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书名：混沌电子学
定价：138.0
ISBN：9787030391056
作者：柏逢明
版次：1
出版时间：2014-07
内容提要：
本书结合典型的科研成果和应用实践，深入论述了电子器件和电子系统中混沌现象的存在及其主要行为特征，并全面阐述了混沌电子学理论及其在现实应用中的价值和前景。全书共12章。第1章介绍混油电子学的发展现状；第2章阐述相关的理论基础；第3、4章从三阶电路系统和光电子系统方面分析混沌信号的产生过程；第5、6章研究电子器件和电子系统中混沌现象的特性和应用可能性；第7-12章分别从不同的领域探讨混沌电子的应用研究现状和前景。
目录：
目录
前言 i
第1章 绪论 1
1.1 非线性电子学研究进展 1
1.2 光电子学混沌研究进展 3
1.3 超混沌理论研究进展与电光混合调制系统 5
1.3.1 电路超混沌研究 5
1.3.2 光学超混沌研究 6
1.3.3 电光混合系统超混沌研究进展 7
1.4 混沌及超混沌的控制与同步方法 7
1.4.1 混沌控制 7
1.4.2 混沌同步 8
1.4.3 超混沌控制 8
1.4.4 超混沌同步 9
1.5 电路与光学混沌的应用状况 9
1.5.1 通信与信息安全中的混沌保密系统 9
1.5.2 光电混沌娱乐系统 10
1.5.3 改善和提高激光器的性能 10
1.5.4 自由空间激光混沌信息传输与测试 10
1.5.5 利用非线性电子器件单元研究新的混沌电子学现象 10
1.5 6 光信号的放大与压缩 10
1.6 视频动态影像编码与海施加密的研究现状 10
1.6.1 视频加密技术的国内外发展过秤 11
1.6.2 基于H.264的视频加密算法概述 13
1.6.3 视频加密研究的发展趋势 14
1.7 语音电子信息加密的研究现状 15
1.7.1 语音电子信息加密的国外进展 15
1.7.2 语音加密国内研究现状进展 16
1.7.3 语音信息加密具体应用研究 17
1.8 混沌电子学的其他应用 18
1.8.1 电子身份认证与超混沌序列安全 18
1.8.2 图像信息的混沌电子信息处理 19
1.8.3 掺饵光纤弱信号混沌检测系统 19
1.8.4 混沌细胞神经网络基础研究 20
1.8.5 基于混沌理论的视频加密系统研究 20
第2章 非线性系统与混沌基本理论 21
2.1 非线性系统方程及其解的稳定性 21
2.1.1 非线性系统和范德波尔方帮 21
2.1.2 微分方程的解及其稳定性 24
2.2 微分方程连续性与初始条件、参数变化的关系 29
2.3 状态方程解的可徽性和灵敏度方程 30
2.4 奇点（平衡点）七极限环和分岔 31
2.4.1 奇点（平衡点） 32
2.4.2 极限环 36
2.4.3 分岔 38
2.5 吸引子和奇怪吸引子 43
2.5.1 吸引子 43
2.5.2 奇怪吸引子 43
2.6 混沌及其研究方法 44
2.6.1 从倍周期到混沌的过程 44
2.6.2 混沌的常规研究方法 45
第3章 三阶电路系统混沌信号产生与控制 48
3.1 混沌信号产生的条件和特征 48
3.1.1 混沌的特征 48
3.1.2 混沌信号产生的条件 49
3.2 混沌的数值分析方法 50
3.2.1 李指数 50
3.2.2 功率谱 54
3.3 非线性系统的混沌控制 58
3.3.1 混沌控制的目标 58
3.3.2 混沌控制的方法 58
3.3.3 三阶非线性自治系统及控制 61
3.4 典型混沌电路与系统分析 66
3.4.1 洛伦茨混沌系统 66
3.4.2 洛伦茨混沌系统的电路实现 72
3.4.3 新混沌系统的构造 75
第4章 光电子系统的电调谐超混沌研究 77
4.1 半导体激光器电调谐超混沌研究 77
4.1.1 半导体激光器产生混沌的条件 77
4.1.2 半导体激光器混沌与超混沌电调谐系统模型 78
4.1.3 两运算放大器构成简单电调制光学超混沌系统 79
4.1.4 多运算放大棒组合电调制注入半导体激光器超混沌系统 84
4.1.5 混沌级联方式构成超混沌系统 86
4.1.6 1昆沌自适应电调制系统 86
4.2 半导体激光器电调制系统超混沌控制与同步 91
4.2.1 半导体激光器电调制系统超混施控制 91
4.2.2 半导体激光器电调制系统超混沌阔步 92
4.3 掺饵光纤激光器电调谐系统超混沛研究 94
4.4 掺饵光纤激光器电调谐系统超混沌控制 97
第5章 电路混沌特性与超混沌理论研究 99
5.1 非线性系统超混沌电路结构与特性研究 99
5.1.1 非线性动力学系统与电路结构 99
5.1.2 非线性系统单元功能电路的参数调整与器件选择 101
5.1.3 利用非线性系统单元功能电路构造三阶混沌电路的勒斯勒尔自治系统 103
5.2 电光混合系统中超混沌电路构造方法与实验研究 107
5.2.1 根据复数将洛伦茨-哈肯方程和单模激光理论构造超混沌电路 108
5.2.2 根据非线性动力学特性构造超混沌电路 110
5.2.3 非线性动力学电路组合功能模型研究 110
5.2.4 电路系统超混沌调试观测与数值模拟分析 113
5.3 利用分段线性电路和系统单元功能电路构建超混沌系统 119
5.4 电路超混沌控制研究 121
5.4.1 电路参数自调制实现超混沌系统控制 121
5.4.2 外部施加小参数共振扰动实现超混沌系统控制 125
5.5 电路超混沌同步研究 126
5.5.1 驱动响应方法实现超混浊电路系统同步 126
5.5.2 主动被动方法实现超握沌电路系统同步 128
第6章 复含混沌映射的控制与超混沌扩频序列研究 131
6.1 混沌映射 131
6.1.1 满映射 131
6.1.2 轨道点的密度分布 132
6.1.3 轨道点的均值 133
6.1.4 混沌吸引子的激变 133
6 1 5 离散系统的李指数 134
6.2 混沌映射的复合 136
6.2.1 人字映射 136
6.2.2 Logistic映射 137
6.2.3 混沌剧才的复合 138
6.3 复合起混沌映射的控制 139
6.3.1 复合混沌映射的控制 139
6.3.2 复合超混沌映射的控制 144
6.4 超混沌扩频序列的产生方案 146
6.5 混沌扩频序列的性能分析 147
6.5.1 自相关特性 147
6 5 2 互相关特性 149
6.5.3 多址能力与复杂度分析 151
6.6 混沌序列下的跳频通信仿真 151
6.6.1 切比雪夫混沌映射 151
6.6.2 跳频通信系统的模块设计 153
6.6.3 仿真结果分析 155
第7章 超混沌保密通信系统应用研究 156
7.1 扩频序列混沌保密通信数字电路模块设计研究 156
7.1.1 扩频通信技术原理 156
7.1.2 混沌通信硬件可实现算法 157
7.1.3 混沌扩频序列发生器的设计 159
7.1.4 扩频序列混沌保密通信应用研究 166
7.2 软件无线电通信系统超滋沌语音保密系统应用研究 168
7.2.1 软件无线电安全保密通信系统 169
7.2.2 勒斯勒尔超混沌语音保密通信系统 171
7.2.3 软件元线电模式下的语音超混沌保密通信系统仿真 173
7.2.4 勒斯勒尔超棍沌语音保密通信系统的可靠性问题 175
7.2.5 有采软件无线电超混沌系统通信应用的讨论 175
7.3 超混沌同步图文图像保密通信与软件应用研究 176
7.3.1 超混沌信息掩盖技术应用 176
7.3.2 软件实现 176
7.3.3 实验结果与讨论 177
7.4 利用超混沌信息掩盖技术实现信息保密传输 178
7.4.1 混沌掩盖算法原理 178
7.4.2 超混沌掩盖-混沌加密方法 179
7.4.3 仿真实验结果 181
第8章 基于混沌加密的图像和音频数字水印算法 183
8.1 图像数字水印技术及多尺度几何分析 183
8.1.1 数字水印原理 183
8.1.2 图像多尺度几何分析 183
8.2 基于混沌加密NSCT的图像数字水印处理 187
8.2.1 Logistic映射与混沌序列的产生 187
8.2.2 水印信号置乱算法 189
8.2.3 水印信号加密算法 190
8.3 轮廓波变换和非下采样轮廓波变换 190
8.3.1 轮廓波变换 190
8.3.2 非下采样轮廓波变换 191
8.3.3 水印嵌入和提取算法 191
8.3.4 实验结果和分析 192
8.4 复倒谱理论与水印嵌入方法 195
8.4.1 倒谱与复倒谱 195
8 4 2 水印嵌入方法 197
8.4.3 图像置乱技术 199
8.4.4 水印嵌入算法 201
8.4.5 水印提取算法 204
8.4.6 仿真实验 204
8.5 混合域中同时嵌入鲁棒水印和脆弱水印的算法研究 211
8.5.1 图像混沌加密 211
8.5.2 水印嵌入算法 211
8.5.3 水印提取算法 213
8.5.4 仿真实验 214
第9章 基于混沌加密的网上银行电子身份认证技术 220
9.1 网上银行身份认证理论与信息传输 220
9.1.1 身份认证与网上银行身份认证基本原理 220
9.1.2 网络环境下信息传输所面临的威胁与对策 221
9.1.3 网上银行常用的身份认证技术 222
9.2 基于动态口令的网上银行身份认证与混沌保密技术 223
9.2.1 网上银行身份认证技术原理 223
9.2.2 网上银行身份认证技术实现机制 224
9.2.3 信息安全与混沌保密技术 225
9.3 基于混沌同步加密的网上银行动态口令身份认证技术研究 228
9.3.1 Logistic映射的性质研究 228
9.3.2 网上银行动态口令混沌同步加密算法的设计原则 232
9.3.3 基于Logistic映射的网上银行动态口令身份认祉技术设计232
9.3.4 实验结果与分析 238
9.4 基于超混沌同步加密的网上银行动态口令身份认证技术研究 240
9.4.1 超混沌加密系统研究 240
9 4.2 典型的超混沌系统模型 241
9.4.3 二维超混沌系统研究 243
9.4.4 基于超混沌同步加密的网上银行动态口令身份认证技术设计 232
第10章 掺饵光纤弱信号混沌检测系统 249
10.1 混沌与信号检测 249
10.1.1 混沌与弱信号检测 249
10.1.2 基于混沌振子的弱信号检测原理 250
10.1.3 达芬振子构成的弱信号检测系统 252
10.2 光纤弱信号检测理论与方法 253
10.2.1 互相关检测法 253
10.2.2 基于小波变换的弱信号检测法 254
10.2.3 随机共振弱信号检测 256
10.2.4 光纤弱信号检测 257
10.3 混沌状态判别方法研究 258
10.3.1 基于相阁的直观法 258
10.3.2 数值法 259
10.3.3 基于过零周期的混沌周期状态阀值判据 263
10.4掺饵光纤弱信号检测系统 272
10.4.1 光纤传感器 272
10.4.2 掺饵光纤 273
10.4.3 弱信号检测部分设计 273
第11章 无线超短波语音数字化集群混沌加密系统 288
11.1 集群加密系统理论 288
11.1.1 集群通信系统讨论 288
11.1.2 集群通信特点分析 289
11.1.3 加密算法分析 290
11.2 集群系统混沌密码叠加方法研究 297
11.2.1 混沌加密系统分析 297
11.2.2 利用Logistic映射产生混沌序列 299
11.2.3 二值化方法产生混沌伪随机序列 303
11.2.4 语音混沌密码叠加方法研究 308
11.3 超短波条件下集群系统研究 315
11.3.1 超短波通信 315
11.3 2 基于超短波集群通信系统研究 318
11.4 语音信号的仿真和实验分析 321
11.4.1 数字语音信号的特征分析 321
11.4.2 加密算法与分析 322
11.4.3 语音信号仿真实验与分析 326
11.4.4 实验结果讨论 328
第12章 视频编码与混沌动态影像加密 330
12.1 视频加密算法与性能分析 330
12.1.1 完全加密算法 330
12.1.2 空域选择加密算法 330
12.1.3 变换域选择加密算法 331
12.1.4 且将编码和加密结合算法 331
12.1.5 视颜如密算法性能分析 331
12.2 H.264的视频压缩编码标准 332
12.2.1 H.264编解码的基本框架和特性 333
12.2.2 H.264整数变换与*化 335
12.2.3 H.264帧内预测编码 340
12.2.4 4×4亮度预测模式 340
12.2.5 16×16亮度预测模式 341
12.2.6 色度块的预测模式 342
12.2.7 H.264帧间预测编码 342
12.3 基于混沌和H.264的视频加密系统设计 343
12.3.1 国内外H.264常用视频加密算法验证 343
12.3.2 视频加密系统设阶基本思想 347
12.3.3 一种改进型分段线性混沌复合映射 347
12.3.4 混沌序列密钥分配 351
12.3.5 一种基于H.264的安全等级时词的加密算法 354
12.3 6 试验结果分析 359
12.3.7 视频加密系统设计 361
12.4 基于混沌和提升小波的视频加密研究 364
12.4.1 基于混沌和提升小波的视频加密流程 365
12 4 2 提升小波变换过程 366
12.4.3 基于混油和提升小波的视频加密算法 367
12.4.4 试验结果分析 368
参考文献 371
在线试读：
第1章 结论
1.1 非线性电子学研究进展
丹麦工程师范德波尔（van der Pol）于1927年在电学中发现混沌。他在进行一项以正弦电压源来驱动氛灯RLC（resistor，lenz and capacitor）张弛振荡器的实验过程中，采用了一个与该振荡实验系统相互藕合的电话机作为检测工具。从电话耳机中传来“一种不规则的噪声”。这种奇特的噪声现象是电路系统的周期依次叠加、噪声的交替变化和布朗运动的过程。Gollub等在后来实验中使用多个耦合非线性振子，也观察到了较复杂的频率组合现象。范德波尔和Gollub等虽然当时没有发现后人所揭示的混沌规律，但是已经监测到了混沌的振动状态。这是*早的有关混沌的电路实验。
由于电子技术的条件限制，在20世纪五六十年代，混沌研究基本上是混沌动力学研究，即对非线件动力学电路的研究。
1978年，日本京都大学Ueda使用非线性电感、电容加上正弦电压构成非线性电路，做了较详细的仿真实验，发现方程E coswt所描述的非线性电路中有7/3阶的高次谐波振荡和随机转变过程。经过电路改进和参数调整，用示波器显示电压的李萨如图形，同时用频谱仪观察恒压源的限流电阻变化时的频谱变化，开拓出一条从准周期进人混沌的道路。
1980年，日本的Ueda和Akamatsu两人将负阻元件与电容并联后，通过电阻、电感加正弦电压的方法做仿真实验，发现了范德波尔方程μ（1-x2）i+x3=E cosmt所描述的非线性电路中的奇怪吸引子和准周期振荡。1981年，美国麻省理工学院的Linsay做了强迫二阶非线性电容电路的混沌实验，采用具有非线性特性的变容二极管通过电阻、电感加上正弦电压的电路，证实了费根鲍姆（Feigenbaum）关于周期倍增导致混沌的预言，并验证了费根鲍姆数，这是分岔与混沌现象的第*个电路实验。为了验证费根鲍姆关于一维非线性映射分岔规律的理论，Linsay提出了一个含有变容二极管的二阶电路，并在实验中得到了倍周期分岔和混沌谱。后来又有人用频率控制得到分岔图，用测得的频率锁定效应，发现周期区内的混沌“岛”。
1982年，蔡少棠设计了一个能够产生复杂混沌现象的*简单的三阶非线性自治电路（即蔡氏电路）。它只含有一个非线性元阳由运算放大器构成的一个主阶分段线性电阻器）、两个电容和一个电感。由这个非线性电阻的分段线性函数导出电路的状态方程，通过调整参数，得到双涡卷的奇怪吸引子。
1983-1993年，Chua电路的研究非常活跃。大量的研究论文和成果以专刊、专利和专著的形式被报道，出现了Ch国电路的集成芯片。同时，非线性混沌电路的研究也蓬勃展开，至今仍是*为活跃的实验研究领域。非线性混沌电路的构成大致有三个方面：①利用电子元件本身的非线性特点，构成产生混沌的非线性电路，这样的电路几乎遍及所有的非线性器件，包括非线性电阻、电容、电感，以及各种二极管、单结晶体管、工作在饱和截止区的三极管等。其中，对于著名的Chua电路，人们经过多年的潜心研究，在理论分析、实验测试、模拟计算等方面都取得了重要成果。②利用集成运算放大器、模拟乘法器等组件构成乘积电路、负阻电路、回转电路、分段线性电路、积分电路和微分电路等单元模块，进行优化组合构成非线性动力学系统。这样，利用所构建的非线性单元模块，既可以创造出更新颖的非线性电子电路，又能为某种特殊需要，实现一些只能用数学模型表达的新的动力学系统供研究。③对于上述电路或模块的分解和重组，构成多维超混沌系统，或者实施耦合、反馈、同步等研究方案，以开展对各种混沌、超混沌的控制方法、同步方法和通信方法的研究等。
20世纪90年代以后，特别是进入21世纪的近些年来。随着电子技术和电子器件的不断进步，计算机仿真给电路混沌技术研究带来了便利，加快了混沌电路的研究步伐。神经网络混沌、时间序列构造的状态空间重构、混沌信号的子值域特性分析、数字混沌系统等新型混沌电路和混沌模拟仿真分析方法不断涌现。1998-2000年，混沌电路研究领域出现了计算机参与的混沌芯片、混沌加密软件和计算机混沌系统的新热点。在军事研究上，又出现跳频（frequency hopping，FH）通信的混沌扩频序列产生器件。利用MCS-51单片机实现FH序列产生器，进行的混沌迭代运算，利用计算机编程的优化高效算法，使混沌扩频序列的产生变得轻而易举。一些关于神经网络电路混沌和安全保密通信的混沌密码学也在世纪之交有所突破。
进入21世纪，混沌电子学的理论与应用逐步细分，并相继在各个不同领域内得到发展，如网络电子身份信息安全认证、扩频/跳频保密通信系统、数字水印加密和神经网络信息图像加密算法等。
总之，电路混沌研究日前已经发展到日趋成熟的阶段，模拟技术与数字技术、硬件设计与软件技术的相互融合，产生出大量的研究课题，使混沌在电子学研究领域不断得到扩大和深入，成果不断涌现。
1.2 光电子学理由研究进展
光学混沌作为混沌的一个分支学科，其发展也已经有近30年历史。光学混沌研究较电路混沌起步晚，但发展很快。早在20世纪60年代初激光器研制出来以后，就在实验室观察到激光器输出的尖峰效应和跳模现象，存在着确定性混沌，但当时是以弛豫振荡模型加以解释。1964年，格拉丘克（Grazyuk）和奥拉耶夫斯基（Oraevski），从理论上研究均匀加宽、单模环形腔激光器的稳定性时，发现了方程具有随时间无规律变化的解。*先研究光学混沌的是哈肯（Haken），他在1975年从理论上指出，描写单模激光器运转的麦克斯韦-布洛赫（Maxwell-Bloch）方程与描写大气湍流运动的洛伦茨（Lorenz）：方程在形式上一致，从而预言激光混沌的存在，并且在研究激光器稳定性基础上，建立了均匀加宽激光器的方程组洛伦茨-哈肯（Lorenz-Haken）方程。1978年，Casperson在理论和实验中研究了非均匀加宽高增益的激光器，对Xe（氙）激光器的不稳定性和第二阀值条件进行分析。1979年，池田（Ikeda）研究光学双稳态时，建立了光学双稳态的不稳定性模型一一池田方程。这个延时型方程，预示了光学双稳态系统混沌的存在。
20世纪80年代，随着激光器理论与技术研究的不断完善和深化，光学混沌才真正出现热点和突破，在一系列激光器中观测到了混沌。1981年，Gibbs等在电光混合型光学双稳态系统中首先观测到光学混沌。采用铅基的掺钢铁酸铺（PLZT）作为电光混合型的光学双稳态系统的非线性介质，以He-Ne激光器作为入射光源，通过电信号的延迟、反馈注入，激发非线性介质PLZT，使它的折射率发生非线性改变，引起输出光强的变化，产生混沌。这是第*个在理论指导下观察到的光学混沌。1982年，Arecchi等通过调制激光器谐振腔的腔内损耗办法，使用稳频CO2激光器，腔内放置电光晶体（CdTe）作为损耗调制器，在实验中也观测到了混沌。1983年，Weiss等利用He-Ne激光器输出λ=3.39μm的激光，完成了通过三种途径进入混沌的理论分析和实验工作，指出进入混沌的途径与研究大气运动时发现的途径完全相同：①倍周期分岔导致混沌；②周期3窗口叠加并通过系统阵发性转变进入混沌（阵发混沌）；③系统振荡的准周期运动形成混沌。同年，Gioggia和Abraham在实验室观测到Xe激光器混沌。Lugi曲等研究激光器的横向效应时，发现了时空混沌，并指出，横向效应引起的不稳定现象比平面波理论要丰富得多，当两个或更多个振荡模被激发生长时，光场相互干扰形成的拍频斑图，就是十分复杂的时一窍不稳定现象。Lugiato等后来又在均匀场极限和光场高斯-拉盖尔（Gauss-Laguerre）的函数展开的基础上，对球面镜环形腔激光器进行横向效应分析，得到了横向效应的一些重要性质。
1985年，Weiss专门设计了NH3激光器，再次从实验中观测到了洛伦茨混沌，同时也进一步证实了哈肯在1975年的理论成果。由于波谱、弛豫过程和增益特性等已经被掌握，这使得NH，激光器成为观察洛伦茨混沌的*选对象。Wei8S在后来做过的81μm和153μm波长NH，激光器实验时，发现在分子转动和振动跃迁中产生非均匀加宽，证实了81抖mNH，激光器在高气压下的动力学行为与洛伦茨模型相一致，伺在低气压时，由于泵浦相干效应变手制臣重要，系统行为发生重大变化，因此不再符合洛伦茨模型。另外，Weiss指出，用激光泵浦的远红外连续激光器可达到第二阀值，从实验结果来看，Haken-Lorenz模型的性质，也已在远红外激光器上被观察到。
1985-1989年，开始出现关于非线性光学现象的混沌的实验报道，在光学二次谐波、光注入半导体激光器的四波混频（four wavesmixing，FWM）、相位共轭、光折变，以及在光纤实验中的受激布里渊（Brillouin）散射、受激拉曼（Raman）散射等非线性光学现象中，均观测到了混沌。另外，核磁共振激光器（nuclear magnetic resonance，NMR）也因波长较长和共振的线宽较小而受到人们的关注。因此说，20世纪80年代是光学混沌研究的兴旺时期，对光与物质相互作用过程中出现的混沌现象研究非常活跃。
进入90年代，光学混沌的发展进入一个崭新的发展时期。如果说80年代以前的光学混沌研究是探索与认识过程的话，那么，90年代就是研究如何发展与利用光学混沌的时期。*突出的表现是参照电学混沌研究途径，对光学混沌进行有效的控制和利用，并取得了突破性进展，出现了混沌控制和混沌同步两大研究热点。
1990年，美国马里兰大学的物理学家Ott、Grebogi和Yorke提出了混沌控制理论和方法，利用参数微扰控制混沌，称为OGY方法。OGY方法基于混沌奇怪吸引子有着极其稠密的不稳定周期轨道，为非线性系统不稳定轨道（或不动点）的研究开辟了一个崭新的领域。随后又有人通过引人延迟坐标嵌入技术和连续反馈技术，扩展了OGY方法，同时应用到电子线路、化学、激光和心脏波形系统的研究中，并指出，OGY方法可在不改变系统的基础上实现对S曲线的不稳定的控制，使人们看到了混沌是可以控制和复制的，为混沌的应用研究提供了理论支持和技术保证。
同年，美国海军实验室的Pecora和CarroIl首先在电子线路实现了混沌同步，并阐述了混沌同步化原理（方案），称为P-C方法。针对洛伦茨模型等经典模型做了数值验证，并且在电路实验中获得了混沌的同步输出。
1992年，美国卓治亚大学的Roy等利用正反馈技术在腔内倍频Nd（铁离子）：YAG激光器上实现了小周期微扰法的光学混沌控制。1994年，Roy又使用两台Nd：YAG激光器，进行激光混沌同步实验研究。同年，Toshiki等利用CO2激光器进行了混沌同步实验，取得与Roy一样的效果。1995年，Ernst等发现，在脉冲耦合的振子中，时间延迟和抑制耦合对同步起关键作用，甚至只要任意小的时间延迟，
定价：138.0
ISBN：9787030391056
作者：柏逢明
版次：1
出版时间：2014-07
内容提要：
本书结合典型的科研成果和应用实践，深入论述了电子器件和电子系统中混沌现象的存在及其主要行为特征，并全面阐述了混沌电子学理论及其在现实应用中的价值和前景。全书共12章。第1章介绍混油电子学的发展现状；第2章阐述相关的理论基础；第3、4章从三阶电路系统和光电子系统方面分析混沌信号的产生过程；第5、6章研究电子器件和电子系统中混沌现象的特性和应用可能性；第7-12章分别从不同的领域探讨混沌电子的应用研究现状和前景。
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第1章 绪论 1
1.1 非线性电子学研究进展 1
1.2 光电子学混沌研究进展 3
1.3 超混沌理论研究进展与电光混合调制系统 5
1.3.1 电路超混沌研究 5
1.3.2 光学超混沌研究 6
1.3.3 电光混合系统超混沌研究进展 7
1.4 混沌及超混沌的控制与同步方法 7
1.4.1 混沌控制 7
1.4.2 混沌同步 8
1.4.3 超混沌控制 8
1.4.4 超混沌同步 9
1.5 电路与光学混沌的应用状况 9
1.5.1 通信与信息安全中的混沌保密系统 9
1.5.2 光电混沌娱乐系统 10
1.5.3 改善和提高激光器的性能 10
1.5.4 自由空间激光混沌信息传输与测试 10
1.5.5 利用非线性电子器件单元研究新的混沌电子学现象 10
1.5 6 光信号的放大与压缩 10
1.6 视频动态影像编码与海施加密的研究现状 10
1.6.1 视频加密技术的国内外发展过秤 11
1.6.2 基于H.264的视频加密算法概述 13
1.6.3 视频加密研究的发展趋势 14
1.7 语音电子信息加密的研究现状 15
1.7.1 语音电子信息加密的国外进展 15
1.7.2 语音加密国内研究现状进展 16
1.7.3 语音信息加密具体应用研究 17
1.8 混沌电子学的其他应用 18
1.8.1 电子身份认证与超混沌序列安全 18
1.8.2 图像信息的混沌电子信息处理 19
1.8.3 掺饵光纤弱信号混沌检测系统 19
1.8.4 混沌细胞神经网络基础研究 20
1.8.5 基于混沌理论的视频加密系统研究 20
第2章 非线性系统与混沌基本理论 21
2.1 非线性系统方程及其解的稳定性 21
2.1.1 非线性系统和范德波尔方帮 21
2.1.2 微分方程的解及其稳定性 24
2.2 微分方程连续性与初始条件、参数变化的关系 29
2.3 状态方程解的可徽性和灵敏度方程 30
2.4 奇点（平衡点）七极限环和分岔 31
2.4.1 奇点（平衡点） 32
2.4.2 极限环 36
2.4.3 分岔 38
2.5 吸引子和奇怪吸引子 43
2.5.1 吸引子 43
2.5.2 奇怪吸引子 43
2.6 混沌及其研究方法 44
2.6.1 从倍周期到混沌的过程 44
2.6.2 混沌的常规研究方法 45
第3章 三阶电路系统混沌信号产生与控制 48
3.1 混沌信号产生的条件和特征 48
3.1.1 混沌的特征 48
3.1.2 混沌信号产生的条件 49
3.2 混沌的数值分析方法 50
3.2.1 李指数 50
3.2.2 功率谱 54
3.3 非线性系统的混沌控制 58
3.3.1 混沌控制的目标 58
3.3.2 混沌控制的方法 58
3.3.3 三阶非线性自治系统及控制 61
3.4 典型混沌电路与系统分析 66
3.4.1 洛伦茨混沌系统 66
3.4.2 洛伦茨混沌系统的电路实现 72
3.4.3 新混沌系统的构造 75
第4章 光电子系统的电调谐超混沌研究 77
4.1 半导体激光器电调谐超混沌研究 77
4.1.1 半导体激光器产生混沌的条件 77
4.1.2 半导体激光器混沌与超混沌电调谐系统模型 78
4.1.3 两运算放大器构成简单电调制光学超混沌系统 79
4.1.4 多运算放大棒组合电调制注入半导体激光器超混沌系统 84
4.1.5 混沌级联方式构成超混沌系统 86
4.1.6 1昆沌自适应电调制系统 86
4.2 半导体激光器电调制系统超混沌控制与同步 91
4.2.1 半导体激光器电调制系统超混施控制 91
4.2.2 半导体激光器电调制系统超混沌阔步 92
4.3 掺饵光纤激光器电调谐系统超混沛研究 94
4.4 掺饵光纤激光器电调谐系统超混沌控制 97
第5章 电路混沌特性与超混沌理论研究 99
5.1 非线性系统超混沌电路结构与特性研究 99
5.1.1 非线性动力学系统与电路结构 99
5.1.2 非线性系统单元功能电路的参数调整与器件选择 101
5.1.3 利用非线性系统单元功能电路构造三阶混沌电路的勒斯勒尔自治系统 103
5.2 电光混合系统中超混沌电路构造方法与实验研究 107
5.2.1 根据复数将洛伦茨-哈肯方程和单模激光理论构造超混沌电路 108
5.2.2 根据非线性动力学特性构造超混沌电路 110
5.2.3 非线性动力学电路组合功能模型研究 110
5.2.4 电路系统超混沌调试观测与数值模拟分析 113
5.3 利用分段线性电路和系统单元功能电路构建超混沌系统 119
5.4 电路超混沌控制研究 121
5.4.1 电路参数自调制实现超混沌系统控制 121
5.4.2 外部施加小参数共振扰动实现超混沌系统控制 125
5.5 电路超混沌同步研究 126
5.5.1 驱动响应方法实现超混浊电路系统同步 126
5.5.2 主动被动方法实现超握沌电路系统同步 128
第6章 复含混沌映射的控制与超混沌扩频序列研究 131
6.1 混沌映射 131
6.1.1 满映射 131
6.1.2 轨道点的密度分布 132
6.1.3 轨道点的均值 133
6.1.4 混沌吸引子的激变 133
6 1 5 离散系统的李指数 134
6.2 混沌映射的复合 136
6.2.1 人字映射 136
6.2.2 Logistic映射 137
6.2.3 混沌剧才的复合 138
6.3 复合起混沌映射的控制 139
6.3.1 复合混沌映射的控制 139
6.3.2 复合超混沌映射的控制 144
6.4 超混沌扩频序列的产生方案 146
6.5 混沌扩频序列的性能分析 147
6.5.1 自相关特性 147
6 5 2 互相关特性 149
6.5.3 多址能力与复杂度分析 151
6.6 混沌序列下的跳频通信仿真 151
6.6.1 切比雪夫混沌映射 151
6.6.2 跳频通信系统的模块设计 153
6.6.3 仿真结果分析 155
第7章 超混沌保密通信系统应用研究 156
7.1 扩频序列混沌保密通信数字电路模块设计研究 156
7.1.1 扩频通信技术原理 156
7.1.2 混沌通信硬件可实现算法 157
7.1.3 混沌扩频序列发生器的设计 159
7.1.4 扩频序列混沌保密通信应用研究 166
7.2 软件无线电通信系统超滋沌语音保密系统应用研究 168
7.2.1 软件无线电安全保密通信系统 169
7.2.2 勒斯勒尔超混沌语音保密通信系统 171
7.2.3 软件元线电模式下的语音超混沌保密通信系统仿真 173
7.2.4 勒斯勒尔超棍沌语音保密通信系统的可靠性问题 175
7.2.5 有采软件无线电超混沌系统通信应用的讨论 175
7.3 超混沌同步图文图像保密通信与软件应用研究 176
7.3.1 超混沌信息掩盖技术应用 176
7.3.2 软件实现 176
7.3.3 实验结果与讨论 177
7.4 利用超混沌信息掩盖技术实现信息保密传输 178
7.4.1 混沌掩盖算法原理 178
7.4.2 超混沌掩盖-混沌加密方法 179
7.4.3 仿真实验结果 181
第8章 基于混沌加密的图像和音频数字水印算法 183
8.1 图像数字水印技术及多尺度几何分析 183
8.1.1 数字水印原理 183
8.1.2 图像多尺度几何分析 183
8.2 基于混沌加密NSCT的图像数字水印处理 187
8.2.1 Logistic映射与混沌序列的产生 187
8.2.2 水印信号置乱算法 189
8.2.3 水印信号加密算法 190
8.3 轮廓波变换和非下采样轮廓波变换 190
8.3.1 轮廓波变换 190
8.3.2 非下采样轮廓波变换 191
8.3.3 水印嵌入和提取算法 191
8.3.4 实验结果和分析 192
8.4 复倒谱理论与水印嵌入方法 195
8.4.1 倒谱与复倒谱 195
8 4 2 水印嵌入方法 197
8.4.3 图像置乱技术 199
8.4.4 水印嵌入算法 201
8.4.5 水印提取算法 204
8.4.6 仿真实验 204
8.5 混合域中同时嵌入鲁棒水印和脆弱水印的算法研究 211
8.5.1 图像混沌加密 211
8.5.2 水印嵌入算法 211
8.5.3 水印提取算法 213
8.5.4 仿真实验 214
第9章 基于混沌加密的网上银行电子身份认证技术 220
9.1 网上银行身份认证理论与信息传输 220
9.1.1 身份认证与网上银行身份认证基本原理 220
9.1.2 网络环境下信息传输所面临的威胁与对策 221
9.1.3 网上银行常用的身份认证技术 222
9.2 基于动态口令的网上银行身份认证与混沌保密技术 223
9.2.1 网上银行身份认证技术原理 223
9.2.2 网上银行身份认证技术实现机制 224
9.2.3 信息安全与混沌保密技术 225
9.3 基于混沌同步加密的网上银行动态口令身份认证技术研究 228
9.3.1 Logistic映射的性质研究 228
9.3.2 网上银行动态口令混沌同步加密算法的设计原则 232
9.3.3 基于Logistic映射的网上银行动态口令身份认祉技术设计232
9.3.4 实验结果与分析 238
9.4 基于超混沌同步加密的网上银行动态口令身份认证技术研究 240
9.4.1 超混沌加密系统研究 240
9 4.2 典型的超混沌系统模型 241
9.4.3 二维超混沌系统研究 243
9.4.4 基于超混沌同步加密的网上银行动态口令身份认证技术设计 232
第10章 掺饵光纤弱信号混沌检测系统 249
10.1 混沌与信号检测 249
10.1.1 混沌与弱信号检测 249
10.1.2 基于混沌振子的弱信号检测原理 250
10.1.3 达芬振子构成的弱信号检测系统 252
10.2 光纤弱信号检测理论与方法 253
10.2.1 互相关检测法 253
10.2.2 基于小波变换的弱信号检测法 254
10.2.3 随机共振弱信号检测 256
10.2.4 光纤弱信号检测 257
10.3 混沌状态判别方法研究 258
10.3.1 基于相阁的直观法 258
10.3.2 数值法 259
10.3.3 基于过零周期的混沌周期状态阀值判据 263
10.4掺饵光纤弱信号检测系统 272
10.4.1 光纤传感器 272
10.4.2 掺饵光纤 273
10.4.3 弱信号检测部分设计 273
第11章 无线超短波语音数字化集群混沌加密系统 288
11.1 集群加密系统理论 288
11.1.1 集群通信系统讨论 288
11.1.2 集群通信特点分析 289
11.1.3 加密算法分析 290
11.2 集群系统混沌密码叠加方法研究 297
11.2.1 混沌加密系统分析 297
11.2.2 利用Logistic映射产生混沌序列 299
11.2.3 二值化方法产生混沌伪随机序列 303
11.2.4 语音混沌密码叠加方法研究 308
11.3 超短波条件下集群系统研究 315
11.3.1 超短波通信 315
11.3 2 基于超短波集群通信系统研究 318
11.4 语音信号的仿真和实验分析 321
11.4.1 数字语音信号的特征分析 321
11.4.2 加密算法与分析 322
11.4.3 语音信号仿真实验与分析 326
11.4.4 实验结果讨论 328
第12章 视频编码与混沌动态影像加密 330
12.1 视频加密算法与性能分析 330
12.1.1 完全加密算法 330
12.1.2 空域选择加密算法 330
12.1.3 变换域选择加密算法 331
12.1.4 且将编码和加密结合算法 331
12.1.5 视颜如密算法性能分析 331
12.2 H.264的视频压缩编码标准 332
12.2.1 H.264编解码的基本框架和特性 333
12.2.2 H.264整数变换与*化 335
12.2.3 H.264帧内预测编码 340
12.2.4 4×4亮度预测模式 340
12.2.5 16×16亮度预测模式 341
12.2.6 色度块的预测模式 342
12.2.7 H.264帧间预测编码 342
12.3 基于混沌和H.264的视频加密系统设计 343
12.3.1 国内外H.264常用视频加密算法验证 343
12.3.2 视频加密系统设阶基本思想 347
12.3.3 一种改进型分段线性混沌复合映射 347
12.3.4 混沌序列密钥分配 351
12.3.5 一种基于H.264的安全等级时词的加密算法 354
12.3 6 试验结果分析 359
12.3.7 视频加密系统设计 361
12.4 基于混沌和提升小波的视频加密研究 364
12.4.1 基于混沌和提升小波的视频加密流程 365
12 4 2 提升小波变换过程 366
12.4.3 基于混油和提升小波的视频加密算法 367
12.4.4 试验结果分析 368
参考文献 371
在线试读：
第1章 结论
1.1 非线性电子学研究进展
丹麦工程师范德波尔（van der Pol）于1927年在电学中发现混沌。他在进行一项以正弦电压源来驱动氛灯RLC（resistor，lenz and capacitor）张弛振荡器的实验过程中，采用了一个与该振荡实验系统相互藕合的电话机作为检测工具。从电话耳机中传来“一种不规则的噪声”。这种奇特的噪声现象是电路系统的周期依次叠加、噪声的交替变化和布朗运动的过程。Gollub等在后来实验中使用多个耦合非线性振子，也观察到了较复杂的频率组合现象。范德波尔和Gollub等虽然当时没有发现后人所揭示的混沌规律，但是已经监测到了混沌的振动状态。这是*早的有关混沌的电路实验。
由于电子技术的条件限制，在20世纪五六十年代，混沌研究基本上是混沌动力学研究，即对非线件动力学电路的研究。
1978年，日本京都大学Ueda使用非线性电感、电容加上正弦电压构成非线性电路，做了较详细的仿真实验，发现方程E coswt所描述的非线性电路中有7/3阶的高次谐波振荡和随机转变过程。经过电路改进和参数调整，用示波器显示电压的李萨如图形，同时用频谱仪观察恒压源的限流电阻变化时的频谱变化，开拓出一条从准周期进人混沌的道路。
1980年，日本的Ueda和Akamatsu两人将负阻元件与电容并联后，通过电阻、电感加正弦电压的方法做仿真实验，发现了范德波尔方程μ（1-x2）i+x3=E cosmt所描述的非线性电路中的奇怪吸引子和准周期振荡。1981年，美国麻省理工学院的Linsay做了强迫二阶非线性电容电路的混沌实验，采用具有非线性特性的变容二极管通过电阻、电感加上正弦电压的电路，证实了费根鲍姆（Feigenbaum）关于周期倍增导致混沌的预言，并验证了费根鲍姆数，这是分岔与混沌现象的第*个电路实验。为了验证费根鲍姆关于一维非线性映射分岔规律的理论，Linsay提出了一个含有变容二极管的二阶电路，并在实验中得到了倍周期分岔和混沌谱。后来又有人用频率控制得到分岔图，用测得的频率锁定效应，发现周期区内的混沌“岛”。
1982年，蔡少棠设计了一个能够产生复杂混沌现象的*简单的三阶非线性自治电路（即蔡氏电路）。它只含有一个非线性元阳由运算放大器构成的一个主阶分段线性电阻器）、两个电容和一个电感。由这个非线性电阻的分段线性函数导出电路的状态方程，通过调整参数，得到双涡卷的奇怪吸引子。
1983-1993年，Chua电路的研究非常活跃。大量的研究论文和成果以专刊、专利和专著的形式被报道，出现了Ch国电路的集成芯片。同时，非线性混沌电路的研究也蓬勃展开，至今仍是*为活跃的实验研究领域。非线性混沌电路的构成大致有三个方面：①利用电子元件本身的非线性特点，构成产生混沌的非线性电路，这样的电路几乎遍及所有的非线性器件，包括非线性电阻、电容、电感，以及各种二极管、单结晶体管、工作在饱和截止区的三极管等。其中，对于著名的Chua电路，人们经过多年的潜心研究，在理论分析、实验测试、模拟计算等方面都取得了重要成果。②利用集成运算放大器、模拟乘法器等组件构成乘积电路、负阻电路、回转电路、分段线性电路、积分电路和微分电路等单元模块，进行优化组合构成非线性动力学系统。这样，利用所构建的非线性单元模块，既可以创造出更新颖的非线性电子电路，又能为某种特殊需要，实现一些只能用数学模型表达的新的动力学系统供研究。③对于上述电路或模块的分解和重组，构成多维超混沌系统，或者实施耦合、反馈、同步等研究方案，以开展对各种混沌、超混沌的控制方法、同步方法和通信方法的研究等。
20世纪90年代以后，特别是进入21世纪的近些年来。随着电子技术和电子器件的不断进步，计算机仿真给电路混沌技术研究带来了便利，加快了混沌电路的研究步伐。神经网络混沌、时间序列构造的状态空间重构、混沌信号的子值域特性分析、数字混沌系统等新型混沌电路和混沌模拟仿真分析方法不断涌现。1998-2000年，混沌电路研究领域出现了计算机参与的混沌芯片、混沌加密软件和计算机混沌系统的新热点。在军事研究上，又出现跳频（frequency hopping，FH）通信的混沌扩频序列产生器件。利用MCS-51单片机实现FH序列产生器，进行的混沌迭代运算，利用计算机编程的优化高效算法，使混沌扩频序列的产生变得轻而易举。一些关于神经网络电路混沌和安全保密通信的混沌密码学也在世纪之交有所突破。
进入21世纪，混沌电子学的理论与应用逐步细分，并相继在各个不同领域内得到发展，如网络电子身份信息安全认证、扩频/跳频保密通信系统、数字水印加密和神经网络信息图像加密算法等。
总之，电路混沌研究日前已经发展到日趋成熟的阶段，模拟技术与数字技术、硬件设计与软件技术的相互融合，产生出大量的研究课题，使混沌在电子学研究领域不断得到扩大和深入，成果不断涌现。
1.2 光电子学理由研究进展
光学混沌作为混沌的一个分支学科，其发展也已经有近30年历史。光学混沌研究较电路混沌起步晚，但发展很快。早在20世纪60年代初激光器研制出来以后，就在实验室观察到激光器输出的尖峰效应和跳模现象，存在着确定性混沌，但当时是以弛豫振荡模型加以解释。1964年，格拉丘克（Grazyuk）和奥拉耶夫斯基（Oraevski），从理论上研究均匀加宽、单模环形腔激光器的稳定性时，发现了方程具有随时间无规律变化的解。*先研究光学混沌的是哈肯（Haken），他在1975年从理论上指出，描写单模激光器运转的麦克斯韦-布洛赫（Maxwell-Bloch）方程与描写大气湍流运动的洛伦茨（Lorenz）：方程在形式上一致，从而预言激光混沌的存在，并且在研究激光器稳定性基础上，建立了均匀加宽激光器的方程组洛伦茨-哈肯（Lorenz-Haken）方程。1978年，Casperson在理论和实验中研究了非均匀加宽高增益的激光器，对Xe（氙）激光器的不稳定性和第二阀值条件进行分析。1979年，池田（Ikeda）研究光学双稳态时，建立了光学双稳态的不稳定性模型一一池田方程。这个延时型方程，预示了光学双稳态系统混沌的存在。
20世纪80年代，随着激光器理论与技术研究的不断完善和深化，光学混沌才真正出现热点和突破，在一系列激光器中观测到了混沌。1981年，Gibbs等在电光混合型光学双稳态系统中首先观测到光学混沌。采用铅基的掺钢铁酸铺（PLZT）作为电光混合型的光学双稳态系统的非线性介质，以He-Ne激光器作为入射光源，通过电信号的延迟、反馈注入，激发非线性介质PLZT，使它的折射率发生非线性改变，引起输出光强的变化，产生混沌。这是第*个在理论指导下观察到的光学混沌。1982年，Arecchi等通过调制激光器谐振腔的腔内损耗办法，使用稳频CO2激光器，腔内放置电光晶体（CdTe）作为损耗调制器，在实验中也观测到了混沌。1983年，Weiss等利用He-Ne激光器输出λ=3.39μm的激光，完成了通过三种途径进入混沌的理论分析和实验工作，指出进入混沌的途径与研究大气运动时发现的途径完全相同：①倍周期分岔导致混沌；②周期3窗口叠加并通过系统阵发性转变进入混沌（阵发混沌）；③系统振荡的准周期运动形成混沌。同年，Gioggia和Abraham在实验室观测到Xe激光器混沌。Lugi曲等研究激光器的横向效应时，发现了时空混沌，并指出，横向效应引起的不稳定现象比平面波理论要丰富得多，当两个或更多个振荡模被激发生长时，光场相互干扰形成的拍频斑图，就是十分复杂的时一窍不稳定现象。Lugiato等后来又在均匀场极限和光场高斯-拉盖尔（Gauss-Laguerre）的函数展开的基础上，对球面镜环形腔激光器进行横向效应分析，得到了横向效应的一些重要性质。
1985年，Weiss专门设计了NH3激光器，再次从实验中观测到了洛伦茨混沌，同时也进一步证实了哈肯在1975年的理论成果。由于波谱、弛豫过程和增益特性等已经被掌握，这使得NH，激光器成为观察洛伦茨混沌的*选对象。Wei8S在后来做过的81μm和153μm波长NH，激光器实验时，发现在分子转动和振动跃迁中产生非均匀加宽，证实了81抖mNH，激光器在高气压下的动力学行为与洛伦茨模型相一致，伺在低气压时，由于泵浦相干效应变手制臣重要，系统行为发生重大变化，因此不再符合洛伦茨模型。另外，Weiss指出，用激光泵浦的远红外连续激光器可达到第二阀值，从实验结果来看，Haken-Lorenz模型的性质，也已在远红外激光器上被观察到。
1985-1989年，开始出现关于非线性光学现象的混沌的实验报道，在光学二次谐波、光注入半导体激光器的四波混频（four wavesmixing，FWM）、相位共轭、光折变，以及在光纤实验中的受激布里渊（Brillouin）散射、受激拉曼（Raman）散射等非线性光学现象中，均观测到了混沌。另外，核磁共振激光器（nuclear magnetic resonance，NMR）也因波长较长和共振的线宽较小而受到人们的关注。因此说，20世纪80年代是光学混沌研究的兴旺时期，对光与物质相互作用过程中出现的混沌现象研究非常活跃。
进入90年代，光学混沌的发展进入一个崭新的发展时期。如果说80年代以前的光学混沌研究是探索与认识过程的话，那么，90年代就是研究如何发展与利用光学混沌的时期。*突出的表现是参照电学混沌研究途径，对光学混沌进行有效的控制和利用，并取得了突破性进展，出现了混沌控制和混沌同步两大研究热点。
1990年，美国马里兰大学的物理学家Ott、Grebogi和Yorke提出了混沌控制理论和方法，利用参数微扰控制混沌，称为OGY方法。OGY方法基于混沌奇怪吸引子有着极其稠密的不稳定周期轨道，为非线性系统不稳定轨道（或不动点）的研究开辟了一个崭新的领域。随后又有人通过引人延迟坐标嵌入技术和连续反馈技术，扩展了OGY方法，同时应用到电子线路、化学、激光和心脏波形系统的研究中，并指出，OGY方法可在不改变系统的基础上实现对S曲线的不稳定的控制，使人们看到了混沌是可以控制和复制的，为混沌的应用研究提供了理论支持和技术保证。
同年，美国海军实验室的Pecora和CarroIl首先在电子线路实现了混沌同步，并阐述了混沌同步化原理（方案），称为P-C方法。针对洛伦茨模型等经典模型做了数值验证，并且在电路实验中获得了混沌的同步输出。
1992年，美国卓治亚大学的Roy等利用正反馈技术在腔内倍频Nd（铁离子）：YAG激光器上实现了小周期微扰法的光学混沌控制。1994年，Roy又使用两台Nd：YAG激光器，进行激光混沌同步实验研究。同年，Toshiki等利用CO2激光器进行了混沌同步实验，取得与Roy一样的效果。1995年，Ernst等发现，在脉冲耦合的振子中，时间延迟和抑制耦合对同步起关键作用，甚至只要任意小的时间延迟，