CN106711759B - 一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统 - Google Patents

一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统，通过外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由光电相位调制器和高色散介质组成的时间透镜进行扩频变换；具体讲，在时域傅里叶变换进行时频转换的基础上，通过增大色散量来实现了混沌频谱展宽，通过调整驱动信号周期与混沌激光器反馈延时时间的关系，实现了时延标签隐藏，根据混沌信号类噪声特性，经过扩频变换后输出混沌激光信号实现了频谱平坦，且具有大的有效带宽。

Description

一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统
技术领域
本发明属于激光器技术领域，更为具体地讲，涉及一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统。
背景技术
近年来，基于外腔激光器产生的混沌激光在保密通信、随机密钥生成等领域的应用已取得重大突破。随着研究的深入，外腔激光器混沌激光信号的缺点开始逐渐显露出来：一方面，混沌激光信号频谱大部分能量集中于激光器弛豫振荡频率附近，导致频谱不平坦且有效带宽受限；另一方面，由于外部反馈腔的谐振特性，外腔激光器混沌激光信号在反馈延时处有明显的自相关性。上述两方面缺陷制约了混沌保密通信的安全性，也限制了产生随机密钥的速率和密钥的随机性。
关于混沌激光光信号频谱问题，在文献[S.-L.YAN，“Enhancement of chaoticcarrier bandwidth in a semiconductor laser transmitter using self-phasemodulation in an optical fiber external round cavity”,Chinese ScienceBulletin,on11,1007-1012(2010)]中，作者在激光器外腔反馈中加入光纤，利用光纤自相位调制(SPM)效应实现了宽频谱的激光混沌信号输出；在文献[Wang An bang,“Generationof flat-spectrum wideband chaos by fiber ring resonator”,Applied PhysicsLetters 102(2013)]中，作者通过光纤环形振荡器产生了频谱平坦的带宽激光混沌信号。
关于时延隐藏问题，在文献[Rontani D,“Time-delay identification in achaotic semiconductor laser with optical feedback:a dynamical point of view”,IEEE Journal of Quantum Electronics,on45,879-1891(2009)]中，作者从动力学角度详细分析了外腔半导体激光器的反馈延时特征，利用激光器弛豫振荡频率掩盖了反馈时延特征。在文献[J.-G.Wu,“Suppression of time delay signatures of chaotic output ina semiconductor laser with double optical feedback”,Opt.Express,on 17,20124～20133(2009)]中，作者提出了采用双反馈来抑制时延信息，并通过仿真与实验证明了抑制时延的可行性。在现有研究成果基础上，本发明提出一种同时具备平坦宽谱特性和时延隐藏特性的激光混沌信号产生方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统，通过外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由光电相位调制器和高色散介质组成的时间透镜进行扩频变换，实现了激光混沌信号的平坦宽谱和时延隐藏。
为实现上述发明目的，本发明一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统，其特征在于，包括：
一混沌外腔激光器，包括半导体激光器MSL和光耦合器OC、反射镜M，用于产生初始混沌激光信号；
一驱动端，包括乘法器、射频放大器Amp，以及射频源1和射频源2，用于产生驱动信号，对光电相位调制器PM进行驱动；
一时间透镜，包括输入段色散介质、光电相位调制器PM和输出段色散介质，主要用于频谱的展宽及时延标签的隐藏；
半导体激光器MSL产生连续激光，并输入至光耦合器OC，光耦合器OC将输入的连续光信号分成两路，一路作为激光输出，一路反馈至半导体激光器MSL，通过半导体激光器MSL输出初始混沌激光信号；
混沌外腔激光器产生初始混沌激光信号，经输入段色散介质处理后，再输入至光电相位调制器PM；
射频源1和射频源2产生的两个不同频率的余弦电信号，再经过乘法器合为一路调幅信号输入至射频放大器Amp，射频放大器Amp对调幅信号进行放大后作为调制信号，对输入至电光相位调制器PM的混沌光信号进行调制，最后将调制后的信号输入至输出段色散介质，经过输出段色散介质处理后完成扩频变换及时延隐藏。
进一步的，本发明还提供了一种利用所述激光混沌扩频变换系统产生激光混沌信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、获取初始混沌激光信号x(t)
半导体激光器MSL输出连续激光信号，经光耦合器OC分成两路，一路为输出信号，一路经反射镜M反射回到半导体激光器中形成光反馈，此时，半导体激光器输出初始混沌激光信号x(t)；
(2)、将初始混沌信号x(t)经过输入段色散介质
当忽略高阶次的色散时，光纤的频域传递函数表达式为：
其中，λ0为信号波长，c为真空中的光传播速度，D为色散介质色散系数；i表示虚部；
将光纤的频域传递函数变换到时域的表达式为：
其中，F-1代表反傅里叶变换，C'是和β2z有关的常系数，z为光纤长度；
那么初始混沌信号x(t)经过输入段色散介质后的信号时域包络xin(t)为：
xin(t)＝x(t)*hD(t)
其中，*表示信号卷积；
(3)、利用相位调制器对信号时域包络xin(t)进行处理
设光电相位调制器的传递函数为：
hPM(t)＝exp(ic1·cos(ω1·t)·cos(ω2·t))
其中，c1为调制系数，ω1和ω2表示调幅驱动信号的两个余弦成分各自的角频率；
那么，利用相位调制器对信号时域包络xin(t)进行处理后的信号为：
xp(t)＝xin(t)·hPM(t)
(4)、将信号xp(t)经过输出段色散介质，完成激光混沌信号的扩频变换及时延标签隐藏
当信号xp(t)经过输出段色散介质时，将信号xp(t)与输出段色散介质传递函数作卷积得，扩频变换后输出信号xout(t)：
xout(t)＝xp(t)*hD(t)。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统，通过外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由光电相位调制器和高色散介质组成的时间透镜进行扩频变换；具体讲，在时域傅里叶变换进行时频转换的基础上，通过增大色散量来实现了混沌频谱展宽，通过调整驱动信号周期与混沌激光器反馈延时时间的关系，实现了时延标签隐藏，根据混沌信号类噪声特性，经过扩频变换后输出混沌激光信号实现了频谱平坦，且具有大的有效带宽。
同时，本发明一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统还具有以下有益效果：
(1)、不改变原有混沌激光器结构，在腔外对混沌激光信号进行改变，实现简单；
(2、)超大有效带宽；初始混沌信号经过扩频变换后，频谱有效带宽得到了极大的提高，达到了70GHz以上；
(3)、平坦度好；初始混沌信号经过扩频变换后，频谱具有良好的类噪声频谱平坦特性，扩频变换后的频谱平坦度得到了极大的提高；
(4)、时延标签隐藏；由于扩频变换带来的扰乱特性，时延标签得到了完全隐藏，混沌信号安全性得到了大大增强。
附图说明
图1是本发明一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统的原理图；
图2是初始混沌激光信号的时域波形图；
图3是初始混沌激光信号的频域波形图；
图4是扩频变换后混沌激光信号的时域波形图；
图5是扩频变换后混沌激光信号的频域波形图；
图6是扩频变换后混沌激光信号的时域波形细节图；
图7是扩频变换后混沌激光信号的频谱与噪声频谱对比图；
图8是相位调制器驱动信号图；
图9是初始混沌激光信号的自相关函数曲线图；
图10是扩频变换后混沌激光信号的自相关函数曲线图；
图11是初始混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；
图12是扩频变换后混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；
图13是初始混沌激光信号的排列熵曲线图；
图14是扩频变换后混沌激光信号的排列熵曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统的原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统，包括：混沌外腔激光器、驱动端和时间透镜三部分；
其中，混沌外腔激光器又包括半导体激光器MSL和光耦合器OC、反射镜M，半导体激光器MSL和反射镜M形成带反馈的混沌外腔激光器，用于产生初始混沌激光信号；
驱动端包括乘法器、射频放大器Amp，以及射频源1和射频源2，用于产生驱动信号，对光电相位调制器PM进行驱动；
时间透镜包括输入段色散介质、光电相位调制器PM和输出段色散介质，且光电相位调制器PM位于输入段色散介质和输出段色散介质之间，主要用于频谱的展宽及时延标签的隐藏；
在本实施例中，光电相位调制器PM为具有大相移的光电相位调制器，其峰值为5π(驱动信号数值1代表相位π，0对应0相位)，对经过第一段光纤的混沌激光信号进行二次相位调制；
第一段色散介质为色散光纤，长度L1为：2.7km，色散值D1为1.6×10-5s-1m2，由于色散作用，经过色散光纤作用后，输入的初始混沌激光信号频谱被施加了一个二次相移。
第二段色散介质为高色散光纤，长度L2为：2.7km，色散值为D2:2.8×10-4s-1m2,对经过相位调制器PM调制后的光信号进行频域二次相位调制；
下面对系统的工作流程进行详细描述：半导体激光器MSL产生连续激光，并输入至光耦合器OC，光耦合器OC将输入的连续光信号分成两路，一路作为激光输出，一路反馈至半导体激光器MSL，通过半导体激光器MSL输出初始混沌激光信号；
混沌外腔激光器产生初始混沌激光信号，再将初始混沌激光信号先经过输入段色散介质的处理后，再输入至光电相位调制器PM；
射频源1和射频源2产生的两个不同频率的余弦电信号，再经过乘法器合为一路调幅信号输入至射频放大器Amp，射频放大器Amp对调幅信号进行放大后作为调制信号，并对输入至电光相位调制器PM的混沌光信号进行调制，最后将调制后的信号输入至输出段色散介质，经过输出段色散介质处理后完成扩频变换及时延标签隐藏。
由于时间透镜的作用，经过时频转换后的时域信号能量主要聚集在每个调制周期的中心位置，通过在第二段色散介质处通过增加色散量，将每个时间窗内因时频转换而呈现类频谱尖峰现象的时域信号在时间轴上展宽，从而使相邻变换时间窗内的类频谱尖峰信号展宽并逐渐开始彼此交叠，完成时域信号周期特征现象消除。此时时域信号为变换后的新混沌信号，且频谱得到了极大的展宽，达到了70Ghz以上。另外通过设置适当的系统变换周期，经过时间透镜变换系统后，混沌信号原有周期特性被扰乱，从而实现时延标签的完全隐藏。
下面结合图1，对本发明一种利用激光混沌扩频变换系统产生激光混沌信号的方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
(1)、获取初始混沌激光信号x(t)
半导体激光器MSL输出连续激光信号，经光耦合器OC分成两路，一路为输出信号，一路经反射镜M反射回到半导体激光器中形成光反馈，此时，半导体激光器输出初始混沌激光信号x(t)；
在本实施例中，初始混沌激光信号在5ns内的时域波形图如图2所示；初始混沌激光信号频谱波形图如图3所示，此时混沌频谱陡峭并且在初始短暂上升后急剧下降，导致有效带宽受限，初始混沌激光信号有效带宽为6.8GHz。
(2)、将初始混沌信号x(t)经过输入段色散介质
当忽略高阶次的色散时，光纤的频域传递函数表达式为：
其中，λ0为信号波长，c为真空中的光传播速度，D为色散介质色散系数；i表示虚部；
将光纤的频域传递函数变换到时域的表达式为：
其中，F-1代表反傅里叶变换，C'是和β2z有关的常系数，z为光纤长度；
那么初始混沌信号x(t)经过输入段色散介质后的信号时域包络xin(t)为：
xin(t)＝x(t)*hD(t)
其中，*表示信号卷积；
(3)、利用相位调制器对信号时域包络xin(t)进行处理
设光电相位调制器的传递函数为：
hPM(t)＝exp(ic1·cos(ω1·t)·cos(ω2·t))
其中，c1为调制系数，ω1和ω2表示调幅驱动信号的两个余弦成分各自的角频率；
那么，利用相位调制器对信号时域包络xin(t)进行处理后的信号为：
xp(t)＝xin(t)·hPM(t)
(4)、将信号xp(t)经过输出段色散介质，完成混沌信号扩频变换及时延标签隐藏
当信号xp(t)经过输出段色散介质时，将信号xp(t)与输出段色散介质传递函数作卷积得，扩频变换后输出信号xout(t)：
xout(t)＝xp(t)*hD(t)。
图4是扩频变换后混沌激光信号的时域波形图。
通过对扩频变换后混沌激光信号在5ns内的时域波形图与图3相比较，可以看出，此时5ns内的混沌时域波形已经变得密集。
图5是扩频变换后混沌激光信号的频域波形图。
通过与图3相比较，此时频谱被拉直成平坦频谱，有效带宽达到74.6GHz。图6为扩频变换后混沌激光信号在1ns内的时域波形，可以看出，新产生的混沌脉冲信号明显比初始混沌光信号密集，这也说明了混沌频谱得到了展宽。
图7是扩频变换后混沌激光信号的频谱与噪声频谱对比图。
如图7所示，图7上半部分是扩频变换后的混沌激光信号的频域波形，图7下半部分是高斯白噪声频谱，上下对比可以看出此时的混沌频谱具有很好的频谱平坦特性，其频谱分布与白噪声频谱类似，说明经过扩频变换后的混沌信号有效带宽及频谱平坦度都得到极大的提高。
图8是相位调制器驱动信号图。
在本实施例中，相位调制器驱动信号由一个10GHz的余弦信号和一个0.83GHz的余弦信号调制得到，幅值大小表示相位调制器的相位偏移量。
图9是初始混沌激光信号的自相关函数曲线图；
图10是扩频变换后混沌激光信号的自相关函数曲线图。
自相关函数通常用来表征一个信号与其延时信号的相似程度，数学描述如下：
其中，Δt为时间延时，S(t)＝|E(t)|2代表混沌时间序列。设混沌激光器反馈延时时间为3ns，如图9所示，在3ns、6ns等处均出现明显的时延峰值。通过图10与图9相比较，可以看出时延标签已经完全消除，实现了混沌时延标签的完全隐藏。
图11是初始混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；
图12是扩频变换后混沌激光信号的延时互信息函数曲线图。
扩频变换前后的混沌激光信号的延时互信息函数曲线，用数学描述如下：
其中，S(t+Δt))表示联合分布概率密度，和分别表示边缘分布概率密度，混沌激光信号的延时互信息曲线峰值位置也可以确定混沌激光器外腔对应的时延结构。
设混沌激光器反馈延时时间为3ns，如图11所示，在反馈延时时间3ns、6ns等处均出现明显的时延峰值。通过图12与图11对应的时延峰值位置相比较，可以看出时延标签已经完全消除，再次证明实现了混沌时延标签的隐藏。
图13是初始混沌激光信号的排列熵曲线图；
图14是扩频变换后混沌激光信号的排列熵曲线图。
扩频变换前后混沌激光信号的排列熵曲线，用数学描述如下：
将时间序列{xt,t＝1,…,T}嵌入到一个d维空间中得到：
Xt＝[x(t),x(t+τe),…,x(t+(d-1)τe)]
其中，d为嵌入维度，τe为嵌入延迟，对于任一t，Xt中d(3≤d≤7)个数可以按如下递增升序列：
[x(t+(r1-1)τe)≤x(t+(r2-1)τe)…≤x(t+(rd-1)τe)]
若存在两个相同的数，则按其下标大小排序。于是对于任一的Xt，都可以唯一的映射成“有序图案”π＝(r1,r2,…,rd)，而π则是d个符号组成的d！这种排列概率分布中的一种，对于这d！种排列，其概率分布定义为：
其中#代表总数。因此排列熵定义为：
h[P]＝-∑p(π)logp(π)
归一化排列熵可以表示为：
排列熵H用于量化分析时间序列的不可测度，其物理含义描述为：一个时间序列的H值越大，代表其随机性越强，不可预测度越高；相反H值越小，则该时间序列越规则，且容易预测。H为1时对应的时间序列是随机信号，H为0时对应的是完全有序的时间序列(如单调序列)。
由图13可知，H值大部分位于0.88以上；而在3ns反馈延时处，H值下降到了0.87，意味着混沌信号的随机性下降，激光器时延标签明显。由图14可知，此时的H值高达0.98，并且对比图13可以看出，在3ns反馈延时处，H值并无明显下降，说明激光器时延标签被完全隐藏，且扩频变换后的混沌信号具有极强的随机性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种激光混沌扩频变换系统产生激光混沌信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、获取初始混沌激光信号x(t)
半导体激光器MSL输出连续激光信号，经光耦合器OC分成两路，一路为输出信号，一路经反射镜M反射回到半导体激光器中形成光反馈，此时，半导体激光器输出初始混沌激光信号x(t)；
(2)、将初始混沌信号x(t)经过输入段色散介质
当忽略高阶次的色散时，光纤的频域传递函数表达式为：
其中，λ0为信号波长，c为真空中的光传播速度，D为色散介质色散系数，i表示虚部，z为光纤长度，ω为x(t)的角频率；
将光纤的频域传递函数变换到时域的表达式为：
其中，F-1代表反傅里叶变换，C'是和β2z有关的常系数，t表示时间；
那么初始混沌信号x(t)经过输入段色散介质后的信号时域包络xin(t)为：
xin(t)＝x(t)*hD(t)
其中，*表示信号卷积；
(3)、利用光电相位调制器对信号时域包络xin(t)进行处理
设光电相位调制器的传递函数为：
hPM(t)＝exp(ic1·cos(ω1·t)·cos(ω2·t))
其中，c1为调制系数，ω1和ω2表示调幅驱动信号的两个余弦成分各自的角频率；
那么，利用光电相位调制器对信号时域包络xin(t)进行处理后的信号为：
xp(t)＝xin(t)·hPM(t)
(4)、将信号xp(t)经过输出段色散介质，完成混沌信号扩频变换及时延标签隐藏
当信号xp(t)经过输出段色散介质时，将信号xp(t)与输出段色散介质传递函数作卷积，得到扩频变换后输出信号xout(t)：
xout(t)＝xp(t)*hD(t)。
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Enhanced secure strategy for electro-optic chaotic systems with delayed dynamics by using fractional Fourier transformation;Mengfan Cheng et al.;《OPTICS EXPRESS》;20140227;第22卷(第5期);第5243页第5段-第5251页第2段以及图1-7 *
Secure passive optical network based on chaos synchronization;Ning Jiang et al;《OPTICS LETTERS》;20121101;第37卷(第21期);第4501页左栏第2段-第4503页右栏第4段以及图1-4 *

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