CN103986569B - 基于光学混沌系统实现三路信号同步传输的方法 - Google Patents

基于光学混沌系统实现三路信号同步传输的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光学混沌系统实现三路光信号同步传输的方法，以双环掺铒光纤激光器作为发射器和接收器进行混沌传输，所述控制器如下：所述信号更新法则如下：。

Description

基于光学混沌系统实现三路信号同步传输的方法
技术领域
本发明属于混沌保密通信技术，尤其是一种保密性好，可利于资源优化和提高传输效率的基于光学混沌系统实现三路信号同步传输的方法。
背景技术
利用混沌系统进行保密通信方案就是由发射器（混沌系统）将所要传输的信息加载在混沌信号上，使混沌信号与所要传输的信息混合，共同产生混合类噪声进行传输，达到信息源加密的目的；然后再由接收器（与发射器相应的解密混沌系统）将所接收到的信号进行处理，将其中的混沌信号和所传输的信息分离，从而得到正确的信息。具体地说：在发射端，混沌系统产生混沌信号 ，与信息信号相加，形成了混合信号；不考虑外界干扰以及信道畸变造成的信号失真影响，接收端混沌系统以为驱动，重构出混沌信号，减去解调出信息信号。在上述加密解密过程中，用于驱动接收端混沌系统的控制器是混合信号，所以重构出来的信号。研究发现当信息信号的幅度相对于混沌信号幅度较小时，与之间的差别不大，在混沌系统的同步效应作用下。因此，能从混合信号中恢复出信息信号。由于混沌系统即使参数在一定范围变化仍是混沌的，参数的变化直接影响接收系统的同步，因此即使第三方截取发送信号，也不知混沌形式和相应参数，就不能实现收、发系统间的同步，更不可能得到任何有用信息，从而实现保密。
目前，混沌系统大多基于低维电学混沌系统，然而，低维混沌加密系统的保密度不高，已产生了众多攻击方法，而且绝大多数是单一信号的保密通讯，传输信息量较少，不利于资源优化和效率提高。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种保密性好，可利于资源优化和提高传输效率的基于光学混沌系统实现三路信号同步传输的方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于光学混沌系统实现三路信号同步传输的方法，其特征在于以双环掺铒光纤激光器作为发射器和接收器，发射器将三路连续信息信号加载在混沌信号上进行发射，接收器在控制器及信号更新法则控制下将所接收的信号中分离，得到三路连续信息信号；
所述控制器如下：
所述信号更新法则如下：
式中: x 1 和x 3 分别是发射系统双环掺铒激光器a环和b环输出的激光场；
x 2 和x 4 分别是发射系统双环掺铒激光器a环和b环激光器反转粒子数；
y 1 和y 3 分别是接收系统双环掺铒激光器a环和b环输出的激光场；
y 2 和y 4 分别是接收系统双环掺铒激光器a环和b环激光器反转粒子数；
e 1 ,e 2 ,e 3 是发射系统和接收系统之间的状态误差；
s 1 (t),s 2 (t),s 3 (t)是加载在发射系统中要传输的三路信息信号；
s 1 ’(t),s 2 ’(t),s 3 ’(t)是接收系统在接收端的读取信号；
k a 和k b 是双环掺铒激光器a环和b环激光腔内光子衰减速率；
g a 和g b 是双环掺铒激光器各环激光器的增益系数；
η 0 是耦合器对1.55 µm波长光耦合系数。
本发明是以双环掺铒光纤激光器的光学混沌系统作为发射器和接收器，设计了自适应控制器和信息信号更新法则，通过混沌参数调制安全通信，保密性好，除一路信号传输外，还可实现多路信号传输，大大提高了信息传输效率，利于资源优化。
附图说明
图1是本发明实施例1发射器加载连续信息信号与未加信号的混沌相图。
图2是本发明实施例1发射器加载连续信息信号与未加信号变量演化对比。
图3是本发明实施例1加载三信道连续信息信号后混沌系统间误差示意图。
图4是本发明实施例1三信道通讯后的输入-输出信号对比图。
图5是本发明实施例2发射器加载脉冲信息信号与未加信号的混沌相图。
图6是本发明实施例2发射器加载脉冲信息信号与未加信号变量演化对比。
图7是本发明实施例2加载三信道脉冲信息信号后混沌系统间误差示意图。
图8是本发明实施例2三信道通讯后的输入-输出信号对比图。
具体实施方式
实施例1：
以双环掺铒光纤激光器作为发射器和接收器，发射器将三路连续信息信号加载在混沌信号上进行发射，接收器在控制器及信号更新法则控制下将所接收的信号中分离，得到三路连续信息信号；
所述控制器如下：
所述信号更新法则如下：
式中: x 1 和x 3 分别是发射系统双环掺铒激光器a环和b环输出的激光场；
x 2 和x 4 分别是发射系统双环掺铒激光器a环和b环激光器反转粒子数；
y 1 和y 3 分别是接收系统双环掺铒激光器a环和b环输出的激光场；
y 2 和y 4 分别是接收系统双环掺铒激光器a环和b环激光器反转粒子数；
e 1 ,e 2 ,e 3 是发射系统和接收系统之间的状态误差；
s 1 (t),s 2 (t),s 3 (t)是加载在发射系统中要传输的三路信息信号；
s 1 ’(t),s 2 ’(t),s 3 ’(t)是接收系统在接收端的读取信号；
k a 和k b 是双环掺铒激光器a环和b环激光腔内光子衰减速率；
g a 和g b 是双环掺铒激光器各环激光器的增益系数；
η 0 是耦合器对1.55 µm波长光耦合系数。
双环掺铒光纤激光器的动力学方程如下：
其中，E a 和E b 分别是a环和b环输出的激光场, D a 和D b 分别为a环和b环激光器反转粒子数，k a 和k b 是a环和b环激光腔内光子衰减速率，g a 和g b 是各环激光器的增益系数，η 0 是耦合器对1.55 µm波长光耦合系数，τ为归一化时间，τ=γt， γ=1∕τ 2 ，τ 2 为Er 3+ 离子亚稳态寿命，为10 ms。
选取上述三路连续信息，分别加入发射器系统（1）式的参数，并在系统（2）加入同步控制变量为接收系统。为方便计算把动力学方程变成如下形式：
（1）
（2）
其中输入信号，读取信号，。
令接受系统（2）和发射系统（1）之间的状态误差
（3）
信号误差为 （4）
故由式（3）和式（4）可得系统误差如下
（5）
定理：若选取控制器（6）式及信号更新法则（7）式，则接收器与发射器从任意初始值出发轨道均可以达到同步，信号可保密传输后识别读取。
（6）
（7）
证明：令Lyapunov函数
（8）
对（8）式求导，得
（9）
由（4）式、（5）式和（6）式代入可得
显然，Lyapunov函数为半正定，其导数半负定，接收器与发射器实现同步，信号可读取，证毕。
本发明实施例1发射器加载连续信息信号与未加信号的混沌相图如图1所示：发射器的混沌吸引子（实线）与没加载信号（虚线）相比，混沌相图有所差别。
本发明实施例1发射器加载连续信息信号与未加信号变量演化对比如图2所示：发射器加载了三路连续信号后的变量演化（实线）与没加载信号（虚线）的相比有所差别。
本发明实施例1加载三信道连续信息信号后混沌系统间误差示意图如图3所示：系统误差最终趋于零，说明发射系统和接收系统达到同步。
本发明实施例1三信道通讯后的输入-输出信号对比图如图4所示：从混合信号信号中恢复出信息信号。
实施例2：
以双环掺铒光纤激光器作为发射器和接收器，发射器将三路脉冲信号加载在混沌信号上进行发射，接收器在控制器及信号更新法则控制下将所接收的信号中分离，得到三路连续信息信号。控制器及信号及信号更新法则同实施例1。
本发明实施例2发射器加载脉冲信息信号与未加信号的混沌相图如图5所示：发射器的混沌吸引子（实线）与没加载信号（虚线）相比，混沌相图有所差别。
本发明实施例2发射器加载脉冲信息信号与未加信号变量演化对比如图6所示：发射器加载了三路连续信号后的变量演化（实线）与没加载信号（虚线）的相比有所差别。
本发明实施例2加载三信道脉冲信息信号后混沌系统间误差示意图如图7所示：系统误差最终趋于零，说明发射系统和接收系统达到同步。
本发明实施例2三信道通讯后的输入-输出信号对比图如图8所示：从混合信号信号中恢复出信息信号。

Claims (1)

1.一种基于光学混沌系统实现三路光通信信号同步传输的方法，其特征在于以双环掺铒光纤激光器作为发射器和接收器，发射器将三路信息信号加载在混沌信号上进行发射，接收器在控制器及信号更新法则控制下将所接收的信号中分离，得到三路连续信息信号；
所述控制器如下：
所述u1、u2、u3、u4是控制器的控制变量；
所述信号更新法则如下：
式中: x 1 和x 3 分别是发射系统双环掺铒光纤激光器a环和b环输出的激光场；
x 2 和x 4 分别是发射系统双环掺铒光纤激光器a环和b环激光器反转粒子数；
y 1 和y 3 分别是接收系统双环掺铒光纤激光器a环和b环输出的激光场；
y 2 和y 4 分别是接收系统双环掺铒光纤激光器a环和b环激光器反转粒子数；
e 1 ,e 2 ,e 3 是发射系统和接收系统之间的状态误差；
s 1 (t),s 2 (t),s 3 (t)是加载在发射系统中要传输的三路信息信号；
s 1 ’(t),s 2 ’(t),s 3 ’(t)是接收系统在接收端的读取信号；
k a 和k b 是双环掺铒光纤激光器a环和b环激光腔内光子衰减速率；
g a 和g b 是双环掺铒光纤激光器各环激光器的增益系数；
η 0 是耦合器对1.55 µm波长光耦合系数；
所述双环掺铒光纤激光器的动力学方程如下：
其中，E a 和E b 分别是a环和b环输出的激光场, D a 和D b 分别为a环和b环激光器反转粒子数，k a 和k b 是a环和b环激光腔内光子衰减速率，g a 和g b 是各环激光器的增益系数，η 0 是耦合器对1.55 µm波长光耦合系数，τ为归一化时间，τ=γt， γ=1∕τ 2 ，τ 2 为Er 3+ 离子亚稳态寿命，为10 ms；
选取上述三路连续信息，分别加入发射器系统（1）式的参数，并在系统（2）加入同步控制变量为接收系统，为方便计算把动力学方程变成如下形式：
（1）
（2）
其中输入信号，，，读取信号，
，。
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