[发明专利]从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法

说明书

本发明公开一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法。本方法同时从大气湍流光信号衰落及其导数中提取随机比特序列，从而增加从每次信号采样中提取的随机比特数目。激光在自由空间中传输无需频率许可，而且可以支持远距离传输，这是本方法拥有的相对于现有的基于无线电信道提取共享随机比特序列的优势。另外，相对于使用量子密钥分配产生共享随机比特序列的方法，本方法无需使用昂贵的量子设备，实施成本更低。

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法。

背景技术

信息安全是当今备受人们关注的问题。在网络通信中，为了保护传送的数据，通常需要对传送的数据进行加密。在私钥加密体制中，需要使收发双方拥有相同的密钥，发送方用密钥对数据进行加密，接收方用相同的密钥对数据进行解密。如何安全地为收发双方分配密钥是一个难题。对于地球大气环境中的两个通视的激光收发端，如果能在两个激光收发端之间建立起一条互易的双向光传输信道，则可以让两个激光收发端直接从大气湍流引起的光信号衰落中提取随机比特序列。关于双向光传输信道的互易性问题，在《OpticsExpress》2018年26卷13期16422～16441页的论文中有详细叙述。双向光传输信道的互易性会使两个激光收发端同时提取的随机比特序列(称为原始共享随机比特序列)基本相同。两个激光收发端提取的随机比特序列在进行不一致比特纠错后，可以被用作两个相距一定距离的通信端同时拥有的共享随机密钥，用于对两个通信端之间的网络传输数据进行加密和解密。借用量子密钥分配后处理中使用的密钥协商、错误校验技术可以对两个通信端提取的原始共享随机比特序列进行不一致比特纠错，使得原始共享随机比特序列变为可以在实际中被使用的共享随机比特序列。从大气湍流导致的光信号衰落中提取随机比特序列需要对接收光信号进行量化，比较容易实现的方式是：判断瞬时光信号强度是否大于特定阈值，如果大于特定阈值，则提取比特1，否则提取比特0。由1995年Cambridge University Press出版的《Optical Coherence and Quantum Optics》可知，如果x(t)是一个可微的实平稳过程，则其中尖括号表示求系综平均，表示x(t)的导数。因此，x(t)与不相关。如果大气湍流导致的光信号衰落是平稳的过程，则从光信号衰落的导数中提取的随机比特序列应该和从光信号衰落中提取的随机比特序列不相关。在短时间内，大气湍流导致的光信号衰落通常可看作是近似平稳的随机过程。利用这一事实，本发明公开一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法，本方法同时从大气湍流光信号衰落及其导数中提取随机比特序列，从而增加从每次信号采样中提取的随机比特数目。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法，其同时从经大气湍流传输后的光信号的探测电信号幅值及其导数提取随机比特，提高了从每次信号采样数据中提取随机比特的数目。

本方法的技术方案是这样实现的：从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：

需要激光收发端机A和激光收发端机B，激光收发端机A和激光收发端机B相互通视。激光收发端机A包括激光器A、收发光学系统A、探测器A和计算机A。激光收发端机B包括激光器B、收发光学系统B、探测器B和计算机B。如图1所示，激光器A发出的激光信号A001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号A001到达收发光学系统B后再入射到探测器B上；激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；计算机A实时采集探测器A输出的电信号，计算机B实时采集探测器B输出的电信号。

1)本方法的第一部分使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：

使激光器A和激光器B正常工作，使探测器A和探测器B正常工作，使计算机A和计算机B正常工作，使收发光学系统A和收发光学系统B相互对准并正常工作。

2)本方法的第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：