【摘 要】
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激光混沌系统由于可以输出动力学行为复杂,不可预测,类噪声的高维混沌信号,是安全通信领域的研究热点。激光混沌系统主要分为基于激光器内部非线性效应的全光混沌系统与基于外部非线性反馈环路的电光反馈激光混沌系统。电光反馈激光混沌系统由于鲁棒性强,输出信号带宽宽,有较大的实用性。但是,电光反馈激光混沌通信系统存在安全问题,电光反馈激光混沌系统的动力学方程为延时微分方程,系统会在反馈回路延时的位置处表现出相当
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激光混沌系统由于可以输出动力学行为复杂,不可预测,类噪声的高维混沌信号,是安全通信领域的研究热点。激光混沌系统主要分为基于激光器内部非线性效应的全光混沌系统与基于外部非线性反馈环路的电光反馈激光混沌系统。电光反馈激光混沌系统由于鲁棒性强,输出信号带宽宽,有较大的实用性。但是,电光反馈激光混沌通信系统存在安全问题,电光反馈激光混沌系统的动力学方程为延时微分方程,系统会在反馈回路延时的位置处表现出相当高的统计相关性,窃听者通过统计分析即可轻易窃取系统的时延参量,而时延参量是电光反馈混沌系统最重要的密钥,窃听者获取时延参量后便可以通过人工智能等手段破解整个系统。本论文针对电光反馈激光混沌通信系统的安全性增强展开研究,从两个角度仿真设计了两个创新性的时延隐藏电光混沌系统:(1)复反馈耦合型激光混沌系统。在经典电光混沌系统中引入一路噪声信号,分析得出当电光混沌系统引入噪声信号时系统在反馈时延处的统计相关性会明显下降。根据混沌信号的类噪声特性,用可同步的混沌信号代替原本的噪声信号,创新性的提出复反馈理论,并在复反馈理论和互耦合电光混沌系统的基础上设计了复反馈耦合型激光混沌源。通过对分岔图、排列熵等参量分析,得出由于引入了复反馈回路,系统的非线性动力学行为变得更加复杂。以自相关函数,延迟互信息作为指标对系统的统计特性进行分析,得出在较低反馈增益系数的条件下,系统的时延参量就无法通过统计特性分析进行窃取,系统的安全性得到了保证。从同步质量的角度评估混沌通信系统性能,分析得出系统同步质量对于时延参量的失配十分敏感,对于反馈增益系数等其他参量失配较为鲁棒,系统的时延参量适合作为密钥参量。(2)并串转换式电光混沌系统。电光混沌系统的复杂程度以及时间统计特性完全是由反馈回路中马赫-曾德尔调制器的驱动电压决定的。从马赫-曾德尔调制器的驱动电压入手,参考相关文献,针对相关类型系统隐藏时延参量所需反馈增益系数过高、系统时延参量会在多路传输信号的互相关函数中暴露等问题设计了并串转换式电光混沌系统。该系统的动态行为特性与传统电光混沌系统类似,通过仿真不同反馈增益系数条件下系统的时序波形图直观地展现出系统从稳定状态逐渐进入混沌的过程。当反馈增益系数较低时系统时序波形具有明显的周期性,增加反馈增益系数,系统的时序周期性会渐渐消失,最终进入混沌状态。以排列熵为指标分析了系统的复杂程度,由于系统引入了并串转换式结构,系统的复杂程度得到了很大的提升。通过分析自相关函数,延迟互信息得出,在较低反馈增益系数条件下,系统的时延参量就无法通过统计分析手段获取,系统的安全性得到了保证。基于并串转换式电光混沌系统设计了混沌同步通信系统,分析了同步质量对于收发端参量失配的敏感程度。因为系统对于时延参量失配十分敏感,所以时延参量适合作为系统的密钥参量。由于引入了更多的可调谐时延参量,系统的密钥空间得到了极大的拓宽。综上所述,本论文针对传统电光反馈激光混沌通信系统存在的安全性问题设计了两种时延隐藏电光混沌系统,并对两系统的动态行为特性,复杂性,安全性,同步性能进行了深入的分析,相关成果也得到了同行评审的认可。本论文是作者在电光反馈激光混沌通信系统安全性增强方向上做的进一步探索与创新,希望能够为激光混沌通信的发展做出贡献。
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