一种自动校准单光子探测位置的校准系统及方法与流程

1.本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种自动校准单光子探测位置的校准系统及方法。


背景技术：

2.量子密钥分发(qkd)系统中，保证稳定成码率的一个关键因素是最大效率的探测到发送端发送的光子信号，而固定的最优的光脉冲信号和门控信号的相对位置是保证探测效率稳定性的基础。在门控型探测器的量子密钥分发(qkd)系统中，为保证探测效率在探测电路中加入延时模块，并在系统运行过程中引入延时扫描方案，通过调节延时模块中的移相器调整门控信号的延时位置(或称延时值)，找到与输入光脉冲信号在同一个位置的门控信号的延时位置，固定该最佳延时位置用于成码。
3.上述系统运行过程中引入的延时扫描方案为：系统控制发送端产生延时扫描测试光，接收端通过检测门控型单光子探测器的探测计数，在周期内自动轮循控制门控信号的延时位置，使门控型单光子探测器的探测计数达到最大，然后锁定探测计数最大对应的门控信号的延时位置，至此，完成光脉冲信号和门控信号对应的最优延时位置的校准，保存最优延时位置在系统中。在实际运行过程中，由于仪器设备的不完美和传输信道损耗的存在，最优的光脉冲信号和门控信号的相对位置不会一直保持固定不变。光脉冲信号和门控信号相对位置的漂移，将会降低探测效率从而影响成码率。
4.为解决此问题，现有技术采用定时延时扫描结合异常触发延时扫描的方案校准光脉冲信号和门控信号的相对位置。其中，异常触发延时扫描为在定时时间内，光脉冲信号和门控信号相对位置漂移较大，导致系统成码率低于设定阈值或不成码时触发。但是现有技术针对最优的光脉冲信号和门控信号的相对位置漂移的处理方案存在以下缺点：
5.(1)现有方案中采用定时延时扫描结合异常触发延时扫描的方案校准光脉冲信号和门控信号的相对位置，该方案的执行需要中断成码过程，导致成码时间短，直接影响系统成码率。
6.(2)现有的校准方案，不能实时进行校准，当光脉冲信号和门控信号的相对位置发生漂移时，会导致成码率不稳定从而最终影响产生的密钥量。
7.(3)在光脉冲信号和门控信号相对位置发生漂移的过程中，不能保证各路门控信号延时位置的相对变化一致，给设备校准攻击以可乘之机。
8.已公开的中国发明专利文献《一种基于量子密钥分发的单光子探测方法》(申请号为201710402481.2，公开日期为2017年9月22日)，提供了一种基于量子密钥分发的单光子探测方法，包括用于产生信号光以及同步光的单光子发射器，产生的同步光经过发射端中央处理器生成同步时钟信号后并通过同步信号光纤传送至接收端，同步时钟信号作为接收端单光子探测器的探测基时钟对单光子信号进行探测，在同步光经过发射端中央处理器生成同步时钟信号的过程中，对同步时钟信号进行延时处理，同步时钟信号延时时长至单光子探测器可探测单光子信号为准，但是上述技术方案也存在上述缺点。
9.现有技术中无论是定时延时扫描还是异常触发延时扫描，都需要停止成码，重新执行校准过程，因此如何解决现有技术的缺点、提高成码率成为当务之急。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于如何解决现有技术中需要中断成码来进行校准而带来的成码率降低的问题。
11.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
12.一种自动校准单光子探测位置的校准系统，应用于qkd设备，包括自动校准模块、参数配置模块、状态监控模块；
13.所述的参数配置模块用于预先配置保存延时扫描细调节步进范围，在系统启动时自动加载延时扫描细调节步进范围；
14.所述的状态监控模块在自动校准过程中实时监控qkd设备的发送端和接收端的运行状态，并在特定的运行状态下触发开启或关闭自动校准流程；
15.所述的自动校准模块以系统启动后延时扫描结果的最优延时位置为参照基准、以参数配置模块设置的延时扫描细调节步进范围为边界，按照配置的时间定时对最优延时位置进行自动校准，并采用校准结果对最优延时位置进行更新。
16.本发明技术方案提出一种自动校准单光子探测位置的校准系统，通过确定在原有延时扫描的最大峰值计数对应的延时位置为最优延时位置，参数配置模块配置在最优延时位置附近的扫描时间间隔，在不中断密钥生成的情况下实时校准最优延时位置，即实时校准过程与qkd成码过程并行进行，无需现有技术中在中断密钥生成的情况下进行全范围的延时扫描，不中断系统正常工作即可完成探测位置的自动校准，解决了因延时芯片等仪器设备不完美，或传输信道损耗所造成的探测器端最优探测位置漂移的缺陷，降低了校准时间，提高了成码率的稳定性。
17.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的延时扫描细调节步进范围的配置方法为：固定光子到达时间，以一定精度步长调整门控信号延时位置进行全周期延时扫描，记录相应的计数率，得到延时扫描曲线的半高宽约为有效门宽，即为延时扫描细调节步进范围。
18.作为本发明技术方案的进一步改进，在所述的延时扫描细调节步进范围内所有探测器的延时位置，向一个方向统一进行调节。
19.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的向一个方向统一进行调节具体为：在所述的延时扫描细调节步进范围内，由小到大进行步进调节，每次调节一个延时位置。
20.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的参数配置模块还用于预先配置保存相邻两次延时扫描细调节的时间间隔，系统按照配置的相邻两次延时扫描细调节的时间间隔定时对最优延时位置进行自动校准。
21.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的相邻两次延时扫描细调节的时间间隔确定的方法为：先对系统选用的延时芯片进行测试，确定自动校准的定时触发时间，然后确定相邻两次延时扫描细调节的时间间隔。
22.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的特定的运行状态下触发开启自动校准流程具体为：系统进入成码阶段开启自动校准流程。
23.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的特定的运行状态下触发关闭自动校准
流程具体为：系统退出成码阶段关闭自动校准流程。
24.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的自动校准模块包括自动校准定时器，所述的自动校准定时器根据系统是否进入成码阶段并按照设置的时间定时对最优延时位置进行自动校准。
25.一种采用所述的自动校准单光子探测位置的校准系统的校准方法，包括以下步骤：
26.步骤1、系统全周期延时扫描后确定最优延时位置，然后进入成码阶段；
27.步骤2、当系统进入成码阶段后且当前qkd设备的接收端处于工作状态下时，启动自动校准模块，定时自动校准单光子探测位置；
28.步骤3、实时判断系统是否退出成码阶段，若系统未退出成码阶段则返回步骤2；若系统退出成码阶段或qkd设备的接收端不处于工作状态下时，则关闭自动校准模块，退出定时自动校准单光子探测位置。
29.作为本发明技术方案的进一步改进，步骤2中所述的启动自动校准模块，定时自动校准单光子探测位置包括下述步骤：
30.步骤(a)，根据上次延时扫描最优延时位置，计算在延时扫描细调节步进范围内的最小延时位置，作为当前延时位置设置到系统中；
31.步骤(b)，获取当前延时位置对应的探测器计数；
32.步骤(c)，判断当前延时位置是否超出延时扫描细调节步进范围最大值；
33.步骤(d)，若未超出延时扫描细调节步进范围的最大值，则当前延时位置加一，设置到系统中并返回至步骤(b)；
34.步骤(e)，若超出延时扫描细调节步进范围的最大值，计算本次延时位置的延时扫描细调节步进范围内各路探测器计数最大值对应的一组延时位置为最优延时位置，用于下一次延时扫描细调节的参照基准。
35.本发明的优点在于：
36.(1)本发明技术方案提出一种自动校准单光子探测位置的校准系统，通过确定在原有延时扫描的最大峰值计数对应的延时位置为最优延时位置，参数配置模块配置在最优延时位置附近的扫描时间间隔，在不中断密钥生成的情况下实时校准最优延时位置，即实时校准过程与qkd成码过程并行进行，无需现有技术中在中断密钥生成的情况下进行全范围的延时扫描，不中断系统正常工作即可完成探测位置的自动校准，解决了因延时芯片等仪器设备不完美，或传输信道损耗所造成的探测器端最优探测位置漂移的缺陷，降低了校准时间，提高了成码率的稳定性。
37.(2)延时扫描细调节设定的合理区间为有效门宽内的延时位置，不影响系统成码。
38.(3)本发明的技术方案校准周期和校准范围均通过参数配置，适用不同型号、性能的延时芯片，不受环境变化带来的延时变化率的影响。
39.(4)本发明的触发条件为系统实时运行状态，适用不同的运行环境。
40.(5)本发明的技术方案在自动校准过程中保证各路门控延时位置朝统一方向调整，保证探测效率的同时也做到了防设备校准攻击，杜绝了原有方案给系统引入的安全风险。
附图说明
41.图1是本发明实施例自动校准单光子探测位置的校准系统的结构图；
42.图2是本发明实施例自动校准单光子探测位置的校准方法的流程图；
43.图3是本发明实施例确定最优延时位置的方法流程图。
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
46.实施例一
47.如图1所示，一种自动校准单光子探测位置的校准系统，应用于qkd设备，包括参数配置模块、状态监控模块、自动校准模块。
48.参数配置模块，用于预先配置保存关键参数，在系统启动时自动加载关键参数；通过关键参数可配置化来满足不同运行环境以及不同特性的延时芯片。
49.关键参数包括“相邻两次延时扫描细调节的时间间隔”和“延时扫描细调节步进范围”两个，需预先配置保存在参数配置模块中，系统启动时自动加载关键参数。
50.1、相邻两次延时扫描细调节的时间间隔确定的方法为：先对系统选用的延时芯片进行测试，确定自动校准的定时触发时间，然后确定相邻两次延时扫描细调节的时间间隔，属于工程经验值。
51.2、延时扫描细调节步进范围确定的方法为：针对采用门控型探测器的系统，固定光子到达时间，以一定精度步长调整门控信号延时位置进行全周期延时扫描，并记录相应的计数率，得到延时扫描曲线的半高宽约为有效门宽，即为延时扫描细调节步进的合理范围。
52.在所述的延时扫描细调节步进范围内所有探测器的延时位置，向一个方向统一进行调节，由小到大进行步进调节，每次调节一个延时位置。
53.状态监控模块，在自动校准过程中保证校准的精度和有效性，实时监控qkd设备的发送端和接收端的运行状态，并在特定的运行状态下触发开启或关闭自动校准流程，特定的运行状态下触发开启或关闭自动校准流程在本实施例中指的是：系统进入成码阶段开启自动校准流程；系统退出成码阶段关闭自动校准流程。
54.自动校准模块，以系统启动后延时扫描的结果即最优延时位置为基准，参数配置模块设置的相邻两次延时扫描细调节的时间间隔为边界，采用参数配置模块设置的延时扫描细调节步进范围内的步进值，按照设置的时间定时进行自动校准流程，并采用校准结果对最优延时位置进行更新。所述的自动校准模块包括自动校准定时器，所述的自动校准定时器根据系统是否进入成码阶段并按照设置的时间定时对最优延时位置进行自动校准。
55.本实施例提供一种自动校准单光子探测位置的校准系统，在不改变现有系统硬件情况下，仅通过固件升级解决因延时芯片等仪器设备不完美，或传输信道损耗所造成的探测器端最优探测位置漂移的缺陷，降低成本，提高兼容性。此外，本方案在自动校准过程中
保证各路门控延时位置朝统一方向调整，保证探测效率的同时也做到了防设备校准攻击，杜绝了原有方案给系统引入的安全风险。
56.本实施例中校准周期和校准范围均通过参数配置，适用不同型号、性能的延时芯片，不受环境变化带来的延时变化率的影响。
57.本实施例中延时扫描细调节设定的合理区间为有效门宽内的延时位置，不影响系统成码。
58.实施例二
59.如图2所示，采用实施例一的自动校准单光子探测位置的校准系统进行自动校准单光子探测位置的校准方法，包括以下步骤：
60.步骤1、系统全周期延时扫描后确定最优延时位置，然后进入成码阶段；
61.步骤2、状态监控模块监控到当系统进入成码阶段后且当前qkd设备的接收端处于工作状态下时，启动自动校准模块，系统按照配置的相邻两次延时扫描细调节的时间间隔定时自动校准单光子探测位置；
62.步骤3、状态监控模块实时监控系统是否退出成码阶段，若系统未退出成码阶段则返回步骤2；若系统退出成码阶段或qkd设备的接收端不处于工作状态下时，则关闭自动校准模块，退出定时自动校准单光子探测位置。
63.进入步骤2后，开始延时扫描细调节过程，以步骤1延时扫描的最大峰值计数对应的延时位置为最优延时位置，由于qkd系统对应多路探测，因此，本方案描述的最优延时位置为各路探测器对应的最优延时位置组成的一组数据。参数配置模块配置好延时扫描细调节步进范围，延时扫描细调节在可调范围内由小到大，每次调节一个延时位置。
64.如图3所示，步骤2中，启动自动校准模块，定时自动校准单光子探测位置包括下述步骤：
65.步骤(a)，根据上次延时扫描最优延时位置，计算在延时扫描细调节步进范围内的最小延时位置，作为当前延时位置设置到系统中。
66.假设上次延时扫描最优延时位置为0，延时扫描细调节步进为5(step＝5)，则延时扫描细调节步进范围为[-5，5]，延时扫描细调节步进范围内的最小延时位置为：0-5＝-5，延时扫描细调节步进范围内的最大延时位置为：0+5＝5；取延时扫描细调节步进范围内的最小延时位置(-5)作为当前延时位置设置到系统中。
[0067]
步骤(b)，获取当前延时位置对应的探测器计数。
[0068]
步骤(c)，判断当前延时位置是否超出延时扫描细调节步进范围最大值。
[0069]
步骤(d)，若未超出延时扫描细调节步进范围的最大值，则当前延时位置加一，设置到系统中并返回至步骤(b)。
[0070]
步骤(e)，若超出延时扫描细调节步进范围的最大值，计算本次延时位置的延时扫描细调节步进范围内各路探测器计数最大值对应的一组延时位置为最优延时位置，用于下一次延时扫描细调节的参照基准。
[0071]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。