双延时反馈光电振荡系统产生混沌激光的动力学特性 下载: 836次
1 引言
混沌信号具有不可长期预测性和类噪声特性,在保密通信[1-2]、激光雷达[3-4]、激光测距[5]和快速随机数发生器[6-7]等领域有广泛的应用。激光混沌因其具有宽频谱高速率的优点而备受关注。激光混沌的产生方式主要有光注入、光反馈、光电反馈和基于非线性器件的光电延迟反馈,其中基于非线性器件的光电延时反馈方式具有更高的频谱带宽、更灵活的调节方式,且与现有光通信网络兼容等优点,受到较多关注[8-9]。
基于马赫-曾德尔调制器(MZM)的光电振荡器(OEO)是较常见的混沌激光产生方式。这种OEO具有结构简单、频谱平坦和带宽较宽等优点,因此相关研究较多。Callan等[10]指出,OEO产生的宽带混沌信号可用于分布式传感网络和基于混沌的测距设备;Vicente等[11]研究发现,OEO混沌激光的复杂度随着增益系数的增加而增加。随着相关研究的不断深入和计算机技术的高速发展,这种基础的基于OEO产生的混沌激光复杂度已不足以对抗某些针对该系统的破解方法。比如窃听者可通过时间序列分析提取混沌时延特性,重构OEO系统[12-13],威胁混沌激光保密通信安全。因此,针对基础的OEO混沌发生系统,人们提出了许多改进方案以提高混沌激光复杂度,从而提高混沌激光保密通信的安全性。如将两个OEO级联在一起,将第一级OEO产生的混沌激光代替原本恒定功率的激光注入第二级OEO的MZM中,使第二级OEO产生的混沌激光参数发生动态变化[14]。但这种方法额外引入了另一整套振荡器结构,结构复杂,限制条件较多,难以推广应用。
利用掺铒光纤放大器(EDFA)将输出激光重新注入MZM,产生具有动态变化参数的混沌激光信号,在不过多增加器件的前提下实现了OEO参数的动态变化,且引入了额外的时间延迟,使系统可以实现更高的混沌复杂度,这在一定程度上掩盖了混沌信号的时间延时特性,提高了系统的实用性。
2 理论模型
混沌系统方案如
该系统的非线性器件MZM的输出特性为[15]
式中:
原OEO系统方程为
式中:
式中:
由(3)式可知,OEO的混沌输出为
原光电振荡器输出端的混沌光输出经过3 dB耦合器等分成两束光,其中一束光通过EDFA放大后,与连续激光器发出的静态固定功率激光耦合,再次进入MZM进行非线性调制,产生混沌激光。设光路反馈的延迟时间为
由(4)式和(5)式可得
令
为便于数值仿真,令
使用自相关函数分析双延时混沌系统的延时特性[12],自相关函数定义为
式中:
排列熵算法为:对于一组长度为
排列熵定义为
排列熵的参数设置为:嵌入维度
3 数值分析
3.1 时域分析
采用龙格-库塔法对(8)式进行数值求解,讨论系统中两个延时时间和增益系数对系统产生的混沌信号动力学特性的影响。对于通信系统,不可预测度越高,说明传输载波信号的安全性越强, 窃听者准确获得有效信息越困难。因此,增强混沌载波信号的不可预测度,可以提高信息传输的安全性。
仿真时取
图 2. (a)单反馈混沌系统时域图;(b)放大图
Fig. 2. (a) Time-domain diagram of the OEO chaotic system with single feedback; (b) detail for Fig. 2(a)
图 3. (a)双反馈混沌系统时域图;(b)放大图
Fig. 3. Time-domain diagram of the OEO chaotic system with double feedback; (b) detail for Fig. 3(a)
图 4. (a)单反馈混沌系统分叉图;(b)双反馈混沌系统分叉图
Fig. 4. Chaotic bifurcation diagrams of (a) single feedback OEOchaotic system and (b) double feedback OEO chaotic system
3.2 频谱和时延信息分析
图 5. 不同T1和T2组合下功率谱和自相关函数变化。(a)功率谱;(b)自相关函数
Fig. 5. Variation of power spectrum and autocorrelogram under different combinations of delay time T1 and T2. (a) Power spectrum; (b) autocorrelogram
由
图 6. 原OEO、双延时OEO和动态参数OEO的时延特征随增益系数的演化
Fig. 6. Evolution of time-delay signature of the original OEO, double delay OEO and variable parameter OEO with the gain
3.3 混沌复杂度分析
设原OEO和动态参数振荡器的参数
图 7. 原OEO、双延时OEO和动态参数OEO的排列熵对比
Fig. 7. Comparison of permutation entropy of the original OEO, double delay OEO and variable parameters OEO
双延时混沌激光系统的排列熵在不同延时时间组合下的演化如
此时方程右边的第二项以余弦的四次方出现,其峰值仍为1,对系统的扰动更加明显,而当
图 8. 双延时混沌激光系统的排列熵在不同组合延时时间下的演化
Fig. 8. Evolution of the permutation entropy of the double-delay chaotic laser system with different combinations of two delay time
图 9. 双延时混沌激光系统的排列熵在两个增益不同组合下的演化
Fig. 9. Evolution of the entropy of the double-delay chaotic laser system with different combinations of two gains
3.4 系统参数对比
表 1. 系统参数对比
Table 1. Comparison of system parameters
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4 结论
将OEO的输出通过一条延迟光路反馈到MZM中,使原OEO的增益系数发生动态变化,同时给系统多引入一个时间延时,使系统输出更复杂的混沌激光信号。改进后系统输出的混沌信号排列熵更高,当光路延时与光电反馈延时相等时,系统混沌输出的排列熵出现峰值,原本明显的时延信息也得到较好掩盖。以上特性有利于构建更高安全性的混沌保密通信系统。而且增加一个光路反馈延时,原本无法产生混沌的参数区间也进入了混沌,进入混沌的路径增加,系统的实用性提高。
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