雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器混沌同步及其混沌保密通信的理論研究_

1、西南大學(xué)碩士學(xué)位論文雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器混沌同步及其混沌保密通信的理論研究姓名：高澤超申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：光學(xué)指導(dǎo)教師：夏光瓊20100301西南大學(xué)全日制碩士學(xué)位論文摘要雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器混沌同步及其混沌保密通信的理論研究光學(xué)專業(yè)全日制碩士研究生：高澤超指導(dǎo)教師：夏光瓊教授摘要近年來(lái)，光混沌在保密通信中潛在的應(yīng)用價(jià)值引起了人們的廣泛關(guān)注。作為光通信最理想的光源半導(dǎo)體激光器，受到光反饋、光注入、光電反饋等外部微擾容易產(chǎn)生高維的混沌信號(hào)，由此人們提出了多種通信系統(tǒng)方案，比如：光反饋、光注入和光電反饋或光電耦合通信系統(tǒng)等。與光反饋和光注入通信系統(tǒng)相比，光電反饋或光電耦合通信系統(tǒng)具有對(duì)

2、相位變化不敏感、容易電控等優(yōu)點(diǎn)。然而目前的研究大多基于單向通信，而隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向、多向混沌保密通信將更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文首先對(duì)雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的同步性能以及參數(shù)失配對(duì)系統(tǒng)同步性能的影響進(jìn)行了研究，研究表明：系統(tǒng)雖然對(duì)參數(shù)失配具有較好的容忍性，但是由于發(fā)射激光器和接收激光器之間的混沌同步存在隨機(jī)超前滯后，很難應(yīng)用于實(shí)際的混沌通信?；诖?，我們提出了兩種雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器混沌同步通信系統(tǒng)：一種為雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器串聯(lián)，另外一種為雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器耦合環(huán)。對(duì)兩種系統(tǒng)的同步性能及其參數(shù)失配對(duì)同步性能的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了系統(tǒng)的混沌通信行為。研究結(jié)

3、果表明：在光電耦合半導(dǎo)體激光器串聯(lián)混沌同步通信系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)射激光器和中間激光器、接收激光器和中間激光器而言，它們之間達(dá)到滯后同步，而發(fā)射激光器和接收激光器之間達(dá)到零時(shí)滯同步，且對(duì)參數(shù)失配具有更好的容忍性。利用方法，把信號(hào)同時(shí)加載到發(fā)射激光器和接收激光器，分別從接收激光器和發(fā)射激光器中能很好的把信號(hào)解調(diào)出來(lái)。如果在發(fā)射激光器和接收激光器之間串聯(lián)個(gè)激光器，中間所有的激光器起到了中繼作用，可以大大地提高光混沌遠(yuǎn)程通信的傳輸距離；在雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器耦合環(huán)（）混沌同步通信系統(tǒng)中，雙向與單向相比，具有更好的同步性和對(duì)參數(shù)失配的容忍性。另外，我們利用方法研究了雙向系統(tǒng)通信，把的信號(hào)加入到一個(gè)激光器中

4、，能從另外一個(gè)激光器中較好的解調(diào)出來(lái)。順便指出，這種方法可以應(yīng)用于多于三個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的雙向，從而為局域通信提供了一種新的方案。關(guān)鍵詞：混沌；雙向光電耦合；半導(dǎo)體激光器；，同步；參數(shù)失配；混沌保密通信一一：，孕，（），（）、衍，仃，（），），（），艮，北，鷸己：，獨(dú)創(chuàng)性聲明學(xué)位論文題目：塑囪老電塑金坐昱佳邀堂墨遇濁回生拯墓逭濁堡窒通信的理論研究本人提交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。論文中引用他人已經(jīng)發(fā)表或出版過(guò)的研究成果，文中已加了特別標(biāo)注。對(duì)本研究及學(xué)位論文撰寫曾做出貢獻(xiàn)的老師、朋友、同仁在文中作了明確說(shuō)明并表示衷心感謝。學(xué)位論文作者：、南淬超簽字日期：。年月，

5、日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解西南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南大學(xué)研究生院（籌）可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書，本論文：口不保密，口保密期限至年月止）。學(xué)位論文作者簽名：高澤起簽字日期：加年歲月日導(dǎo)師簽名：耋乞靠簽字日期：少矽年月日第一章緒論引言在我們的物質(zhì)世界中，混沌現(xiàn)象無(wú)處不在，大到宇宙，看不到分子，原子，無(wú)不受到混沌理論的支配。混沌是一種貌似無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，即形似紊亂而

6、實(shí)則有序。如氣候變化會(huì)出現(xiàn)混沌，數(shù)學(xué)，生物，經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等等都存在混沌現(xiàn)象。因此，它打破了不同學(xué)科之間的界限，形成了一門新興科學(xué)，被譽(yù)為世紀(jì)科學(xué)將永遠(yuǎn)銘記的三件事之一?；煦绲淖畲筇攸c(diǎn)是對(duì)初始條件十分敏感（指數(shù)），即兩個(gè)完全相同的混沌系統(tǒng)，從非常相近的初始條件開(kāi)始演化，他們的軌跡很快將變的互不相干，這使得混沌信號(hào)具有長(zhǎng)期的不可預(yù)測(cè)性【。同時(shí)對(duì)于混沌系統(tǒng)又是確定的，可以由初始條件、參數(shù)和非線性方程所決定，容易使混沌信號(hào)再生【】。因此，利用混沌信號(hào)的復(fù)雜性，不可預(yù)測(cè)性和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，把它作為信息傳輸?shù)妮d體進(jìn)行保密通信。然而要實(shí)現(xiàn)混沌保密通信必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的混沌同步。所謂混沌同步，是指發(fā)射系統(tǒng)中的混

7、沌信號(hào)與接收系統(tǒng)中的混沌信號(hào)同步，且與初始條件無(wú)關(guān)。年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研究員和等人刀首次提出了混沌同步方案，并且在電路系統(tǒng)中觀察到混沌同步現(xiàn)象。因此，許多國(guó)家投入大量的人力、物力進(jìn)行研究。在理論和實(shí)驗(yàn)上取得了豐碩的成果，特別是在電混沌同步方面，先后提出多種電混沌同步的保密通信方案并且在多種電路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了混沌同步。然而，由于電路混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌載波帶寬較窄和衰減很高，在遠(yuǎn)程通信中受到了很大的限制。且產(chǎn)生的是低維混沌信號(hào)，通過(guò)重構(gòu)混沌吸引子，信號(hào)容易被竊聽(tīng)者截取，這樣大大降低了保密性。與電混沌系統(tǒng)相比，光混沌系統(tǒng)具有很大的帶寬和較低的衰減，更適合于進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，。而且混沌信號(hào)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的非常敏

8、感，容易產(chǎn)生的高維混沌信號(hào)，從而增強(qiáng)了保密性。因此對(duì)光混沌同步通信的研究將具有更高的實(shí)用價(jià)值【。半導(dǎo)體激光器價(jià)格低廉，體積和質(zhì)量較小，在受到外部微擾（如電流調(diào)制、光反饋、光電反饋、光注入）容易產(chǎn)生高維的混沌信號(hào)輸出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)方面對(duì)半導(dǎo)體激光器的混沌同步通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了多種混沌同步方案并且在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了混沌同步。與光反饋和光注入混沌同步系統(tǒng)相比，光電反饋或光電耦合混沌系統(tǒng)對(duì)相位變化不敏感、容易電控，在實(shí)驗(yàn)上容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。然而目前的研究大多基于單向通信，而隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向、多向混沌保密通信將更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?；诖?，本文對(duì)光電耦合半導(dǎo)體激光

9、器混沌同步及其混沌保密通信進(jìn)行了理論研究?；煦缁煦绲亩x及其基本特性年，李天巖旺）和約克（）首先提出了混沌一詞，由于混沌的復(fù)雜性，還沒(méi)有被人們完全認(rèn)識(shí)，至今混沌還沒(méi)有一個(gè)確定的定義。而影響最大的是李天巖和約克在周期蘊(yùn)含混沌的文章中給出混沌的一種數(shù)學(xué)定義【，現(xiàn)被人們稱為定義。描述如下：設(shè)空間上的連續(xù)自映射（），如果存在不可數(shù)集合滿足下面條件：（）不包含周期點(diǎn)。（）閉區(qū)間上存在不可數(shù)子集，使得對(duì)任意而，滿足（）對(duì)任意工，工時(shí)，有”（功一“（）（）對(duì)任意而，有！”（）刀）（）對(duì)任意和的任意周期點(diǎn)，有“（）“（，）則稱（）在上是混沌的。而此定義缺陷在于集合的勒貝格測(cè)度有可能為零，此時(shí)混沌是不可觀測(cè)的。

10、而人們真正感興趣的則是可觀測(cè)的情形，則此時(shí)有一個(gè)正的測(cè)度。年，認(rèn)為一個(gè)混沌系統(tǒng)應(yīng)具備以下三個(gè)性質(zhì)：第一，存在所有階的周期軌道；第二，存在一個(gè)不可數(shù)集合，該集合只含有混沌軌道，且任意兩個(gè)軌道既不趨向遠(yuǎn)離也不趨向接近，而是兩種狀態(tài)交替出現(xiàn)，第三，混沌軌道具有高度的不穩(wěn)定性。的描述雖然較為準(zhǔn)確地描述了混沌系統(tǒng)的特征，但是很難判斷是否是一個(gè)混沌系統(tǒng)。年，給出了混沌的另一種定義【，該定義描述如下：設(shè)為一集合。連續(xù)映射：稱為在上是混沌，如果：（）具有對(duì)初始條件的敏感依賴性。（）是拓?fù)鋫鬟f的。（）的周期點(diǎn)在中稠密。則該定義說(shuō)明混沌的映射具有不可預(yù)測(cè)性、不可分解性，規(guī)律性。這是因?yàn)閷?duì)初始條件的敏感依賴性，使得

11、混沌系統(tǒng)變得不可預(yù)測(cè)：又因?yàn)橥負(fù)鋫鬟f性使它不能被分解為兩個(gè)或者兩個(gè)以上互不影響的子系統(tǒng)；然而在混沌系統(tǒng)中確實(shí)存在規(guī)律，有非常稠密的周期點(diǎn)，即形似紊亂而實(shí)則有序。從上面的定義我們可以看出，混沌運(yùn)動(dòng)是極不穩(wěn)定有限定常運(yùn)動(dòng)，即為全局壓縮和局部不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，這里的有限定常運(yùn)動(dòng)指的是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在某種意義上并不隨時(shí)間的改變而改變，該定義指出了混沌運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)基本特征：不穩(wěn)定性和有限性，然而，混沌運(yùn)動(dòng)具有非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，它是在有限的區(qū)域軌道中做永不重復(fù)、具有無(wú)限大的周期運(yùn)動(dòng)，這使它與其他復(fù)雜現(xiàn)象相比，混沌運(yùn)動(dòng)有著獨(dú)有的特征陬粥：（）穩(wěn)定性?；煦邕\(yùn)動(dòng)軌跡始終局限于一個(gè)確定的區(qū)域里面，這個(gè)區(qū)域叫做混沌吸引子區(qū)域

12、。不管混沌運(yùn)動(dòng)怎么不穩(wěn)定，它的軌跡都不會(huì)走出這個(gè)混沌吸引子區(qū)。整體上表明混沌運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的。（）遍歷性。隨著時(shí)間變化，混沌運(yùn)動(dòng)在其混沌吸引子區(qū)域內(nèi)是可以歷經(jīng)的混沌區(qū)內(nèi)每一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。（）普適性。體現(xiàn)了混沌內(nèi)在規(guī)律，是不同系統(tǒng)趨于混沌時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的，它不會(huì)根據(jù)具體的系統(tǒng)方程或者參數(shù)變化而改變，具體為幾個(gè)混沌普適常數(shù)，如常數(shù)（）內(nèi)隨機(jī)性。在一定條件下，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，系統(tǒng)中的某個(gè)狀態(tài)可能出現(xiàn)，也可能不出現(xiàn)，則認(rèn)為系統(tǒng)具有隨機(jī)性。（）對(duì)初始條件的敏感性?；煦缦到y(tǒng)具有對(duì)初始條件極其微小變化的非常敏感而不穩(wěn)定。這一特性常被認(rèn)為是混沌的本質(zhì)特征，從而導(dǎo)致了混沌系統(tǒng)的長(zhǎng)期行為的不可預(yù)測(cè)。如果一個(gè)確定性系統(tǒng)對(duì)

13、初始條件非常敏感，就可以認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是混沌的。（）統(tǒng)計(jì)性。系統(tǒng)中，只要有一個(gè)正的指數(shù)，或具有連續(xù)功率譜等，都可以認(rèn)為這個(gè)是混沌系統(tǒng)。：通往混沌的道路和混沌的判別方法對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（平衡、周期、準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)）逐漸過(guò)渡到混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要有以下幾種刪：（）倍周期分岔進(jìn)入混沌道路系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化的周期行為是一種有序狀態(tài)，它在一定的條件下，經(jīng)倍周期分岔后逐步喪失周期行為而進(jìn)入混沌，這條道路是由和等一批科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)的。它的基本特征是：系統(tǒng)開(kāi)始處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)兩倍周期，四倍周期直到無(wú)限周期最后到達(dá)混沌吸引子。而后，發(fā)現(xiàn)了倍周期分岔中費(fèi)根包姆普適常數(shù)和【，而這兩個(gè)常數(shù)又是

14、一切倍周期分岔所共有的，它反映了倍周期分岔通向混沌的規(guī)律性，是通向混沌的主要道路之一。（）陣發(fā)（間歇）混沌道路年，法國(guó)科學(xué)家和提出陣發(fā)混沌道路，又稱為間歇混沌道路，是指系統(tǒng)從有序向混沌轉(zhuǎn)化時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)的某些參數(shù)的變化達(dá)到某一個(gè)衙街閾值時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)間行為一會(huì)呈現(xiàn)規(guī)則的周期運(yùn)動(dòng)；一會(huì)呈現(xiàn)混沌運(yùn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)繼續(xù)變化，系統(tǒng)仍然呈現(xiàn)出明顯的周期行為，但很快被短暫的突發(fā)混沌運(yùn)動(dòng)所擾亂，之后又是周期運(yùn)動(dòng)，顯現(xiàn)出忽而周期忽而混運(yùn)動(dòng)；隨著參數(shù)進(jìn)一步變化，這種突發(fā)現(xiàn)象越來(lái)越頻繁，周期運(yùn)動(dòng)幾乎完全消失，而整個(gè)系統(tǒng)就由陣發(fā)性混沌完全進(jìn)入混沌狀態(tài)。總之，除了以上兩種通向混沌道路之外，還有準(zhǔn)周期混沌道路，環(huán)面破裂混沌道

15、路，茹厄勒一塔肯斯混沌道路等許多通向混沌的方式，科學(xué)家甚至得出了“條條道路通混沌的結(jié)論。從上面知道，經(jīng)過(guò)倍周期分岔、陣發(fā)性混沌等而進(jìn)入混沌狀態(tài)，那么怎么來(lái)判斷系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)呢？這是研究混沌系統(tǒng)的一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題，主要有以下幾種判別方法（：（）功率譜方法在系統(tǒng)中，時(shí)間序列的圖像看上去是不規(guī)則的，但是功率譜圖卻可能呈現(xiàn)出規(guī)則性。該方法是利用動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值運(yùn)算結(jié)果，畫出功率譜圖，如果譜圖具有單峰（或幾個(gè)峰），則對(duì)應(yīng)周期（或準(zhǔn)周期）序列。如果沒(méi)有明顯的峰值或者峰值連成一片，則對(duì)應(yīng)混沌。（）主分量分析（分布）主分量分析（分布）方法是近來(lái)年提出的一種能有效識(shí)別混沌和噪聲的方法，該方法的主要步驟是：對(duì)

16、給定的一維時(shí)間序列，進(jìn)行相空間重構(gòu)，畫出主分量譜，混沌信號(hào)和噪聲的主分量分布之間存在著明顯的差異，對(duì)于噪聲，主分量譜是一條與軸接近平行的直線，而混沌信號(hào)的主分量譜是一條過(guò)定點(diǎn)且斜率為負(fù)的直線。（）龐加萊（）截面法對(duì)于含多個(gè)狀態(tài)變量的微分方程系統(tǒng)，我們可以采用龐加萊截面法進(jìn)行分析。力法是在相空間中適當(dāng)選取一截面（截面不軌線相切，更不能包含軌線），相空間的連續(xù)軌跡與截面的交點(diǎn)稱為截點(diǎn)，通過(guò)觀察截面上截點(diǎn)的情況來(lái)判斷，如果截面上有且僅有一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)或者少數(shù)離散點(diǎn)時(shí)，則是周期，如果截面上是一封閉曲線時(shí)，則是準(zhǔn)周期，如果截面上是一些成片的具有分形結(jié)構(gòu)的密集點(diǎn)，則是混沌。（）指數(shù)混沌的一個(gè)基本特點(diǎn)是對(duì)初始條

17、件極為敏感，兩個(gè)很靠近的初值所產(chǎn)生的軌道，隨時(shí)間推移按照指數(shù)方式分離，指數(shù)就是定量描述這一現(xiàn)象的量，它描述的是一種整體特征，其值有正，有負(fù)，也可以為零。在指數(shù)的方向上，相空間收縮，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，且對(duì)初始條件不敏感，在指數(shù)的方向上，軌道迅速分離，對(duì)初始條件極為敏感，處于混沌狀態(tài)，卸對(duì)應(yīng)一種臨界情況。如果系統(tǒng)最大指數(shù)，則系統(tǒng)一定是混沌狀態(tài)。所以，時(shí)間序列的最大指數(shù)是否大于零可以作為該時(shí)間序列是否為混沌的一個(gè)重要依據(jù)。（）頻閃采樣法對(duì)于相平面上連續(xù)軌道，每隔定時(shí)間間隔觀測(cè)一次軌道上的代表點(diǎn)（稱為采樣點(diǎn)），這樣可以得到一系列離散點(diǎn)。如果是對(duì)于穩(wěn)態(tài)，觀測(cè)到的是一個(gè)固定點(diǎn)，如果是周期，因軌道是封閉的曲線，觀測(cè)

18、到得仍是一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，如果采樣點(diǎn)是分布在一定的區(qū)域內(nèi)非常密集，并且這些點(diǎn)具有層次結(jié)構(gòu)，則相應(yīng)的是混沌。此外還有指數(shù)衰減法，代替數(shù)據(jù)法等方法然而在實(shí)際的應(yīng)用中，為了獲得更精確的結(jié)果，我們并不是只采用一種方法，而是將多種方法結(jié)合起來(lái)研究?；煦缤交煦缤降亩x混沌同步指的是對(duì)于兩個(gè)初始條件不同的混沌系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，運(yùn)動(dòng)的軌跡逐漸趨于致。比如：假設(shè)存在兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，另一個(gè)為響應(yīng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方程西南大學(xué)全日制碩上學(xué)位論文第一蘋緒論曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼鼉詈曼曼！蔓蔓曼！曼曼曼皇曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼！曼量鼉曼曼鼉量鼉曼量量量舅曼！曼！量曼曼曼曼量曼鼉曼曼！曼為：（，）。響應(yīng)系統(tǒng)

19、方程為：（，），當(dāng)一時(shí)，若專，則兩個(gè)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)同步。實(shí)現(xiàn)混沌同步的方案自年和，首先提出來(lái)的混沌同步方案以來(lái)，引起了人們廣泛的關(guān)注，掀起研究熱潮，提出了很多類型的混沌同步方案。比如：驅(qū)動(dòng)響應(yīng)同步，耦合同步，輸出反饋控制方案】：自適應(yīng)同步和外部噪聲混沌同步方法等。在這里，我們把這幾種同步方法的進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。（）驅(qū)動(dòng)響應(yīng)（）混沌同步基本思想是利用一個(gè)混沌系統(tǒng)的輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)另外一個(gè)混沌系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)混沌系統(tǒng)的同步。表明兩個(gè)系統(tǒng)是單向耦合的。第二個(gè)系統(tǒng)被第一個(gè)系統(tǒng)的行為所決定，而不會(huì)去影響第一個(gè)系統(tǒng)。原理如下：設(shè)混沌系統(tǒng)為維復(fù)合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，分解成為兩個(gè)子系統(tǒng)：石（礦，形）正緲，形）（）式中，為驅(qū)

20、動(dòng)子系統(tǒng)；為響應(yīng)子系統(tǒng)。利用作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，復(fù)制一個(gè)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)作為響應(yīng)系統(tǒng)，則表達(dá)式為：形（，。）（）假如系統(tǒng)式（）和系統(tǒng)式（）有完全相同的初始條件，兩個(gè)系統(tǒng)之間能夠保持同步。如果系統(tǒng)是從不同的初始條件出發(fā)或者其中的響應(yīng)系統(tǒng)受到外部擾動(dòng)時(shí)，響應(yīng)系統(tǒng)總是可以和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在同一條軌道上的，即卜這時(shí)，形一形，這時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到了的同步狀態(tài)。然而在實(shí)際系統(tǒng)的操作中，很難成功地構(gòu)造響應(yīng)系統(tǒng)，所以這種同步方法應(yīng)用的范圍是非常有限的。（）耦合的同步方案這種方法是在年代和等人對(duì)湍流研究時(shí)所采用的一種方法，它是通過(guò)一定的耦合方式，把兩個(gè)（兩個(gè)以上）的混沌系統(tǒng)互相耦合起來(lái)達(dá)到同步。和對(duì)線性耦合進(jìn)

21、行了一般的分析證明了：如果子系統(tǒng)之間的足夠強(qiáng)的耦合就能夠使各子系統(tǒng)的軌跡趨向于同一軌道上，即達(dá)到同步。在年，和在理論上論證了半導(dǎo)體激光器激光數(shù)字陣列系統(tǒng)的同步問(wèn)題，因此，這種同步方法對(duì)實(shí)驗(yàn)及其理論研究具有非常重要的意義。還有反饋控制方法；自適應(yīng)同步方法和外部噪聲混沌同步方法等，這里就不在介紹了，可以參考相應(yīng)的文獻(xiàn)。它們都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是它們之間也存在著一定的聯(lián)系，因此可以采用多種方法相結(jié)合進(jìn)行研究。激光器混沌同步的研究概況西南大學(xué)全日制碩士學(xué)位論文第一蘋緒論在通信中，由于電路系統(tǒng)中帶寬的限制以及高的損耗。近年來(lái)，激光混沌引起了人們研究的熱潮。研究表明，在各種激光器系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了激光器輸出

22、呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、周期、準(zhǔn)周期和混沌現(xiàn)象。于是人們開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)到激光混沌通信。與電通信相比，光通信具有更大的帶寬以及較小的傳輸損耗，可以彌補(bǔ)電路混沌通信缺點(diǎn)，非常適合于遠(yuǎn)程通信。而且系統(tǒng)對(duì)參數(shù)非常敏感，可以產(chǎn)生高維混沌信號(hào)，柏。因此具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。自從年激光器問(wèn)世時(shí)，人們就發(fā)現(xiàn)激光器具有不穩(wěn)定的輸出，直到年代，這一現(xiàn)象才被人們引起重視。年。對(duì)方程進(jìn)行坐標(biāo)變換，把一個(gè)均勻加寬單模半導(dǎo)體激光器的非線性耦合方程組化為了大氣湍流中的模型，預(yù)言將出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。年，等人首先在激光器中發(fā)現(xiàn)并證實(shí)模型中的模型有激光混沌現(xiàn)象，在進(jìn)一步研究中，得出了許多激光混沌的性質(zhì)【。在激光超混沌研究方面，國(guó)外也有人報(bào)

23、道了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換延時(shí)反饋產(chǎn)生激光超混沌行為的現(xiàn)象。而我國(guó)也有許多研究成果。年，學(xué)者方錦清提出了利用復(fù)數(shù)洛倫茲一哈肯系統(tǒng)及其高階級(jí)聯(lián)系超混沌系統(tǒng)。年，西北大學(xué)的張紀(jì)岳和吳順光通過(guò)對(duì)一個(gè)注入激光系統(tǒng)研究理論分析了激光超混沌行為。在混沌同步研究方面，年，和首先在激光系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了激光混沌同步。同年，等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)了激光混沌同步。等人分別于年、年實(shí)現(xiàn)了注入和延遲反饋激光器混沌系統(tǒng)同步，隨后幾個(gè)研究小組分別利用分布反饋半導(dǎo)體激光器（）、垂直腔面發(fā)射激光器（）、激光二極管、可調(diào)諧激光器（），環(huán)形激光器（）和摻鉺光纖激光器（）等的激光混沌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了激光器混沌同步【弛。年，等人利用混沌同步方法在摻釹釩酸釔（：）

24、激光器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定激光混沌同步【】；同年，和分別在分布式反饋半導(dǎo)體激光器（）之間和垂直腔面發(fā)射激光器（）之間實(shí)現(xiàn)了混沌同步，并研究了反饋系數(shù)、延遲時(shí)間和頻率失諧對(duì)同步性能的影響【。年，等人利用自脈動(dòng)激光二極管實(shí)現(xiàn)了激光混沌同步，并從理論上分析了系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的同步誤差；同年，和等人提出了激光器開(kāi)環(huán)激光混沌同步系統(tǒng)，從理論上研究了激光相位以及激光器內(nèi)部參數(shù)失配對(duì)系統(tǒng)同步性能的影響；和等人從實(shí)驗(yàn)證實(shí)了單向耦合開(kāi)環(huán)光反饋激光器光混沌同步和兩個(gè)可調(diào)諧激光器跳?；煦缤?，并對(duì)系統(tǒng)的同步性能進(jìn)行分析；等人從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了單向耦合閉環(huán)光反饋激光器光混沌同步【。年，等人從實(shí)驗(yàn)上研究了兩個(gè)外

25、腔光反饋多模半導(dǎo)體激光器之間的單向耦合注入的混沌同步，并分析了各主要模式的動(dòng)態(tài)行為以及同步性能情沉【】；同年等人在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了多個(gè)發(fā)射系統(tǒng)輸出的光混沌載波與接收系統(tǒng)相互注入的混沌同步，為光混沌波分復(fù)用的實(shí)現(xiàn)提供了可能；和等人在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了光電反饋半導(dǎo)體激光器混沌同步。年，許多研究小組從理論上和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步對(duì)光反饋半導(dǎo)體激光器混沌系統(tǒng)、光注入半導(dǎo)體激光器混沌系統(tǒng)和非相干光反饋半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)等激光混沌系統(tǒng)的混沌同步特性進(jìn)行較為深入的研究，分析并討論了各種激光混沌系統(tǒng)同步區(qū)域、同步類型以及對(duì)參數(shù)失配的容忍性，。近年來(lái)，人們開(kāi)始將目光投向雙向通信和多個(gè)激光器（激光器串聯(lián)和網(wǎng)狀連接）混沌同步特性的研究

26、。，這些都為激光混沌在保密通信中的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)證明和理論基礎(chǔ)。激光混沌在保密通信中的研究概況激光混沌同步被實(shí)現(xiàn)以后，激光混沌保密通信的思想也隨之提出，年，等人提出激】光混沌數(shù)字通信的思想，隨后，在年等人提出全光注入混飩同步系統(tǒng)和全光延時(shí)反饋混沌系統(tǒng)，并研究了模擬通信和數(shù)字通信，分析了同步誤差和系統(tǒng)參數(shù)的影響，在理論上實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)比特率為的隨機(jī)方波信號(hào)的保密通信，。年，等人通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)果表明在光反饋半導(dǎo)體激光器激光混沌同步保密通信系統(tǒng)中，加密信號(hào)經(jīng)傳輸長(zhǎng)度公里光纖介質(zhì)后，信號(hào)能夠較好地恢復(fù)，在年從實(shí)驗(yàn)上，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果，年，一些學(xué)者相繼提出一些激光混沌通信體。

27、系，并研究混沌調(diào)制下信號(hào)對(duì)系統(tǒng)同步性的影響，。年，和乙等人進(jìn)一步數(shù)值模擬分析了光纖的非線性效應(yīng)和加載信號(hào)的比特率對(duì)系統(tǒng)混沌同步性的影響，。年，等人利用混沌隱藏調(diào)制（）方法和混沌同步解調(diào)方法，在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了方波在外腔光反饋閉環(huán)半導(dǎo)體激光器混沌同步保密通信系統(tǒng)的編碼和解碼【引。年，等人建立了非線性光纖環(huán)振蕩器系統(tǒng)的激光混沌通信體烈。提出了非相干光反饋半導(dǎo)體激光器的混沌同步通信系統(tǒng)。年，等人在外腔光反饋?zhàn)⑷氚雽?dǎo)體激光器混沌系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)上觀察到了正弦信號(hào)被調(diào)制到混沌載波后，經(jīng)信道傳輸后，在接受激光器端，通過(guò)濾波器信號(hào)能夠成功地恢復(fù)。在半導(dǎo)體激光器的混沌保密通信系統(tǒng)中采用附加調(diào)制（），等人從理論上和

28、實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)非歸零碼信號(hào)的保密通信【】。年，提出采用摻餌光纖激光器同步通信系統(tǒng)中，研究了光纖傳輸對(duì)混沌通信系統(tǒng)的影響鯽】。年，分析了多模半導(dǎo)體激光器的混沌同步通信方案，提出了利用多模半導(dǎo)體激光器進(jìn)行波分復(fù)用的設(shè)想【引，鯽。同年，一些學(xué)者研究了雙信道的外腔半導(dǎo)體激光器混沌光通信系統(tǒng)陋】。而近年來(lái)，人們把更多的目光投向了多信道激光混沌保密通信，對(duì)其進(jìn)行了深入的分析。雖然在過(guò)去的十幾年里，人們對(duì)激光混沌通信從理論上和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了大量的研究，也取得了豐碩的成果，但是在實(shí)際的運(yùn)用中，也存在著許多問(wèn)題。主要有以下幾個(gè)方面：（）噪聲干擾。在實(shí)際傳輸中，混沌信號(hào)受到噪聲的干擾是不可避免的。由于混沌信號(hào)對(duì)對(duì)

29、初始條件非常敏感，噪聲的干擾將會(huì)直接影響混沌系統(tǒng)的同步性能，在混沌同步通信中，傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲和傳輸過(guò)程中光纖的非線性效應(yīng)和色散效應(yīng)，都有可能影響混沌系統(tǒng)的同步性能，甚至使系統(tǒng)失去同步，因此我們必須采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)降低或消除接受到的信號(hào)中的噪聲成分。（）參數(shù)匹配。嚴(yán)格的從理論上講，混沌系統(tǒng)對(duì)參數(shù)匹配要求很高，參數(shù)匹配越精確，混沌通信的保密程度也就越高。而在實(shí)際中，根本不可能做到兩個(gè)參數(shù)或者多個(gè)參數(shù)精確匹配的系統(tǒng)。因而在混沌同步通信中，選擇一種較好的混沌同步方法，使系統(tǒng)在一定程度的參數(shù)失配下，仍具有較好的同步性。（）提高抗干擾和抗破譯的能力。目前研究較多的混沌加密和混沌流密碼方案，這只是利用

30、了混沌信號(hào)對(duì)初始條件敏感性，還沒(méi)有進(jìn)一步利用全部的混沌信號(hào)。研究結(jié)果表明，將超混沌系統(tǒng)（具有兩個(gè)或者兩個(gè)以上正的指數(shù)）幾個(gè)混沌系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，或者通過(guò)混沌數(shù)字化，混沌編碼等方式，這些都可以大大增加竊聽(tīng)的難度，提高保密程度。隨著人們對(duì)混沌的不斷深入研究，混沌同步和混沌保密通信技術(shù)將會(huì)在其他領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用。（）信道干擾。目前對(duì)混沌同步的研究基本上是理想信號(hào)，而實(shí)際的應(yīng)用中，任何一種傳輸信道，在傳輸過(guò)程中都有衰減，比如：相位的線性和非線性失真。在無(wú)線移動(dòng)通信中，可能還存在多徑衰落和多普勒效應(yīng)，當(dāng)混沌信號(hào)通過(guò)這樣的信道時(shí)，就會(huì)發(fā)生畸變。怎樣消除這一因素的影響，將是一個(gè)重要的研究課題。本文研究的內(nèi)容與目的激光混沌在保密通信中的潛在應(yīng)用引起了人們廣泛的關(guān)注，而半導(dǎo)體激光器因重量輕、體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在光注入、光反饋、光電反饋等外部微擾下容易產(chǎn)生混沌輸出而成為人們研究的熱點(diǎn)。目前這方面還是處于初級(jí)階段，在實(shí)際的應(yīng)用中，還是存在許多問(wèn)題。本文從雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器混沌同步以及混沌保密通信進(jìn)行了研究，全文共五章。第一章，我們對(duì)混沌、混沌同步等基礎(chǔ)知識(shí)做了簡(jiǎn)要的歸納和總結(jié)，并對(duì)激光混沌同步和激光混沌在保密通信中的研究