一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置和方法

1.本发明涉及混沌通信载波的技术领域，更具体地，涉及一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置和方法。


背景技术：

2.混沌信号由于具有遍历性、非周期、连续宽带频谱和类噪声等特性，使混沌成为信息安全领域的研究的热点问题。自从混沌同步的研究取得成功后，混沌同步的运用得到人们愈来愈多的重视，其被广泛的应用于混沌保密通信、随机数产生、密钥分发等研究领域。目前基于混沌同步的主流方案有基于混沌同步的光保密通信和基于混沌同步的密钥分发。基于混沌同步的光保密通信方案是在发射端将传输信号隐藏在混沌信号中，从而合成了类似噪声的复杂波形，在接收端利用混沌同步将混沌载波中的有用信息分离出来，实现高速信息的加密通信，该系统对参数具有极高的敏感性，具有更高的保密性能。同时，基于混沌同步的密钥分发方案被也广泛关注，其利用混沌同步信号的类随机性，通信双方可以提取出相同的高速密钥，由于混沌的初值敏感性，如果窃听者不知道混沌的初始值和激光器的结构参数，就很难构建同步的混沌信号，从而保证密钥的安全。基于混沌信号源的共同驱动混沌同步方案原理是在发射端利用一个混沌信号源对接收端两个从半导体激光器进行注入，从而产生同步混沌。由于半导体激光器通过光反馈产生混沌，产生的混沌信号存在驰豫振荡和反馈时延两个特征。驰豫振荡导致混沌激光的带宽仅为几千兆赫兹，有限的带宽限制了混沌光通信的传输速率；二时延特征暴露了半导体激光器的外腔长度，导致窃听者能够利用外腔长度这一关键结构信息重构混沌光载波。同时，传统的共同驱动混沌同步系统结构简单，主从混沌的残留相关性很大，窃听者通过截取混沌信号源对接收端进行强注入，很轻易就能获得混沌同步；并且传统系统对接收端从半导体激光器的参数不敏感，参数失配容忍度大，窃听者也能够利用这一特点进而实现混沌同步。
3.2018年2月13日公开的中国专利申请cn107689862a提供了一种多路光注入的低关联长距离光混沌同步方法及装置，包括产生混沌驱动信号、放大后同时注入多路不等距光纤链路、汇合后再经分束操作后等分成相同的两束激光、经长距离传输后同时注入两个对称的授权激光器、驱动两个授权激光器形成混沌动力学系统实现混沌同步。该发明仍存在驰豫振荡和反馈时延的缺陷，混沌同步质量不高，混沌同步系统的安全性差。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有共同驱动混沌同步系统存在驰豫振荡和反馈时延而导致通信安全性差的缺陷，提供一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置和方法，使混沌信号频谱平坦，消除时延特性，实现高质量混沌同步，提高系统的安全性。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.本发明提供了一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置，包括发射端、第一接收端、第一色散补偿器件、第二接收端和第二色散补偿器件；
7.发射端产生主混沌信号，并将主混沌信号分为第一路主混沌信号和第二路主混沌信号，发送至第一接收端和第二接收端；
8.第一接收端接收第一路主混沌信号，经第一色散补偿器件处理后，产生第一路从混沌信号；第二接收端接收第二路主混沌信号，经第二色散补偿器件处理后，产生第二路从混沌信号，与第一路从混沌信号共同实现混沌同步。
9.本发明的发射端产生主混沌信号，分成第一路主混沌信号和第二路主混沌信号后分别注入第一接收端和第二接收端，注入接收端之前，分别经过第一色散补偿器件和第二色散补偿器件进行色散补偿处理，由于色散补偿引起的非线性作用，使产生的第一路从混沌信号和第二路从混沌信号频谱平坦，无时延特征，实现高质量混沌同步。
10.优选地，所述第一色散补偿器件和第二色散补偿器件的色散值和反射谱波长均相同。
11.优选地，所述第一接收端包括第二可调光衰减器、第二偏振控制器、第一光环形器和第二激光器；
12.第二可调光衰减器的输入端注入第一路主混沌信号，第二可调光衰减器的输出端与第二偏振控制器的输入端连接，第二偏振控制器的输出端与第一光环形器的一号端口连接，第一光环形器的二号端口与第一色散补偿器件连接，第一光环形器的三号端口与第二激光器的输入端连接，第二激光器的输出端输出第一路从混沌信号；
13.第一路主混沌信号经第二可调光衰减器控制光强度，第二偏振控制器控制光偏振状态；之后第一路主混沌信号经第一光环形器输入到第一色散补偿器件中，第一色散补偿器件对第一路主混沌信号进行补偿，使第一路主混沌信号频谱平坦、无时延，再经第一光环形器传输中至第二激光器，产生第一路从混沌信号。
14.优选地，所述第二接收端包括第三可调光衰减器、第三偏振控制器、第二光环形器和第三激光器；
15.第三可调光衰减器的输入端注入第二路主混沌信号，第三可调光衰减器的输出端与第三偏振控制器的输入端连接，第三偏振控制器的输出端与第二光环形器的一号端口连接，第二光环形器的二号端口与第二色散补偿器件连接，第二光环形器的三号端口与第三激光器的输入端连接，第三激光器的输出端输出第二路从混沌信号；
16.第二路主混沌信号经第三可调光衰减器控制光强度，第三偏振控制器控制光偏振状态；之后第二路主混沌信号经第二光环形器输入到第二色散补偿器件中，第二色散补偿器件对第二路主混沌信号进行补偿，使第二路主混沌信号频谱平坦、无时延，再经第二光环形器传输中至第三激光器，产生第二路从混沌信号。
17.优选地，所述第一色散补偿器件和第二色散补偿器件具体为啁啾光纤光栅。
18.啁啾光纤光栅长度较短，附加损耗很小，非线性低，对信道分别进行色散补偿的同时实现色散斜率补偿，还可以对放大器的ase噪声有附加的滤波功能。
19.优选地，所述发射端包括第一激光器、第一光纤耦合器、光反馈单元、第一光隔离器、掺铒光纤放大器和第二光纤耦合器；
20.第一激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的第一输出端与光反馈单元的输入端连接；
21.第一光纤耦合器的第二输出端与第一光隔离器的输入端连接，第一光隔离器的输
出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与第二光纤耦合器的输入端连接，第二光纤耦合器的第一输出端输出第一路主混沌信号，第二光纤耦合器的第二输出端输出第二路主混沌信号；
22.第一激光器发出激光信号，经第一光纤耦合器分为两路；一路激光信号经光反馈单元处理后反射回第一激光器，与另一路激光信号产生主混沌信号；主混沌信号经过第一光纤耦合器输出至第一光隔离器，第一光隔离器保证驱动信仅能单方向传输，掺铒光纤放大器对驱动信的光功率进行放大，最后经第二光纤耦合器分为第一路主混沌信号和第二路主混沌信号。
23.优选地，所述光反馈单元包括第一偏振控制器、第一可调光衰减器和光纤反射镜；
24.第一光纤耦合器的第一输出端与第一偏振控制器的输入端连接，第一偏振控制器的输出端与第一可调光衰减器的输入端连接，第一可调光衰减器的输出端与光纤反射镜连接；
25.第一光纤耦合器分出的一路激光信号经第一偏振控制器控制光的偏振状态，经第一可调光衰减器控制光的强度后，被光纤反射镜反射，形成反馈光，回到第一激光器。
26.优选地，所述装置还包括第一光电探测器、第二光电探测器和示波器；
27.所述第一光电探测器的输入端与第二激光器的输出端的输出端连接，第一光电探测器的输出端与示波器的第一输入端连接；
28.所述第二光电探测器的输入端与第三激光器的输出端的输出端连接，第二光电探测器的输出端与示波器的第二输入端连接；
29.第一光电探测器将第二激光器输出的第一路从混沌信号转化为电信号，第二光电探测器将第三激光器输出的第二路从混沌信号转化为电信号，输入示波器后观察混沌同步的同步质量。
30.优选地，所述第一激光器、第二激光器和第三激光器均为半导体激光器。
31.本发明还提供了一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的方法，所述方法包括：
32.s1：产生主混沌信号，并将主混沌信号分为第一路主混沌信号和第二路主混沌信号；
33.s2：对第一路主混沌信号和第二路主混沌信号进行色散补偿处理后，产生第一路从混沌信号和第二路从混沌信号；
34.s3：第一路从混沌信号和第二路从混沌信号实现混沌同步。
35.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
36.本发明的发射端产生主混沌信号，分成第一路主混沌信号和第二路主混沌信号后分别注入第一接收端和第二接收端，接收后分别经过第一色散补偿器件和第二色散补偿器件进行色散补偿处理，由于色散补偿引起的非线性作用，产生的第一路从混沌信号和第二路从混沌信号频谱平坦，无时延特征，实现高质量混沌同步，提高了共同驱动混沌同步系统的安全性。
附图说明
37.图1为实施例1所述的一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置的结构图。
38.图2为实施例2所述的一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置的结构图。
39.图3为实施例3所述的一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置的结构图。
40.图4为实施例4所述的一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的方法的流程图。
具体实施方式
41.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
42.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
43.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
44.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
45.实施例1
46.本实施例提供一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置，如图1所示，包括发射端、第一接收端、第一色散补偿器件、第二接收端和第二色散补偿器件；
47.发射端产生主混沌信号，并将主混沌信号分为第一路主混沌信号和第二路主混沌信号，发送至第一接收端和第二接收端；
48.第一接收端接收第一路主混沌信号，经第一色散补偿器件处理后，产生第一路从混沌信号；第二接收端接收第二路主混沌信号，经第二色散补偿器件处理后，产生第二路从混沌信号，与第一路从混沌信号实现混沌同步。
49.本实施例的发射端产生主混沌信号，分成第一路主混沌信号和第二路主混沌信号后分别注入第一接收端和第二接收端，接收后分别经过第一色散补偿器件和第二色散补偿器件进行色散补偿处理，由于色散补偿引起的非线性作用，产生的第一路从混沌信号和第二路从混沌信号频谱平坦，无时延特征，实现高质量混沌同步，提高了共同驱动混沌同步系统的安全性。
50.实施例2
51.本实施例提供一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置，如图2所示，包括第一激光器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器、第一可调光衰减器、光纤反射镜、第一光隔离器、掺铒光纤放大器、第二光纤耦合器、第二可调光衰减器、第二偏振控制器、第一光环形器、第一啁啾光纤光栅、第二激光器、第三可调光衰减器、第三偏振控制器、第二光环形器、第二啁啾光纤光栅、第三激光器、第一光电探测器、第二光电探测器和示波器；
52.第一激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的第一输出端与第一偏振控制器的输入端连接，第一偏振控制器的输出端与第一可调光衰减器的输入端连接，第一可调光衰减器的输出端与光纤反射镜连接；
53.第一光纤耦合器的第二输出端与第一光隔离器的输入端连接，第一光隔离器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与第二光纤耦合器的输入端连接，第二光纤耦合器的第一输出端输出第一路主混沌信号，第二光纤耦合器的第二输出端输出第二路主混沌信号；
54.第二可调光衰减器的输入端注入第一路主混沌信号，第二可调光衰减器的输出端与第二偏振控制器的输入端连接，第二偏振控制器的输出端与第一光环形器的一号端口连接，第一光环形器的二号端口与第一啁啾光纤光栅连接，第一光环形器的三号端口与第二
激光器的输入端连接，第二激光器的输出端与第一光电探测器的输入端连接，第一光电探测器的输出端与示波器的第一输入端连接；
55.第三可调光衰减器的输入端注入第二路主混沌信号，第三可调光衰减器的输出端与第三偏振控制器的输入端连接，第三偏振控制器的输出端与第二光环形器的一号端口连接，第二光环形器的二号端口与第二啁啾光纤光栅连接，第二光环形器的三号端口与第三激光器的输入端连接，第三激光器的输出端与第二光电探测器的输入端连接，第二光电探测器的输出端与示波器的第二输入端连接；
56.本实施例中，第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅的色散值和反射谱波长均相同；第一激光器、第二激光器和第三激光器均为半导体激光器；第一路主混沌信号和第二路主混沌信号相同；
57.本实施例中，发送端包括第一激光器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器、第一可调光衰减器、光纤反射镜、第一光隔离器、掺铒光纤放大器、第二光纤耦合器；第一激光器产生的激光信号，先由第一光纤耦合器分为两路，其中一路激光信号经过第一偏振控制器控制反馈光的偏振状态，使其与第一激光器产生的激光的偏振状态相匹配，再经过第一可调衰减器控制反馈光的强度，最后经过光纤反射镜，光纤反射镜将激光反射回第一激光器，从而形成反馈光回路；另一路激光信号经过第一光隔离器，再经过掺铒光纤放大器对光功率进行放大，最后经过第二光纤耦合器分为第一路主混沌信号和第二路主混沌信号，作为驱动信号分别注入第一接收端和第二接收端；
58.第一接收端包括第二光纤耦合器、第二可调光衰减器、第二偏振控制器、第一光环形器、第二激光器；第一路主混沌信号经过第二可调光衰减器控制注入光的强度，再经过第二偏振控制器调整注入光的偏振状态，使其与从第一激光器产生的激光信号的偏振状态相匹配，随后经第一光环形器的一号端口输入，经二号端口输出到第一啁啾光纤光栅，经第一啁啾光纤光栅反射后从第一光环形器的三号端口输出至第二激光器，最后产生频谱平坦，无时延特征的第一路从混沌信号；再经过第一光电探测器转换为电信号，输入示波器中显示；
59.第二接收端包括第三可调光衰减器、第三偏振控制器、第二光环形器、第三激光器；第二路主混沌信号经过第三可调光衰减器控制注入光的强度，再经过第三偏振控制器调整注入光的偏振状态，使其与从第一激光器产生的激光信号的偏振状态相匹配，随后经第二光环形器的一号端口输入，经二号端口输出到第二啁啾光纤光栅，经第二啁啾光纤光栅反射后从第二光环形器的三号端口输出至第三激光器，最后产生频谱平坦，无时延特征的第二路从混沌信号；再经过第二光电探测器转换为电信号，输入示波器中显示。
60.对于合法用户，第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅的色散值相同时，使得从激光器(即第二激光器和第三激光器)输出的从混沌信号同步，产生一致的混沌波形；对于窃听者，由于不知道合法用户所用色散补偿器件(即第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅)的色散值，不能和另一路的从激光器达到混沌同步，增强了共同驱动混沌系统的安全性。
61.实施例3
62.本实施例提供一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置，如图3所示，仅发送端与实施例2所述的增强共同驱动混沌同步系统安全性的装置不同，其他均相同；所述发射
端包括第一超辐射半导体激光器、第二光隔离器、宽带可调光滤波器和第三光纤耦合器；
63.第一超辐射半导体激光器的输出端与第二光隔离器的输入端连接，第二光隔离器的输出端与宽带可调光滤波器的输入端连接，宽带可调光滤波器的输出端与第三光纤耦合器的输入端连接，第三光纤耦合器的第一输出端连接第一接收端，第三光纤耦合器的第二输出端连接第二接收端；
64.本实施例的发射端产生的是噪声信号，将噪声信号作为驱动信号注入第一接收端和第二接收端，也可以产生频谱平坦，无时延特征的从混沌信号，实现高质量混沌同步，提高了共同驱动混沌同步系统的安全性。
65.实施例4
66.本实施例提供了一种增强共同驱动混沌同步系统安全性的方法，如图4所示，所述方法包括：
67.s1：产生主混沌信号，并将主混沌信号分为第一路主混沌信号和第二路主混沌信号；
68.s2：对第一路主混沌信号和第二路主混沌信号进行色散补偿处理后，产生第一路从混沌信号和第二路从混沌信号；
69.s3：第一路从混沌信号和第二路从混沌信号实现混沌同步。
70.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。