CN108768536B - 一种高保密空间混沌激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高保密空间混沌激光通信系统，包括发射端、接收端和温度控制系统。发射端和接收端采用光电反馈式结构，利用硬件上的加密来实现混沌的同步和信息的解调。温度控制系统通过终端和发射端、接收端的控制模块，实现对发射端和接收端的马赫‑曾德尔电光调制器的温度的同步、实时的控制。由于在通信过程中，调制器的温度一直是动态变化的，这使得窃听方在即使破解混沌系统其他参数的情况下，依然由于调制器温度的失配导致调制器工作点的失配而使误码率升高，破解信息的难度加大。本发明可提高现有混沌系统的保密性能，对于国防安全和信息安全具有重要的意义。

Description

一种高保密空间混沌激光通信系统

技术领域

本发明属于保密通信技术领域，特别涉及一种高保密空间混沌激光通信系统。

背景技术

随着现代通信技术的发展，破译和解密技术也随之发展，近年来，从传统的光纤通信系统中窃取信息并且进行恢复和提取已经成为了可能，传统的光纤通信系统的安全性受到了挑战。在这种情况下，对于通信系统的保密性便提出了更高的要求。尤其在国防领域，对于保密通信的研究便显得更为重要。

混沌通信作为保密通信的一种，是一种基于物理层的加密技术，利用结构、参数一致的收发机产生相同的混沌载波来实现混沌的同步。近年来，由于激光混沌带宽高的优势，研究人员在理论和实验上都对混沌激光通信领域进行了广泛的研究。目前，传统的混沌通信方案包括混沌掩盖技术，混沌参数调制技术和混沌键控技术。

同时，混沌系统的保密性也受到了越来越多的关注。已有实验证明混沌激光通信系统并不是绝对安全不可破解的，所以传统的混沌激光通信系统结构在安全性上仍然存在着提升的必要。在通信窃听和解密技术不断发展的背景下，提出一种新的、安全性能更好且容易实现的混沌激光通信结构，具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了提高混沌系统的保密性，本发明设计了一种基于温度控制电光调制器工作点的高保密空间混沌激光通信结构，旨在克服现有系统在安全性上的不足，进一步提高空间混沌激光通信系统的安全性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种高保密空间混沌激光通信系统，其特征在于：包括发射端、接收端和温度控制系统，发射端用于生成混沌信号，所述混沌信号包含目标信号；接收端用于接收所述混沌信号并解调；所述温度控制系统用于控制发射端和接收端的温度相同且同步变化。

如前所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，进一步地，所述发射端包括第一激光器、第二激光器、第一马赫-曾德尔电光调制器、第一光延时线、第一光纤耦合器、第一光电探测器、第一射频信号放大器和掺铒光纤放大器；

第一激光器与第一光纤耦合器的第一输入端相连；第二激光器和第一马赫-曾德尔电光调制器相连，第一马赫-曾德尔电光调制器的输出端连接至第一光纤耦合器的第二输入端；第一光纤耦合器的第二输出端依次连接第一光时延线、第一光电探测器、第一射频信号放大器和第一马赫-曾德尔电光调制器的电极，构成光电反馈的环路；第一光纤耦合器的第一输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；所述掺铒光纤放大器的另一端用于输出信号至大气空间。

如前所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，进一步地，所述接收端包括第三激光器、第二马赫-曾德尔电光调制器、第二光延时线、第二光纤耦合器、第二光电探测器、第二射频信号放大器、第三光电探测器、第四光电探测器、加法器和滤波器；

第二光纤耦合器的输入端连接大气空间；第二光纤耦合器的第一输出端经过第三光探测器，连接加法器的第一输入端；第二光纤耦合器的第二输出端依次连接第二光时延线、第三光电探测器、第二射频信号放大器和第二马赫-曾德尔电光调制器的电极；第二马赫-曾德尔电光调制器的输入端与第三激光器相连；第二马赫-曾德尔电光调制器的输出端连接第四光电探测器后，连接所述加法器的第二输入端；所述加法器的输出端连接滤波器的输入端，所述滤波器输出信号。

如前所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，进一步地，温度控制系统包括温度控制终端、第一温度控制模块和第二温度控制模块；

所述温度控制终端用于控制第一温度控制模块和第二温度控制模块；

所述第一温度控制模块和第二温度控制模块分别用于调节第一马赫-曾德尔电光调制器和第二马赫-曾德尔电光调制器的温度。

如前所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，进一步地，所述第一温度控制模块和第二温度控制模块分别包括温度传感器、热电制冷器(TEC)和温度控制器。

如前所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，进一步地，所述温度传感器采用负温度系数的热敏电阻。

如前所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，进一步地，所述温度控制器包括DSP控制电路、放大电路、AD转换电路、DA转换电路和TEC驱动电路。

所述放大电路与温度传感器电连接，用于接收所述温度传感器监测的马赫-曾德尔电光调制器的温度信息；所述放大电路另一端经过AD转换电路后，连接DSP控制电路的一个输入端，用于将所述马赫-曾德尔电光调制器的温度信息传送至所述DSP控制电路；

所述DSP控制电路的另一个输入端连接温度控制终端，用于接收设定的温度信息；

所述DSP控制电路用于比较两个输入端的温度信息，然后输出大小、方向不同的补偿电流，经DA转换电路、TEC驱动电路，至热电制冷器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过温控系统来同步控制发射端和接收端的马赫-曾德尔电光调制器的工作点，在保证己方顺利解调信息的同时，使得窃听方的误码率大大增加。由于窃听方不知发射端调制器温度的变化情况，即使采用与发射端相同的设备和参数，也会由于两端调制器工作点的不同而使破解信息的难度加大，从而在传统的空间混沌激光通信系统的基础上，将混沌通信系统的保密性提升了一个层次。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理图；

图2是本发明的温度控制系统框图；

图3是基于本发明系统的误码率与偏置相位(工作点)失配的关系的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

一种基于温度控制电光调制器工作点的高保密空间混沌激光通信结构，如图1所示。包括发射端、接收端和温度控制系统。发射端包括第一激光器1、第二激光器2、第一马赫-曾德尔电光调制器3、第一光纤耦合器4、第一光延时线6、第一光电探测器7、第一射频信号放大器8和掺铒光纤放大器5；接收端包括第三激光器11、第二马赫-曾德尔电光调制器12、第二光延时线13、第二光纤耦合器10、第二光电探测器14、第二射频信号放大器15、第三光电探测器16、第四光电探测器17、加法器18和滤波器19。温度控制系统包括温度控制终端21和位于发射端的第一温度控制模块9以及位于接收端的第二温度控制模块20。

信号在该结构上加载和解调的过程如下：电信号0或1驱动第一激光器，并通过第一光纤耦合器加载到混沌系统中。设在初始时刻，第二激光器发射的光信号为c₁(t)，其经过第一光纤耦合器后分为两部分，一部分作用在第一马赫-曾德尔调制器后使此时的信号成为混沌信号c₂(t)，并与信息信号m(t)叠加为信号c₂(t)+m(t)传输到接收端。与此同时，之前第一光纤耦合器的另一部分信号传输到接收端，由于在理论上接收端的混沌产生结构和器件参数都是一致的，所以这部分信号作用在第二马赫-曾德尔调制器后使此时由第三激光器发射而经过调制器的信号也成为混沌信号c₂(t)。最终这两路信号分别经过第三光电探测器和第四光电探测器后转化为电信号，相减滤波后即得信息信号m(t)。

温度控制系统会实时同步地改变马赫-曾德尔调制器的工作点。系统工作时，工作人员在温度控制终端的程序上设定温度随时间变化的序列，温度控制模块根据终端的指令对调制器进行温度的调节。图2为温度控制模块的原理框图。如图所示，整个系统温度控制的过程如下：监测马赫-曾德尔调制器温度的热敏电阻作为温度传感器，将温度信息转化为电压后经过放大和AD转换，传送到DSP电路；与此同时，控制终端同时控制两个温度控制模块，设定随时间变化的温度信息，温度控制模块的DSP电路接收信息后，与温度传感器的信息进行比较，决定补偿电流的大小和方向，这样热电制冷器TEC即可对调制器进行加热或制冷的调节。经过以上过程，发射端和接收端的马赫-曾德尔调制器的温度即可根据终端设定的值实时、同步的变化。

马赫-曾德尔电光调制器的直流偏置相位为：

其中V_b为加在电极上的电压，V_π,DC为半波电压，θ为本征相位。

直流偏置相位Φ决定了马赫-曾德尔电光调制器偏置工作点的位置。混沌通信系统在正常工作时，要求发射端和接收端相对应的各个器件参数和状态相同，如果不同则会产生失配噪声，而失配噪声的大小决定了混沌系统的误码率。在混沌通信系统中，失配噪声是由多种参数的失配引起的，其中包括马赫-曾德尔电光调制器偏置相位的失配ΔΦ。而调制器的偏置相位Φ和调制器的本征相位θ有关，θ会随着温度的改变而改变。在本结构中，发射端和接收端调制器温度的失配会引起调制器工作点的失配，从而造成失配噪声的增加，使系统误码率升高。在系统正常工作时，由于发射端和接收端调制器的温度会同步变化，则工作点也会同步变化，在满足其他参数也同步的情况下，失配噪声很小，系统的误码率也很小。当有第三方窃听时，由于不知晓发射端调制器工作点的变化，即使破解了系统其他参数的信息，也会由于工作点的失配使误码率升高，破译信息的难度增大。

图3是在自由空间中，光电反馈式混沌系统的误码率与偏置相位的失配ΔΦ的关系的仿真图。图中可以看出，当ΔΦ接近零时，系统的误码率在10^-6左右。随着ΔΦ的增加，误码率也会逐渐地升高。当ΔΦ大于0.025时，误码率开始急速地上升，当ΔΦ＝0.05时，误码率已经大于10^-3。当ΔΦ大于0.06时，误码率便一直维持在10^-2以上。这说明MZ电光调制器工作点的失配会对系统的误码率造成比较大的影响，当失配达到一定值时，窃听方破解信息的可能性大大降低。这也说明本专利设计的结构是合适可行的。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高保密空间混沌激光通信系统，其特征在于：包括发射端、接收端和温度控制系统，发射端用于生成混沌信号，所述混沌信号包含目标信号；接收端用于接收所述混沌信号并解调；所述温度控制系统用于控制发射端和接收端的温度相同且同步变化；

所述发射端包括第一激光器、第二激光器、第一马赫-曾德尔电光调制器、第一光延时线、第一光纤耦合器、第一光电探测器、第一射频信号放大器和掺铒光纤放大器；

第一激光器与第一光纤耦合器的第一输入端相连；第二激光器和第一马赫-曾德尔电光调制器相连，第一马赫-曾德尔电光调制器的输出端连接至第一光纤耦合器的第二输入端；第一光纤耦合器的第二输出端依次连接第一光时延线、第一光电探测器、第一射频信号放大器和第一马赫-曾德尔电光调制器的电极，构成光电反馈的环路；第一光纤耦合器的第一输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；所述掺铒光纤放大器的另一端用于输出信号至大气空间；

所述接收端包括第三激光器、第二马赫-曾德尔电光调制器、第二光延时线、第二光纤耦合器、第二射频信号放大器、第三光电探测器、第四光电探测器、加法器和滤波器；

第二光纤耦合器的输入端连接大气空间；第二光纤耦合器的第一输出端经过第三光电探测器，连接加法器的第一输入端；第二光纤耦合器的第二输出端依次连接第二光时延线、第三光电探测器、第二射频信号放大器和第二马赫-曾德尔电光调制器的电极；第二马赫-曾德尔电光调制器的输入端与第三激光器相连；第二马赫-曾德尔电光调制器的输出端连接第四光电探测器后，连接所述加法器的第二输入端；所述加法器的输出端连接滤波器的输入端，所述滤波器输出信号；

信号在该高保密空间混沌激光通信系统上加载和解调的过程如下：

电信号0或1驱动第一激光器，并通过第一光纤耦合器加载到混沌系统中；设在初始时刻，第二激光器发射的光信号为c₁(t)，其经过第一光纤耦合器后分为两部分，一部分作用在第一马赫-曾德尔调制器后使此时的信号成为混沌信号c₂(t)，并与信息信号m(t)叠加为信号c₂(t)+m(t)传输到接收端，与此同时，之前第一光纤耦合器的另一部分信号传输到接收端，由于在理论上接收端的混沌产生结构和器件参数都是一致的，所以这部分信号作用在第二马赫-曾德尔调制器后使此时由第三激光器发射而经过调制器的信号也成为混沌信号c₂(t)，最终这两路信号分别经过第三光电探测器和第四光电探测器后转化为电信号，相减滤波后即得信息信号m(t)；

温度控制系统包括温度控制终端、第一温度控制模块和第二温度控制模块；

所述温度控制终端用于控制第一温度控制模块和第二温度控制模块；

所述第一温度控制模块和第二温度控制模块分别用于调节第一马赫-曾德尔电光调制器和第二马赫-曾德尔电光调制器的温度；

所述第一温度控制模块和第二温度控制模块均包括温度传感器、热电制冷器和温度控制器。

2.如权利要求1所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述温度传感器采用负温度系数的热敏电阻。

3.如权利要求1所述的一种高保密空间混沌激光通信系统，其特征在于，所述温度控制器包括DSP控制电路、放大电路、AD转换电路、DA转换电路和TEC驱动电路；

所述放大电路与温度传感器电连接，用于接收所述温度传感器监测的马赫-曾德尔电光调制器的温度信息；所述放大电路另一端经过AD转换电路后，连接DSP控制电路的一个输入端，用于将所述马赫-曾德尔电光调制器的温度信息传送至所述DSP控制电路；

所述DSP控制电路的另一个输入端连接温度控制终端，用于接收设定的温度信息；

所述DSP控制电路用于比较两个输入端的温度信息，然后输出大小、方向不同的补偿电流，经DA转换电路、TEC驱动电路，至热电制冷器。

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