CN105553571A - 一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，包括激光混沌同步模块、信号加载和解调模块、信号传输模块、视频信号处理模块；本发明基于激光混沌的长距双向视频保密通信的实现，可将视频信息进行纯物理的硬件加密，具有天然的物理安全性；同时又克服了传统电学混沌带宽地低、损耗高等缺点。有长距离、高带宽、低损耗、实时双向、安全性高等视频通信优点，具有很大的应用前景。

Description

一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置。

背景技术

由于社会发展对信息量的需求剧增，信息安全的重要性显著提高，小到个人隐私大到国家机密，信息安全都有着举足轻重的作用。保密通信也因此受到社会各界的广泛关注。

目前，传统的保密通信技术主要包括混沌保密通信技术、量子保密通信技术。与计算机算法加密不同，这两种技术采用纯物理的方式加密，提高了信息的安全性。但量子保密通信目前正处于起步阶段，距离商用长距离通信尚有一段距离。由于混沌具有遍历性、内随机性、对初值的敏感性及难以长期预料等特点，基于物理层面的混沌保密通信已成为相关领域研究的关注重点。目前，人们在电学混沌保密通信方面的成果比较丰富，提出了许多基于电学混沌的保密通信方案。但电学混沌的电子电路系统具有天然的电子瓶颈限制，信号速率不能很高；另外，电子信号的传递往往也伴随较高的衰减，这就导致在高速的，远程的保密通信领域中的应用受到很大的限制。而基于半导体激光器的激光混沌系统在兼得电学混沌系统的众多优点的同时保证了高带宽，能与现有光纤系统良好兼容，以实现传播过程中的低损耗，非常适合应用于长距离保密通信中。正因此，基于激光混沌的保密通信备受国内外众多科学家的关注。

视频信号具有信息量大，可读性高等优点，已成为当今媒体信息传递的主流方式之一。然而视频信号在信息安全方面也面临着非常大的调整，上至国家，下至百姓的各种视频泄密事件在新闻媒体报道上层出不穷。在视频保密通信方面，其主要是通过视频的采集和播放、视频的压缩和解压、视频的加密和解密以及视频的传输与接收几个步骤完成的。传统的视频加密方法主要是依靠计算机算法或电学混沌的加密，因此其在安全性、带宽等方面还存在着不足；较高的信号衰减也导致在长距离通信上的天然障碍。另外，现存各种视频保密通讯手段普遍是单向的，难以实现安全的双向实时视频交流。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，对视频信号进行纯物理的硬件加密，以实现一种长距离、高带宽、低损耗、实时双向、安全性高的视频通信。

未达到上述目的，采用如下方案：

一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，包括激光混沌同步模块、信号加载和解调模块、信号传输模块、视频信号处理模块；

所述激光混沌同步模块用于产生同步的激光混沌信号并输出；

所述信号加载和解调模块用于将处理后的视频信号载入混沌载波中，经过长距离的光纤传播到达接收端后，再减去混沌载波信号，使信号得到解调；

所述信号传输模块用于信号传输和放大传输过程中部分衰减的信号；

所述视频信号处理模块用于将采集到的原始视频信号经过编码处理为适合混沌载波加载的信号格式；在接收端，将解调出的原始信号经编码处理后接入视频监控器，实现视频信号的恢复。

优选地，所述激光混沌同步模块包括驱动激光器、50/50光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一响应激光器和第二响应激光器；所述驱动激光器连接50/50光纤耦合器，50/50光纤耦合器分两路，一路连接第一偏振控制器，另一路连接第二偏振控制器，所述第一偏振控制器通过传输光纤与第一响应激光器连接，第二偏振控制器通过传输光纤与第二响应激光器连接。

优选地，所述信号加载和解调模块包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第一光环形器、第二光环形器、光纤放大器、光电探测器、input处的加法器、output处的减法器。

优选地，所述视频信号处理模块两端各一个，用于加载前信号的预处理以及解调后的视频信号输出，包括视频采集装置、视频监控器、电脑及光电转换器。

优选地，信号传输模块包括传输光纤以及末端的光纤放大器，光纤放大器用于放大传输过程中部分衰减的信号。

优选地，所述加法器包括两个光纤放大器、两个光电探测器、电学加法器和第一铌酸锂调制器组成，加法器的两个的一个输入端口分别与信号加载与解调模块中的光纤耦合器相连，输入混沌载波信号，另一输入端口与视频信号处理模块的输出端相连，输入编码后的视频光信号。

优选地，所述减法器包括电学减法器和第二铌酸锂调制器，减法器的一个输入端口与信号加载与解调模块中靠近光纤耦合器的光电探测器相连，输入混沌载波信号，另一输入端口与信号加载与解调模块中远离光纤耦合器的光电探测器相连，输入混沌加密后的视频电信号。

有益效果：

本发明基于激光混沌的长距双向视频保密通信的实现，可将视频信息进行纯物理的硬件加密，具有天然的物理安全性；同时又克服了传统电学混沌带宽地低、损耗高等缺点。有长距离、高带宽、低损耗、实时双向、安全性高等视频通信优点，具有很大的应用前景。

本发明具有以下优点：

1、除视频信号处理模块外，为光学结构，避免了电子瓶颈的限制，可实现高带宽的视频信号传输；

2、利用混沌信号载波，纯物理的加密方式保证了视频信号的安全性；

3、利用光纤传输视频信号，与光结构良好耦合，传输过程中低损耗，使长距离视频信号传输得到保证；

4、两端可以同时加密和解调信号，可实现视频信号的双向传输。

附图说明

图1基于光混沌的长距双向视频保密通信装置结构示意图；

图2视频信号处理模块结构示意图；

图3加法器和减法器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，包括：

激光混沌同步模块、信号加载和解调模块、信号传输模块、视频信号处理模块；

所述激光混沌同步模块用于产生同步的激光混沌信号并输出。

所述信号加载和解调模块用于将视频光信号与产生的同步的激光混沌信号做加法运算得到混沌加密后的视频信号；同时用于将混沌加密后的视频信号与同步的激光混沌信号做减法运算得到视频光信号，并传输至视频信号处理模块。

所述信号传输模块用于传输和放大传输过程中部分衰减的信号。

所述视频信号处理模块用于将采集到的视频信号压缩编码，将视频电信号转换为视频光信号，输出至信号加载和解调模块；同时用于将从信号加载和解调模块接收到的视频光信号转换为视频电信号，解码后接入视频监控器播放。

具体地，上述基于激光混沌的长距双向视频保密通信技术的基本原理：首先利用平面镜对半导体激光器产生复杂的激光混沌信号输出，通过光纤耦合器将激光混沌信号分成两部分，分别注入两个响应激光器中。利用偏振控制器等保持光纤光路完全一致的同时，保证两个响应激光器具有相似的内部参数，那么它们接收到来至半导体激光器的混沌信号将一致，系统达到良好的对称状态，此时便可以实现两响应激光器件延时为零的等时混沌同步，如此两个响应激光器产生相互同步的激光混沌信号，可作为视频保密通信的混沌载波信号。将同步后的激光混沌信号用光纤耦合器分成两部分输入信号加载和解调模块分别用于信号的加密和解调以实现双向传输。

所述激光混沌同步模块a包括驱动激光器DSL、50/50光纤耦合器FC0、第一偏振控制器PC1、第二偏振控制器PC2、第一响应激光器SL1和第二响应激光器SL2；所述驱动激光器DSL连接50/50光纤耦合器FC0，50/50光纤耦合器FC0分两路，一路连接第一偏振控制器PC1，另一路连接第二偏振控制器PC2，所述第一偏振控制器PC1通过传输光纤F1与第一响应激光器SL1连接，第二偏振控制器PC2通过传输光纤F2与第二响应激光器SL2连接。

所述信号加载和解调模块包括第一光纤耦合器FC1、第二光纤耦合器FC2、第三偏振控制器PC3、第四偏振控制器PC4、第一光环形器OC1、第二光环形器OC2、光纤放大器A、光电探测器PD、input处的加法器、output处的减法器。

所述信号加载与解调模块b1、b2位于两个相距极远的传输地点。两地可分别作为发射端和接收端。

当视频信号处于接收端时，第一光电转换器工作，将减法器输出的视频光信号转换为电信号，再经过视频编码模块解码、解压后输出至视频监控器播放；

当视频信号处于发射时，第二光电转换器工作，视频采集器采集到的视频信号通入视频编码模块中压缩、编码后得到压缩、编码后的视频电信号，经第二光电转换器转换为光信号后，输出至发射端的加法器，与混沌载波信号做加法。

信号加载部分1：包括信号加载与解调模块b1中光纤耦合器FC1、input处的加法器、偏振控制器PC3、光环行器OC1；

信号加载部分2：包括信号加载与解调模块b2中光纤耦合器FC2、input处的加法器、偏振控制器PC4、光环行器OC2；

信号解调部分1：包括信号加载与解调模块b1中光纤耦合器FC1、output处的减法器、两个光纤放大器A、两个光电探测器PD、光环行器OC1；

信号解调部分2：包括信号加载与解调模块b2中光纤耦合器FC2、output处的减法器、两个光纤放大器A、两个光电探测器PD、光环行器OC2；

值得注意的是：

信号加载部分和信号解调部分共用光纤耦合器和光环行器。由于光环形器的作用从信号加载部分出来的信号只能通过环形器传播到传输光纤F3，再到接收端的信号加载与解调模块；同样由于光环形器的作用，从传输光纤F3传播过来的信号只能进入信号解调部分与同步的混沌信号做减法。

结合图1详细阐述：

1、从b1至b2的传输

经第一视频信号处理模块c1压缩、编码后的视频信号通过input1处的加法器加载进混沌载波中得到混沌加密后的视频光信号，混沌加密后的视频光信号相继通过偏振控制器PC3、光环行器OC1、传输光纤F3到达信号加载与解调模块b2；再相继经过光环行器OC2、光纤放大器A、光电探测器PD，转变为混沌加密后的视频电信号后通入output2处的减法器中，与从光纤耦合器FC2传输至output2的混沌载波信号做减法运算得到经第一视频信号处理模块c1压缩、编码后的视频信号，再传输至第二视频信号处理模块c2解码、解压后播放，实现从b1至b2的基于激光混沌的长距离视频保密通信。

2、从b2至b1的传输

经第二视频信号处理模块c2压缩编码后的视频信号通过input2处的加法器加载进混沌载波中得到混沌加密后的视频光信号，混沌加密后的视频光信号相继通过偏振控制器PC4、光环行器OC2、传输光纤F3到达信号加载与解调模块b1；再相继经过光环行器OC1、光纤放大器A、光电探测器PD，转变为混沌加密后的视频电信号后通入output1处的减法器中，与从光纤耦合器FC1传输至output1的混沌载波信号做减法运算得到经第二视频信号处理模块c2压缩编码后的视频信号，再传输至第一视频信号处理模块c1解码解压后播放，实现从b2至b1的基于激光混沌的长距离视频保密通信。

由于上述两个过程可以同时进行，所以本发明便可以实现基于激光混沌的长距双向视频保密通信。

如图2所示，视频信号处理模块有两个，接收端和发射端各有一个；用于加载前信号的预处理以及解调后的视频信号输出，包括视频采集装置、视频监控器、电脑及光电转换器。

信号传输模块包括传输光纤以及末端的光纤放大器A，光纤放大器用于放大传输过程中部分衰减的信号。

同一个视频信号处理模块中第一光电转换器的输入和第二光电转换器的输出属于两个不同的过程；

信号从发射端的视频信号处理模块中第一光电转换器输出，经发射端的信号加载与解调模块处理，通过传输光纤F3传输至接收端的信号加载与解调模块，解调后输入接收端视频信号处理模块中的第二光电转换器。

通过视频信号处理模块，将采集到的视频信号输入计算机，按MPEG-2标准进行适当的编码压缩后，经光电转换器将视频电信号转换为视频光信号，输出至信号加载和解调模块与同步的激光混沌信号做加法得到混沌加密后的视频信号，通过偏振控制器PC和光环形器OC后，再经过长距离的光纤传播到达接收端的信号加载和解调模块与另一个光环形器OC连接，经过光纤放大器A和光电探测器PD后减去混沌载波信号，输出至接收端的视频信号处理模块，经处理得到接入视频监控器，实现视频信号的传输。由于两端可以同时进行载波和解调，视频型信号可以基于激光混沌的物理安全性而实现长距离的双向传输。

信号编码模块可用于信号的压缩编码，也可用于信号的解码解压；信号编码模块与第一光电转换器相连目的在于将第一转换得到的视频电信号解码解压；信号编码模块与第二光电转换器相连目的在于通过第二光电转换器将压缩编码后的视频电信号转换为光信号后输出。

信号编码模块与视频采集器和视频监控器相连。

当视频信号处理模块处于接收端时，视频光信号从接收端减法器输入至第一光电转换器，经第一光电转换器转换为电信号后，再通过信号编码模块解码、解压，再输出至视频监控器播放；

当视频信号处理模块处于发射端时，视频采集器采集到视频信号，传输至信号编码模块压缩、编码得到压缩、编码后的视频电信号，再传输至第二光电转换器转换为光信号，再输出至发射端的加法器。

如附图3所示，所述加法器包括两个光纤放大器A、两个光电探测器PD、电学加法器、铌酸锂调制器M1；

所述加法器中I1、I2为加法器的输入端口，其中I1与信号加载与解调模块中的光纤耦合器FC相连，I2与视频信号处理模块的输出端相连，I1中输入混沌载波信号，I2中输入编码后的视频光信号；

所述光纤放大器用于放大传输信号，以补偿传输中的损耗；

所述光电探测器用于将光信号转换为电信号；

所述电学加法器用于将I1、I2输入的信号做电学加法运算；

所述铌酸锂调制器M1用于将电信号转换为光信号；

所述加法器中O1加法器的输出端口，若加法器处于信号加载与解调模块b1中与偏振控制器PC3相连，若加法器处于信号加载与解调模块b2中则与偏振控制器PC4相连，输出端口O1输出通过混沌加密后的视频光信号。

所述减法器包括电学减法器、铌酸锂调制器M2。

所述减法器中I3、I4为减法器的输入端口，其中I3与信号加载与解调模块中靠近光纤耦合器FC的光电探测器PD相连，I4与信号加载与解调模块中远离光纤耦合器FC的光电探测器PD相连，I3中输入混沌载波信号，I4中输入混沌加密后的视频电信号；

所述电学减法器用于将I3、I4输入的信号做电学减法运算；

所述铌酸锂调制器M2用于将电信号转换为光信号；

所述减法器中O2为减法器的输出端口，若减法器处于信号加载与解调模块b1中与视频信号处理模块C1相连，若减法器处于信号加载与解调模块b2中则与视频信号处理模块C2相连，输出端口O2中输出视频光信号。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于，包括激光混沌同步模块、信号加载和解调模块、信号传输模块、视频信号处理模块；

所述激光混沌同步模块用于产生同步的激光混沌信号并输出；

所述信号加载和解调模块用于将处理后的视频信号载入混沌载波中，经过长距离的光纤传播到达接收端后，再减去混沌载波信号，使信号得到解调；

所述信号传输模块用于信号传输和放大传输过程中部分衰减的信号；

所述视频信号处理模块用于将采集到的原始视频信号经过编码处理为适合混沌载波加载的信号格式；在接收端，将解调出的原始信号经编码处理后接入视频监控器，实现视频信号的恢复。

2.根据权利要求1所述的基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于：所述激光混沌同步模块包括驱动激光器(DSL)、50/50光纤耦合器(FC0)、第一偏振控制器(PC1)、第二偏振控制器(PC2)、第一响应激光器(SL1)和第二响应激光器(SL2)；所述驱动激光器(DSL)连接50/50光纤耦合器(FC0)，50/50光纤耦合器(FC0)分两路，一路连接第一偏振控制器(PC1)，另一路连接第二偏振控制器(PC2)，所述第一偏振控制器(PC1)通过传输光纤与第一响应激光器(SL1)连接，第二偏振控制器(PC2)通过传输光纤与第二响应激光器(SL2)连接。

3.根据权利要求1所述的基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于：所述信号加载和解调模块包括第一光纤耦合器(FC1)、第二光纤耦合器(FC2)、第三偏振控制器(PC3)、第四偏振控制器(PC4)、第一光环形器(OC1)、第二光环形器(OC2)、光纤放大器(A)、光电探测器(PD)、input处的加法器、output处的减法器。

4.根据权利要求1所述的基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于：所述视频信号处理模块两端各一个，用于加载前信号的预处理以及解调后的视频信号输出，包括视频采集装置、视频监控器、电脑及光电转换器。

5.根据权利要求1所述的基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于：信号传输模块包括传输光纤以及末端的光纤放大器(A)，光纤放大器用于放大传输过程中部分衰减的信号。

6.根据权利要求3所述的基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于：所述加法器包括两个光纤放大器(A)、两个光电探测器(PD)、电学加法器和第一铌酸锂调制器(M1)组成，加法器的两个的一个输入端口分别与信号加载与解调模块中的光纤耦合器相连，输入混沌载波信号，另一输入端口与视频信号处理模块的输出端相连，输入编码后的视频光信号。

7.根据权利要求3所述的基于激光混沌的长距双向视频保密通信装置，其特征在于：所述减法器包括电学减法器和第二铌酸锂调制器(M2)，减法器的一个输入端口与信号加载与解调模块中靠近光纤耦合器的光电探测器相连，输入混沌载波信号，另一输入端口与信号加载与解调模块中远离光纤耦合器的光电探测器相连，输入混沌加密后的视频电信号。