基于相位-幅度转换和数字混沌密钥的光混沌保密通信理论与实现技术研究

The safety of optical communication system is threatened by the development of fiber eavesdropping technology. Chaotic secure communication technology are gaining increasing concerns in recent years. However, there are certain key issues in optical chaos communications: 1) the confliction between the safety of the device parameters and the robustness of chaotic synchronization, 2) the confliction between the system safety and the implementation complexity, 3) the confliction between the system safety and the encryption/decryption speed. In this project, a novel chaos secure communication scheme based on phase-intensity transform and digital chaotic keys will be proposed, a secure communication system with large key space and high transmission rate will be designed and implemented. This project bears its own originalities as following: 1) a novel chaos mask scheme based on phase-intensity transformation is proposed and chaos synchronization is no longer needed, 2) a novel wideband phase chaos source without statistical signature is presented based on the principle of multi-delay and mutual coupling, 3) combing with digital chaos technology, a secure communication system model with large key space, controllable key sensitiveness, and the ability to hide the digital key stream, is presented. Therefore, research results of this project will have great theoretical significance and practical values for the development of chaos secure communications.

光纤窃听技术的发展使得光纤通信的安全性面临前所未有的威胁。混沌保密技术作为新型加密技术之一在国内外得到了广泛和深入的研究，但光混沌保密通信普遍存在如下关键问题：器件参数安全性和混沌同步鲁棒性之间的矛盾、光混沌系统的安全性与混沌同步实现复杂性之间的矛盾、系统加解密速度和安全性之间的矛盾。围绕这些挑战，本项目提出一种基于相位-幅度转换和数字混沌密钥的新型保密通信体制；设计并实现无统计特征、大密钥空间的高速率混沌保密光通信系统。本项目的特色与创新在于：1）基于光学混沌信号的相位-幅度转换机理，实现无需混沌同步的混沌掩盖机制；2）基于多延迟互耦合的思路，设计无统计特征的宽带相位光学混沌源；3）结合数字混沌系统，基于所提出的相位-幅度转换混沌掩盖机制，设计大密钥空间、密钥敏感度可控且能够隐藏数字密钥流的抗攻击保密通信体制。本项目的研究对于混沌保密技术的发展具有重要的科学意义和实际应用价值。

光纤窃听技术的发展使得光线通信的安全性面临前所未有的威胁。混沌保密技术作为新型加密技术之一在国内外得到了广泛和深入的研究。但光混沌保密通信普遍存在如下关键问题：器件参数安全性和混沌同步鲁棒性之间的矛盾、光混沌系统的安全性与混沌同步实现复杂性之间的矛盾、系统加解密速度和安全性之间的矛盾。围绕这些挑战，本项目提出一种基于相位-幅度转换和数字混沌密钥的新型保密通信体制；设计并实现无统计特征、大密钥空间的高速率混沌保密光通信系统。本项目具体完成的研究包括：1）研究了基于相位-幅度转换的光混沌保密通信理论，提出了一种基于光耦合相位混沌系统和相位-幅度转换机制的波分复用安全通信方式，能够在波分复用的场景下实现高速光混沌保密通信，并具有高密钥参数灵敏度与系统鲁棒性；2）研究了无统计特征的宽带相位混沌源的设计与实现，利用互统计分析方法对耦合光混沌系统的统计特征进行了分析，提出了一种基于三路相位调制电光非线性环路与光耦合器的光耦合混沌结构，实现了延时隐藏，提出了一种结合反时间混沌和混合反馈环路的混沌源，作为一种无统计特征的类噪声信号对信息相位进行扰乱；3）提出了一种基于低计算精度的定点数字混沌算法，可用于提高光通信中网络的安全性，提出了一种新型的可重构混合混沌系统，实现同步产生鲁棒的数字混沌序列；4）研究了一种高速率安全通信方式，并搭建了一套高速长距离安全通信系统，实现了10Gb/s数据安全传输100公里，完成系统验证及性能测试。