量子通信是量子論和經(jīng)典信息論相結(jié)合后,所發(fā)展出的新型交叉學(xué)科。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于量子獨(dú)有的天賦特征,量子通信具有其他通信體系所無(wú)可比擬的安全性。而全球量子通信的廣域網(wǎng)建設(shè)必將成為不遠(yuǎn)將來(lái)量子通信研究范疇的重點(diǎn)。而量子衛(wèi)星通信具有安全保密、系統(tǒng)容量大等亮點(diǎn),對(duì)于軍事、金融等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值,是構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)的重要組成部分,已成為本領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。2016年8月16日1時(shí)40分,中國(guó)發(fā)射了“墨子號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,此次量子衛(wèi)星的成功發(fā)射,也標(biāo)志著中國(guó)對(duì)量子通信研究與發(fā)展的支持與重視。隨后,中國(guó)科學(xué)院的研究人員將借助量子衛(wèi)星平臺(tái),進(jìn)行一系列驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),以期突破量子通信在各個(gè)方面的技術(shù)障礙。基于量子衛(wèi)星通信的星地量子鏈路,是建立全球量子通信廣域網(wǎng)絡(luò)所不可或缺的重要組成部分。然而,現(xiàn)階段在大氣帶電粒子所引起的各種極端天氣條件下,對(duì)星地量子鏈路通信性能影響方面的研究很少,為此本文結(jié)合量子衛(wèi)星通信基本理論,分析了大氣帶電粒子對(duì)星地量子鏈路光量子信號(hào)傳輸?shù)乃p模型,側(cè)重于研究,光量子信號(hào)與帶電粒子所引起的各極端自然環(huán)境,相互影響的關(guān)系,詳細(xì)地研究了雷暴云、帶電沙塵暴等惡劣天氣對(duì)星地量子鏈路通信性能的影響,為以后量子衛(wèi)星通信的更深層次的研究奠定了理論參考依據(jù)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要分為:一、根據(jù)雷暴云中大氣帶電粒子的消光截面與數(shù)目濃度分布函數(shù),得到了大氣帶電粒子濃度、電荷密度與星地量子鏈路衰減系數(shù)的關(guān)系并進(jìn)行了參數(shù)仿真。針對(duì)退極化信道和振幅阻尼信道,構(gòu)建了大氣帶電粒子濃度、電荷密度與星地量子鏈路信道容量之間的函數(shù)關(guān)系并進(jìn)行了仿真分析。針對(duì)退極化信道,構(gòu)建了大氣帶電粒子濃度、電荷密度與星地量子鏈路信道平均保真度、信道生存函數(shù)之間的關(guān)系并進(jìn)行了參數(shù)仿真和數(shù)據(jù)分析。二、根據(jù)非球形大氣帶電粒子的消光截面,并結(jié)合譜分布函數(shù),得到了橢球形、切比雪夫大氣帶電粒子等效半徑、粒子濃度與星地量子鏈路衰減系數(shù)的關(guān)系。建立了橢球形、切比雪夫大氣帶電粒子等效半徑、電荷密度及傳輸擴(kuò)散時(shí)間與星地量子鏈路糾纏度之間的關(guān)系。剖析了大氣能見(jiàn)度與星地量子鏈路通信保真度之間的定量關(guān)系。并在章節(jié)末尾處,首次把本文數(shù)據(jù)與前人研究成果進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比分析。三、為了研究帶電沙塵粒子本身物理特性與星地量子鏈路光子能量、密鑰分發(fā)和信道建立速率之間的關(guān)系。按照帶電沙塵粒子的譜分布函數(shù)與前向散射振幅,提出了帶電沙塵暴對(duì)光量子信號(hào)的消光衰減表達(dá)式。在其中,首次將帶電粒子的荷質(zhì)比這一表征粒子帶電性的參量,考慮進(jìn)運(yùn)算。同時(shí),還對(duì)全文進(jìn)行了概括總結(jié),并展望了量子衛(wèi)星通信未來(lái)的發(fā)展,將多個(gè)量子衛(wèi)星的星間切換考慮其中,最終實(shí)現(xiàn)全球廣域量子網(wǎng)絡(luò)。
【學(xué)位單位】：西安郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O413;TN91
【部分圖文】：

信號(hào)在地衛(wèi)之間進(jìn)行傳輸時(shí)，不可避免地會(huì)穿過(guò)雷暴云光效應(yīng)，嚴(yán)重影響星地量子鏈路通信系統(tǒng)的通信性能。雷暴云中大氣帶電粒子的粒子濃度、電荷密度與信道容間的函數(shù)關(guān)系。并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為雷暴云背景運(yùn)行提供參照依據(jù)。粒子模型氣帶電粒子主要有沙塵、云霧和雨滴等幾種，沙塵的形規(guī)則，通常在理論分析時(shí)，都作簡(jiǎn)化，較多的是簡(jiǎn)化為示，考慮一個(gè)均勻、各向同性且無(wú)磁性的球形粒子[23]，云中存在一定的靜電場(chǎng)，設(shè)這一電場(chǎng)沿豎直方向，用 E R，介電常數(shù)為1 ，相對(duì)介電常數(shù)為r ，由于粒子間的荷密度為1 ，電荷分布角為0 。電場(chǎng) Ee作用下，考慮頻率為 f 的光量子信號(hào)沿 z 軸方向，粒子內(nèi)外電勢(shì)滿足拉普拉斯方程2 0。

4 6 2 *21 r r0 0 2 020 0 0 1 π 1 4π33 sin2 6 3 k R RkEE E 量子鏈路衰減的影響輸如圖 3.2 所示。

雷爆云的米氏散射的消光系數(shù)為 ext0A N R R Q m, x dR R~R+dR 范圍內(nèi)大氣帶電粒子的消光截面，Q m, 212, 2 1 Ren nnQ m x n a bx 電粒子平均復(fù)折射率，na ，nb 是米氏系數(shù)，x 為2πRx d 中的雷暴云環(huán)境中，隨機(jī)分布著介電性質(zhì)相同，初始振幅為0I 的量子態(tài)垂直入射，入射面為 xz z 為 0 和 d。，光量子態(tài)在雷暴云環(huán)境中經(jīng)過(guò)粒子的散射與吸減。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2837680