进行分析；通过对比几种解决辐射传输问题 的数值解法，显示出蒙特卡罗方法在处理此类问题上的优越性。. （2）建立偏振散射模型。紫外通信的信号具有强度和偏振两个特征，而现有基于椭球坐标系的单次散射模型和基于Monte Carlo的多次散射模型不能计算偏振特征。论文把现有的非偏振散射模型扩展为偏振散射模型，可以定量计算散射信号的偏振，并可计算收发偏振设置对散射信号的影响。. （3）理论上证明了偏振相位调制紫外光保密通信技术的可行性。利用偏振大气模型对紫外光非视线量子保密通信的可行性进行探讨，利用误码率和搜索复杂度对不同大气条件下偏振基个数的选取进行讨论，结果表明，角度是影响系统误码率的主要因素，距离其次，散射粒子半径的影响最小；在接收端能够进行偏振分离的情况下，理论上证明了偏振相位调制紫外光保密通信技术的可行性。. （4）提出偏振紫外通信的概念和系统结构，并完成验证性实验。现有的紫外通信系统只能检测散射信号的强度，其通信速率大多在几K到几十Kbps之间，远低于理论预言的通信速率。通过同时检测散射信号的强度和偏振，可以使现有系统的通信速率得到成倍的提高，此即偏振相位紫外通信。偏振紫外通信系统的发射端为配有1个时间相关偏振器的光源，接收端为配有1个时间无关检偏器阵列的探测器阵列；光源发出光子，通过起偏器而携带偏振信息，接着被大气粒子散射，然后被检偏器阵列检偏，最后根据探测器阵列上散射信号的分布特征实现偏振信息解码。初步实验证明2-偏振紫外通信的偏振信息解码是可以实现的。. 这些重要的研究结果为构建新型局域紫外保密通信系统奠定基础，也能为偏振光大气遥感探测和常规量子通信技术提供借鉴。