忆阻器建模及其在混沌系统中的应用研究

摘要

2008年HP实验室纳米级TiO2忆阻器的提出，证明了实际忆阻器元件的真实存在。之后，忆阻器理论及应用研究迅速成为全球学者研究的热点课题。HP（惠普）忆阻器是一个具有记忆作用的非线性电阻元件，它在记忆性存储器件与超大规模集成器件中有着广阔的发展前景。但是，忆阻器受制作工艺的限制目前尚未能市场化，目前还无法依靠实际的忆阻器件进行研究，只能以忆阻器数学模型和电路模型为突破口，探索忆阻器的电路特性。本文研究了TiO2忆阻器元件的特性，建立了一种磁控TiO2忆阻器电导数学模型，并将此模型应用到非自治的振荡器中，构造出一个基于磁控TiO2忆阻器的非自治混沌振荡器。最后，根据此混沌系统提出一种忆阻器混沌加密算法，并将加密算法与图像加密相结合应用到相机加密软件中。研究的主要内容包括如下几个方面：
　　（1）对HP提出的纳米级TiO2忆阻器进行了端口特性分析。在荷控忆阻器理论模型基础上，建立了一种磁控的TiO2忆阻器模型。对此模型进行了端口特性分析，其特性与流控模型一致。最后根据得到的磁控TiO2忆阻器数学模型，构造出其数学仿真电路，进一步验证了模型的端口特性。
　　（2）混沌系统在保密通信中有着广泛的发展前景，而离散混沌系统在如今数字化通信的浪潮中变的愈加重要。为研究混沌的基本特性，本文在Logistic映射和Cubic映射的基础上，提出了一种新的超混沌二维离散映射，对其进行了Laypunov指数等混沌特性分析。并且，在参数区间、降低计算机精度限制、以及伪随机特性方面与Logistic映射和Cubic映射进行了比较分析。
　　（3）为进一步探索TiO2忆阻器的非线性特性，基于磁控TiO2忆阻器数学模型设计了一种非自治的振荡器。对该非自治系统的基本动力学特性进行了详细的理论分析，包括Laypunov指数、一维分岔图以及隐藏吸引子等。对该忆阻器振荡器产生的连续混沌序列进行离散量化，获得了数字化的混沌伪随机序列，利用NIST（National Institute of Standards AND Technology）标准对其序列进行了测试，结果表明其随机性优于著名的Lorenz系统。
　　（4）为进一步探索混沌图像加密技术，根据流密码加密算法的特点，结合忆阻器混沌系统设计出一种混沌加密算法，并对算法进行了安全性分析。分析发现该算法密钥空间可以达到10144，能够很好地抵御唯密文攻击，同时该算法还可很好地抵御选择明文攻击。最后将该算法应用于Android相机软件加密中，从获取照片信息的源头对其进行加密，解决了传统加密软件依赖于用户主观性的问题。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3本文的主要研究内容及结构安排

第二章 忆阻器理论与忆阻器建模

2.1忆阻器理论基础

2.2 TiO2磁控忆阻器数学模型

2.3忆阻器非线性漂移数学模型

2.4 本章小结

第三章 混沌理论及研究

3.1混沌理论基础

3.2连续混沌系统

3.3离散混沌映射

3.4本章小结

第四章 忆阻器混沌系统

4.1TiO2磁控忆阻器混沌系统及其动力学分析

4.2忆阻器混沌系统的序列的产生及DSP实现

4.3非线性TiO2忆阻器混沌系统

4.4本章小结

第五章 忆阻器混沌在Android平台下相机加密软件中的应用

5.1基于忆阻器的混沌加密算法

5.2相机加密软件实现

5.3本章小结

第六章 结束语

6.1工作总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录