本文關(guān)鍵詞：自由空間量子密鑰分配中運動平臺姿態(tài)跟蹤關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 量子密鑰分配 運動平臺 偏振基矢 符號法控制 形態(tài)學(xué)濾波

【摘要】：21世紀(jì)以來,量子通信技術(shù)隨著光電子技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代通信理論的發(fā)展逐漸成為改變?nèi)祟惪茖W(xué)認(rèn)知的一門新興科學(xué),是解決當(dāng)前通信技術(shù)手段難以保障信息絕對安全的一種通信方案。量子秘鑰分配技術(shù)作為量子通信技術(shù)實用化的一個關(guān)鍵領(lǐng)域,正在受到人們越來越多的重視。本論文以自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)中運動平臺姿態(tài)測量及穩(wěn)定跟蹤為研究對象,重點研究了在運動環(huán)境下量子密鑰分配過程中偏振基矢的空間傳遞過程,分析了偏振基矢的獲取方法。以正交偏振信標(biāo)光作為運動平臺姿態(tài)和偏振基矢改變的測量載體,通過使用二維光電位置傳感器對信標(biāo)光攜帶的三維姿態(tài)進行測量,從而獲得運動平臺的俯仰、方位和滾轉(zhuǎn)的角度信息,同步實現(xiàn)運動目標(biāo)跟蹤和偏振基矢測量的目的。針對二維光電位置傳感器的三維姿態(tài)測量原理,進行了深入的理論分析和仿真,建立了單器件三維姿態(tài)測量的數(shù)學(xué)模型。通過位置測量實驗、偏振測量實驗和三維姿態(tài)測量實驗,驗證了單器件三維姿態(tài)測量方案的可行性。同時,在青海湖和普陀山對不同的運動平臺進行了自由空間量子密鑰分配試驗,對運動平臺進行了測試,分析了車載運動平臺、熱氣球運動平臺和機載運動平臺的運動特點,針對量子密鑰分配中原有的ATP系統(tǒng)在運動平臺上跟蹤帶寬不足、目標(biāo)捕獲時間過長的問題,在原有二級穩(wěn)瞄系統(tǒng)中增加了初級跟蹤環(huán)節(jié),提高了系統(tǒng)的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)效率和穩(wěn)定性。在跟蹤策略上,引入符號法控制,根據(jù)不同的符號向量產(chǎn)生不同的控制策略,實現(xiàn)穩(wěn)定、自適應(yīng)的目標(biāo)跟蹤控制過程,改善了原有PID控制方法試探性修改控制參數(shù)的弊端。在信號處理上,利用形態(tài)學(xué)濾波的方法設(shè)計了一種交替混合型形態(tài)學(xué)濾波器,實現(xiàn)了信號的快速、穩(wěn)定的濾波輸出。本論文基于中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目支持,重點從工程技術(shù)的角度對自由空間量子密鑰分配系統(tǒng)中運動平臺的姿態(tài)測量和跟蹤方法進行分析和研究,對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行論證和推導(dǎo),對運動目標(biāo)的三維姿態(tài)獲取進行試驗和仿真,推動了運動平臺量子密鑰分配技術(shù)的工程化發(fā)展。整個論文的創(chuàng)新點主要包括:1)在深入分析偏振光傳遞機理的基礎(chǔ)上,對二維光電位置傳感器的橫向光電效應(yīng)在三維姿態(tài)測量中的應(yīng)用進行理論推導(dǎo)和模型仿真,提出一種基于二維光電位置傳感器實現(xiàn)三維姿態(tài)測量的分振幅測量方法,實現(xiàn)了方位、俯仰和偏振基矢角的同步測量(方位、俯仰角度測量范圍±15°、分辨率0.005°;偏振基矢角度測量范圍0~90°,最優(yōu)分辨率0.1°)。2)通過建立符號向量,提出一種基于符號法的跟蹤控制策略,改進了常規(guī)PID控制中控制系統(tǒng)參數(shù)需要試探性修改的弊端,提高了跟蹤控制過程的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性,在大負(fù)載條件下實現(xiàn)初跟蹤±0.1°的跟蹤精度;3)基于形態(tài)學(xué)的信號濾波方法,通過選取多類型的結(jié)構(gòu)元素,建立一種交替混合型形態(tài)學(xué)濾波器,在滿足試驗精度的前提下實現(xiàn)了信號的快速穩(wěn)定輸出過程;4)通過對車載運動平臺、熱氣球浮空運動平臺和機載運動平臺運動特征進行分析,獲得不同運動平臺的運動參數(shù)和頻譜構(gòu)成,優(yōu)化了ATP跟蹤系統(tǒng)的控制參數(shù),較好地完成了自由空間量子密鑰分配中的試驗工作。
【關(guān)鍵詞】：量子密鑰分配 運動平臺 偏振基矢 符號法控制 形態(tài)學(xué)濾波
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O413;TN918.4
【目錄】：

• 致謝4-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 緒論13-29
• 1.1 課題背景13-15
• 1.2 量子密鑰分配技術(shù)及編碼協(xié)議15-22
• 1.2.1 量子密鑰分配技術(shù)15-20
• 1.2.2 量子密鑰編碼協(xié)議20-22
• 1.3 國內(nèi)外自由空間運動平臺光量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀22-27
• 1.4 論文的研究內(nèi)容及意義27-28
• 1.5 小結(jié)28-29
• 2 量子密鑰分配中的偏振基矢29-65
• 2.1 量子密鑰分配中的光路系統(tǒng)29-36
• 2.1.1 量子密鑰分配光路29-33
• 2.1.2 偏振基矢檢測信標(biāo)光路33-36
• 2.2 偏振光的空間姿態(tài)傳遞36-51
• 2.2.1 偏振光的姿態(tài)傳遞過程36-38
• 2.2.2 偏振光的鍍膜界面分析38-42
• 2.2.3 偏振光的方位角變化42-46
• 2.2.4 透鏡對偏振光的影響46-47
• 2.2.5 大氣對偏振光的影響47-51
• 2.3 偏振基矢角的檢測51-60
• 2.3.1 Malus定律的橢偏光應(yīng)用51-52
• 2.3.2 偏振角度的檢測方法52-55
• 2.3.3 正交信標(biāo)光的姿態(tài)檢測55-60
• 2.4 偏振基矢角的偏差對量子密鑰分配中誤碼率的影響60-63
• 2.5 小結(jié)63-65
• 3 運動平臺方位-俯仰-滾轉(zhuǎn)的三維姿態(tài)分析及傳感過程65-97
• 3.1 運動平臺的三維姿態(tài)65-73
• 3.2 三維姿態(tài)測量中的場矢量73-74
• 3.3 二維面光電探測器的功能及三維姿態(tài)測量原理74-83
• 3.4 二維PSD探測器進行三維姿態(tài)測量83-95
• 3.4.1 橫向光電效應(yīng)84-87
• 3.4.2 點光源照射下電極電流及位置計算87-92
• 3.4.3 光斑模式及電勢場分布92-95
• 3.5 小結(jié)95-97
• 4 信標(biāo)三維姿態(tài)測量及信號處理97-119
• 4.1 三維姿態(tài)測量中的傳感器及附加實驗部件97-101
• 4.1.1 二維PSD探測系統(tǒng)的性能指標(biāo)97-98
• 4.1.2 光功率和能量計98-99
• 4.1.3 附加實驗部件99-101
• 4.2 光電導(dǎo)式傳感器的噪聲及分析101-104
• 4.3 三維姿態(tài)測量及驗證104-112
• 4.3.1 位置測量實驗104-107
• 4.3.2 偏振測量實驗107-109
• 4.3.3 三維姿態(tài)解耦實驗109-112
• 4.4 基于形態(tài)學(xué)的濾波器設(shè)計112-117
• 4.4.1 形態(tài)學(xué)濾波運算112-114
• 4.4.2 交替混合型形態(tài)濾波及效果114-117
• 4.5 小結(jié)117-119
• 5 運動平臺運動特征及符號法控制策略119-147
• 5.1 信標(biāo)初指向系統(tǒng)119-128
• 5.1.1 初指向用大負(fù)載電機轉(zhuǎn)臺121-122
• 5.1.2 慣性減震平臺122-124
• 5.1.3 GPS互聯(lián)指向124-128
• 5.2 運動平臺的運動特征128-133
• 5.2.1 車載運動平臺128-129
• 5.2.2 熱氣球運動平臺129-132
• 5.2.3 機載運動平臺132-133
• 5.3 初指向系統(tǒng)中的符號法控制策略133-142
• 5.3.1 初始條件及符號法判別134-140
• 5.3.2 二分法控制參數(shù)更新140-141
• 5.3.3 超調(diào)及超前補償141-142
• 5.4 控制性能及效果142-145
• 5.5 小結(jié)145-147
• 6 運動平臺外場試驗147-159
• 6.1 車載運動平臺試驗147-150
• 6.2 熱氣球運動平臺試驗150-154
• 6.3 機載運動平臺試驗154-157
• 6.4 小結(jié)157-159
• 7 總結(jié)及展望159-161
• 參考文獻161-169
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果169-170

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3 韓e，

本文編號：727506