数字混沌激光雷达

混沌激光雷达具有分辨率高、抗干扰和隐蔽性强的优点,然而受限于混沌光源的功率、线性探测器的灵敏度以及硬件带宽,其在远距离探测方面存在瓶颈。为解决这一问题,该文提出了数字混沌激光雷达(digital chaos LiDAR)的概念,并进行了理论分析与仿真验证。通过蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真,该文研究了连续混沌激光雷达(continuous-wave chaos LiDAR)、脉冲混沌激光雷达(pulsed chaos LiDAR)与数字混沌激光雷达的探测概率、虚警概率与探测距离。仿真结果表明,在探测概率大于95%,虚警概率小于5%的置信区间内,数字混沌激光雷达的探测距离相比连续混沌激光雷达与脉冲混沌激光雷达分别提高了约35倍与8倍。得益于单光子探测器的超高灵敏度与数字化输出,数字混沌激光雷达有望在远距离目标探测成像方面获得广泛应用。

混沌激光相关法测距系统的信号采集与处理

混沌激光相关法测距技术可用于汽车防撞、光纤及电缆断点检测等,其中混沌信号的快速采集、存储以及处理是重要的单元技术。基于数据采集卡设计并实现了混沌激光测距系统的数据采集与处理,利用Visual Basic平台,开发了采集、存储的控制软件,并提出和编制了平均离散消除算法以实时地实现混沌信号的高信噪比相关运算。利用该采集处理系统,实验获得了低于±0.25 m的光纤断点定位精度。

基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速产生技术研究

提出一种基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速提取方法.该方法在光域中利用锁模激光器作为光时钟,通过太赫兹光非对称解复用器完成对混沌激光的超低抖动光采样,无需射频时钟及后续逻辑处理过程的参与,经多位比较量化可直接产生优质物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型的混沌激光产生装置作为熵源对所提方法进行了原理性实验论证.结果显示,光反馈半导体激光器产生的6 GHz混沌激光经5 GSa/s实时、低抖动光采样后,利用并行输出型多位比较器对所获混沌脉冲序列进行量化处理,选取最低有效位4位,可直接产生速率达20 Gb/s的随机数.该随机数速率由选取的量化结果最低有效位数和光采样率联合决定,而当前光采样率受限于所用混沌激光熵源的带宽.本文工作可为硬件上实现更高速物理随机数的实时、在线产生提供有力的技术和理论支撑.

半导体激光器系统输出混沌激光研究进展

混沌激光由于其类噪声的随机性和优良的抗干扰性,广泛应用于混沌保密通讯、激光雷达、光学检测等方面,而且半导体激光器自身体积小且结构稳定,成为产生混沌激光的主要激光器之一。但是,常规光反馈结构的半导体激光器系统输出的混沌激光信号带宽较窄且存在延时特征,这严重影响了混沌激光的应用。针对半导体激光器系统的上述问题,本文综合介绍了降低延时特征和优化混沌激光带宽的研究进展,对混沌保密通讯十分重要的混沌激光的同步性研究进展和半导体激光器系统输出的混沌激光在应用方面的研究进行了总结,并最终对半导体激光器系统输出的混沌激光的未来发展与应用前景进行展望。

宽带混沌激光实现高速随机数的产生

报道该课题组基于宽带混沌激光实现高速随机数产生的最新研究成果.利用外光注入反馈半导体激光器产生带宽为16.8 GHz的混沌激光作为物理熵源,经比较、触发实现对混沌信号1位模数转换,硬件产生速率达2.87 Gbit/s的随机数.实验研究了通过8位模数转换提取1 Gbit/s随机数的实现方案.为突破电子器件带宽限制,实现了与光通信网络信号直接兼容加密,提出并证实了基于宽带混沌激光实现速率高达10 Gbit/s的全光随机数产生方案.上述方案产生的随机数全部通过美国国家标准与技术研究院(NIST)及国际通用随机数检测程序(ENT)的测试.

距离无关的高精度混沌激光测距

研究了利用类噪声混沌激光的相关特性实现目标距离的测定方法。数值分析了混沌激光自相关曲线的半峰全宽和旁瓣水平与表征其混沌状态的最大李雅普诺夫指数及关联维数的关系。同时,模拟研究了波形误差对混沌激光测距的影响,并分析了不同混沌态的波形误差的临界值。结果表明,具有窄半峰全宽和低旁瓣水平的自相关曲线的高维混沌激光序列是理想的测距激光,其测量分辨率可达1．5 cm以下,且波形误差容忍度大,测量范围大。在测量范围内,精度与距离无关。

光纤单信道混沌激光通信性能分析及优化方法设计

光纤通信和混沌激光通信技术在安全通信领域具有十分广泛的应用。混沌光信号在光纤信道的传输过程中会受到光纤的色散和非线性效应等因素的干扰,造成混沌同步和通信质量的下降。为此,本文通过建立光纤通信模型,提出了面向光纤单信道的混沌激光通信的对称色散补偿机制,对比在不同传输速率的条件下色散补偿策略执行前后接收机对信息恢复的处理能力,而且仿真分析了色散补偿周期对通信性能产生的影响。仿真验证了混沌光载波经色散位移光纤传输后信号的变化情况,说明通过色散补偿策略后,接收机恢复出信息的质量有显著提升。

基于混沌激光的高速随机数产生与时域反射测量技术

混沌激光作为激光器不稳定输出的一种特殊形式,具有类噪声、宽频谱特性。近年来,混沌激光在信息安全和测量领域的应用越来越受到广泛关注。结合国内外研究现状,介绍了作者所在课题组在混沌激光产生高速随机数和混沌信号时域反射测量领域的研究成果和进展,研制了高速随机数发生器和混沌光时域反射仪。

混沌激光通信网络波分复用传输系统设计

混沌激光通信网络容易受到码间干扰导致通信误码,为了提高混沌激光通信网络的信号传输质量,提出一种基于时间反转镜技术的混沌激光通信网络波分复用传输系统设计方法,构造混沌激光通信网络信道传输模型,采用时间反转技术构造混沌激光通信网络的波分复用传输模型,接收端接收到经过混沌激光信道传播的LFM信号之后,对接收信号作拷贝相关,结合时延扩展与码间干扰抑制方法进行通信信道均衡和波分复用设计。在嵌入式Visual DSP＋＋4.5平台下进行混沌激光通信网络波分复用传输系统设计,硬件设计主要有AD电路、中断电路、时钟电路和调制解调电路。系统测试结果表明,采用该系统进行混沌激光通信,通信误码率较低,失真较小,提高了混沌激光通信质量。

混沌激光对非本征光导型探测器的混沌干扰机制

在唯象理论和二能级模型下 ,根据级联非线性系统原理 ,通过求解载流子输运动力学方程的L yapunov指数 ,对混沌激光辐照下非本征光电导的混沌干扰机制进行了研究。结果表明 :混沌激光能导致非本征光电导本身的混沌现象。

混沌激光器阵列中斑图的形成与冻结

为了研究混沌激光器阵列中激光器同步行为,采用计算机数值模拟方法,对固定边界条件下的二维Lorenz-Haken激光器阵列进行了研究,发现激光器在空间上呈现出了丰富的斑图现象.实验结果表明,不同斑图的形成与激光器阵列数目大小N、激光器间耦合强度α有关.当混沌激光器阵列数目N固定时,随着激光器阵列间耦合强度的增加,激光器阵列在空间上出现的斑图依次呈现为空间无序、空间轴对称、空间中心对称状态,最终被冻结到不同的固定点,仍呈中心对称状态和空间轴对称和空间中心对称和冻结所对应的临界耦合强度αc随着激光器阵列数目大小N的增加而增加.

环链耦合非全同混沌激光器阵列中的同步

研究了由Lorenz-Haken方程所描述的混沌激光器阵列的动力学同步行为.通过对单向耦合环形激光器阵列系统Lyapunov指数谱的计算发现,环行阵列激光器间出现的间隙性位相同步、混沌位相同步、不等幅混沌旋转波、不等幅准周期旋转波、不等幅周期旋转波等各种不同动力学行为分别对应不同的Lyapunov指数谱.特别是出现了环链耦合系统的横向Lyapunov指数为负的不同耦合参数区域,在这些区域内,环上激光器的不同动力学波将在链上做空间周期性同步传输,且随着链上激光器数目的增加,不同步瞬态时间也随之增加.

利用混沌激光脉冲在线实时产生7 Gbit/s物理随机数

提出了一种基于混沌激光的在线实时产生高速物理随机数的方法,通过对连续的混沌激光进行光釆样得到离散的混沌激光脉冲序列,利用差分比较器对混沌脉冲序列进行自延迟比较,在线实时输出高速物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型混沌激光产生装置作为物理熵源,对所提方法进行了原理性实验论证,实现了实时速率为7 Gbit/s的物理随机数在线产生,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).

毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术

近年来,随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用,人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长.本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术.实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数,产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光,并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量.同时,为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化,在泵浦路中引入了时间门控技术,其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB,同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内,从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB,最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.

利用混沌激光多位量化实时产生14 Gb/s的物理随机数

提出了一种基于混沌激光多位量化的高速物理随机数实时产生方法.利用外腔反馈混沌半导体激光器作为物理熵源,通过时钟速率为7 GHz的多位模数转换器对其采样量化,生成6位有效位的二进制随机比特,然后利用现场可编程软件抽取低2位有效位的随机序列并进行自延迟异或处理,获得了实时速率为14 Gb/s的物理随机数.该随机数具有良好的统计随机性,可成功通过随机数行业测试标准(NIST SP 800-22).

混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感

提出一种基于混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感方法.采用相干长度为88.53 cm的混沌激光作为光源,结合相干域反射技术,利用可变光延迟线调节参考光光程,通过检测传感光纤不同位置的混沌布里渊散射光与参考光的干涉信号,获知整条光纤的温度信息分布.搭建实验系统,研究了注入光功率与偏振态对混沌激光布里渊散射光的特性影响.实验研究待测光纤中固定点的布里渊频移随温度的变化情况,获得1.27℃/MHz的温度系数.在长度为155 m的普通单模光纤上实现空间分辨率为1.2 m的分布式光纤温度传感测量.

混沌激光调制实现二次谐波系统混沌反控制与混沌同步

提出了利用混沌激光调制实现二次谐波系统混沌同步的方法。利用混沌激光调制泵浦场,选择合适的调制强度,可以将二次谐波系统从周期态控制到混沌态,实现光学二次谐波系统的混沌反控制。数值分析结果表明,如果两个或多个二次谐波系统的泵浦场同时被混沌激光信号调制,这些系统尽管初始条件不同,在确定的参数范围内,通过调整调制强度,可以实现两个或多个二次谐波系统混沌同步。即可以利用混沌激光调制泵浦场也可以通过调制二次谐波系统调谐参数来实现光学二次谐波系统的混沌反控制与同步,并对混沌激光调制结果与周期信号调制结果进行了比较。光学二次谐波系统的混沌反控制与同步对混沌的保密通讯研究有着一定的参考价值。

基于时延光子储备池计算的混沌激光短期预测

提出并证明了一种利用时延光子储备池计算短期预测混沌激光的时间序列.具体来说,建立基于光反馈和光注入半导体激光器的储备池结构,通过选择合适的系统参数,时延光子储备池计算可以有效地预测混沌激光约2 ns的动态轨迹.此外,研究了系统参数对预测结果的影响,包括掩模类型、虚拟节点数、训练数据长度、输入增益、反馈强度、注入强度、岭参数和泄漏率.作为一种具有全光实现潜力的机器学习方法,时延光子储备池具有结构简单、训练成本低、易于硬件实现等优点.

面向混沌激光器的高精度温控与驱动电路设计

为实现对混沌激光器温度与注入电流的高精度调节与控制,设计并制作了一套面向混沌激光器的高精度温控与直流驱动电路系统.该系统主要包括温度控制模块、直流驱动模块及上位机控制模块3部分.温度控制模块采用高控温精度的ADN8830作为主控芯片,通过设计温度补偿网络和功率放大电路,构成完整的闭环温度控制结构.直流驱动控制模块采用ADN2830作为主控芯片,结合高精度数字电位计设计串联和并联电阻电路,实现对激光器注入电流的精确控制.上位机控制模块采用串口通信方式实现对电路系统的整体控制,并利用LabVIEW语言开发了上位机自动控制系统.实验验证,电路系统温度控制精度可达0. 01℃,电流控制精度可达0. 01 mA,完全满足混沌激光器稳定运行的要求.

面向车载应用的混沌激光成像雷达抑制交叉干扰实验研究

激光雷达已经成为无人智能车必备的环境感知设备。现有基于脉冲测距体制的车载激光雷达极易受到其他车载激光雷达的交叉干扰,导致雷达虚警和误判,引发交通事故。文章利用布尔混沌信号调制激光器产生的混沌激光作为雷达探测信号,结合扫描成像技术,构建混沌激光成像雷达系统,实验实现了目标物体的三维成像,并对其抑制交叉干扰的能力进行了实验测试。实验结果表明,在不采取任何抑制干扰措施的前提下,基于布尔混沌雷达波形的正交性,仍可在高强度干扰下实现探测目标的三维重构,有效抑制交叉干扰的影响。