CN113014318B - 一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法及系统，通过外光注入和光反馈两种方式使半导体激光器产生混沌，利用结构相同的主激光器和从激光器实现混沌同步，同时采用了数字加密技术——利用洛伦兹系统产生的混沌信号作为密钥对明文信息进行加密，再将密文隐藏在混沌载波中进行传输，实现双重加密。同时，本发明还采用了具有自愈特性的艾里光束进行自由空间光通信，可以有效地克服较小的障碍物和抗击大气湍流扰动，改善通信性能。

Description

一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域的光传输技术，尤其涉及一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法及系统。

背景技术

随着互联网技术和通信技术的高速发展，多媒体通信逐渐成为人们生活中必不可少的组成部分，人们可以在网络环境里进行交流和贸易等。然而，传统的通信技术无法满足日益繁杂的无线通信业务与急速增长的用户数，发掘出大容量的信息传输方式成为燃眉之急。当前，一种新的无线光通信传输技术异军突起——自由空间光(Free Space Optical，FSO)通信。其原理与光纤传输的原理基本一致，不过FSO技术可以将携带信息的光束直接通过空气或真空传输到目的地，无需有线传输介质，同时FSO通信还具有频谱不受限、传输速率高等优点，十分适合大容量通信。

不可否认，数字信息与网络给人类的日常生活带来了意想不到的便捷；但在另一方面，它也带来了极大的安全隐患：个人隐私、用户信息以及商业机密等可能会被窃取、篡改和非法传播等。经分析论证，由于FSO通信信道的开放性，不法分子可以在不阻断光束传播的前提下窃听信号，加强深入研究FSO通信的保密方法和技术刻不容缓。目前，最常用的便是混沌保密通信，混沌激光保密通信是依靠物理层面上的硬件加密技术，可以通过外光注入、光反馈和光电反馈三种方式控制半导体激光器产生混沌，将信息藏匿于类似噪声的混沌信号中进行传输，只有当接收方具有参数匹配的接收机才可破解混沌系统，从中提取出需要的信息，而窃听者只会收到类似噪声的混沌信号。在数字加密体系中，我们也可以利用混沌加密算法对信息文件加密。其原理是对混沌系统产生的具有优良随机性的混沌信号作为密钥序列，利用该序列对明文信息进行加密编码，经信道传输后，接收端可以通过输入正确的密钥把信息从密文中提取出来。混沌激光保密通信和利用混沌加密算法都可以有效地提升通信系统的安全性。

同时，在FSO通信中通过大气通道传输的高斯光束极易受到大气湍流或障碍物的影响而降低通信系统的性能。由此，人们发现了一种具有横向加速、无衍射和自愈特性的艾里光束，这三种特性使得它能够有效地抵抗较小的障碍物和抗击大气湍流扰动，实现障碍物周围自弯曲信号传输。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法，通过外光注入和光反馈两种方式使半导体激光器产生混沌，利用结构相同的主激光器和从激光器实现混沌同步，同时采用了数字加密技术——利用洛伦兹系统产生的混沌信号作为密钥对明文信息进行加密，再将密文隐藏在混沌载波中进行传输，实现双重加密。同时，本发明还采用了具有自愈特性的艾里光束进行自由空间光通信，可以有效地克服较小的障碍物和抗击大气湍流扰动，改善通信性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法，包括如下步骤：

由主激光器通过光反馈方式产生第一混沌激光；利用调制器将已进行DSP加密的信号加载到混沌载波上，光束放大后进入自由空间信道，由分束器反射至空间光调制器把传统高斯光束调制成艾里光束，再反射回传输信道；

在接收端再用空间光调制器将艾里光束解调成高斯光束注入到光纤中，高斯光束分为两束，其中一束单向注入到与主激光器参数相同的从激光器中实现混沌激光的同步；另外一束进入示波器与同步产生的混沌载波相减即可得出DSP已加密的信号，随后进行DSP解密得出正确信息。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，主激光器发射出的激光通过光耦合器将光束分为两束，其中一束激光经过反射镜反射，再利用衰减器调节其强度反馈回主激光器，形成第一混沌激光。

进一步地，对信号进行DSP加密采用基于洛伦兹系统的混沌加密算法，流程如下：

首先对二进制数据进行星座映射，得到原始三维星座点图；再采用洛伦兹模型映射得到混沌序列，进而产生相对应的掩蔽向量对三维的星座点进行掩蔽，得到四层加密后星座点图；经过整形滤波器后将三路信号合成一路进入传输信道，在接收端利用与整形滤波器相对应的匹配滤波器组将得到的信号再分成三路进行处理，采用加密时相对应的掩蔽向量来对加密后的星座进行恢复；最后按映射规则将星座点坐标解映射，得到发射端发送的二进制数据信号。

进一步地，洛伦兹模型为：

dx/dt＝σ(y-x)

dy/dt＝x(ρ-z)-y

dz/dt＝xy-βz

式中，σ，ρ，β是常量，x，y，z，t为变量。

进一步地，艾里光束在自由空间中的解析表达式为：

式中，

是一个无量纲的横向坐标，x₀为任意值，

为归一化的纵向传播距离，湮灭因子b＞0；

对上式作傅里叶变换得到艾里光束在k空间的表达式为：

k空间的分布是高斯分布与三次相位分布叠加组成。

本发明还提供了一种双重加密的可绕障自由空间光通信系统，系统包括主激光器；从激光器；第一、第二反射镜；第一、第二衰减器；第一调制器；第一、第二光放大器；第一、第二准直器；第一、第二分束器；第一、第二空间光调制器；第一、第二光耦合器；第一、第二光电探测器；

主激光器发射出激光到达第一光耦合器，第一光耦合器将光束分为两束，一束激光经过第一反射镜反射，再利用第一衰减器调节其强度，反馈回主激光器，产生混沌激光；混沌载波在传输过程中顺次经过第一调制器、第一光放大器，光束通过第一准直器进入自由空间信道，由第一分束器反射至第一空间光调制器，调制后的光束再被反射回传输信道；光束继续被第二反射镜反射至第二分束器，由第二空间光调制器调制后经第二准直器、第二光放大器、第二衰减器传输到第二光耦合器中；第二光耦合器连接有两个光电探测器；光束经第二光耦合器分为两束，其中一束单向注入到从激光器产生第二混沌激光，然后传输到第一光电探测器中；另外一束光直接进入到第二光电探测器；两个光电探测器将光信号转化为电信号并传入示波器；随后进行DSP解密得出正确信息。

进一步地，主激光器发射出激光经过第一偏振控制器到达第一光耦合器；经第二光耦合器输出的其中一束光经过第二偏振控制器注入从激光器中。

进一步地，第一光耦合器为1×2的光耦合器；第二光耦合器为2×2的光耦合器。

本发明的有益效果是：本发明以自由空间光传输技术为基础，通过外光注入和光反馈两种方式使半导体激光器产生混沌，利用结构相同的主激光器和从激光器实现混沌同步，实现物理层面上的硬件加密；同时利用洛伦兹系统产生的混沌信号作为密钥对明文信息进行加密，再将密文隐藏在混沌载波中进行传输。整体来说将硬件加密技术与算法加密技术相结合，进一步增强了FSO传输系统的保密性能。此外，本发明还采用了具有自愈特性的艾里光束进行通信，可以有效地克服较小的障碍物和抗击大气对激光通信信号的干扰，达到改善通信性能的目的。

附图说明

图1为本发明的双重加密的可绕障自由空间光通信方法的流程框图；

图2为本发明的混沌激光的产生和同步模型；

图3为本发明的基于洛伦兹模型的混沌加密算法框图；

图4为本发明的原始三维星座点图；

图5为本发明的洛伦兹模型；

图6为本发明的加密后的星座点图；

图7为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在本发明中，我们提出了一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法，不仅采用了物理层面上的混沌激光加密方法对激光进行加密，同时还利用数字领域中的高维洛伦兹混沌系统构成序列密码对信息进行加密，我们将两种加密方法结合极大幅度地提升了通信传输的安全性。此外，在本申请中还采用了新型的结构光束即艾里光束进行自由空间光通信，利用艾里光束的自愈特性可以有效地抵抗较小的障碍物和抗击大气湍流扰动，改善FSO系统通信性能。

如图1所示，本发明提供了一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法，选用半导体激光器作为主激光器产生第一混沌激光(图中的混沌激光1)，传输过程中利用马赫曾德尔调制器将已进行DSP加密的信号加载到混沌载波上，之后传入空间信道；光束传输回到光纤后接收端选用与主激光器规格一致的从激光器形成第二混沌激光(混沌激光2)的同步。光电探测器将接收到的光信号转化成电信号传入示波器，一束是混沌激光1经DSP加密后的信号，另一束是同步的混沌激光2，利用减法器即可得出DSP加密后的信号，最后再进行DSP解密得出正确信息。

该系统方案各个方面的具体工作流程如下所述：

(1)混沌激光的产生和同步：

如图2所示是混沌激光的产生和同步模型。为了使系统简单明了，本实施例中选用了常见的半导体激光器作为混沌激光源，采用了光反馈和单向光注入两种方式实现混沌激光的产生与同步。光反馈方式产生混沌激光，利用普通的反射镜将激光器输出的一路激光反馈回主激光器，通过衰减器调节反馈光的强度使主激光器受到反馈光的扰动，激光器的稳态被破坏从而进入混沌状态，输出混沌激光单向注入到参数与主激光器接近完全相同的从激光器中，实现混沌同步。由于混沌载波和信息只是简单叠加，而且混沌载波的幅度远远大于信息，因此混沌同步理论上只会“复制”混沌载波、忽略信息。

(2)DSP算法流程

如图3所示是基于洛伦兹系统的混沌加密算法框图。首先对二进制数据进行星座映射得到如图4所示的原始三维星座点图，再采用如图5所示的洛伦兹模型映射得到混沌序列进而产生相对应的掩蔽向量对三维的星座点进行掩蔽，可以得到图6所示的星座点分布类似一个“悠悠球”的四层加密后星座点图。经过整形滤波器整形滤波后送入传输信道，之后进入与之对应的匹配滤波器组中得到整形滤波前的信号，再采用加密时相对应的掩蔽向量来对加密后的星座进行恢复。最后按映射规则将星座点坐标解映射，得到发端发送的二进制数据信号。其中洛伦兹系统的动力学方程为：

dx/dt＝σ(y-x)

dy/dt＝x(ρ-z)-y

dz/dt＝xy-βz

式中，σ，ρ，β是常量，x，y，z，t为变量。x，y，z是所产生的三维混沌序列，都是随着t的变化而变化的，在本发明中xyz是用来加密的混沌序列，并没有实际的物理意义。

(3)艾里光束

艾里光束在自由空间中的解析表达式为：

对这个式子作傅里叶变换可以得到艾里光束在k空间的表达式为：

从该表达式可以看出艾里光束的频谱为高斯型，但其中包含了立方相位因子。因此它的分布是高斯分布与三次相位分布叠加组成的。在本发明中我们将传统的线偏振高斯光束入射到具有立方相位膜片的空间光调制器中进行调制，调制后的光束经傅里叶透镜变换后即可转变为艾里光束，在接收端也是同样的逆过程将艾里光束解调成高斯光束。在空间信道传输过程中，利用艾里光束的无衍射和自愈等特性，可以有效地抵抗较小的障碍物和抗击大气湍流扰动，实现障碍物周围自弯曲信号传输。

如图7所示，本发明还提供了一种双重加密的可绕障自由空间光通信系统，系统包括主激光器；从激光器；第一、第二反射镜；第一、第二衰减器；第一调制器；第一、第二光放大器；第一、第二准直器；第一、第二分束器；第一、第二空间光调制器；第一、第二光耦合器；第一、第二光电探测器；

主激光器发射出激光经过第一偏振控制器到达第一光耦合器，第一光耦合器将光束分为两束，一束激光经过第一反射镜反射，再利用第一衰减器调节其强度，反馈回主激光器，产生混沌激光；混沌载波在传输过程中顺次经过第一调制器、第一光放大器，光束通过第一准直器进入自由空间信道，由第一分束器反射至第一空间光调制器，调制后的光束再被反射回传输信道；光束继续被第二反射镜反射至第二分束器，由第二空间光调制器调制后经第二准直器、第二光放大器、第二衰减器传输到第二光耦合器中；第二光耦合器连接有两个光电探测器；光束经第二光耦合器分为两束，其中一束经过第二偏振控制器单向注入到从激光器产生第二混沌激光，然后传输到第一光电探测器中；另外一束光直接进入到第二光电探测器；两个光电探测器将光信号转化为电信号并传入示波器；随后进行DSP解密得出正确信息。

在本发明的一个实施例中，整个系统实现双重加密的可绕障自由空间光通信流程为：选用半导体激光器作为主激光器，它发射出波长为1550nm恒定功率的输出光在光纤内传输，通过一个1×2的光耦合器将光束分为两束，一束激光经过第一反射镜反射再利用第一衰减器调节其强度反馈回主激光器，主激光器的稳态将被破坏，产生混沌激光；传输过程中利用马赫曾德尔调制器将已进行DSP加密的信号加载到混沌载波上，光束放大后通过第一准直器进入自由空间信道，由第一分束器反射至空间第一光调制器把原先的传统高斯光束调制成艾里光束，再反射回传输信道，在自由空间光传输中可以缓解大气湍流扰动、抵抗较小的障碍物；在接收端再用第二空间光调制器将艾里光束解调成高斯光束注入到光纤中，信号经放大调节后通过一个2×2的光耦合器分为两束，其中一束单向注入到与主激光器参数相同的从激光器中实现混沌激光的同步，另外一束进入示波器与同步产生的混沌载波相减即可得出DSP已加密的信号，随后进行DSP解密得出正确信息。

本发明以自由空间光传输技术为基础，通过外光注入和光反馈两种方式使半导体激光器产生混沌，利用结构相同的主激光器和从激光器实现混沌同步，实现物理层面上的硬件加密；同时利用洛伦兹系统产生的混沌信号作为密钥对明文信息进行加密，再将密文隐藏在混沌载波中进行传输。整体来说将硬件加密技术与算法加密技术相结合，进一步增强了FSO传输系统的保密性能。此外，本专利还采用了具有自愈特性的艾里光束进行通信，可以有效地克服较小的障碍物和抗击大气对激光通信信号的干扰，达到改善通信性能的目的。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双重加密的可绕障自由空间光通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

由主激光器通过光反馈方式产生第一混沌激光；利用调制器将已进行DSP加密的信号加载到混沌载波上，光束放大后进入自由空间信道，由分束器反射至空间光调制器把传统高斯光束调制成艾里光束，再反射回传输信道；

在接收端再用空间光调制器将艾里光束解调成高斯光束注入到光纤中，高斯光束分为两束，其中一束单向注入到与主激光器参数相同的从激光器中实现混沌激光的同步；另外一束进入示波器与同步产生的混沌载波相减即可得出DSP已加密的信号，随后进行DSP解密得出正确信息；

对信号进行DSP加密采用基于洛伦兹系统的混沌加密算法，流程如下：

首先对二进制数据进行星座映射，得到原始三维星座点图；再采用洛伦兹模型映射得到混沌序列，进而产生相对应的掩蔽向量对三维的星座点进行掩蔽，得到四层加密后星座点图；经过整形滤波器整形滤波后送入传输信道，然后进入匹配滤波器组中得到整形滤波前的信号，再采用加密时相对应的掩蔽向量来对加密后的星座进行恢复；最后按映射规则将星座点坐标解映射，得到发射端发送的二进制数据信号。

2.根据权利要求1所述的双重加密的可绕障自由空间光通信方法，其特征在于，主激光器发射出的激光通过光耦合器将光束分为两束，其中一束激光经过反射镜反射，再利用衰减器调节其强度反馈回主激光器，形成第一混沌激光。

3.根据权利要求2所述的双重加密的可绕障自由空间光通信方法，其特征在于，洛伦兹模型为：

dx/dt＝σ(y-x)

dy/dt＝x(ρ-z)-y

dz/dt＝xy-βz

式中，σ，ρ，β是常量，x，y，z，t为变量。

4.根据权利要求1所述的双重加密的可绕障自由空间光通信方法，其特征在于，艾里光束在自由空间中的解析表达式为：

式中，Ai()表示艾里函数，

是一个无量纲的横向坐标，x₀为任意值，

为归一化的纵向传播距离，湮灭因子b＞0；

对上式作傅里叶变换得到艾里光束在k空间的表达式为：

k空间的分布是高斯分布与三次相位分布叠加组成。

5.一种双重加密的可绕障自由空间光通信系统，其特征在于，系统包括主激光器；从激光器；第一、第二反射镜；第一、第二衰减器；第一调制器；第一、第二光放大器；第一、第二准直器；第一、第二分束器；第一、第二空间光调制器；第一、第二光耦合器；第一、第二光电探测器；

主激光器发射出激光到达第一光耦合器，第一光耦合器将光束分为两束，一束激光经过第一反射镜反射，再利用第一衰减器调节其强度，反馈回主激光器，产生混沌激光；混沌载波在传输过程中顺次经过第一调制器、第一光放大器，光束通过第一准直器进入自由空间信道，由第一分束器反射至第一空间光调制器，调制后的光束再被反射回传输信道；光束继续被第二反射镜反射至第二分束器，由第二空间光调制器调制后经第二准直器、第二光放大器、第二衰减器传输到第二光耦合器中；第二光耦合器连接有两个光电探测器；光束经第二光耦合器分为两束，其中一束单向注入到从激光器产生第二混沌激光，然后传输到第一光电探测器中；另外一束光直接进入到第二光电探测器；两个光电探测器将光信号转化为电信号并传入示波器；随后进行DSP解密得出正确信息。

6.根据权利要求5所述的双重加密的可绕障自由空间光通信系统，其特征在于，主激光器发射出激光经过第一偏振控制器到达第一光耦合器；经第二光耦合器输出的其中一束光经过第二偏振控制器注入从激光器中。

7.根据权利要求5所述的双重加密的可绕障自由空间光通信系统，其特征在于，第一光耦合器为1×2的光耦合器；第二光耦合器为2×2的光耦合器。

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