混沌信号应用——雷达、传感与保密通信

混沌理论的高速发展使得光电混沌信号在各种工程技术应用中得到广泛关注和发展。本书是作者团队十几年来关于光电混沌信号在雷达、传感、保密通信和毫米波噪声产生等应用领域研究成果的全面总结。在雷达探测方面，介绍了混沌激光雷达、混沌穿墙生命探测雷达和混沌探地雷达。在光纤测量与传感方面，阐述分析了混沌时域反射测量技术和混沌分布式光纤传感技术。在保密通信领域，论述了混沌光同步、混沌保密光通信、物理随机数发生器和基于混沌同步的密钥分发相关技术和成果。在噪声产生方面，介绍了混沌光混频产生毫米波、太赫兹噪声的机理及相应噪声源的研制。

王云才，男，教授，博士生导师。1997年获中国科学院西安光学精密机械研究所光学博士学位，2001-2002年德国柏林工业大学固体物理研究所访问学者，2009年德国Darmstadt技术大学访问教授。

长期从事激光技术、保密通信与传感技术等方面的研究。先后承担科技部国际合作项目、国家自然科学基金重点项目、重大科学仪器项目等几十项科研项目，累计科研经费近2千万元。发表学术论文170多篇，获发明专利授权20余件(含美国专利1件)。科技成果获教育部技术发明二等奖1项，山西省技术发明一等奖1项（公示中），山西省自然科学二等奖2项，技术发明二等奖2项。

为山西省模范教师、山西省高等学校中青年拔尖创新人才，山西省学术技术带头人，山西省科技创新重点团队和山西省高等学校优秀创新团队负责人。兼任山西省重点实验室联盟理事长、山西省科技计划战略咨询与综合评审委员会委员、山西省科技计划战略咨询与综合评审委员会行业（领域）专家、山西省光学学会和物理学会副理事长、中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成专业委员会副理事长等职务，为国家基金委信息学部第十四届、十五届会议评审专家。

　　网上流传着一句爱因斯坦的名言： “提出一个问题往往比解决一个问题更重要”。我没有去考证这句话的真伪，因为我不认可这句话的含义。如果我们的研究者都在提出问题而不是解决问题，那么我们的世界将充满假说、猜想，甚至玄学。我始终认为，科学研究的最终目的是推动技术进步、服务社会需求。正缘于此，我们一直将混沌的应用作为主要研究内容，本书也是我们20年来在混沌信号应用研究上的一个总结。

　　坦率地讲，我们当初选择混沌信号应用作为研究选题，并不是因为混沌信号天赋异禀，在应用上独具优势，而是因为这是一个低门槛、轻资产的研究课题，是30年前一个非知名高校中一位青年教师的偶然选择。但幸运的是，经过课题组师生20多年的努力，我们基于混沌信号，相继研发出混沌激光雷达、混沌穿墙/探地雷达、混沌光/电时域反射仪、高速随机数发生器和毫米波噪声发生器，同时也验证了混沌保密光通信及混沌分布式光纤传感上的应用。

　　本书从酝酿到付梓经历了13个年头。2011年冬，我与静冈大学的大坪顺次（Junji Ohtsubo）教授在台南市成功大学附近的一家小酒馆闲聊，称赞他送我的专著Semiconductor Lasers Stability，Instability and Chaos写得很好，他说一个教授应该有一本专著作为一生研究成果的总结，并询问我何时写自己的专著。其实我在2010年7月就写好《混沌激光的产生与应用》一书的提纲，但一年半后仍只字未动，就只能含糊地说： 谢谢他的建议。本书从起意到付梓拖了10余年之久，用追求完美，或者孔子的“述而不作”做理由，大概率是托词。水平不高、能力有限、内心忐忑才是实情。

　　非常感谢太原理工大学王冰洁、王龙生、徐航、张建国、张明江及广东工业大学李璞等老师的支持。他们以前是我的学生与同事，现在是我的老师兼同行，正是在他们的鼓励与努力下，本书才得以付梓。本书的第1章和第9章由我完成，第2章由徐航副教授撰写，第3章由王冰洁教授撰写，第4章由张明江教授撰写，第5~6章和第8章由王龙生副教授撰写，第7章由张建国副教授和李璞教授共同撰写，全书的统稿由王冰洁教授协助我完成。同时，太原理工大学的张建忠教授、赵彤副教授和广东工业大学的王安帮教授、孙粤辉副教授、刘文杰副教授等均为本书提供了一些内容或有益的建议。

　　感谢国家自然科学基金委和科技部的持续支持，以及山西省科技厅与广东省科技厅的接力式支持！感谢“珠江人才计划”项目的支持！本书的所有工作都是在相关基金的资助下完成的。特别要感谢国家自然科学基金委先后资助了我主持的三个重大科学仪器研制项目，才使得我们的研究结果能够从纸面文章变为现实仪器。

　　“丑媳妇早晚是要见公婆的”。凡是肯花时间指出我们不足的人，都是希望我们能更优秀。还望大家不吝赐教。

2023年4月

第1章绪论

1.1混沌理论及其发展

1.2混沌信号应用研究历程

1.2.1混沌信号在保密通信中的应用

1.2.2混沌信号在雷达中的应用

1.2.3混沌信号在光纤故障检测与传感中的应用

1.2.4混沌信号在太赫兹噪声产生中的应用

参考文献

第2章混沌雷达

2.1混沌激光雷达

2.1.1混沌激光雷达系统

2.1.2混沌激光雷达测距原理

2.1.3测距结果与抗干扰性分析

2.2混沌穿墙生命探测雷达

2.2.1混沌穿墙生命探测雷达

2.2.2混沌雷达生命检测算法

2.2.3穿墙生命探测结果

2.3混沌探地雷达

2.3.1极化混沌探地雷达系统

2.3.2极化混沌探地雷达数据融合

2.3.3地下管线探测结果

参考文献

第3章时域反射测量

3.1光时域反射测量

3.1.1光时域反射测量原理

3.1.2光时域反射仪主要性能参数

3.1.3光时域反射仪技术的发展

3.2混沌光时域反射仪

3.2.1混沌光时域反射仪原理

3.2.2单链路故障测量

3.2.3光纤的损耗测量

3.2.4波分复用无源光网络故障测量

3.2.5时分复用无源光网络故障测量

3.2.6故障可视混沌光时域反射仪

3.3混沌电时域反射测量

3.3.1混沌电时域反射测量原理与装置

3.3.2混沌信号发生器的设计与实现

3.3.3电缆故障测量结果

3.3.4电缆故障在线检测

参考文献

第4章混沌分布式光纤传感

4.1基础理论

4.1.1光纤中的布里渊散射

4.1.2布里渊散射传感机理

4.2混沌布里渊光相关域反射传感技术

4.2.1测量原理

4.2.2实验结果

4.3混沌布里渊光相关域分析传感技术

4.3.1测量原理

4.3.2实验结果

4.4时域门控混沌布里渊光相关域分析传感技术

4.5光纤拾音器传感技术

4.5.1测量原理

4.5.2实验结果

参考文献

第5章混沌光同步

5.1半导体激光器混沌同步

5.1.1单向注入同步

5.1.2互注入同步

5.1.3共同驱动同步

5.2光电振荡器混沌同步

参考文献

第6章混沌保密光通信

6.1基本原理

6.1.1信息掩藏

6.1.2信息解调

6.2关键技术方案

6.2.1高速率

6.2.2大容量

6.2.3长距离

6.2.4集成化

6.2.5安全性

6.3展望

参考文献

第7章物理随机数发生器

7.1基于混沌的随机数产生原理

7.2电学混沌随机数发生器

7.2.1基于离散时间混沌映射电路的随机数发生器

7.2.2基于连续时间混沌振荡器的随机数发生器

7.3光学混沌随机数发生器

7.3.1光电混沌随机数发生器

7.3.2全光随机数发生器

参考文献

第8章基于混沌同步的密钥分发

8.1引言

8.2基于互耦合混沌同步的密钥分发

8.3基于共同驱动混沌同步的密钥分发

8.4展望

参考文献

第9章毫米波及太赫兹噪声源

9.1噪声源概述

9.1.1噪声源的应用领域

9.1.2噪声源的主要参数

9.1.3噪声产生研究的发展趋势

9.2毫米波噪声产生技术

9.2.1基于热噪声的冷热负载噪声源

9.2.2有源冷噪声源

9.2.3固态噪声源研究进展

9.2.4光子毫米波噪声产生技术

9.3基于混沌光的毫米波噪声产生

9.3.1双波长混沌混频

9.3.2多波长光混频

9.3.3基于游标效应的混沌光梳混频

9.3.4毫米波/太赫兹噪声发生器的研制

9.4展望

参考文献

符号及缩略语说明

附录作者团队基于混沌源研制的10种仪器

索引