混沌在时变参数保密通信及雷达波形设计中的应用基础研究

摘要

随着混沌的深入研究，混沌日益广泛地应用到各个领域中。本文将研究混沌在保密通信和雷达信号应用这两个方面的一些问题。 混沌同步保密通信，本意是利用混沌系统的掩蔽性达到保密目的。但出现的种种针对混沌系统的破密方法，如：广义同步法、相图或变形相图法、参数自适应估计算法、不动点密钥攻击法，使混沌系统的保密性形同虚设。为了补救，学术界提出了种种办法对其保密性进行加强。但混沌同步保密通信存在着保密性和鲁棒性难以兼顾的矛盾，单纯提高任一方面都是不可取的，混沌同步保密通信的研究一度陷入举步为艰的局面。学术界广泛关注的差分混沌键控(DCSK)保密通信方式保密性也不高。要使混沌同步保密通信具有实用性，必须同时考虑到保密性和鲁棒性这两个方面。针对这些问题，本文作了以下研究工作。 1．本文提出了时变参数、连续时变参数的的混沌同步保密通信方法。此二方法都具有极高的保密性，特别是连续时变参数混沌同步通信方法，理论上是难以破译的，文中对此作了证明，理论上难以存在可以对其有效攻击的方法，实际中目前的攻击方法都对其无效。同时，此二方法未对鲁棒性造成负面影响，兼具鲁棒性。因此，混沌通信通信保密性得到了很大提升，并且兼具鲁棒性，保密性和鲁棒性矛盾这个问题得到了解决。 2．从理论上对时变参数、连续时变参数同步方法进行了研究，在理论上为其铺垫，满足理论上的需求，并进一步用理论为其实践发展作指导。目前对混沌同步的证明，要么给出必要条件，要么给出全局的充分条件，较缺乏能够确定混沌同步的演化开始及演化过程中变量取值范围的充分条件，文中对这种充分条件做了大量研究。这种混沌同步充分条件，基于实用化考虑，使其同步充分条件尽量宽松。对于参数变化的混沌同步系统，其演化规律和演化状态的研究，文中做了大量工作。 3．时变参数混沌同步通信方法，同步方式与一般固定参数混沌同步不同，需要一些算法对其工作进行支持，特别是时变参数同步算法，系统才能工作，本文对这些算法做了大量开发工作，并对其进行了仿真及检验，证实其正常工作。 4．检验了时变参数、连续时变参数的混沌同步保密通信系统，一方面，确认其具有极高的保密性，并证明了连续时变参数方法的保密性，达到了理论上难以破译的程度，因此，难以存在可以对其有效攻击的方法，目前的混沌攻击方法都对其无效。另一方面，此方法没有对通信系统鲁棒性造成负面影响，系统仍然有好的鲁棒性。文中给出了时变参数、连续时变参数的混沌同步保密通信系统的一些实现方案。至此，采用此方法，混沌同步保密通信的保密性和鲁棒性问题得到较好的解决，推动了混沌保密通信的实用化进程。 混沌也日益广泛地应用于雷达方面。 脉冲压缩雷达体制，由于兼顾作用距离和距离分辨力，同时具有一定的多谱勒分辨力，而受到广泛应用。噪声雷达类似于脉冲压缩雷达，同样兼顾作用距离和距离分辨力，具有优良的距离模糊压缩特性，并且有一定的反侦测、抗干扰能力，而受到学术界广泛关注。 由于混沌序列的伪随机性，大量文献尝试把混沌序列作为噪声源，应用于噪声雷达中。大多数混沌序列作为噪声源，其自相关函数类似6函数，互相关函数接近为0，似乎是较理想的噪声源。但混沌系统毕竟是具有确定性的系统，大多数混沌序列内部存在很强的结构性，在某些调制方式下，其内部结构性会显露出来，导致得到的雷达信号相关特性变得很差，随之而来的是模糊函数性能也变得很差。混沌噪声源在各种雷达调制下，表现出性能不稳定，这阻碍了混沌在雷达的应用。噪声信号是随机的，没有内部结构，噪声信号不存在这个问题，但与噪声相比，混沌信号具有优秀的可控性和易于产生和使用等诸多优势，人们希望能够保持混沌信号的优点，克服其缺点，以便应用到噪声雷达。 本文在这方面作了以下工作。 1．分析了混沌和噪声的特点，指出混沌系统的内部结构性是造成这种现象的原因，其内部结构性与某些雷达调制方式相结合，会使调制后的雷达信号性能大幅下降。要克服这个缺点，需要减弱混沌系统的结构性，或选择内部结构性弱的混沌系统。 2．通过与噪声比较，提出了弱结构性的概念。用MSPL混沌系统进行了验证。MSPL系统是一种混沌系统，但可以调整其参数尼逐步过渡为噪声，当其参数k在一定范围内取值，MSPL系统是具有弱结构性的混沌系统。文中证实了具有弱结构性的混沌序列，可以经受各种雷达调制，其调制后的雷达信号保持好且稳定的相关特性及模糊函数特性，并且具有混沌序列可控，易产生和使用的优点，其综合性能优于普通混沌序列和噪声序列，可以很好地作为噪声源运用于噪声雷达。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2混沌研究的历史发展

1.3混沌在保密通信和雷达的研究现状

1.3.1混沌在保密通信的研究现状

1.3.2混沌在雷达的研究现状

1.4目前存在的问题和本文的工作

1.4.1目前混沌保密通信存在的问题和本文的工作

1.4.2目前混沌雷达存在的问题和本文的工作

1.5本文的结构安排

第二章混沌、混沌同步及通信

2.1引言

2.2混沌的基本理论

2.2.1混沌的定义

2.2.2混沌的主要特征

2.2.3混沌的类型

2.2.4混沌的分析方法

2.3混沌同步的基本理论

2.3.1混沌同步的定义

2.3.2混沌同步的类型

2.3.3混沌同步的一般判据

2.3.4混沌同步控制的方法

2.4混沌保密通信的主要技术

2.5目前存在的混沌同步保密通信攻击方法

2.6混沌同步的参数敏感性及通信安全

2.7本章小结

第三章时变参数混沌同步基础理论

3.1时变参数、连续时变参数同步保密通信

3.2时变参数混沌同步的理论

3.2.1两大类混沌系统同步的充分条件及其状态变量的演化范围

3.2.2第一、二类混沌系统同步充分条件及其状态变量演化范围

3.2.3定理3.3的条件可实现性

3.2.4 Chua电路

3.2.5用Chua电路检验定理3.3

3.3对定理3.3混沌同步充分条件的讨论

3.3.1实对角正定矩阵D的具体意义及其确定方法

3.3.2定理3.3同步充分条件与其他同步充分条件的比较

3.4时变参数混沌同步

3.4.1时变参数混沌同步理论

3.4.2 Chua电路的时变参数同步

3.5时变参数同步的鲁棒性分析

3.5.1同步误差比

3.5.2抗参数失配

3.5.3抗噪性

3.5.4同时存在参数失配和噪声对混沌同步的影响

3.6本章小结

第四章时变参数法混沌同步通信

4.1时变密钥参数的同步算法

4.1.1时钟同步算法的原理

4.1.2时变参数密钥通信及时钟同步算法的具体步骤

4.1.3以Chua电路为例进行时变参数同步通信

4.2时变参数混沌同步通信的可实现性及密钥管理

4.3时变参数混沌同步通信对抗各种窃密攻击

4.4讨论

4.5鲁棒性

4.5.1固定参数混沌同步通信对参数失配和噪声的容忍性

4.5.2时变参数混沌同步通信对参数失配和噪声的容忍性

4.6本章小结

第五章连续时变参数混沌保密通信

5.1连续时变参数混沌同步

5.1.1连续时变参数混沌同步系统

5.1.2连续时变参数混沌同步的仿真实现

5.1.3连续时变参数混沌同步的鲁棒性

5.2连续时变参数混沌同步通信及实现

5.2.1连续时变参数混沌同步通信

5.2.2连续时变参数混沌同步通信的实现

5.3连续时变参数同步通信的保密性

5.3.1连续时变参数同步通信的难以破译性

5.3.2.连续时变参数混沌同步通信抗破译性

5.3.3密钥对抗

5.3.4讨论连续时变参数混沌同步保密通信的抗破译性

5.4连续时变参数混沌同步通信的鲁棒性

5.5讨论及结论

5.6本章小结

第六章混沌在噪声雷达信号的应用

6.1脉冲压缩技术

6.2噪声雷达

6.2.1噪声雷达基础

6.2.2信号的自相关函数

6.3应用于噪声雷达的混沌和噪声

6.3.1混沌及噪声序列本身相关特性

6.3.2随机频率调制噪声雷达

6.3.3混沌及噪声序列的调制特性研究

6.3.4混沌和噪声的异同

6.3.5混沌系统的弱结构性

6.4具弱结构性的混沌序列应用于噪声雷达

6.4.1多段分段线性(Multi-Segment Piecewise Linear)混沌系统

6.4.2 MSPL序列统计特性

6.4.3自相关特性的比较

6.4.4 RFM信号的统计特性

6.4.5几种混沌序列的RFM信号自相关函数和模糊函数比较

6.4.6几种混沌序列在其他调制方式下的比较

6.4.7与高斯噪声序列的比较

6.4.8结论

6.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果