白混沌的产生及其在物理随机数产生与雷达探测领域的应用

摘要

混沌激光在高速物理随机数产生以及高分辨率抗干扰雷达探测等领域具有重要的应用潜力。宽带混沌光源是上述应用的关键。外腔光反馈半导体激光器因结构简单、操作灵活、易于集成等优点而成为产生混沌激光的首选方案。然而，外腔反馈结构导致混沌激光存在一些随机性缺陷，限制了实际应用： （一）外腔半导体激光器具有明显的弛豫振荡，从功率谱上观察，混沌激光的主要能量集中于弛豫振荡附近，限制了功率谱的有效带宽与平坦度。 （二）外腔谐振导致混沌信号自相关函数在外腔周期处具有明显的相关峰——时延特征，该特征使得混沌信号之间具有周期性的相关。 （三）外腔半导体激光器的幅度振荡不均衡，导致幅值分布呈现明显的不对称。 在物理随机数产生方面，弛豫振荡导致混沌激光带宽仅为数 GHz，极大地限制了物理随机数的熵源速率；此外，时延特征与非对称幅值分布分别恶化了0、1比特的随机性与均衡比，需要利用复杂的后续处理进行优化，降低了随机数的实时输出能力，在一定程度上限制了实际应用。 在雷达探测方面，弛豫振荡限制混沌激光的探测带宽，阻碍了距离分辨率的提升；此外，时延特征泄露了外腔长度这一关键结构信息，导致雷达系统存在被重构的可能，进而无法抵御相似系统的干扰，削弱了雷达系统的安全性与抗干扰能力。 针对上述问题，本论文提出通过外腔半导体激光器的光外差产生类似于白噪声的宽带混沌信号，称为白混沌。白混沌具有平坦宽带的功率谱与对称的幅值分布，且无时延特征。利用上述混沌信号作为物理熵源，改善了混沌激光在高速物理随机数产生与高分辨率抗干扰雷达领域的应用：提高了物理随机数的熵源速率，改善了随机数的随机性，简化了后续处理；提高了混沌雷达系统的距离分辨率，增强了系统的抗干扰能力。围绕上述内容，本论文开展的相关工作与取得的主要成果如下： （1）概述了混沌激光的应用背景，总结了混沌激光的典型产生方法，介绍了外腔混沌激光信号的特征与缺陷及其在物理随机数产生与雷达探测方面的应用局限。 （2）提出了一种克服混沌激光缺陷的方法并从理论与实验两个方面进行了验证：通过两个外腔半导体激光器输出信号的非共振拍频产生一种类似白噪声的混沌信号——白混沌，并利用平衡探测器的外差探测将其提取出来。实验结果表明，白混沌具有宽带平坦的功率谱（3dB带宽为16.7GHz），对称的幅值分布（偏斜度仅为0.072），且无时延特征，本方法同时克服了外腔混沌激光的所有已报道缺陷。 （3）从理论与实验两方面分析了白混沌的物理随机性，包括关联维、排序熵以及比特熵，证明了白混沌是一种随机性优良的高维宽带复杂信号。 （4）理论与实验证明，利用白混沌作为物理熵源可提高物理随机数的产生速率，同时简化后续处理：一位提取时，理论分析熵源速率可达16Gb/s，实验验证实时获得了14Gb/s的物理随机数；多位提取时，理论分析只需抽取最低有效位而不进行其他后续处理便可获得320Gb/s的物理随机数，实验验证通过有效位抽取获得了112Gb/s的物理随机数。一位提取与多位提取时，实验速率与理论速率不一致的主要原因是模数转换器的模拟带宽与FPGA的实时处理速度受限，无法达到理论速率。 （5）理论上提出并证明，以白混沌为探测信号可提高雷达系统的距离分辨率与抗干扰能力：实现无模糊的亚厘米量级分辨率的目标探测；针对不同雷达探测信号的干扰，具有良好的抗干扰能力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1混沌激光的特性及应用

1.2混沌激光的典型产生方式

1.3混沌激光的缺陷、应用局限以及现有改进方案

1.4本论文主要研究内容

第二章 白混沌的产生及特性分析

2.1理论模拟白混沌产生

2.2实验研究白混沌产生

2.3结论

第三章 白混沌的物理随机性分析

3.1关联维

3.2排序熵

3.3比特熵

3.4结论

第四章 基于白混沌的物理随数产生

4.1物理随机数的离线提取

4.2物理随机数的在线提取

4.3结论

第五章 基于白混沌的雷达探测系统

5.1系统方案

5.2特性分析

5.3结论

第六章 总结和展望

6.1工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

图表索引

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果