【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及量子通信，具體為一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法。
技術介紹
1、在現代通信領域，量子通信以其超高的安全性備受關注，成為通信技術發展的重要方向。量子通信的核心在于量子態的傳輸，而光束作為量子態的載體，其完整性和穩定性對量子通信的質量和可靠性起著決定性作用，在量子通信過程中，光束需要在大氣環境中傳播，然而，大氣并非均勻穩定的介質，大氣湍流等因素會導致光波波前發生扭曲，即波前畸變，這種波前畸變會使光束產生相位變化、強度起伏等問題，嚴重影響量子態的準確傳輸，進而降低量子通信的性能，自適應光學矯正系統應運而生，其旨在解決大氣湍流對光波波前的扭曲問題，其工作原理主要是先對波前扭曲情況進行檢測，然后利用可變形鏡面對波前實時矯正。
2、在現有的自適應光學系統中，常采用cpu和gpu來實現自適應算法以控制ao矯正。例如，一種基于多核cpu和gpu的自適應光學實時控制器硬件架構，利用多核cpu和gpu并行完成夏克哈特曼波前傳感器子孔徑的斜率計算、波前復原和波前控制。具體而言，以通用多核cpu和gpu為計算平臺，一個cpu核心將部分子孔徑圖像數據通過pcie總線傳輸至gpu，由gpu完成該部分子孔徑的波前計算任務，同時其余cpu核心并行完成剩余子孔徑波前計算任務。
3、但是上述方案存在諸多問題，由于cpu、gpu屬于馮·諾依曼結構，指令譯碼執行且共享內存，執行單元可執行任意指令，這使得指令流控制邏輯極為復雜，復雜的指令流控制導致控制延時難以降低，無法滿足量子通信中對光束快速矯正的需求，gpu在運行過
技術實現思路
1、本專利技術的目的就是為了彌補現有技術的不足，提供了一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，它可以通過優化硬件架構和算法流程，提高量子通信過程中光束的完整性和穩定性，降低控制延時，減少設備功耗，進而提升量子通信的整體性能。
2、本專利技術為解決上述技術問題，提供如下技術方案：一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，該方法包括以下步驟：
3、s1、系統初始化與視頻流生成：設備開機后，對集成在一塊板卡上的cpu和fpga進行初始化，fpga從光源檢測相機獲取圖像數據，進行緩存處理并生成視頻流，視頻流傳輸至cpu的linux系統，其中，fpga的初始化包括依據量子通信的精度要求配置內部緩存大小及數據傳輸格式；
4、s2、光源檢測與自適應光學矯正啟動：linux系統接收視頻流后啟動光源檢測程序，當檢測到光源時，fpga執行以下操作：
5、s201、哈特曼計算：基于哈特曼波前傳感器采集的數據，該傳感器將光束波前分割為多個子孔徑，對于每個子孔徑，通過計算光斑質心位置相對于參考位置的偏移量確定斜率，定義光斑質心在二維平面的坐標為(xc,yc)，參考位置坐標為(xr,yr)，子孔徑尺寸參數為d，則斜率sx＝(xc-xr)/d，sy＝(yc-yr)/d，在計算過程中，光斑信號微弱和噪聲干擾較大，采用自適應加權濾波算法，根據像素點與光斑中心的距離賦予不同權重進行濾波；
6、s202、質心計算：在哈特曼計算得到的光斑基礎上，對于每個子孔徑內的光斑，計算質心坐標(xc,yc)，計算方法為其中(xi,yi)為光斑內第i個像素的坐標，pi為該像素的強度值，n為光斑內像素總數，光斑形狀不規則和存在部分遮擋，采用基于深度學習的形態學優化算法通過訓練神經網絡識別光斑有效區域并優化形狀后計算質心坐標；
7、s203、控制矩陣生成與傳輸：根據哈特曼計算得到的斜率和質心計算得到的質心坐標，通過多參數擬合算法生成變形鏡和傾斜鏡的控制矩陣，定義斜率偏差量為δsx、δsy，質心坐標偏差量為δxc、δyc，控制矩陣元素mij＝f(δsx,δsy,δxc,δyc)，其中f為復雜函數關系，生成控制矩陣后通過pcie總線傳輸至linux系統和光束矯正階段，傳輸過程中采用糾錯編碼校驗算法保證數據準確性；
8、s3、光束矯正：光束矯正階段接收到控制矩陣后，對變形鏡和傾斜鏡進行控制，對于變形鏡，根據控制矩陣元素值通過高壓放大器施加電壓信號使鏡面形變，形變程度與電壓值關系依據物理模型確定，對于傾斜鏡，根據控制矩陣中的角度信息通過電機驅動系統調整傾斜角度，電機驅動系統采用智能控制算法；
9、s4、量子通信持續修復：在量子通信發送端到接收端過程中，持續重復步驟s2和步驟s3，光束能量損耗和量子態保真度出現異常，根據監測評估算法調整哈特曼計算和質心計算頻率，并對光源和光學元件進行檢查，同時依據環境適應算法動態調整自適應光學系統參數。
10、進一步地，在步驟s1中，cpu的初始化過程包括加載專門為量子通信優化的linux操作系統，該操作系統內核經過定制，具備對量子通信數據處理的高效調度能力，其調度策略基于量子態優先級和數據實時性需求進行動態分配計算資源，且在啟動時自動檢測與fpga及其他硬件設備的通信接口狀態，檢測到通信接口異常，采用接口修復算法進行自動修復，該算法通過發送特定檢測信號序列并分析反饋信號來定位故障點，具體為對反饋信號進行頻譜分析，提取特征頻率與預設故障頻率庫對比，然后根據故障類型進行針對性修復操作，同時記錄修復過程及結果信息，修復記錄存儲于特定的非易失性存儲區域，并采用循環覆蓋方式管理存儲容量。
11、更進一步地，在步驟s201、哈特曼計算中，自適應加權濾波算法具體為：定義像素點(x,y)與光斑中心(x0,y0)的距離為賦予權重w(r)＝1/(1+αrβ+γrδ)，其中α、β、γ和δ為根據量子通信環境噪聲特性確定的參數，濾波后的像素值p′(x,y)的計算公式為：
12、n(x,y)為(x,y)為中心的鄰域像素集合，且鄰域大小根據光斑尺寸和噪聲分布動態調整，此算法根據量子通信中光斑噪聲分布特點有效去除噪聲并保留光斑細節信息，同時在算法執行過程中實時監測濾波效果，濾波后光斑質心偏移量超出預設閾值，自動調整權重參數優化濾波性能。
13、更進一步地，在步驟s202、質心計算中，基于深度學習的形態學優化算法包括以下步驟：
14、構建深度學習模型，該模型以光斑圖像為輸入，輸出為優化后的光斑形狀，模型結構包含卷積層、池化層和全連接層，卷積層核函數采用針對光斑邊緣特征優化的函數形式，池化層采用自適應步長策略，全連接層采用神經元激活函數；
15、通過大量不同形狀和遮擋情況的光斑圖像進行訓練，訓練過程中采用損失函數其中si為原始光斑形狀，s′i為優化后的光斑形狀，wj為模型權重，λ和μ為正則化參數，cl為模型中間層特征圖的統計特征；
16、訓練完成后，將實際采集的光斑圖像輸入模型得到優化后的光斑形狀，再計算質心坐標，此算法適應復雜的光斑形態變化，并且在模型使用過程中不斷本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S1中，CPU的初始化過程包括加載專門為量子通信優化的Linux操作系統，該操作系統內核經過定制，具備對量子通信數據處理的高效調度能力，其調度策略基于量子態優先級和數據實時性需求進行動態分配計算資源，且在啟動時自動檢測與FPGA及其他硬件設備的通信接口狀態，檢測到通信接口異常，采用接口修復算法進行自動修復，該算法通過發送特定檢測信號序列并分析反饋信號來定位故障點，具體為對反饋信號進行頻譜分析，提取特征頻率與預設故障頻率庫對比，然后根據故障類型進行針對性修復操作，同時記錄修復過程及結果信息，修復記錄存儲于特定的非易失性存儲區域，并采用循環覆蓋方式管理存儲容量。
3.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S201、哈特曼計算中，自適應加權濾波算法具體為：定義像素點(x,y)與光斑中心(x0,y0)的距離為賦予權重w(r)＝1/(1+αrβ+γrδ
4.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S202、質心計算中，基于深度學習的形態學優化算法包括以下步驟：
5.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S203、控制矩陣生成與傳輸中，多參數擬合算法具體為：定義其中a1-an和b1-bm、pk、qk、rk、sk為根據量子通信系統光學特性和矯正需求確定的參數，通過大量實驗數據和模擬計算進行優化，該算法綜合考慮斜率和質心坐標偏差量的多種組合關系，生成更精準的控制矩陣，同時在算法中引入自適應參數調整機制，根據量子通信過程中光束質量的實時監測結果動態調整部分參數適應不同的大氣擾動情況。
6.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S203、控制矩陣生成與傳輸中，糾錯編碼校驗算法包括：對控制矩陣進行分組編碼，每組數據添加校驗位，校驗位的值根據數據位和編碼規則生成，定義數據位為Di，校驗位為Pj，Pj＝g(D1,D2,…,Dn)，其中g為函數關系，在接收端根據接收到的數據重新計算校驗位并與傳輸的校驗位對比，不一致采用錯誤定位與糾正算法，該算法通過分析校驗位差異和數據位之間的邏輯關系確定錯誤位置并進行糾正，具體為構建錯誤位置判別矩陣，根據校驗位對比結果計算矩陣元素值，進而確定錯誤位置，并且在傳輸過程中對數據進行加密處理，加密算法采用基于量子密鑰分發的加密方式。
7.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S3、光束矯正的變形鏡控制中，物理模型為：定義控制矩陣元素值為Mij，高壓放大器輸出電壓為Vout，變形鏡鏡面形變位移為d，其中k1-k13為根據變形鏡材料特性和光學性能確定的參數，通過實驗測量和理論計算得到，此模型精確描述控制矩陣元素值與變形鏡鏡面形變的關系，并且在變形鏡工作過程中實時監測鏡面形變情況，根據反饋信息對物理模型參數進行微調。
8.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S3、光束矯正的傾斜鏡控制中，智能控制算法包括：電機驅動系統根據控制矩陣中的角度信息計算電機轉動步數，定義傾斜鏡目標角度為θ，電機轉動步數為N，N＝h(θ)，其中h為分段函數關系，根據不同的角度范圍采用不同的計算系數，在電機轉動過程中，實時監測電機實際轉動角度，與目標角度偏差超過預設閾值，采用動態調整策略，根據偏差大小和方向調整電機驅動電壓和脈沖頻率，調整方式為采用模糊邏輯控制算法，根據偏差和偏差變化率確定電壓和頻率調整量，同時對電機運行狀態進行實時監測，包括溫度、電流參數，檢測到異常則及時調整電機驅動參數和發出警報。
9.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟S4、量子通信持續修復的異常處理中，監測評估算法為：定義光束能量損耗率為η，量子態保真度為F，計算評估值其中α、β、γ和δ為根據量子通信系統特性確定的參數，根據評估值大小判斷是否需要調整哈特曼計算...
【技術特征摘要】
1.一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟s1中，cpu的初始化過程包括加載專門為量子通信優化的linux操作系統，該操作系統內核經過定制，具備對量子通信數據處理的高效調度能力，其調度策略基于量子態優先級和數據實時性需求進行動態分配計算資源，且在啟動時自動檢測與fpga及其他硬件設備的通信接口狀態，檢測到通信接口異常，采用接口修復算法進行自動修復，該算法通過發送特定檢測信號序列并分析反饋信號來定位故障點，具體為對反饋信號進行頻譜分析，提取特征頻率與預設故障頻率庫對比，然后根據故障類型進行針對性修復操作，同時記錄修復過程及結果信息，修復記錄存儲于特定的非易失性存儲區域，并采用循環覆蓋方式管理存儲容量。
3.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟s201、哈特曼計算中，自適應加權濾波算法具體為：定義像素點(x,y)與光斑中心(x0,y0)的距離為賦予權重w(r)＝1/(1+αrβ+γrδ)，其中α、β、γ和δ為根據量子通信環境噪聲特性確定的參數，濾波后的像素值p′(x,y)的計算公式為：為(x,y)為中心的鄰域像素集合，且鄰域大小根據光斑尺寸和噪聲分布動態調整，此算法根據量子通信中光斑噪聲分布特點有效去除噪聲并保留光斑細節信息，同時在算法執行過程中實時監測濾波效果，濾波后光斑質心偏移量超出預設閾值，自動調整權重參數優化濾波性能。
4.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟s202、質心計算中，基于深度學習的形態學優化算法包括以下步驟：
5.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟s203、控制矩陣生成與傳輸中，多參數擬合算法具體為：定義其中a1-an和b1-bm、pk、qk、rk、sk為根據量子通信系統光學特性和矯正需求確定的參數，通過大量實驗數據和模擬計算進行優化，該算法綜合考慮斜率和質心坐標偏差量的多種組合關系，生成更精準的控制矩陣，同時在算法中引入自適應參數調整機制，根據量子通信過程中光束質量的實時監測結果動態調整部分參數適應不同的大氣擾動情況。
6.根據權利要求1所述的一種用于量子通信的自適應光學遠程控制交互方法，其特征在于，在步驟s203、控制矩陣生成與...
【專利技術屬性】
技術研發人員：石磊，曹躍翔，唐杰，李佳豪，倫華志，王星宇，于惠存，魏家華，
申請(專利權)人：中國人民解放軍空軍工程大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。