一种随机数生成系统

本申请涉及信息安全的，尤其是涉及一种随机数生成系统。

背景技术：

1、随机数生成器(rng)在密码学、网络安全等领域发挥着关键作用，其安全性和可靠性对于保护敏感信息至关重要。当前主流的随机数生成方法包括伪随机数生成器(prng)和真随机数生成器(trng)；prng通过算法生成随机数，但由于算法的确定性，其生成的序列并非真正随机，存在一定的安全风险；trng基于非确定性物理过程生成真随机数，通常利用物理噪声或量子随机数产生器获取随机性来源，使其具有非周期性、不可复制性等特点；然而，现有的trng存在高延迟和高复杂性的问题，限制了其在实际应用中的推广和应用。

2、随机激光技术为trng提供了一种创新的解决方案，随机激光器(rls)采用扩散介质中光子的随机多次散射实现激光的增益，而不依赖传统的腔体结构进行光反馈；在随机介质中，聚合物光纤(pof)随机激光器由于其柔性、易操作性和小尺寸等优势，在短距离光通信、光传感器等领域得到广泛应用。

3、然而，随机激光器的激光增益是通过扩散介质中光子的随机多次散射实现的，但这种随机性可能受到一些确定性来源的影响；例如，激光的传播路径和介质中的微观结构可能受到环境条件的影响，这可能导致在一定条件下生成的随机数序列具有一定的可预测性，从而降低了随机数生成的安全性。

技术实现思路

1、为了降低随机数生成和应用的成本，提升随机数的质量和安全性，本申请提供一种随机数生成系统，采用如下的技术方案：所述系统包括泵浦光发射单元、随机激光生成单元、光谱信息生成单元和随机数生成单元；所述随机激光生成单元包括激光染料和纳米颗粒；

2、所述泵浦光发射单元用于生成泵浦光，将所述泵浦光发射至所述随机激光生成单元；

3、所述随机激光生成单元用于接收所述泵浦光，通过所述激光染料和所述纳米颗粒将所述泵浦光转化为随机激光，将所述随机激光发射至所述光谱信息生成单元；

4、所述光谱信息生成单元用于接收所述随机激光，将所述随机激光生成光谱信息，将所述光谱信息传输至所述随机数生成单元；

5、所述随机数生成单元用于接收所述光谱信息，将所述光谱信息转换为随机数。

6、在一个具体的可实施方案中，所述泵浦光发射单元包括由若干格兰镜构成的格兰镜组和第一凸透镜；

7、所述泵浦光发射单元还用于在生成泵浦光之后，使用所述格兰镜组调节所述泵浦光的能量大小和偏振方向，使所述能量大小和所述偏振方向满足预设的范围；之后使用所述第一凸透镜对所述泵浦光进行折射，将折射之后的所述泵浦光耦合发射至所述随机激光生成单元。

8、在一个具体的可实施方案中，所述光谱信息包括若干波长的强度值；所述随机数生成单元将所述光谱信息转换为随机数的步骤如下：

9、通过zca白化将所述光谱信息中若干波长所在通道的强度波动方差保持一致；

10、将所述波长的强度值转换为灰度值，将所述灰度值转换为二进制形式；

11、按照低高位或高低位顺序，将所述二进制形式的灰度值保留预设数量的有效位，将所述预设数量的有效位确认为随机数。

12、在一个具体的可实施方案中，所述随机数生成单元还用于在将所述预设数量的有效位确认为随机数之后，使用所述随机数对待加密图像进行加密获得已加密图像，具体步骤如下：

13、将若干所述随机数确定为密钥；

14、获取待加密图像和所述待加密图像中每个像素点的灰度值；

15、通过将所述每个像素点的灰度值转换为二进制形式的方式，将所述待加密图像转换为二进制图像；

16、将所述密钥排列成与所述二进制图像等大小的随机数矩阵；

17、使用所述随机数矩阵对所述二进制图像中的每个像素值执行异或运算，获得已加密图像，所述像素值为所述二进制图像中每个像素点对应的二进制形式的值。

18、在一个具体的可实施方案中，所述随机数生成单元还用于在获得已加密图像之后，使用所述随机数矩阵对加密后的所述待加密图像执行异或运算，获得已解密图像，所述已解密图像与所述待加密图像一致。

19、在一个具体的可实施方案中，所述系统还包括滤波单元；

20、所述滤波单元用于在所述随机激光生成单元将所述随机激光发射至所述光谱信息生成单元时，对所述随机激光生成单元发射至所述光谱信息生成单元的随机激光进行过滤。

21、在一个具体的可实施方案中，所述随机激光生成单元还包括第二凸透镜；

22、所述随机激光生成单元还用于在将所述随机激光发射至所述光谱信息生成单元时，使用所述第二凸透镜对所述随机激光进行折射，将折射之后的所述随机激光聚焦发射至所述光谱信息生成单元。

23、在一个具体的可实施方案中，所述泵浦光发射单元为输出波长为530～550nm，脉冲持续时间5～8ns的纳秒脉冲激光器。

24、在一个具体的可实施方案中，所述随机激光生成单元为圆柱形聚合物光纤随机激光器，所述圆柱形聚合物光纤随机激光器通过调节所述泵浦光的能量产生光谱半高宽5～10nm的短脉冲随机激光。

25、在一个具体的可实施方案中，所述光谱信息生成单元为分辨率为0.3～0.6nm，积分时间90～120ms的微型光谱仪。

26、综上所述，本申请具有以下有益技术效果：

27、通过采用激光染料和纳米颗粒，系统实现了随机激光的生成，这种方法相对于传统的光纤随机激光器和混沌半导体激光器，可以提供更高的随机性和复杂性，从而增强了随机数生成的安全性和质量；泵浦光发射单元采用了由格兰镜组和第一凸透镜构成的组件，通过调节泵浦光的能量大小和偏振方向，使其满足预设的范围。这种精确的调节功能有助于优化泵浦光的特性，提高系统的稳定性和性能；随机数生成单元通过多步骤的处理过程，包括zca白化、灰度值和二进制形式的转换，以及有效位的选择，提高了生成随机数的复杂性和质量。这种多步骤过程有助于确保生成的随机数具有更高的随机性和安全性；系统具备对图像进行加密和解密的功能，利用随机数作为密钥，通过异或运算对待加密图像和已加密图像进行处理，增加了系统的实用性；系统引入了滤波单元和第二凸透镜，通过对随机激光的过滤和折射，有助于优化随机激光的特性，增强系统对光信号的控制和处理能力；采用分辨率为0.3～0.6nm，积分时间90～120ms的微型光谱仪，提高了光谱信息的获取精度和速度，从而增强了随机数生成的效率。

技术特征：

1.一种随机数生成系统，其特征在于，所述系统包括泵浦光发射单元、随机激光生成单元、光谱信息生成单元和随机数生成单元；所述随机激光生成单元包括激光染料和纳米颗粒；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦光发射单元包括由若干格兰镜构成的格兰镜组和第一凸透镜；

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光谱信息包括若干波长的强度值；所述随机数生成单元将所述光谱信息转换为随机数的步骤如下：

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述随机数生成单元还用于在将所述预设数量的有效位确认为随机数之后，使用所述随机数对待加密图像进行加密获得已加密图像，具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述随机数生成单元还用于在获得已加密图像之后，使用所述随机数矩阵对加密后的所述待加密图像执行异或运算，获得已解密图像，所述已解密图像与所述待加密图像一致。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括滤波单元；

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述随机激光生成单元还包括第二凸透镜；

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦光发射单元为输出波长为530～550nm，脉冲持续时间5～8ns的纳秒脉冲激光器。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述随机激光生成单元为圆柱形聚合物光纤随机激光器，所述圆柱形聚合物光纤随机激光器通过调节所述泵浦光的能量产生光谱半高宽5～10nm的短脉冲随机激光。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光谱信息生成单元为分辨率为0.3～0.6nm，积分时间90～120ms的微型光谱仪。

技术总结
本申请涉及一种随机数生成系统，应用在信息安全领域，其中系统包括：泵浦光发射单元、随机激光生成单元、光谱信息生成单元和随机数生成单元；泵浦光发射单元用于生成泵浦光，将泵浦光发射至随机激光生成单元；随机激光生成单元用于接收泵浦光，通过激光染料和纳米颗粒将泵浦光转化为随机激光，将随机激光发射至光谱信息生成单元；光谱信息生成单元用于接收随机激光，将随机激光生成光谱信息，将光谱信息传输至随机数生成单元；随机数生成单元用于接收光谱信息，将光谱信息转换为随机数。本申请具有的技术效果是：有助于降低系统的制造成本，提高随机性和复杂性，提升随机数的质量和安全性。

技术研发人员：胡志家,何世龙,杜文彧,胡磊
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4