半导体环形激光器混沌动力学特性及其在图像加密中的应用研究
发布时间：2021-02-24 04:07
随着计算机技术的快速发展,图像加解密技术已广泛应用于人们的日常生活中。传统的基于混沌的图像加解密系统的安全性完全取决于混沌系统的性能,低维混沌系统又容易被选择明文、已知明文等常见的攻击技术破解,而高维的混沌系统又存在诸如实现成本高,运行速率低等缺点,无法满足现代通信系统对高速高带宽的安全需求。基于半导体激光器的混沌系统因为其高速、高带宽等优点得到了广泛的研究。半导体环形激光器作为一种新颖的器件,其拥有普通半导体的众多优点,易集成于芯片,且因为其环形的内腔结构使其可以同时存在两种光的传播模式,可用于并行数据处理。因此,本文将半导体环形激光器混沌系统应用于图像加解密方案中用于提高算法的安全性和加解密效率,并通过数值仿真验证了设计方案的可行性,主要研究内容如下:1.提出互耦合的半导体环形激光器混沌系统,并给出了模型结构和速率方程,通过提取自相关函数的峰值分析了注入强度、频率失谐和线宽增强因子等参数对时延特征的影响,给出了可以在可控参数的更大动态可调范围内同时获得4路高速高带宽且时延特征被有效隐藏的混沌信号的方法。2.提出了基于半导体环形激光器混沌同步系统的真随机数发生器的设计方案,通过有效结...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1两路异或方案
[17]。图1.3 延迟异或方案[20]2014 年，西南大学课题组通过互耦合半导体激光器，经过特殊后处理获得离线速率从 160Gb/s 到 2.2Tb/s 巨幅提升[18]。2015 年，西南大学课题组通过实验成功验证了速率可达 640Gb/s 的 TRNG[2]。2017 年，太原理工大学课题组利用现场可编程门阵列 FPGA、时间交错采样等方法实验证明了一个实时速率为 14Gb/s 物理随机比特发生器[71]。综上所述，很多 TRNG 的速率已经突破 Tb/s，而对同步 TRNG 的研究相对较少。因此，本文主要研究基于 SRLs 的同步 TRNG。1.2.4 图像加解密算法自从 Fridrich 第一次将混沌系统应用于图像加密算法之后[25]，基于混沌理论的图像加解密方案受到了众多学者的关注和研究[26-28]
信号的时延特征信息，我们通过分析可控参数的取值范围，并利用 ACF 来评估抑制时延特征的性能，以选取更加合适的参数取值。图2.6 互耦合 SRLs 混沌系统时序图、频谱图和自相关曲线2.4互耦合 SRLs 混沌系统时延隐蔽特征的影响因素线宽增强因子 、注入电流 、注入强度k 、注入时延 和频率失谐 等都对混沌时延特征信息有着重要的影响，本文主要研究 、k 和 对时延特征隐蔽性的影响。通过分析在不同的频率失谐和不同的注入强度等条件下的自相关函数峰值随线宽增强因子的变化曲线以及直观展示自相关函数在不同的 取值时的变化曲线，给出 在参数范围内的合理取值，以使得有效抑制输出混沌激光信号的时延特征。2.4.1 频率失谐首先，频率失谐是指两个激光器 SRL1 和 SRL2 之间的频率差。我们通过分析频率失谐在 f 10GHz, 0GHz, -10GHz 三种情况下的1 1 2, ,cw ccw cw 和2ccw 随线宽增强因子 (1 2 )的变化曲线，从而选取合适的频率失谐以有效抑制混沌激光信号的时延特征。图 2.7 所示为这三种频率失谐情况下自相关函数峰值随线宽增强因子的变化曲线， 取值为 0 到 10。图中黑色曲线代表 SRL1 和 SRL2 激光频率差等于-10GHz;
【参考文献】：
期刊论文
[1]外光注入半导体环形激光器同时产生两路宽带混沌信号[J]. 阎娟,潘炜,李念强,张力月,刘庆喜. 物理学报. 2016(20)
[2]适用于混沌密钥分发的新误码协调方法[J]. 孙圆圆,王龙生,郭龑强,王云才. 中国科技论文. 2015(14)
[3]真随机数发生器在信息安全系统中的应用[J]. 黄显明. 电子产品世界. 2015(06)
[4]半导体环形激光器高偏置电流下的动态特性[J]. 薛萍萍,杨玲珍,张建忠,张朝霞. 中国激光. 2015(02)
[5]面向高速保密通信的激光混沌物理随机数发生器研究进展[J]. 李璞,王云才. 激光与光电子学进展. 2014(06)
[6]用半导体环形激光器产生混沌信号[J]. 张鑫,袁国慧,王卓然. 强激光与粒子束. 2012(07)
[7]宽带混沌激光实现高速随机数的产生[J]. 张建忠,李璞,张英英,陈莎莎,王云才. 深圳大学学报(理工版). 2011(04)
博士论文
[1]半导体环形激光器的混沌及其同步研究[D]. 薛萍萍.太原理工大学 2015
硕士论文
[1]基于半导体环形激光器的高速双向双信道混沌保密通信研究[D]. 王顺天.西南大学 2016
[2]半导体环形激光器不可预测特性及时延信息隐藏特性研究[D]. 阎娟.西南交通大学 2015
[3]基于混沌激光产生物理真随机数的系统设计与优化[D]. 杨海波.西南大学 2015
[4]均匀随机数的线性同余生成方法[D]. 符宁.吉林大学 2007
本文编号：3048758
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1两路异或方案
[17]。图1.3 延迟异或方案[20]2014 年，西南大学课题组通过互耦合半导体激光器，经过特殊后处理获得离线速率从 160Gb/s 到 2.2Tb/s 巨幅提升[18]。2015 年，西南大学课题组通过实验成功验证了速率可达 640Gb/s 的 TRNG[2]。2017 年，太原理工大学课题组利用现场可编程门阵列 FPGA、时间交错采样等方法实验证明了一个实时速率为 14Gb/s 物理随机比特发生器[71]。综上所述，很多 TRNG 的速率已经突破 Tb/s，而对同步 TRNG 的研究相对较少。因此，本文主要研究基于 SRLs 的同步 TRNG。1.2.4 图像加解密算法自从 Fridrich 第一次将混沌系统应用于图像加密算法之后[25]，基于混沌理论的图像加解密方案受到了众多学者的关注和研究[26-28]
信号的时延特征信息，我们通过分析可控参数的取值范围，并利用 ACF 来评估抑制时延特征的性能，以选取更加合适的参数取值。图2.6 互耦合 SRLs 混沌系统时序图、频谱图和自相关曲线2.4互耦合 SRLs 混沌系统时延隐蔽特征的影响因素线宽增强因子 、注入电流 、注入强度k 、注入时延 和频率失谐 等都对混沌时延特征信息有着重要的影响，本文主要研究 、k 和 对时延特征隐蔽性的影响。通过分析在不同的频率失谐和不同的注入强度等条件下的自相关函数峰值随线宽增强因子的变化曲线以及直观展示自相关函数在不同的 取值时的变化曲线，给出 在参数范围内的合理取值，以使得有效抑制输出混沌激光信号的时延特征。2.4.1 频率失谐首先，频率失谐是指两个激光器 SRL1 和 SRL2 之间的频率差。我们通过分析频率失谐在 f 10GHz, 0GHz, -10GHz 三种情况下的1 1 2, ,cw ccw cw 和2ccw 随线宽增强因子 (1 2 )的变化曲线，从而选取合适的频率失谐以有效抑制混沌激光信号的时延特征。图 2.7 所示为这三种频率失谐情况下自相关函数峰值随线宽增强因子的变化曲线， 取值为 0 到 10。图中黑色曲线代表 SRL1 和 SRL2 激光频率差等于-10GHz;
【参考文献】：
期刊论文
[1]外光注入半导体环形激光器同时产生两路宽带混沌信号[J]. 阎娟,潘炜,李念强,张力月,刘庆喜. 物理学报. 2016(20)
[2]适用于混沌密钥分发的新误码协调方法[J]. 孙圆圆,王龙生,郭龑强,王云才. 中国科技论文. 2015(14)
[3]真随机数发生器在信息安全系统中的应用[J]. 黄显明. 电子产品世界. 2015(06)
[4]半导体环形激光器高偏置电流下的动态特性[J]. 薛萍萍,杨玲珍,张建忠,张朝霞. 中国激光. 2015(02)
[5]面向高速保密通信的激光混沌物理随机数发生器研究进展[J]. 李璞,王云才. 激光与光电子学进展. 2014(06)
[6]用半导体环形激光器产生混沌信号[J]. 张鑫,袁国慧,王卓然. 强激光与粒子束. 2012(07)
[7]宽带混沌激光实现高速随机数的产生[J]. 张建忠,李璞,张英英,陈莎莎,王云才. 深圳大学学报(理工版). 2011(04)
博士论文
[1]半导体环形激光器的混沌及其同步研究[D]. 薛萍萍.太原理工大学 2015
硕士论文
[1]基于半导体环形激光器的高速双向双信道混沌保密通信研究[D]. 王顺天.西南大学 2016
[2]半导体环形激光器不可预测特性及时延信息隐藏特性研究[D]. 阎娟.西南交通大学 2015
[3]基于混沌激光产生物理真随机数的系统设计与优化[D]. 杨海波.西南大学 2015
[4]均匀随机数的线性同余生成方法[D]. 符宁.吉林大学 2007
本文编号：3048758
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