CN112822003B - 一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法及系统，属于激光混沌同步保密通信技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：第三方驱动激光器采用光反馈方式产生混沌激光，分为两路作为驱动信号分别输出至相位调制器及ADC模块；主激光器采用混沌相位调制光反馈的方式产生混沌载波，分两路输出，一路传输至接收端的储备池计算模块；另一路叠加原始信息后产生的混沌加密信号经光纤环路传输至接收端；经ADC模块后的混沌数据作为储备池计算模块的输入，训练储备池使储备池计算模块与主激光器同步；本发明应用于保密通信。

Description

一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法及系统

技术领域

本发明一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法及系统，属于机器学习中的储备池计算和激光混沌同步保密通信系统技术领域。

背景技术

基于第三方激光器驱动式的激光混沌同步保密通信理论上具有高速、长距离、低误码率等优点，但实际上要实现这项技术需要发射端和接收端激光器参数几乎完全一致才可以达到很好的同步效果，因此实际实现条件苛刻，具有一定难度并且对于激光器的内外部参数变化异常敏感。

此前，研究者Ning Jiang等人(Jiang N,Zhao AK,Liu S Q,et al.Chaossynchronization and communication in closed-loop semiconductor lasers subjectto common chaotic phase-modulated feedback[J].Optics Express,2018,26(25):32404-32416.)提出由第三方激光器控制主从激光器同步的方案，该方案虽然在传统主从同步的方案上有所改善，增加通信距离，但仍需要主从激光器参数几乎完全相同才能实现同步，实际应用受限。

研究者Ingo Fischer等人(Fischer I,Vicente R,Buldu J M,et al.Zero-laglong-range synchronization via dynamical relaying[J].Physical Review Letters,2006,97(12):123902.)用第三方激光器实现了主从激光器之间的同步，但该结构仍然需要主从激光器参数严格一致，并且要想实现零滞后的完全同步，需要严格控制单项注入强度与互耦合强度之间的关系，控制过程复杂而困难。

基于上述问题，已有学者提出训练出一个与发射器参数匹配度较高的神经网络做接收器，但神经网络训练权值较难且收敛速度较慢导致过程耗时较长，因此只是一种理想概念而在实际应用中较难实现。储备池计算作为一种新的机器学习方法，相比于神经网络而言，简化神经网络训练过程，解决了神经网络结构难以确定、训练算法复杂的难题，因此本申请提出一种基于储备池计算实现激光混沌同步保密通信的方法及系统。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法，包括如下步骤：

步骤一：第三方驱动激光器通过反射镜的光反馈作用产生混沌激光，所述混沌激光依次经过分光比为50:50的第一光耦合器和第二光耦合器后输出两路均等光，这两路输出光分别同时经过第一光电探测器、第二光电探测器的光电转换作用和第一放大器、第二放大器的放大作用，转化为混沌电信号，其中一路混沌电信号作为驱动信号输出至发送端的相位调制器，另一路混沌电信号作为驱动信号输出至接收端的ADC模块；

步骤二：所述步骤一中输入至发送端的混沌电信号经相位调制器的非线性作用后耦合在主激光器的反馈回路中，使主激光器产生激光混沌载波；

所述混沌载波经第三光耦合器和第四光耦合器的分束后，分两路输出，一路混沌载波经第三光电探测器传输至接收端的储备池计算模块；

另一路混沌载波c(t)叠加原始信息m(t)后产生混沌加密信号c(t)+m(t)，所述混沌加密信号经光纤环路传输至接收端；

步骤三：所述步骤一中输入至接收端的混沌电信号经ADC模块后作为储备池计算模块的输入，在储备池训练阶段与来自发送端的混沌载波的共同作用下，训练储备池使储备池计算模块与主激光器同步；

步骤四：在储备池测试阶段，发送端停止向接收端传送混沌载波，只发送混沌加密信号，每发送一段混沌加密信号数据，接收端的储备池计算模块会在第三方驱动激光器的同步控制作用下输出与发送端同步的混沌载波c’(t)，混沌加密信号c(t)+m(t)与同步混沌载波c’(t)两者经过减法器解调出有用信息m’(t)。

所述步骤二主激光器产生混沌载波的具体步骤包括：

步骤2.1：主激光器产生连续光注入光环形器，所述光环形器为主激光器提供反馈回路；

步骤2.2：将相位调制器置于步骤2.1的反馈回路中，主激光器的输出光经相位调制器的非线性调制作用，并经过第三光耦合器和光隔离器后反馈回主激光器；

步骤2.3：所述步骤2.2中反馈回主激光器的光对主激光器形成扰动，使主激光器产生混沌载波。

所述步骤二中传输至接收端的混沌加密信号经过第四光电探测器的光电转换作用后作为接收端解密用的信号。

所述步骤三中储备池训练阶段的步骤具体为：

所述第三方驱动激光器的输出经第二光电探测器和ADC模块后作为储备池计算模块的输入，用于迭代生成储备池内部节点状态；

在训练阶段，发送端的混沌载波数据通过背对背方式传输至储备池计算模块，并作为储备池计算的目标输出数据，用于计算储备池与输出层的连接权重。

一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信系统，包括作为发送端的主激光器发送模块、作为接收端的储备池同步解密模块、用于给发送端和接收端提供同步驱动信号的第三方激光器驱动控制模块，所述第三方激光器驱动控制模块包括第三方驱动激光器，所述第三方驱动激光器采用光反馈方式产生混沌激光，所述混沌激光均等的分为两路光作为驱动信号分别输出至主激光器发送模块和储备池同步解密模块；

所述主激光器发送模块接收第三方驱动激光器产生的驱动信号后，通过设置在主激光器反馈回路中的相位调制器的非线性作用，使主激光器产生的混沌载波分为两路输出，其中一路混沌载波传输至储备池同步解密模块，另一路混沌载波叠加信息产生混沌加密信号通过光纤环路传输至储备池同步解密模块；

所述储备池同步解密模块接收第三方驱动激光器产生的驱动信号后输出同步混沌载波，所述同步混沌载波和主激光器发送模块发送的混沌加密信号，二者经过减法器解调出有用信息。

所述第三方驱动激光器的信号输出端串接分光比均为50:50的第一光耦合器、第二光耦合器，

所述第三方驱动激光器、第一光耦合器与反射镜形成光反馈结构使其产生混沌激光；

所述第二光耦合器输出光均等的分为两路，其中一路光路依次经过第一光电探测器、第一放大器后输入相位调制器，另一路光路依次经过第二光电探测器、第二放大器后输入ADC模块。

所述相位调制器的信号输入端与光环形器的第一端口相连，所述光环形器的第二端口与光隔离器的信号输出端相连，所述光环形器的第三端口与主激光器的信号输出端相连；

所述相位调制器的信号输出端与第三光耦合器相连，所述第三光耦合器的信号输出端输出两路光，一路光经过光隔离器后输入至光环形器，另一路光经过第四光耦合器后分为两路输出，其中一路输出经过第三光电探测器后输入至储备池计算模块，另一路输出通过加法器叠加原始信息后通过光纤环路输入至第四光电探测器。

所述储备池计算模块输出预测混沌载波至减法器，所述第四光电探测器输出混沌加密信号至减法器，所述减法器输出有用信息。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法及系统，能够解决传统的混沌保密通信中发射器和接收器参数不一致而难以达到同步的问题；同时采用交叉预测方案，能实现长期精准预测；进一步地，采用第三方驱动激光器对通信系统收发双方提供同步驱动信号，同步更易实现且不受调制深度的影响，即解决了系统安全度与解调效果之间不可兼顾的矛盾。具体如下：

1.储备池计算模块作为混沌同步通信系统的接收器，相比于传统通信采用主从激光器同步方案，解决了收发双方激光器参数难以完全一致而导致的同步困难问题。

2.采用交叉预测方案，输入数据和输出数据是两列具有一定相关性和非线性关系的数据，相比于现有的输入输出数据采用同一时间序列的历史-未来数据而言，误差积累效应被大大削弱，因此能实现长期预测。

3.储备池计算模块输入数据来自于第三方驱动激光器，而不是主激光器(通信系统的发送方)输出的混沌加密信号，因此同步质量不受有用信息掩盖系数的影响，更容易控制，即使掩盖系数很小也能实现较好的解调效果，同时安全性也得到了保障。

4.采用第三方驱动激光器混沌相位调制的同步方案，相比于现有的主从注入同步及互耦合同步方案，由于主激光器和储备池计算之间不需要强光注入，因此可实现长距离通信，进一步的，相位调制方案使得同步仅存在于主激光器和储备池计算模块之间，而第三方驱动激光器和主激光器以及储备池计算模块都不同步，降低了窃听者截获信息解密的可能性，大大提高系统安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明储备池计算模块的内部原理图；

图中：1为主激光器、2为光环形器、3为相位调制器、5为光隔离器、6为第三方驱动激光器、9为反射镜、10为储备池计算模块、13为加法器、14为减法器、15为光纤环路、100为第三方激光器驱动控制模块、200为主激光器发送模块、300为储备池同步解密模块、41为第一光耦合器、42为第二光耦合器、43为第三光耦合器、44为第四光耦合器、71为第一放大器、72为第二放大器、81为第一光电探测器、82为第二光电探测器、83为第三光电探测器、84为第四光电探测器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法，包括如下步骤：

步骤一：第三方驱动激光器6通过反射镜9的光反馈作用产生混沌激光，所述混沌激光依次经过分光比为50：50的第一光耦合器41和第二光耦合器42后输出两路均等光，这两路输出光分别同时经过第一光电探测器81、第二光电探测器82的光电转换作用和第一放大器71、第二放大器72的放大作用，转化为混沌电信号，其中一路混沌电信号作为驱动信号输出至发送端的相位调制器3，另一路混沌电信号作为驱动信号输出至接收端的ADC模块；

步骤二：所述步骤一中输入至发送端的混沌电信号经相位调制器3的非线性作用后耦合在主激光器1的反馈回路中，使主激光器1产生激光混沌载波，并抑制时延特征，增强系统安全性；

所述混沌载波经第三光耦合器43和第四光耦合器44的分束后，分两路输出，一路混沌载波经第三光电探测器83传输至接收端的储备池计算模块10；

另一路混沌载波c(t)叠加原始信息m(t)后产生混沌加密信号c(t)+m(t)，所述混沌加密信号经光纤环路15传输至接收端；

步骤三：所述步骤一中输入至接收端的混沌电信号经ADC模块后作为储备池计算模块10的输入，在储备池训练阶段与来自发送端的混沌载波的共同作用下，训练储备池使储备池计算模块10与主激光器1同步；

步骤四：在储备池测试阶段，发送端停止向接收端传送混沌载波，只发送混沌加密信号，每发送一段混沌加密信号数据，接收端的储备池计算模块10会在第三方驱动激光器6的同步控制作用下输出与发送端同步的混沌载波c’(t)，混沌加密信号c(t)+m(t)与同步混沌载波c’(t)两者经过减法器14解调出有用信息m’(t)。

所述步骤二主激光器1产生混沌载波的具体步骤包括：

步骤2.1：主激光器1产生连续光注入光环形器2，所述光环形器2为主激光器1提供反馈回路；

步骤2.2：将相位调制器3置于步骤2.1的反馈回路中，主激光器1的输出光经相位调制器3的非线性调制作用，并经过第三光耦合器43和光隔离器5后反馈回主激光器1；

步骤2.3：所述步骤2.2中反馈回主激光器1的光对主激光器1形成扰动，使主激光器1产生混沌载波。

所述步骤二中传输至接收端的混沌加密信号经过第四光电探测器84的光电转换作用后作为接收端解密用的信号。

所述步骤三中储备池训练阶段的步骤具体为：

所述第三方驱动激光器6的输出经第二光电探测器82和ADC模块后作为储备池计算模块10的输入，用于迭代生成储备池内部节点状态；

在训练阶段，发送端的混沌载波数据通过背对背方式传输至储备池计算模块10，并作为储备池计算的目标输出数据，用于计算储备池与输出层的连接权重。

一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信系统，包括作为发送端的主激光器发送模块200、作为接收端的储备池同步解密模块300、用于给发送端和接收端提供同步驱动信号的第三方激光器驱动控制模块100，所述第三方激光器驱动控制模块100包括第三方驱动激光器6，所述第三方驱动激光器6采用光反馈方式产生混沌激光，所述混沌激光均等的分为两路光作为驱动信号分别输出至主激光器发送模块200和储备池同步解密模块300；

所述主激光器发送模块200接收第三方驱动激光器6产生的驱动信号后，通过设置在主激光器1反馈回路中的相位调制器3的非线性作用，使主激光器1产生的混沌载波分为两路输出，其中一路混沌载波传输至储备池同步解密模块300，另一路混沌载波叠加信息产生混沌加密信号通过光纤环路15传输至储备池同步解密模块300；

所述储备池同步解密模块300接收第三方驱动激光器6产生的驱动信号后输出同步混沌载波，所述同步混沌载波和主激光器发送模块200发送的混沌加密信号，二者经过减法器14解调出有用信息。

所述第三方驱动激光器6的信号输出端串接分光比均为50：50的第一光耦合器41、第二光耦合器42，

所述第三方驱动激光器6、第一光耦合器41与反射镜9形成光反馈结构使其产生混沌激光；

所述第二光耦合器42输出光均等的分为两路，其中一路光路依次经过第一光电探测器81、第一放大器71后输入相位调制器3，另一路光路依次经过第二光电探测器82、第二放大器72后输入ADC模块。

所述相位调制器3的信号输入端与光环形器2的第一端口相连，所述光环形器2的第二端口与光隔离器5的信号输出端相连，所述光环形器2的第三端口与主激光器1的信号输出端相连；

所述相位调制器3的信号输出端与第三光耦合器43相连，所述第三光耦合器43的信号输出端输出两路光，一路光经过光隔离器5后输入至光环形器2，另一路光经过第四光耦合器44后分为两路输出，其中一路输出经过第三光电探测器83后输入至储备池计算模块10，另一路输出通过加法器13叠加原始信息后通过光纤环路15输入至第四光电探测器84。

所述储备池计算模块10输出预测混沌载波至减法器14，所述第四光电探测器84输出混沌加密信号至减法器14，所述减法器14输出有用信息。

本发明提供的基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法，第三方驱动激光器6通过反射镜9的光反馈作用产生混沌激光，经过两级50：50的第一光耦合器41、第二光耦合器42的作用将输出光均等地分为两路，这两路输出光同时分别经过第一光电探测器81、第二光电探测器82的光电转换作用和第一放大器71、第二放大器72的放大作用，其中一路作为驱动信号输出至发送端的相位调制器3的输入端，在发送端，相位调制器3耦合在主激光器1的反馈回路中使其产生混沌载波。混沌载波经第三光耦合器43及第四光耦合器44的分束后，分两路输出，一路经第三光电探测器83背对背传输至储备池计算模块10，这一路信号只在储备池训练阶段使用，如图1中储备池同步解密模块300的虚线所示。另一路混沌载波c(t)叠加原始信息m(t)后成为混沌加密信号c(t)+m(t)，经光纤环路15传输至接收端，再经第四光电探测器84的光电转换作用供接收端解密用。驱动激光器6的另一路输出至接收端，混沌数据经ADC模块后作为储备池的输入，在储备池训练阶段与来自发送端的混沌载波共同作用情况下，训练储备池使之与主激光器1同步。在测试阶段，发送端停止向接收端传送混沌载波，而只发送混沌加密信号，每发送一段混沌加密信号数据，接收端储备池就会在第三方驱动激光器6的同步控制作用下输出与发送端同步的混沌载波c’(t)，实现c’(t)与c(t)之间的同步，混沌加密信号c(t)+m(t)与同步混沌载波c’(t)两者经过减法器14解调出有用信息m’(t)。

本发明的激光混沌同步保密通信系统主要包括第三方激光器驱动控制模块100、主激光器发送模块200、储备池同步解密模块300，第三方激光器驱动控制模块100的第三方驱动激光器(Driving semiconductor laser)采用光反馈方式产生混沌激光，经过两级50：50的第一光耦合器41及第二光耦合器42作用将输出光均等地分为两路，这两路输出光同时经过光电探测器的光电转换作用和放大器的放大作用，作为驱动信号输出至相位调制器3及ADC模块的输入端；主激光器发送模块200的主激光器(Master semiconductor laser)采用混沌相位调制光反馈的方式产生混沌激光，具体原理为：主激光器1产生连续光注入光环形器2，光环形器2为主激光器1提供反馈回路，并将相位调制器3置于反馈回路中，主激光器1的输出经相位调制器3的非线性调制作用，并经过第三光耦合器43及光隔离器5反馈回主激光器1，对主激光器1形成扰动使其产生混沌载波。此混沌载波经过第四光耦合器44输出分为两束，一束输出混沌载波经第三光电探测器83接收以背对背方式传输至接收端，另一路叠加原始有用信息m(t)后，成为混沌加密信号沿光纤环路15传输至接收端。

本发明的储备池同步解密模块300的储备池计算分为两个阶段——训练阶段和测试阶段。储备池计算原理是：在训练阶段，输入层和储备池之间的连接权重Win、储备池内部节点的连接权重矩阵W随机产生，并且一经产生不再改变。只有储备池和输出层之间的连接权重Wout需要经过训练过程来确定，而训练过程首先是根据输入数据u(t)迭代产生储备池内部节点状态向量X(t)，然后根据训练阶段目标输出数据Y与储备池节点状态向量X(t)计算Wout。

在测试阶段，输入数据u(t)至储备池，根据确定的Win、W以及训练好的Wout，计算出储备池节点状态向量X(t)以及预测输出y(t)’,则预测输出y(t)’即为发送端的混沌载波y(t)。

如图1所示，第三方驱动激光器6的输出经第二光电探测器82和ADC模块后作为储备池计算模块10的输入u(t)，用来迭代生成储备池内部节点状态X(t)。在训练阶段，如图1中储备池同步解密模块300的虚线路径所示，发送端混沌载波数据通过背对背方式传输至储备池计算模块10，并作为储备池计算的目标输出数据Y用来计算储备池与输出层的连接权重Wout。在测试阶段，第三方驱动激光器控制模块100继续向储备池计算模块输入数据u(t)，但此时虚线路径不再传送发送端的混沌载波，即从第四光耦合器44发送至第三光电探测器83的光路停止，这样混沌载波只有在训练阶段且只在收发双方以背对背方式传输，提高系统安全度。而测试阶段只在光纤环路15中传送混沌加密信号，即使被窃听方截获，也不能解调出原始有用信息，系统的安全性得以保障。输入数据经过迭代产生储备池内部节点状态向量X(t)，并结合确定的Wout计算预测输出y(t)’，其中y(t)’就是预测混沌载波，从而实现了主激光器1和储备池计算模块10的混沌同步。同时，发送端经过光纤环路15发送混沌加密信号c(t)+m(t)，经过第四光电探测器84后至接收端，与储备池计算模块10输出的同步混沌载波c’(t)相减，解调出有用信息m’(t)。

本发明实现的是主激光器1和储备池计算模块10的同步，即储备池计算模块10相当于传统混沌同步保密通信系统中的接收端作用。但第三方驱动激光器6和主激光器1以及储备池计算模块10都不同步，原因在于采用了相位调制同步方案，相位调制器3具有非线性调制作用，因此主激光器1中的反馈量不再是激光器输出的线性延迟副本，即两个激光器的相关性大大降低，两个混沌序列的互相关经验值一般在0.6以下，在通信系统中认为此值是失败的同步。而对于储备池计算模块来说，从图1中得出第三方激光器驱动控制模块100是对称结构，即从第一放大器71输出至相位调制器3的信号和经过第二放大器72输出至ADC模块的信号是相同的。而在发送端经过相位调制器3的非线性调制作用，主激光器1输出的混沌载波c(t)和第三方驱动激光器6输出的混沌载波二者具有非线性关系，而第三方驱动激光器6的混沌载波作为储备池的输入数据u(t)，主激光器1输出的混沌载波作为储备池的目标输出数据y(t)，即储备池输入输出数据之间具有非线性关系且二者具有一定相关性，即y(t)是u(t)的非线性变换。

本发明采用交叉预测的方法，实现了储备池计算模块10的长期预测能力，交叉预测方法的前提是储备池输入数据和输出数据具有一定相关性，并且二者存在非线性关系，相比于输入输出数据采用同一时间序列的历史-未来数据而言，本发明的输出数据不必反馈回输入端作为下一时刻的输入，所以输入数据是精确的，因此降低了误差积累效应，可实现长期预测。u(t)和y(t)具有一定相关性，因此储备池根据来自第三方驱动激光器6的输入信号u(t)能够长期预测混沌载波y(t)。

本发明采用混沌相位调制方案，可增大混沌激光带宽并抑制时延特征，由于混沌相位调制信号可认为是不同频率的正弦信号的叠加，所以混沌相位调制信号将在反馈光中引入大量新的频率分量，因此可增大混沌激光带宽，从而在光电探测器带宽允许范围内提高信息传输速率。其次，相位调制属于非线性调制，所以主激光器反馈回路中引入了自身输出激光的非线性延迟部分，可削弱外腔共振并抑制时延特征，提高系统安全性。

下面根据具体实施例对本发明储备池计算的过程做详细说明。

本发明采用如图2所示储备池计算结构，包括输入层、储备池、输出层，其中每一层可包括若干个神经元，储备池层可根据问题复杂度设置神经元数，本发明取输入输出各一层，每一层为N个神经元，储备池层为M个神经元。储备池计算动力学方程可用式(1)～(3)来表示。

W_out＝YX^T(XX^T+λη) (2)

上式中：λ是岭回归参数，它的作用是避免过拟合。η是单位矩阵。a是泄露率，取值范围在(0,1)之间。tanh是激活函数，它的作用是给神经元引入非线性因素，使得储备池可以任意逼近任何非线性函数，这样储备池就可以应用到众多非线性模型中。

本发明储备池计算原理可简述为：如图1及图2所示，在训练阶段，第三方驱动激光器6输出混沌激光经过第二光电探测器82和ADC模块输出后作为储备池计算模块10的输入u(t)，通过随机确定的输入层与储备池之间的连接权重Win以及储备池内部神经元之间的连接权重W，储备池迭代产生状态向量X(t)，同时，来自发送端的混沌载波数据Y作为目标输出，用来与X(t)结合计算储备池与输出层之间的连接权重Wout,训练完成后不再改变，供测试阶段使用。

测试阶段，第三方驱动激光器6继续输出混沌激光经过第二光电探测器82和ADC模块后输出混沌数据作为储备池计算模块10的输入u(t)，通过Win以及W，储备池迭代产生状态向量X(t)，状态向量X(t)经Wout作用迅速产生输出Y(t)＝X(t)*Wout，此输出即为预测混沌载波，当预测精度达到设定范围时，可实现储备池计算模块10和主激光器1的混沌同步。

本发明采用储备池计算结构进行混沌同步与解密，和传统混沌激光同步方案相比，同步条件更加容易实现，解决了传统激光混沌同步保密通信中难以找到两个参数完全一致的激光器的难题。另外，采用第三方激光器驱动控制同步的方案，实现了长距离通信，相比传统的主从注入同步方案，本发明解决了安全度与解调效果之间的矛盾，即实现了解调效果与掩盖系数无关，只要掩盖系数在合理(混沌载波能掩盖住有用信息)的范围内，都能在保证安全度的情况下达到很好的解调效果。同时，采用相位调制同步方案，相比传统强度同步方案，又进一步增加了系统的安全度。

本发明对硬件要求条件不苛刻，即驱动激光器6和主激光器1由于不需同步，二者参数不匹配也能实现主激光器1和储备池之间良好的同步效果。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：第三方驱动激光器（6）通过反射镜（9）的光反馈作用产生混沌激光，所述混沌激光依次经过分光比为50：50的第一光耦合器（41）和第二光耦合器（42）后输出两路均等光，这两路输出光分别同时经过第一光电探测器（81）、第二光电探测器（82）的光电转换作用和第一放大器（71）、第二放大器（72）的放大作用，转化为混沌电信号，其中一路混沌电信号作为驱动信号输出至发送端的相位调制器（3），另一路混沌电信号作为驱动信号输出至接收端的ADC模块；

步骤二：所述步骤一中输入至发送端的混沌电信号经相位调制器（3）的非线性作用后耦合在主激光器（1）的反馈回路中，使主激光器（1）产生激光混沌载波，具体步骤包括：

步骤 2.1：主激光器（1）产生连续光注入光环形器（2），所述光环形器（2）为主激光器（1）提供反馈回路；

步骤 2.2：将相位调制器（3）置于步骤2.1的反馈回路中，主激光器（1）的输出光经相位调制器（3）的非线性调制作用，并经过第三光耦合器（43）和光隔离器（5）后反馈回主激光器（1）；

步骤 2.3：所述步骤2.2中反馈回主激光器（1）的光对主激光器（1）形成扰动，使主激光器（1）产生混沌载波；

所述混沌载波经第三光耦合器（43）和第四光耦合器（44）的分束后，分两路输出，一路混沌载波经第三光电探测器（83）传输至接收端的储备池计算模块（10）；

另一路混沌载波c(t)叠加原始信息m(t)后产生混沌加密信号c(t)+m(t)，所述混沌加密信号经光纤环路（15）传输至接收端；

步骤三：所述步骤一中输入至接收端的混沌电信号经ADC模块后作为储备池计算模块（10）的输入，在储备池训练阶段与来自发送端的混沌载波的共同作用下，通过交叉预测算法来训练储备池，使储备池计算模块（10）与主激光器（1）同步；

所述储备池训练阶段的步骤具体为：所述第三方驱动激光器（6）的输出经第二光电探测器（82）和ADC模块后作为储备池计算模块（10）的输入，用于迭代生成储备池内部节点状态；在训练阶段，发送端的混沌载波数据通过背对背方式传输至储备池计算模块（10），并作为储备池计算的目标输出数据，用于计算储备池与输出层的连接权重；

步骤四：在储备池测试阶段，发送端停止向接收端传送混沌载波，只发送混沌加密信号，每发送一段混沌加密信号数据，接收端的储备池计算模块（10）会在第三方驱动激光器（6）的同步控制作用下输出与发送端同步的混沌载波c’(t)，混沌加密信号c(t)+m(t)与同步混沌载波c’(t)两者经过减法器（14）解调出有用信息m’(t)。

2.根据权利要求1所述的一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信方法，其特征在于：所述步骤二中传输至接收端的混沌加密信号经过第四光电探测器（84）的光电转换作用后作为接收端解密用的信号。

3.一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信系统，包括作为发送端的主激光器发送模块（200）、作为接收端的储备池同步解密模块（300）、用于给发送端和接收端提供同步驱动信号的第三方激光器驱动控制模块（100），其特征在于：所述第三方激光器驱动控制模块（100）包括第三方驱动激光器（6），所述第三方驱动激光器（6）采用光反馈方式产生混沌激光，所述混沌激光均等的分为两路光作为驱动信号分别输出至主激光器发送模块（200）和储备池同步解密模块（300）；

所述主激光器发送模块（200）接收第三方驱动激光器（6）产生的驱动信号后，结合设置在主激光器（1）反馈回路中的相位调制器（3）的非线性作用，通过混沌相位调制光反馈的方式产生混沌激光，具体原理为：主激光器（1）产生连续光注入光环形器（2），光环形器（2）为主激光器（1）提供反馈回路，并将相位调制器（3）置于反馈回路中，主激光器（1）的输出经相位调制器（3）的非线性调制作用，并经过第三光耦合器（43）及光隔离器（5）反馈回主激光器（1），对主激光器（1）形成扰动使其产生混沌载波；所述混沌载波分为两路输出，其中一路混沌载波传输至储备池同步解密模块（300），另一路混沌载波叠加信息产生混沌加密信号通过光纤环路（15）传输至储备池同步解密模块（300）；

所述储备池同步解密模块（300）接收第三方驱动激光器（6）产生的驱动信号后输出同步混沌载波，所述同步混沌载波和主激光器发送模块（200）发送的混沌加密信号，二者经过减法器（14）解调出有用信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信系统，其特征在于：所述第三方驱动激光器（6）的信号输出端串接分光比均为50：50的第一光耦合器（41）、第二光耦合器（42），

所述第三方驱动激光器（6）、第一光耦合器（41）与反射镜（9）形成光反馈结构使其产生混沌激光；

所述第二光耦合器（42）输出光均等的分为两路，其中一路光路依次经过第一光电探测器（81）、第一放大器（71）后输入相位调制器（3），另一路光路依次经过第二光电探测器（82）、第二放大器（72）后输入ADC模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信系统，其特征在于：所述相位调制器（3）的信号输入端与光环形器（2）的第一端口相连，所述光环形器（2）的第二端口与光隔离器（5）的信号输出端相连，所述光环形器（2）的第三端口与主激光器（1）的信号输出端相连；

所述相位调制器（3）的信号输出端与第三光耦合器（43）相连，所述第三光耦合器（43）的信号输出端输出两路光，一路光经过光隔离器（5）后输入至光环形器（2），另一路光经过第四光耦合器（44）后分为两路输出，其中一路输出经过第三光电探测器（83）后输入至储备池计算模块（10），另一路输出通过加法器（13）叠加原始信息后通过光纤环路（15）输入至第四光电探测器（84）。

6.根据权利要求5所述的一种基于储备池计算的激光混沌同步保密通信系统，其特征在于：所述储备池计算模块（10）输出预测混沌载波至减法器（14），所述第四光电探测器（84）输出混沌加密信号至减法器（14），所述减法器（14）输出有用信息。

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