本发明公开了一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，通过内外两级光混沌系统实现对保密信息的高速、安全保密传输。在基于马赫曾德尔调制器构造的光电反馈混沌同步系统上，发送端、接收两端利用由外级光混沌驱动的相位调制器、色散部件组成形成非线性相位‑强度变换，对反馈回路中的混沌信号实现二次扰乱，构成相位编码加密系统，确保了混沌信号在传输中无法被直接窃取破解的问题。本发明系统引入的相位调制器、色散部件的关键参数成为决定混沌系统同步质量好坏的关键参数，所述关键参数的引入大大扩展了系统的安全密钥空间，使系统的安全性得到增强，进一步增加了窃听者进行破解的难度，提高了保密通信的安全性。
1.一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，包括：发送端、接收端；
所述发送端包括：光反馈混沌单元、第一耦合器、第一光电探测器、第一相位调制器、第一色散部件、第一可调增益、第二光电探测器、第二CW激光器、第一马赫曾德尔调制器，强度调制器、第二耦合器、波分复用器，所述光反馈混沌单元的输出端连接至第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端连接至波分复用器的输入端，所述第一 耦合器的第二输出端连接至第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接至第一相位调制器的第一输入端，第一相位调制器的第一输出端连接至第一色散部件的输入端，所述第一色散部件的输出端连接至第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出端连接至第二可调增益的输入端，第二可调增益的输出端连接至第一马赫曾德尔调制器的第一输入端，第二CW激光器输出端连接至第一马赫曾德尔调制器是第二输入端，第一马赫曾德尔调制器的输出端连接至强度调制器的输入端，强度调制器的输出端连接至第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端连接至波分复用器的输入端，第二耦合器的第二输出端连接至第一相位调制器的第二输入端；
所述接收端包括：第三光电探测器、解波分复用器、第二相位调制器、第二色散部件、第四光电探测器、第二可调增益、第三CW激光器、第二马赫曾德尔调制器、第三耦合器，具体连接关系为：发送端的波分复用器的输出端连接至解波分复用器的输入端，所述解波分复用器的输出端分别连接至第三光电探测器的输入端、第三耦合器的输入端，所述第三光电探测器的输出端和第三耦合器的第一输出端均连接至第二相位调制器的输入端，第二相位调制器的输出端连接至第二色散部件的输入端，第二色散部件的输出端连接至第四光电探测器的输入端，第四光电探测器的输出端连接至第二可调增益的输入端，第二可调增益的输出端连接至第二马赫曾德尔调制器的第一输入端，第三CW激光器的输出端连接至第二马赫曾德尔调制器的第二输入端，第二马赫曾德尔调制器的输出端和第三耦合器的第二输出端均连接至相减解调单元的输入端；所述光反馈混沌单元输出的光混沌信号为外级光混沌信号；所述第一可调增益、第二光电探测器、第二CW激光器、第一马赫曾德尔调制器组成了发送端光电反馈环混沌单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，所述光反馈混沌单元包括反射镜、第一CW激光器，具体连接关系为：反射镜的输出端连接至第一CW激光器的输入端，第一CW激光器的输出端连接至第一耦合器的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，所述第一耦合器输出的两路光混沌信号相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，发送端光反馈混沌单元发出的光混沌信号经第一耦合器、第一光电探测器发送至第一相位调制器作为驱动密钥。
5.根据权利要求1所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，接收端接收的光混沌信号经过解波分复用后发送至第三光电探测器，经过第三光电探测器发送至第二相位调制器作为驱动秘钥。
6.根据权利要求1所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，所述第一相位调制器在光电反馈环混沌单元的回路中引入新的相频分量，然后通过第一色散部件完成相位变化到强度变化的非线性变换，从而对光混沌信号进行二次扰乱，实现相位编码加密。
7.根据权利要求6所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，相位编码加密后的光混沌信号经过光电反馈环混沌单元发送至强度调制器，强度调制器将待发送的保密信息通过混沌调制方式调制至混沌载波上，然后经过第二耦合器、波分复用器与第一耦合器输出的光混沌信号一起发送至接收方端。
8.根据权利要求1所述的一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，其特征在于，所述第二相位调制器、第二色散部件、第四光电探测器、第二可调增益、第三CW激光器、第二马赫曾德尔调制器共同组成接收端混沌同步系统， 所述接收端混沌同步系统将第三耦合器第一输出端输出的光混沌信号进行非线性相位‑强度变换，在设定的参数条件下完成混沌同步输出混沌同步信号，同时第三耦合器第二输出端输出的解波分复用后的光混沌信号与混沌同步信号输入至相减解调单元，相减解调出保密信息。
一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统
技术领域
[0001] 本发明涉及混沌保密通信技术领域，更具体地，涉及一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统。
背景技术
[0002] 混沌保密通信是以高度随机的类噪声光混沌信号作为载波或加密器件驱动信号，在物理层上实现对传递信息的加密，合法接收端通过混沌同步的方式产生高度相似的混沌光信号，从而进行保密信息的提取。混沌保密通信具有传输速率高、距离远、可靠性高等优点，且易与目前光通信系统相兼容。混沌通信通过在发收两端通过使用具有高度相似的结构、工作参数的激光器、相对称的系统构造，达到混沌信号的同步，同步的效果影响着保密信息的正确恢复的程度。因此，在混沌通信系统中，关键参数信息的安全性、传输带宽的增大、以及同步系统的稳定性一直是研究的重点。
[0003] 关键参数信息如激光器的结构参数、工作参数、混沌系统的反馈时延等共同构成了一组密钥空间。当窃听者不清楚具体参数的情况下，仅能通过“穷举”的方式进行盲目的选择，在没有找到正确的参数以达到混沌同步的情况下，无法正确提取保密信息。所以使密钥空间足够大，可以保证通信系统的安全性。但据众多研究表明，对混沌输出信号的输出强度、相位进行自相关、互信息计算时会被暴露出反馈时延信息，其输出频谱上也会在驰豫振荡频率上表现出对时延大小倒数的调制。使得窃听者可以通过上述方法得到这一关键信息，使密钥空间大小大大缩小，严重威胁了通信系统的安全信。针对这一问题，很多学者进行了对时延信息进行隐藏的研究，有些研究未能成功在输出强度、相位、频谱上都实现对时延信息的隐藏，有些研究在对时延信息进行削弱的，也大大增加了系统的复杂度、使系统的同步质量下降。所以在有效保证时延信息消除的同时保证混沌系统稳健的鲁棒性是研究的关键。此外，实现更高速的混沌通信目前有两种途径，一是通过调制方式进行研究，通过高阶调制或其他更前沿的调制方式，在有限的带宽内加载更多的信息，但其中很多有信息恢复质量不高的问题。二是通过对混沌带宽进行扩大，以满足承载更高速率信号的要求，这个方向上得到了广大学者的大量研究，产生了多种对混沌带宽进行扩大的方式，但很多研究在扩大带宽的同时，也增加了系统结构上的复杂度，难以与目前光通信系统兼容，提高了混沌保密通信的商业代价。
[0004] 在现有技术中，公开号为CN111245595A的中国发明专利，于2020年6月5日公开了一种基于混沌随机密钥分发的光学保密通信系统，发送端中的混沌同步密钥分发模块从混沌信号中提取得到真随机密钥并用于驱动光学编码保密通信模块工作，光学编码保密通信模块对待传输的保密数据进行光学编码将其转换为保密通信信号，波分复用器将混沌信号和保密通信信号复用后通过传输光纤发送到接收端中；接收端中的波分复用解复用器将接收的复用信号进行解复用，得到混沌信号和保密通信信号，混沌同步密钥接收模块通过调整参数使其与发送端对应的参数相匹配，实现接收端与发送端的混沌同步，得到真随机密钥并用于驱动光学解码保密通信模块工作，光学解码保密通信模块对接收的时域类随机噪声信号进行解码，得到原始的保密数据。该方案没有实现双双混沌保密。
发明内容
[0005] 本发明为克服上述现有的保密通信系统安全性低的缺陷，提供一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统。
[0006] 本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，包括：发送端、接收端；
[0008] 所述发送端包括：光反馈混沌单元、第一耦合器、第一光电探测器、第一相位调制器、第一色散部件、第一可调增益、第二光电探测器、第二CW激光器、第一马赫曾德尔调制器，强度调制器、第二耦合器、波分复用器，所述光反馈混沌单元的输出端连接至第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端连接至波分复用器的输入端，所述耦合器的第二输出端连接至第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接至第一相位调制器的第一输入端，第一相位调制器的第一输出端连接至第一色散部件的输入端，所述第一色散部件的输出端连接至第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出端连接至第二可调增益的输入端，第二可调增益的输出端连接至第一马赫曾德尔调制器的第一输入端，第二CW激光器输出端连接至第一马赫曾德尔调制器是第二输入端，第一马赫曾德尔调制器的输出端连接至强度调制器的输入端，强度调制器的输出端连接至第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端连接至波分复用器的输入端，第二耦合器的第二输出端连接至第一相位调制器的第二输入端；
[0009] 所述接收端包括：第三光电探测器、解波分复用器、第二相位调制器、第二色散部件、第四光电探测器、第二可调增益、第三CW激光器、第二马赫曾德尔调制器、第三耦合器，具体连接关系为：发送端的波分复用器的输出端连接至解波分复用器的输入端，所述解波分复用器的输出端分别连接至第三光电探测器的输入端、第三耦合器的输入端，所述第三光电探测器的输出端和第三耦合器的第一输出端均连接至第二相位调制器的输入端，第二相位调制器的输出端连接至第二色散部件的输入端，第二色散部件的输出端连接至第四光电探测器的输入端，第四光电探测器的输出端连接至第二可调增益的输入端，第二可调增益的输出端连接至第二马赫曾德尔调制器的第一输入端，第三CW激光器的输出端连接至第二马赫曾德尔调制器的第二输入端，第二马赫曾德尔调制器的输出端和第三耦合器的第二输出端均连接至相减解调单元的输入端。
[0010] 进一步的，所述光反馈混沌单元包括反射镜、第一CW激光器，具体连接关系为：反射镜的输出端连接至第一CW激光器的输入端，第一CW激光器的输出端连接至第一耦合器的输入端。
[0011] 进一步的，所述光反馈混沌单元输出的光混沌信号为外级光混沌信号。
[0012] 进一步的，所述第一耦合器输出的两路光混沌信号相同。
[0013] 进一步的，发送端光反馈混沌单元发出的光混沌信号经第一耦合器、第一光电探测器发送至第一相位调制器作为驱动密钥。
[0014] 进一步的，所述第一可调增益、第二光电探测器、第二CW激光器、第一马赫曾德尔调制器组成了发送端光电反馈环混沌单元。
[0015] 进一步的，接收端接收的光混沌信号经过解波分复用后发送至第三光电探测器，经过第三光电探测器发送至第二相位调制器作为驱动秘钥。
[0016] 进一步的，所述第一相位调制器在光电反馈环混沌单元的回路中引入新的相频分量，然后通过第一色散部件完成相位变化到强度变化的非线性变换，从而对光混沌信号进行二次扰乱，实现相位编码加密。
[0017] 进一步的，相位编码加密后的光混沌信号经过光电反馈环混沌单元发送至强度调制器，强度调制器将待发送的保密信息通过混沌调制方式调制至混沌载波上，然后经过第二耦合器、波分复用器与第一耦合器输出的光混沌信号一起发送至接收方端。
[0018] 进一步的，所述第二相位调制器、第二色散部件、第四光电探测器、第二可调增益、第三CW激光器、第二马赫曾德尔调制器共同组成接收端混沌同步系统所述接收端混沌同步系统将第三耦合器第一输出端输出的光混沌信号进行非线性相位‑强度变换，在设定的参数条件下完成混沌同步输出混沌同步信号，同时第三耦合器第二输出端输出的解波分复用后的光混沌信号与混沌同步信号输入至相减解调单元，相减解调出保密信息。
[0019] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0020] 本发明通过在发送端和接收端均引入相位调制器和色散部件构成相位编码加密系统，利用其非线性相位‑强度变换特性实现对混沌同步系统的二次扰乱加密，当窃听者无法得知上述相位调制器、色散部件等关键部件的驱动密钥、器件参数时，将无法对窃取到得到内级光混沌信号进行相同的二次变换，从而无法实现混沌同步进而窃取保密信息，光电反馈环混沌单元完成相位调制器的驱动密钥生成及远程分发，使其具有真随机的物理特性，使得窃听者几乎无法通过算法等手段对其进行破译，进一步提升了系统的安全性。
附图说明
[0021] 图1为本发明一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统框图。
[0022] 图2为本发明光反馈混沌单元原理框图。
[0023] 图3为本发明光电反馈环混沌单元原理框图。
具体实施方式
[0024] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0025] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0026] 实施例1
[0027] 如图1所示，一种基于双混沌相位编码加密的保密光通信系统，包括：发送端、接收端；
[0028] 所述发送端包括：光反馈混沌单元、第一耦合器、第一光电探测器、第一相位调制器、第一色散部件、第一可调增益、第二光电探测器、第二CW激光器、第一马赫曾德尔调制器，强度调制器、第二耦合器、波分复用器，所述光反馈混沌单元的输出端连接至第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的第一输出端连接至波分复用器的输入端，所述耦合器的第二输出端连接至第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接至第一相位调制器的第一输入端，第一相位调制器的第一输出端连接至第一色散部件的输入端，所述第一色散部件的输出端连接至第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出端连接至第二可调增益的输入端，第二可调增益的输出端连接至第一马赫曾德尔调制器的第一输入端，第二CW激光器输出端连接至第一马赫曾德尔调制器是第二输入端，第一马赫曾德尔调制器的输出端连接至强度调制器的输入端，强度调制器的输出端连接至第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端连接至波分复用器的输入端，第二耦合器的第二输出端连接至第一相位调制器的第二输入端；
[0029] 所述接收端包括：第三光电探测器、解波分复用器、第二相位调制器、第二色散部件、第四光电探测器、第二可调增益、第三CW激光器、第二马赫曾德尔调制器、第三耦合器，具体连接关系为：发送端的波分复用器的输出端连接至解波分复用器的输入端，所述解波分复用器的输出端分别连接至第三光电探测器的输入端、第三耦合器的输入端，所述第三光电探测器的输出端和第三耦合器的第一输出端均连接至第二相位调制器的输入端，第二相位调制器的输出端连接至第二色散部件的输入端，第二色散部件的输出端连接至第四光电探测器的输入端，第四光电探测器的输出端连接至第二可调增益的输入端，第二可调增益的输出端连接至第二马赫曾德尔调制器的第一输入端，第三CW激光器的输出端连接至第二马赫曾德尔调制器的第二输入端，第二马赫曾德尔调制器的输出端和第三耦合器的第二输出端均连接至相减解调单元的输入端。
[0030] 需要说明的是，本发明中光反馈混沌单元作为发送端的外级光反馈混沌，所述第一可调增益、第二光电探测器、第二CW激光器、第一马赫曾德尔调制器组成了发送端光电反馈环混沌单元(如图3所示)，光电反馈环混沌单元作为发送端的内级光混沌，如图2所示，所述光反馈混沌单元包括反射镜、第一CW激光器，具体连接关系为：反射镜的输出端连接至第一CW激光器的输入端，第一CW激光器的输出端连接至第一耦合器的输入端。所述光反馈混沌单元输出的光混沌信号为外级光混沌信号。
[0031] 需要说明的是，所述第一耦合器输出的两路光混沌信号相同。
[0032] 在一个具体的实施例中，第一CW激光器输出的光信号经由合适时延、强度下经反射镜反馈至第一CW激光器形成光混沌信号，所述光混沌信号输入至第一耦合器，第一耦合器的输出分为两路，一路经第一光电探测器发送至第一相位调制器作为其驱动密钥，另一路发送至波分复用器与第二耦合器输出的已调光混沌信号发送至接收端；
[0033] 其中，在内级光混沌中，利用第一马赫曾德尔调制器的非线性调制特性与在合适的反馈强度下形成混沌信号，该方法实现的混沌信号较传统光反馈形成的光混沌信号具有带宽大、功率谱平坦等特点，更有利于实现高速混沌通信，第一相位调制器在内级光混沌反馈回路中引入新的相频分量，然后通过第一色散部件完成相位变化到强度变化的非线性变换，从而对光混沌信号进行二次扰乱，实现相位编码加密，相位编码加密后的光混沌信号经过光电反馈环混沌单元(内级光混沌反馈)发送至强度调制器，强度调制器将待发送的保密信息通过混沌调制方式调制至混沌载波上，然后经过第二耦合器、波分复用器与第一耦合器输出的光混沌信号一起发送至接收方端。
[0034] 接收端接收的光混沌信号经过解波分复用后发送至第三光电探测器，经过第三光电探测器发送至第二相位调制器作为驱动秘钥。进一步的，所述第二相位调制器、第二色散部件、第四光电探测器、第二可调增益、第三CW激光器、第二马赫曾德尔调制器共同组成接收端混沌同步系统所述接收端混沌同步系统将第三耦合器第一输出端输出的光混沌信号进行非线性相位‑强度变换，在设定的参数条件下完成混沌同步输出混沌同步信号，同时第三耦合器第二输出端输出的解波分复用后的光混沌信号与混沌同步信号输入至相减解调单元，相减解调出保密信息。
[0035] 相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
[0036] 附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0037] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
