混沌空间光通信研究进展

随着空间通信技术的迅猛发展,人们对信息安全的需求愈发迫切。基于半导体激光器的空间激光通信凭借其终端体积小、功耗低、高带宽以及无电磁频谱约束等特点,已广泛应用于空间高速通信领域。激光混沌通信技术作为一种在物理层对空间光通信加密的安全技术手段,逐渐成为了空间光通信的研究热点。结合当前国内外自由空间光通信、混沌激光通信、混沌空间光通信的发展历程,介绍了近年来混沌空间光通信关键技术的研究进展,主要包括自由空间光通信快速跟瞄技术、混沌空间光通信大气湍流抑制技术和激光混沌空间同步技术。最后结合当前混沌空间光通信发展现状与不足,对混沌空间光通信的研究方向和可借鉴的关键技术进行了展望,旨在为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。

基于LSTM的激光混沌同步通信

针对激光混沌保密通信系统中混沌信号接收双方硬件参数难以完全匹配的问题,用长短期记忆神经网络对发射端产生的大量混沌加密信号和部分载波信号进行充分训练,最终得到一个与发射端激光器系统高度相似的神经网络模型,并用此非线性模型代替接收端进行解密,实现了2 Gbit/s的混沌同步通信。该方法明显降低了混沌同步的复杂性。探讨了不同节点数量、耦合系数以及信噪比对于同步通信的影响,结果表明同步系数可以高达0.999966,均方根误差达到10^(−3)量级,误码率低至10^(−10)量级。最后通过图像传输系统验证了方案的可行性。

延时反馈调制泵浦场实现二次谐波的混沌控制与同步

提出了利用延时反馈调制泵浦场实现恒定场泵浦二次谐波系统混沌控制与同步的方法。利用延时反馈信号调制泵浦场强度,选择合适的反馈系数和延迟时间,可以将二次谐波系统从混沌态控制到周期态。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被相同的反馈信号调制,这些系统尽管初始条件不同,在确定的参数范围内,通过调整反馈系数和延迟时间,可以实现混沌同步。这种方法可以同时实现多个二次谐波系统的混沌控制与同步,为解决利用二次谐波系统实现多路信号混沌保密通信问题打下基础。

电流调制半导体激光器的混沌及其同步

研究了电流调制半导体激光器的混沌及其同步.通过数值计算系统的最大Lyapunov指数随调制强度的变化情况,确定了激光器处于混沌态的参量区间.利用差值耦合与和值耦合两种方案实现了两激光器的混沌同步.两激光器相关系数的数值计算表明,两种方案的同步效果都很好,而和值耦合更易于实现两激光器的同步.以标准化系数为例,分析了两激光器参量不匹配对混沌同步的影响,当标准化系数的偏差保持在小范围内时,两激光器仍可达到较好的同步,而差值耦合同步的鲁棒性优于和值耦合.

简并光学参量振荡器的同步研究

通过计算简并光学参量振荡器系统的李雅普诺夫指数,证明了该系统存在混沌和超混沌吸引子,即简并光学参量振荡器是混沌系统,并得到了系统处于混沌状态时的参数取值范围。进一步,利用反馈技术实现了简并光学参量振荡器的混沌同步和周期同步,给出了反馈控制的具体形式并进行了仿真计算,理论结果与数值仿真结果一致。

基于混沌同步的参数识别

构造了一个响应系统,使之与参数未知的驱动系统结构相同,并用参数自适应控制法实现同步。在同步态,两系统的参数完全一致,控制器也自动消失,由此可以得到驱动系统的参数。以Rossler系统为例验证了该方案的可行性。

非相干光反馈与非相干光注入混沌同步通信系统仿真分析

本文对非相干光反馈与非相干光注入激光混沌同步保密通信系统进行了理论仿真研究.本系统为Pecora-Carroll混沌同步系统,基于Lang-Kobayashi速率方程,建立了发送激光器和接收激光器的理论模型.利用该模型分析了同步建立时间、同步误差,混沌键控编码/解码以及调制速率等特性.仿真结果表明系统具有很好的同步性能和保密性,混沌同步时间约为1 ns ,混沌键控编码速率可达1 Gbit/s.研究结果对非相干光反馈与非相干光注入激光混沌同步保密通信系统的设计具有重要参考价值.

两维网格空间耦合激光阵列的时空混沌同步

通过数值模拟对两维3×3单模Nd:YAG激光网格阵列的动力学行为进行了研究。阵列中的激光束在光场中通过空间的局部耦合产生相互作用,可以通过对激光参数设置进行调节。数值研究表明,在一个相对较小区域的参数范围内,当任两台激光之间的空间耦合作用距离一定时,相应的激光束的强度之间可以实现混沌同步,并且具有特点:处于次对角线或与其平行对角线的对应位置上激光都可以实现混沌同步状态。通过对该激光阵列的功率谱和李雅普诺夫指数的计算和分析,可以确信所研究的强度同步的激光系统处于混沌状态。

半导体激光器的混沌驱动同步

利用混沌驱动同步法研究了在电流调制下的半导体激光器的混沌同步。首先数值计算了系统最大Lyapunov指数随调制强度的变化情况,确定了激光器处于混沌态的参数区间。然后分别实现了同地激光器系统和异地激光器系统的混沌驱动同步。响应激光器间相关系数的数值计算表明,两种激光器系统均能达到很好的混沌同步。以三个响应激光器为例,将响应系统推广到多个激光器,并且实现了两种激光器系统的混沌同步。

一类3涡卷混沌吸引子产生与同步的研究

提出利用符号函数产生3涡卷混沌吸引子的方法,进行基本的混沌动力学分析,给出最大李雅普诺夫指数、功率谱、庞加莱映射,并基于李雅普诺夫稳定性理论,研究了两个3涡卷混沌吸引子的单向耦合同步的问题,给出3涡卷混沌吸引子产生及其同步的数值模拟结果。

分数阶简并光学参量振荡器系统的混沌及同步

构建了分数阶简并光学参量振荡器系统,利用分数阶系统稳定性理论,得到了分数阶简并光学参量振荡器系统存在混沌现象的必要条件,给出了系统在满足必要条件下的混沌吸引子。实现了分数阶简并光学参量振荡器混沌系统的混沌同步,在同步过程中并未删去响应系统的所有非线性信息,理论分析和数值研究结果的一致性表明了该方法的有效性。

激光混沌外部调制包络隐藏及相位隐藏编码方法及其在光纤保密通信中的应用研究

该文研究光纤混沌包络隐藏与光纤相位隐藏保密通信理论模型,分析包络隐藏调制解调特性,导出解码公式;分析光纤自相位调制和光功率以及光放大器个数对系统的影响,提出接入相位控制器以减小非线性相移对同步解调负面影响的设想。数值模拟了调制速率0.2Gbit/s的混沌包络隐藏编码以及调制速率0.05Gbit/s的混沌相位隐藏编码及其在波长1.55μm远程光纤数字保密通信中的应用,表明系统确具有较高的保密性能。

光纤信道对激光混沌保密通信影响的分析

激光混沌信号具有高度敏感性、复杂性和固定性,使得光纤信道对激光混沌保密通信造成了不小的影响。为此,根据激光混沌信号的同步特征,设计激光混沌保密通信模型,模型采取闭环通信原理,通信过程满足动力学单模速度函数。进行了光纤信道中色散和非线性效应对激光混沌保密通信影响的分析,通过增大激光混沌信号频率保障加载信号完整性,并在光纤信道中加入掺铒光纤放大器进行色散补偿,维持激光混沌信号同步性,增强保密通信成功率。实验结果表明,所设计的激光混沌保密通信模型能够减少光纤信道对激光混沌保密通信的影响,具有不错的保密性能和调制性能。

空间耦合多模激光平面阵列的混沌同步

对两维3×3平面型空间耦合多模激光阵列的动力学行为进行了数值模拟.研究结果表明,处于激光阵列的次对角线及平行于次对角线的配对激光对(激光2和4,激光3和7,激光6和8)之间的总强度和各对应模式的强度可以实现混沌同步,且同台激光各模式之间存在模式竞争.通过计算和分析功率谱和李雅普诺夫指数,该激光系统确实处于混沌状态.

两类混沌激光保密通信方案的性能分析

半导体激光器在外加扰动下,可以产生高维宽带的混沌激光信号,是实现高速保密通信的理想载波。数值研究了混沌调制和混沌隐藏两种信息加载方式下的混沌激光保密通信系统的性能,分析了两种信息加载方式下系统分别传输正弦信息和数字信息时的信噪比和Q因子的变化情况,研究了两种信息加载方式下系统的相关系数随调制深度的变化趋势。结果表明,不同的调制深度或调制频率/速率都会影响系统的性能,且混沌调制方式的系统性能优于混沌隐藏方式。

光学二次谐波系统混沌同步研究

根据混沌理论提出了利用耦合法实现光学二次谐波混沌同步,在一定的泵浦强度下,选取合适的反馈系数,可以将光学二次谐波混沌状态调节到混沌周期同步状态,利用MATLAB数值模拟了光学二次谐波混沌系统的同步现象.数值计算结果表明:两个系统或者是多个二次谐波系统,在相同的泵浦源强度下,选取相同的耦合参数,无论是系统的初始条件相同还是不同,单向耦合法都可以实现混沌同步,从而验证了单向耦合法的正确性,为激光保密通信提供了理论基础.

两台多模激光场强度和相位的混沌同步

对空间耦合的两台多模激光场的强度和相位的动力学行为进行了理论分析。当系统的损失受到调制时,在一定的参数范围内,两台激光输出的总强度之间会出现很好的混沌同步,两台激光的对应模式之间也出现相应的混沌同步,但不同模式之间则是完全的混沌状态,每台激光的各个模式强度之间存在模式竞争现象。每台激光场不同模式的相位和相位差之间出现有趣的关系,与强度的混沌同步存在一定的联系。

相互耦合法实现光学二次谐波系统混沌同步

提出了利用相互耦合法实现恒定泵浦场二次谐波系统混沌控制和同步的方法.利用相互耦合法,选择合适的耦合系数可以实现两个不同的初始条件下二次谐波系统的混沌周期态同步.数值计算结果表明,在一定的泵浦强度下,这两个二次谐波系统尽管初始条件不同,在确定的参数范围内,通过调整相互耦合系数,可以将两个系统从混沌状态控制到周期同步态.这种方法为实现多个二次谐波系统和高次谐波系统的混沌控制和同步打下了良好的基础,对混沌保密通信工作具有重要的意义.

基于生成对抗网络的混沌激光同步优化

提出并验证了一种基于深度学习的混沌激光同步优化方案,在共同外腔半导体激光器驱动注入同步系统中,引入生成对抗网络对初始的混沌同步信号进行优化。所提方案的主要优点在于:实现了混沌信号的时延标签抑制和复杂度提升;显著改善了混沌信号幅值分布的对称性;大幅降低了驱动端和本地端的相关性,提升了同步系统的私密性。此外,将优化后的混沌信号应用于物理熵源,在高质量混沌同步的基础上,验证了速率高达4.1 Gbit/s、误码率低于10-3的高速同步物理随机数产生。

单跨光纤长距离混沌激光保真传输实验研究

混沌激光在载波通信、密钥分发等信息安全传输领域具有巨大的应用潜力,但放大器自发辐射噪声、光纤色散以及非线性效应会降低混沌信号的保真度,进而限制单跨光纤混沌同步的距离。本文通过研究滤波器线宽、光纤色散补偿偏差以及混沌入纤功率对混沌激光传输保真度的影响,探明了单跨光纤混沌同步的极限距离,并在实验中实现了200 km单跨光纤中保真度为0.9214的混沌信号传输。以此信号为驱动,获得了同步系数为0.9043的共驱混沌同步,为长距离混沌载波通信与密钥分发的实现提供了基础。