无人机大容量混沌空间激光安全应急通信系统设计方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，涉及无人机应急安全通信技术领域，具体涉及一种无人机大容量混沌空间激光安全应急通信系统设计方法。


背景技术：

2.由于激光的单色性好，自由空间激光通信(free-space-optical，fso)传输距离远，所以被有的学者研究运用于应急无人机通信中。然而，应急情况下无人机通信的信息大部分都是保密信息，所以对无人机激光通信之间传输的数据进行加密显得尤为重要。
3.混沌技术具有初值敏感性高，随机性强的特点，成为近几年网络安全和图像加密等技术的热点研究话题。但是还未发现有人将混沌加密技术运用于无人机应急激光通信中。因此，目前亟需一种能够将混沌加密技术运用于无人机应急激光通信中，保证无人机之间信息传递安全性的方法。与此同时，随着越来越多的设备接入互联网，带宽资源紧缺是现代通信技术急需解决的一个关键问题，所以该方法还需解决无人机应急通信技术上宽带容量问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机大容量混沌空间激光安全应急通信系统设计方法，在应急情况下，用无人机进行混沌激光通信的物理层信息传输加密，从而实现无人机应急大容量保密通信。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种无人机大容量混沌空间激光安全通信系统设计方法，具体包括以下步骤：
7.s1：分别将1个激光器、马赫-增德尔调制器(mzm)、光电探测器(pd)、延时线和第一电放大器组成一个单环的光电混沌产生装置，用于产生混沌信号；
8.s2：在发射端，将携带信息m(t)的外调制信号通过耦合器与光电混沌产生装置进行耦合，将信息进行加密；在接收端，利用另一个耦合器首先接收到经过加密的信号，分成上下两路，一路进入第2光电探测器进行探测，探测到的是混沌信号 信息m(t)，同时，另一路进入第3光电探测器，获得混沌信号 信息m(t)，此混合信号再次经过一个mzm进行调制生成一个和发射端光电混沌产生装置中的mzm一样的混沌信号，经过第4光电探测器探测下来；最后将第2光电探测器和第4光电探测器的信号进行相减，则恢复出需要加密的有用信息m(t)；
9.s3：在发射端，将n个单环的光电混沌产生装置串联起来，形成n级混沌信号产生装置，然后配备n个外调制信号进行传输和加密；
10.s4：在接收端，为每路信号配上一个混沌同步装置，对信号进行恢复。
11.进一步，步骤s3中，在发射端，经过耦合器的形成的加密信号为：
12.13.并且并且
14.其中，x1(t)，x1(t)，...，xn(t)分别表示1～n个产生的混沌信号以及β
m1
，β
m2
，...，β
mn
分别表示各自的放大系数；m1(t)，m2(t)，...，mn(t)分别表示需要加密的n个信号；(t)分别表示需要加密的n个信号；和分别为第n个滤波器的高频和低频频率；gn为环路放大增益，β
mn
是第n个信息的放大幅度，t1，t2，...，tn为控制各级混沌的延时(即tn为第n级的相位延时)，φn为对应的相位关系。
15.进一步，步骤s4中，在接收端，上路探测到的信号为：
[0016][0017]
其中，yn(t)为接收端产生的第n个混沌信号，g
′n为接收端放大增益，in(t)为光电探测器灵敏度，
[0018]
下路探测到的信号为：
[0019][0020]
其中，sn、s
′n分别是第n级上路和下路中光电探测器的探测灵敏度；如果要实现发射和接收混沌信号的同步，需要xn(t)＝yn(t)；i
′n＝in；考虑g
′n＝gn，s
′n＝sn，φ
′n＝φn；则有同步方程
[0021][0022]
本发明的有益效果在于：本发明将混沌技术和无人机通信结合，运用于应急场景
中。本发明提供一种大容量的混沌保密无人机应急激光通信技术，在传统光电混沌系统的基础上，首先提出一种环路n级混沌信号发生装置，然后用n个激光器外调制信息搭配n级混沌系统，对通信进行大容量保密传输。
[0023]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0024]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0025]
图1为典型的光电混沌产生装置；
[0026]
图2为基于传统混沌信息发送和同步装置；
[0027]
图3为本发明提出的n路混沌系统串行环路产生装置；
[0028]
图4为本发明无人机应急混沌激光大容量通信发送与接收同步结构图；
[0029]
图5为n＝1时进行混沌仿真的结果，其中图5(a)为所产生的混沌波形，图5(b)为所产生波形的电谱；
[0030]
图6为n＝2时进行混沌仿真的结果，其中图6(a)为所产生的混沌波形，图6(b)为对应x1所产生波形的电谱。
具体实施方式
[0031]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0033]
请参阅图1～图6，本发明设计了无人机大容量混沌空间激光安全应急通信系统设计方法，具体包括以下步骤：
[0034]
步骤1：将激光器、马赫-增德尔调制器(mzm)、光电探测器(pd)、延时线组成如图1的光电混沌产生结构。通过现有混沌通信系统研究，图1的光电混沌产生系统可以表示为：
[0035]
[0036]
式(1)中，x(t)是产生的混沌信号，τ＝1/2πfh，θ＝1/2πf
l
(fh和f
l
分别是滤波器的高频和低频频率)，g是环路增益，t是控制环路的延时，φ是产生的相位关系，并且u可以表示为
[0037]
步骤2：在步骤1的基础上，分别将n个激光器、mzm、pd、延时线组成如附图2的形式。其中一个激光器、mzm、pd、延时线组成一套混沌信号产出和控制装置，并将n套这样的设备串联起来，形成了n级混沌信号产生装置。这样组成混沌信号的好处在于：此环路结构是最简单的混沌信号产生环路结构，并且能够和n路激光器信号传输相适配，同时混沌的安全性分别由这n套混沌产生系统共同控制，假设一套系统的密钥是k，则组成的环路系统的密钥则为kn，大大提升了安全性。
[0038][0039]
s3：如图3所示，将一个环路(由激光器2、mzm2、耦合器1、延时1、探测器1(pd1))组成的光电混沌产生装置。当电放大器增益达到阈值，由于mzm的非线性作用，环路产生了一个动态随机的混沌信号。激光器1发出的激光通过mzm1外调制的方式，将需要传输的信号调制到激光器1的光场上。携带信息的光场通过耦合器1与图2中的光电混沌产生装置进行耦合，将信息进行加密。此时，在发射端完成了光电混沌的加密过程。在接收端，耦合器2首先接收到经过加密的信号，分成上下两路，一路之间进入探测器2进行探测，探测到的是混沌信号 信息m(t)，同时，另一路进入光电探测器3，也获得了混沌信号 信息m(t)，此混合信号再次经过mzm3进行调制生成一个和mzm2一样的混沌信号，经过光电探测器4探测下来。最后将光电探测器2和光电探测器4的信号进行相减，便恢复出了需要加密的有用信息m(t)。具体理论可以表示为如下：
[0040]
经过耦合器1的信号可以表示为：
[0041][0042]
式(3)中的βm＝πp1/2v
π
是信息的放大幅度。在接收端，上路的光信息被光电探测器2探测，可以表示为：
[0043][0044]
下路信号被延时
→
探测
→
放大
→
调制
→
再探测，所得到的信号可以表示为：
[0045]fm
(t)＝s
′
{gi cos2[x(t) φ] βm(t)}-sg
′i′
cos2[y(t) φ
′
]
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0046]
这里s和s’是光电探测器2和4的探测灵敏度参数。如果要实现发射和接收混沌信号的同步，则需要x(t)＝y(t)，i’(t)＝i(t)，考虑g’＝g、s’＝s、φ＝φ’，便存在：
[0047]fm
(t)＝sβmm(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0048]
s4：综上所述，将混沌信号的产生装置由单环路扩展到了n级，然后配备n个外调制信号进行传输和加密，如图4左边部分所示。图4右边为接收装置，同时为每路信号配上一个混沌同步装置，对信号进行恢复。通过上述分析，图4便实现了无人机之间多路信号同时加密传输，进而实现了主干路上的大容量保密通信。
[0049]
实施例：
[0050]
对系统进行混沌信号产生的数字仿真，首先模拟基础的混沌产生系统，即只有一个环路的时候(n＝1)。公式(1)中的参数具体设置如表1所示，对混沌系统进行模拟仿真，结果如图5所示。图5(a)为n＝1时的波形图，图5(b)为此时对应的电谱图，可以看出其电谱存在不同的频率分量，且均匀，所以产生的信号具有很高的随机性和不确定性。
[0051]
表1系统参数设置(n＝1)
[0052][0053]
本发明所提供的无人机应急混沌加密技术中环路的级数(n)可以进行无限扩充。由于计算机计算力有限，本实验就再对n＝2进行模拟。所用参数如表2所示，且得到了混沌信号x1(t)和x2(t)的波形图如图6(a)所示。通过测试，x1(t)和x2(t)的电路图非常类似，所以就选取x1(t)计算其电谱图，如图6(b)所示。从图6中可以看，所产生的混沌信号与上述情况比较有增强的效果，比如波形进入混沌状态的速度更快，电谱图表现也更加均匀。
[0054]
表2系统参数设置(n＝2)
[0055][0056]
下面具体讲解一下核心的同步技术细节，发射和接收结构图如图4所示：上方为两个无人机，左边为n路光电混沌信号产生以及耦合方式，右边为配套接收装置，这样便组成一个n路激光传输装置，可以同时进行n路信息，将加密信道容量扩充到n倍。具体的操作流程：从发射端可以看出是由n套上述混沌产生和发送装置组合而成。具体的形式可以表示为如下：
[0057][0058]
这里，x1(t),
…
,xn(t)分别表示1～n个产生的混沌信号以及β
m1
,
…
,β
mn
分别表示各自的放大系数；m1(t),
…
,mn(t)分别表示需要加密的n个信号。从上面的叙述可以看出，此结构为图2和n个独立信号传输融合在一起。具体的解密是本发明的核心，由于发射端的环形混沌产生装置是一个动态稳定的过程，所以所需传输的信号需要发射端和接收端实现混沌
动态同步。所以，每一路混沌信号的发送装置均需与下一路混沌产生装置配对。具体来讲，就是图4中发射装置和接收装置中，对于的放大器增益、调制器特征曲线、延时要分别相等，这样才能实现n路信号的同步过程。具体来说，就是图4中，放大器1a＝放大器1b，以及后续的2a＝2b，
…
，na＝nb。基于同样的原因，调制器1a的特征曲线应该等于调制器1b，2a＝2b，
…
，na＝nb。同时延时也应该有对应的关系，延时1a＝延时1b，
…
，na＝nb。只有这样，发送端和接收端才能实现混沌同步，解出发送的n路信号。这样便实现了n路无人机应急混沌激光大容量通信技术。
[0059]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。