基于弱相干态光源, 提出了一种相位匹配三诱骗态量子密钥分配方案, 对相关计数率和误码率进行了估计, 并采用切诺夫界的统计分析方法对该方案在有限数据长度条件下的传输性能进行了分析。仿真结果表明: 相位匹配三诱骗态量子密钥分配方案最大安全传输距离可达 521 km, 趋近于无穷诱骗态相位匹配协议的理论极限值 536 km; 随着数据长度的下降, 方案传输性能有所下降, 但是即使数据长度下降至 107, 其最大安全传输距离仍然可达 502 km。

针对空-水量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD), 综合考虑海风影响、泡沫覆盖的不规则海面、空-水信道复杂多变性和量子偏振态多重散射过程, 建立了非均匀空-水信道复合模型。据此完善了空-水QKD系统量子误码率理论模型, 并采用偏振矢量蒙特卡罗算法模拟, 详细分析了不同海洋环境下非均匀空-水信道光量子传输性能, 及空-水QKD整体传输性能。结果表明: 清澈海水条件下的非均匀空-水信道可实现水下百米量级的密钥分发, 但风速和传输距离的增大都会导致光子退偏比增大, 保真度减小, 偏振误码率增加; 同时风速和泡沫层厚度的增大也会造成空-水QKD系统量子误码率上升, 密钥生成率和传输距离下降, 且随信号波长的增加这两者也会增加, 在波长为532 nm, 信道由最佳(无风无泡沫)变至最差(暴风且泡沫层为6 cm)时, 水下传输距离由1208 m缩减至85 m, 基本能保障水下航行器百米级的安全潜深, 而采用拖拽浮标等措施又可进一步增加空-水QKD的安全距离。由此验证了泡沫覆盖不规则海面下非均匀空-水信道诱骗态QKD的可行性, 对未来空-水一体量子通信链路的实现具有参考价值。

基于光子量子特性,综合考虑泡沫粒径分布、散射系数、泡沫层厚度及入射角、风速的影响,建立了一种泡沫-不规则海面的复合模型。给出了空-水量子密钥分发(QKD)系统的误码率公式,结合蒙特卡罗算法模拟研究了各参量对光子偏振量子态、QKD误码率及传输距离的影响,分析了泡沫-不规则海面下4强度BB84空-水QKD系统的性能。研究结果表明,偏振误码率随泡沫层厚度、散射系数、光源入射角的增大而增大;风速增大导致空-水QKD系统的量子误码率增大,安全传输距离减小;随着泡沫层厚度的增大,空-水QKD系统的密钥生成率和安全传输距离减小。当泡沫层厚度增至6 cm并考虑最大偏振误码率时,最大安全距离由144 m降至101.3 m,但仍满足水下航行器100 m的安全潜深要求。

海面泡沫信道对量子通信中光子的偏振散射提高了偏振误码率。采用波分复用的偏振补偿方案对其进行补偿。在验证波分复用偏振补偿方案可行性的基础上,针对海面泡沫信道中波长间隔带来的偏振误差问题,提出了单参考光误差校准偏振补偿改进方案和双参考光偏振补偿改进方案。分别仿真了不同波长间隔下补偿后信号光的偏向角分布。结果显示,两种方案均可以有效地消除波长间隔带来的影响误差,其中双参考光偏振补偿方案性能更优,补偿效果更明显,但多参考光对实验设备提出更多的要求;波长间隔取值越小,补偿后信号光的偏向角越小,对应的偏振误码率越低。

采用空心分层粒子模型, 并基于Mie散射理论分析了海面泡沫的各项相关参量对光子的偏振散射作用; 对量子误码率和光子偏振保真度公式进行了推导, 运用蒙特卡罗法模拟了光子穿越泡沫层的整个过程。讨论了量子误码率与泡沫散射系数、泡沫吸收系数、泡沫层厚度以及泡沫粒子尺度参数等参量的关系。结果表明：泡沫散射系数和泡沫层厚度的增大都会增加光子的散射次数, 从而加剧光子的退偏程度, 降低光子偏振保真度。当泡沫散射系数超过0.5 cm-1、泡沫层厚度超过6 cm时, 泡沫引起的量子误码率可达6.5%; 泡沫吸收增大了传输损耗, 降低了量子密钥生成率; 在泡沫尺度参数的经典取值范围内, 量子误码率会随着尺度参数的增大而减小。

提出了在海缆中嵌入光纤光栅水听器监测海缆附近的拖锚情况, 实现在海缆受损前采取措施的安全预警方法; 分析了声源特性, 并基于台湾海峡建立声场模型, 对TL(声传播损失)进行了仿真。仿真结果表明, 当各水听器间的距离为500 m时, 该方法可以确定海底光缆沿线约1 km范围内声源的位置。

为了进一步改进海底光缆磁探测技术, 研究了海底光缆和船锚的主要结构, 建立了船锚钩挂海底光缆的数学模型, 并利用MATLAB软件仿真了钩挂点周围的磁场特性, 计算出不同探测距离上的最大磁感应强度, 为提高海底光缆探测效率提供理论依据。

归纳了一种通用的水下节点光通信模型，引入节点存活率作为海底观测网的可靠性指标，针对水下多分支节点较多导致的可靠性降低和铺设施工难度增加等缺点，将NEPTUNE优化为只包含两个多分支节点的交叉环拓扑。对上述两种网络的可靠性进行了仿真，结果表明，交叉环拓扑与NEPTUNE相比具有相近的可靠性，但多分支节点数量更少，便于海底观测网的供电和铺设。

海底光缆故障定位主要采用电场法和磁场法，文章根据传输理论，分别推导了这两种方法下信号在海缆导体中的衰减公式，分析了其衰减特性。数值仿真表明：当故障点与岸端距离达1 000 km时，在某型号海缆中，使用磁场法探测，衰减超过95%；而使用电场法探测，则不到8%，在抗衰减方面，电场法要远远优于磁场法。

结合预报单光子源的量子密钥分配系统模型, 介绍了三种典型的 BB84 诱惑态方案:主动诱惑态方案, 被动诱惑态方案以及主动和被动诱惑态相结合的方案。结合数值仿真深入分析了三种方案 在性能、实现难度等方面的优缺点。结论表明被动诱惑态思想可以进一步提高 BB84 诱惑态方案的密钥生成 效率; BB84 被动诱惑态方案(AYKI方案)由于无需主动制备诱惑态, 所以实现最为简单, 密钥分配速度快, 且方案性能趋近于无穷诱惑态的理论极限值;主动和被动诱惑态相结合的方案性能虽然稍 优于AYKI方案, 但是改善空间很小。