CN107682091B - 一种时延隐藏及扩频系统和使用该系统产生信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统及使用该系统产生激光混沌的方法，该系统包括混沌外腔半导体激光器以及扩频模块，通过外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由驱动信号，光电相位调制器和光纤布拉格光栅组成的扩频模块进行扩频变换，实现了激光混沌信号的平坦宽谱和时延隐藏。通过上述的延时隐藏以及扩频系统，使得混沌通信的安全性有了极大的提高。

Description

一种时延隐藏及扩频系统和使用该系统产生信号的方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统。

背景技术

近年来，混沌光通信技术的发展成为一个十分活跃的课题，相应的研究也越来越多。混沌光通信利用混沌同步实现高效的信息编码与解码，是基于物理层面的加密手段。混沌光通信提高了通信的安全性，成为了保密通信研究中的一个新兴领域。然而，研究人员发现当前的混沌光通信系统仍然存在着安全隐患。在外光反馈半导体激光器中，通过自相关函数，延时互信息，排列熵来分析混沌信号就能获得信号的反馈延时信息，从而为恢复载波信息成为了可能，这使得通信的安全性降低。外腔半导体激光器也由于其外部反馈腔的谐振特性，使得外腔半导体激光器混沌激光信号在反馈延时处有明显的自相关性。此外，混沌信号的带宽依赖于混沌光通信系统的信道容量，直接影响通信系统的传输能力。而外腔半导体激光器的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。因此，就外腔半导体激光器而言，这两个缺点使得通信的安全性受到了限制。

关于混沌激光光信号频谱问题，在文献[Wang A,Wang Y,He H.Enhancing thebandwidth of the optical chaotic signal generated by a semiconductor laserwith optical feedback[J].IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(19):1633-1635.] 中，作者通过在光反馈分布式激光二极管中使用外腔连续波光注入的方法来实现混沌信号的带宽增强；在文献[Zhang M,Liu T,Li P,et al.Generation of broadbandchaotic laser using dual-wavelength optically injected Fabry–Pérot laserdiode with optical feedback[J].IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(24):1872-1874.]中，作者在光反馈Fabry–Pérot激光二极管中，使用双波长光注入来产生频谱平坦的带宽激光混沌信号；在文献[Hong Y,Spencer P S,Shore K A. Enhancement ofchaotic signal bandwidth in vertical-cavity surface-emitting lasers withoptical injection[J].JOSA B,2012,29(3):415-419.]中，作者将连续混浊光信号注入到外腔反馈VCSEL中，在适当的注入强度与频率失谐下，混沌信号带宽增大了2倍。

关于时延隐藏问题，在文献[Wang A,Yang Y,Wang B,et al.Generation ofwideband chaos with suppressed time-delay signature by delayed self-interference[J]. Optics express,2013,21(7):8701-8710.]中，作者实验证明了将激光混沌信号注入到马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)中可产生时延标签隐藏的宽带信号；在文献[Xue C,Jiang N,Lv Y,et al.Time delay signature concealmentof chaotic semiconductor laser subject to nonlinear feedback[J].ChineseOptics Letters, 2016,14(9):091404.]中，作者利用非线性光反馈外腔半导体激光器来抑制宽带混沌信号的时延特征；在文献[Xue C,Jiang N,Lv Y,et al.Security-enhancedchaos communication with time-delay signature suppression and phaseencryption[J]. Optics letters,2016,41(16):3690-3693.]中，作者提出了利用具有独立高速相位调制的双环反馈来抑制时延标签，实现安全性高的混沌通信，并数值分析了时延标签的抑制性能，量化讨论了系统的安全性。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，提供一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统，通过外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由驱动信号，光电相位调制器和光纤布拉格光栅组成的扩频模块进行扩频变换，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，本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统，其特征在于，所述的系统包括混沌外腔半导体激光器以及扩频模块，其中：

混沌外腔半导体激光器：由半导体激光器MSL和光耦合器OC、反射镜M 组成，激光器和反射镜形成带反馈的外腔半导体激光器，用于产生混沌的光信号，光耦合器用于将部分光信号导出；

扩频模块：由驱动端，光电相位调制器PM和光纤布拉格光栅FBG组成，主要用于频谱的展宽及时延标签的隐藏；

驱动端：包括延时后的混沌外腔激光器输出脉冲、光电二极管PD，以及射频放大器Amp，用于驱动信号放大，对光电相位调制器PM进行驱动；

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；

混沌外腔半导体激光器产生初始混沌激光信号，将初始混沌激光信号分为两路，一路输入至光电相位调制器PM，另一路混沌激光信号先经过延时，再经过光电二极管PD后输入至射频放大器Amp，射频放大器Amp对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光纤布拉格光栅FBG，经过光纤布拉格光栅FBG处理后完成扩频变换。

进一步的，本发明还提供了一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频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)、利用相位调制器对初始混沌信号x(t)进行处理，

设光电相位调制器的传递函数为：h_PM(t),

那么，利用相位调制器对初始混沌信号x(t)进行处理后的信号为：

x_p(t)＝x(t)·h_PM(t)，

(3)、将信号x_p(t)经过光纤布拉格光栅FBG，完成激光混沌信号的扩频变换及时延标签隐藏

当信号x_p(t)经过光纤布拉格光栅时，根据偶合模理论，信号x_p(t)的横向模场可 表示为

x_p(t)(x,y,z,t)＝[A(z)e^iβz+B(z)e^-iβz]e(x,y)e^-iωt，

A(z)和B(z)分别表示在布拉格波长附近波长相同的两个正、反方向传输模式的振幅，对正、反两个方向传输模式方程作傅里叶变换得其频域表示：

为正向传输模式输入的频域表示，

为反向传输模式输入的频域表示，则正、反向传输模式经过光纤布拉格光栅时传输过程可表示为：

式中，

为正向传输模式输出的频域表示，

为反向传输模式输出的频域表示，T(f)为光纤布拉格光栅的传输矩阵

式中光栅长度L＝0.01m；

其中，有效折射率n_eff＝1.45，真空中光速c＝3×10⁸m/s，f表示光波频率，光栅栅格周期Λ＝0.5μm；

对正、反向传输模式输出作逆傅里叶变换得：

则经过扩频变换后输出信号为：

x_out(t)(x,y,z,t)＝[A′(z)e^iβz+B′(z)e^-iβz]e(x,y)e^-iωt。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统，通过混沌外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由驱动信号，光电相位调制器和光纤布拉格光栅组成的扩频模块进行扩频变换；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，本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统还具有以下优点：(1)对混沌激光信号进行改变是在腔外完成的，并没有改变原有的混沌激光器结构，实现简单；(2)初始混沌信号在经过扩频模块之后，其频谱的有效带宽有了很大的提高。初始混沌信号的有效带宽为11.7GHz，而扩频后的有效带宽达到了44GHz以上，近似为初始混沌信号的有效带宽的4倍；(3)初始混沌信号的频谱在经过短暂的上升后急剧下降，而扩频之后，其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极大的提高；(4)初始混沌信号的自相关曲线，延时互信息曲线和排列熵曲线在时延处都有明显的尖峰，而经过扩频变换之后，时延标签被完全隐藏，这使得混沌通信的安全性得到极大地提高。

附图说明

图1是本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统原理图；

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是相位调制器驱动信号图；

图8是初始混沌激光信号的自相关函数曲线图；

图9是扩频变换后混沌激光信号的自相关函数曲线图；

图10是初始混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；

图11是扩频变换后混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；

图12是初始混沌激光信号的排列熵曲线图；

图13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。

图1是本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统的原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统，由混沌外腔半导体激光器和扩频模块两部分组成；

其中，混沌外腔半导体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，该部分用于产生初始混沌激光信号；

扩频模块包括驱动端，光电相位调制器PM和光纤布拉格光栅FBG，且光电相位调制器位于光纤布拉格光栅之前，该部分主要用于频谱的展宽及时延标签的隐藏；

驱动端包括延时后的混沌外腔半导体激光器脉冲波形、光电二极管PD，以及射频放大器Amp，该部分主要用于产生驱动信号，对光电相位调制器PM进行驱动；

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6π(驱动信号数值1代表相位π，0对应0相位)，对初始混沌激光信号进行二次相位调制；

光纤布拉格光栅，布拉格共振频率f为：193.55×10¹²Hz，色散值为D:-0.8s/m, 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，将初始混沌激光信号分为两路，一路输入至光电相位调制器PM，另一路初始混沌激光信号先经过延时，再经过光电二极管PD转换为电信号，然后输入至射频放大器Amp，射频放大器Amp 对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光纤布拉格光栅，经过光纤布拉格光栅处理后完成扩频变换及时延标签隐藏。

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 44GHz以上。另外通过设置适当的延时时间，经过扩频模块变换系统后，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，对本发明一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频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11.7GHz。

(2)、利用相位调制器对初始混沌信号x(t)进行处理

设光电相位调制器的传递函数为：

h_PM(t)＝exp(ic·cos(ω·t))，

其中，c为调制系数，ω表示调幅驱动信号的的角频率，

或者，光电相位调制器的传递函数可以为：

h_PM(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，利用相位调制器对初始混沌信号x(t)进行处理后的信号为：

x_p(t)＝x(t)·h_PM(t)

(3)、将信号x_p(t)经过光纤布拉格光栅，完成混沌信号扩频变换及时延标签隐藏

当信号x_p(t)经过光纤布拉格光栅时，根据偶合模理论，信号x_p(t)的横向模场课表示为

x₁(t)(x,y,z,t)＝[A(z)e^iβz+B(z)e^-iβz]e(x,y)e^-iωt

A(z)和B(z)分别表示在布拉格波长附近波长相同的两个正、反方向传输模式的振幅，对正、反两个方向传输模式方程作傅里叶变换得其频域表示：

为正向传输模式输入的频域表示，

为反向传输模式输入的频域表示，则正、反向传输模式经过光纤布拉格光栅时传输过程可表示为：

式中，

为正向传输模式输出的频域表示，

为反向传输模式输出的频域表示，T(f)为光纤布拉格光栅的传输矩阵

式中光栅长度L＝0.01m；

其中，有效折射率n_eff＝1.45，真空中光速c＝3×10⁸m/s，f表示光波频率，光栅栅格周期Λ＝0.5μm；

对正、反向传输模式输出作逆傅里叶变换得：

则经过扩频变换后输出信号为：

x_out(t)(x,y,z,t)＝[A′(z)e^iβz+B′(z)e^-iβz]e(x,y)e^-iωt

图4是扩频变换后混沌激光信号在5ns内的时域波形图。将图4扩频变换后混沌激光信号的时域波形图与图2初始激光混沌信号的时域波形图进行对比，可以看出，经过扩频变换后得到的混沌激光信号时域波形已经变得很密集。

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初始混沌激光信号的频域波形图相比较，可以看出，此时的频谱平坦度得到了极大地提高，有效带宽达到44.96GHz。

图6为扩频变换后混沌激光信号在1ns内的时域波形细节图，可以看出，扩频变换后的混沌脉冲信号明显比初始混沌激光信号密集，由此也说明了混沌频谱得到了展宽。

图7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初始混沌激光信号经过延时，再经过光电二极管PD转换为电信号，然后输入至射频放大器Amp，射频放大器Amp对信号进行放大后作为调制信号，幅值大小表示相位调制器的相位偏移量。

图8是初始混沌激光信号的自相关函数曲线图；

图9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ACF能够检测一个时间序列与自身经过一定量的时间平移后的时间序列之间的匹配性或相关性，表征了一个信号与其对应的时延信号的相似程度，相似程度越高，自相关值越大，这就意味着在混沌信号的时延处自相关函数具有局部最大值。自相关函数的数学描述如下：

其中，Δt为时间延时，S(t)＝|E(t)|²代表混沌时间序列。在本实施例中，混沌激光器反馈延时时间为3ns，如图8所示，初始混沌激光信号的自相关函数曲线在3ns、6ns等处均出现明显的时延峰值。而在图9中，可以看出，经过扩频变换后混沌激光信号的自相关函数曲线在3ns、6ns等处均未出现明显的时延峰值，时延标签已经被完全消除，由此可知，扩频变换后的混沌激光信号的时延标签已经被完全隐藏。

图10是初始混沌激光信号的延时互信息函数曲线图；

图11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。

在本实施例中，设混沌激光器反馈延时时间为3ns，如图10所示，初始混沌激光信号的延时互信息函数曲线在反馈延时时间3ns、6ns等处均出现明显的时延峰值。通过图11与图10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12是初始混沌激光信号的排列熵曲线图；

图13是扩频变换后混沌激光信号的排列熵曲线图。

排列熵是基于信息论的一种评估延时特征的方法，它计算方法简便，收敛速度快，对噪声的容忍性强。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)。排列熵用数学描述如下：

将时间序列{x_t,t＝1,…,T}嵌入到一个d维空间中得到：

X_t＝[x(t),x(t+τ_e),…,x(t+(d-1)τ_e)]

其中，d为嵌入维度，τ_e为嵌入延迟，对于任一t，X_t中d(3≤d≤7)个数可以按如下递增升序列：

[x(t+(r₁-1)τ_e)≤x(t+(r₂-1)τ_e)…≤x(t+(r_d-1)τ_e)]

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X_t，都可以唯一的映射成“有序图案”π＝(r₁,r₂,…,r_d)，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：

由图12可知，初始混沌激光信号的排列熵大部分位于0.92以上；而在3ns 反馈延时处，熵值出现了较明显的下降，从下降时位置对应的延迟时间即可提取出延时特征。熵值下降，就意味着混沌信号的随机性下降，下降的越多，延时特征也就越明显。由图13可知，扩频后的混沌激光信号的熵值大部分高达 0.98，并且在3ns反馈延时处，熵值并无明显下降，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 (2)

1.一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统产生混沌激光信号的方法，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MSL中形成光反馈，此时，半导体激光器MSL输出初始混沌激光信号x(t)；

(2)、利用光电相位调制器PM对初始混沌激光信号x(t)进行处理，

设光电相位调制器PM的传递函数为：h_PM(t),

那么，利用光电相位调制器PM对初始混沌激光信号x(t)进行处理后的信号为：

x_p(t)＝x(t)·h_PM(t)；

(3)、将信号x_p(t)经过光纤布拉格光栅，完成初始混沌激光信号扩频变换及时延标签隐藏；

当信号x_p(t)经过光纤布拉格光栅时，根据偶合模理论，信号x_p(t)的横向模场可表示为

x_p(t)(x,y,z,t)＝[A(z)e^iβz+B(z)e^-iβz]e(x,y)e^-iωt，

A(z)和B(z)分别表示在布拉格波长附近波长相同的两个正、反方向传输模式的振幅，ω表示调幅驱动信号的角频率，对正、反两个方向传输模式方程作傅里叶变换得其频域表示：

为正向传输模式输入的频域表示，

为反向传输模式输入的频域表示，则正、反向传输模式经过光纤布拉格光栅时传输过程可表示为：

式中，

为正向传输模式输出的频域表示，

为反向传输模式输出的频域表示，T(f)为光纤布拉格光栅的传输矩阵

式中光栅长度L＝0.01m；

其中，有效折射率n_eff＝1.45，真空中光速c＝3×10⁸m/s，f表示光波频率，光栅栅格周期Λ＝0.5μm；

对正、反向传输模式输出作逆傅里叶变换得：

则经过扩频变换后输出信号为：

x_out(t)(x,y,z,t)＝[A′(z)e^iβz+B′(z)e^-iβz]e(x,y)e^-iωt。

2.如权利要求1所述的一种基于激光混沌自调制的时延隐藏及扩频系统产生混沌激光信号的方法，其特征在于：

光电相位调制器PM的传递函数具体为：

h_PM(t)＝exp(ic·cos(ω·t))

其中，c 为调制系数，ω表示调幅驱动信号的角频率。

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