[发明专利]一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法

权利要求书

1.一种用于星地下行链路的纠缠光子对传输率估计方法，其特征在于，将大气湍流及地面站接收系统的影响计入下行链路的传输率中，两个地面站分别采用三组测量基和两组测量基进行接收计数；该方法的具体步骤包括如下：

(1)大气信道传输纠缠光子对：

卫星将其纠缠光量子源产生的偏振纠缠光子对中的两个光子，分别发往地面站A和地面站B；

(2)测量星地距离：

(2a)利用北斗系统时钟同步法或主从同步法，对卫星与地面站进行时钟同步；

(2b)卫星的信标激光器分别向地面站A和地面站B发射信标光脉冲；

(2c)地面站A和地面站B各自的信标光接收系统分别接收信标光脉冲；

(2d)利用星地距离公式，分别计算卫星与地面站A或者地面站B的星地距离；

(3)估计湍流作用下的光子传输率：

(3a)利用光束扩展因子计算公式，计算发往地面站A和地面站B的光子在大气信道传输过程中的光束扩展因子；

(3b)利用高斯光束强度公式，计算无湍流作用下的高斯光束强度；

(3c)利用下式，计算湍流作用下的高斯光束强度：

其中， 表示取均值操作，I^w(·)表示湍流作用下的高斯光束强度，表示接收端望远镜孔径中极坐标点的极径矢量，L_s表示斜程湍流大气的厚度，W₀表示发射望远镜处的高斯光束束腰半径，W_r0表示无湍流时高斯光束到达接收望远镜时的束腰半径，G_d表示发往地面站A和地面站B的光子在大气信道传输过程中的光束扩展因子，exp表示以自然常数e为底的指数操作；

(3d)利用下式，计算湍流部分单光子的传输率：

其中，η_b表示湍流部分单光子的传输率，Iⁿ(·)表示无湍流作用下的高斯光束强度，L表示卫星与地面站A或地面站B的星地距离；

(4)估计单光子下行链路的传输率：

(4a)利用下式，计算大气湍流及地面站接收系统影响参数：

T_w＝η_t·G_t·η_b·G_r·η_r

其中，T_w表示大气湍流及地面站接收系统影响参数，·表示乘积操作，η_t表示发射光学系统的传输效率，G_t表示发射光学系统的发射增益，η_b表示湍流部分单光子的传输率，G_r表示接收光学系统的增益，η_r表示接收光学系统的传输效率；

(4b)利用下式，计算单光子下行链路的传输率：

T＝T_w·η_α·L_t·L_f

其中，T表示单光子下行链路的传输率，η_α表示大气吸收及散射导致的衰减，L_t表示由跟踪误差引起的衰减，L_f表示自由空间的距离损耗；

(5)估计纠缠光子对传输率：

(5a)地面站A采用三组正交测量基，地面站B采用两组正交测量基，分别对各自接收到的光子进行计数；

(5b)利用下式，计算地面站A和地面站B接收的光子同时被地面站A和地面站B计数的概率：

Y_n＝{[1-(1-η_D·T_A)ⁿ](1-P_d)⁵+6(1-η_D·T_A)ⁿP_d(1-P_d)⁵}×{[1-(1-η_D·T_B)ⁿ](1-P_d)³+4(1-η_D·T_B)ⁿP_d(1-P_d)³}

其中，Y_n表示地面站A和地面站B接收的光子同时被地面站A和地面站B计数的概率，n表示卫星发端纠缠光脉冲中的光子总数，η_D表示地面站A和地面站B的探测器的效率参数，T_A表示地面站A的单光子星地链路传输率，T_B表示地面站B的单光子星地链路传输率，P_d表示探测器的暗计数概率；

(5c)利用发端脉冲光子分布公式，计算发端脉冲中光子数的分布概率值；

(5d)利用下式，计算纠缠光子对在星地下行链路中的传输率：

其中，Q_μ表示纠缠光子对在星地下行链路中的传输率，P_n表示发端脉冲中光子数的分布概率值，∑表示求和操作。