基于激光雷达网络电子通信的数据加密技术

王长江

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

0 引 言

在激光雷达领域中，通信与传感技术、计算机技术紧密结合之后已经成为了人们生产和生活中一种重要的信息交流方式。但激光网络也容易受到信道差异性的影响出现信道衰落，进而出现数据泄露的问题。因此，研究激光雷达网络电子通信的数据加密技术不仅可以提高网络数据传输的安全性，还可以促进激光雷达网络电子通信技术的持续发展。当前，关于激光雷达网络电子通信加密的资料有很多，研究人员主要是在对信道进行均衡处理和对数据进行加密的基础上探究这一问题，提出了ECC、椭圆曲线以及混沌公钥等加密技术，还有部分学者提出通过加密窃听信道中的数据并将其中的算数进行编码的方式来提高信息的安全性。在这些研究的基础上，本文分析了基于激光雷达网络电子通信的数据加密技术。

1 激光雷达网络电子通信系统的相关理论

1.1 通信原理

激光雷达网络电子通信系统的通信原理与无线电比较类似，都是使用激光在自由空间中传输数据和语音等信息的通信技术。在运行的过程中，激光就相当于无线电波，而光学探测器则相当于无线电线，且调制解调器和编码解码器等设备也都是通用的，但与无线电通信不同的是，激光雷达网络电子通信系统的电磁载波为光波。

激光雷达网络电子通信系统主要包括发射端与接收端两个部分。在发射端，数字和语音信号等等待接收的信息会先通过编码器进行数字编码，转化为系统可以识别的数字信号，然后加载到调制器上。在数字信号发生变化的情况下，调制器上的激励电压也会改变，从而使激光器产生激光，相关物理参数也会随之变化。最后，光学天线会以较小的发散角将调制的光束向着自由空间的信道发散出去。接收端部分主要由接收天线光学接收器、解调器以及解码器等构件组成，主要功能是接收光信号，这些信号会在光学接收器中完成光电转换。在完成转换之后，电信号还需要经过解调器和解码器作进一步的处理，最终被还原为原信号。

1.2 通信方式

1.2.1 单工与半双工通信

单工通信指的是信号单方向传输的通信方式。在激光雷达网络电子通信系统中，携带着传输信息的激光会由激光发射端进入到自由空间，然后被激光接收端接收并进行处理，最终得到原始信号。这个过程中，发射端与接收端的位置不能互换，信息的传输方式是单向的。半双工通信则指的是数据可以双向传输，但单次工作中只能由一方传至另一方而不可两边同时发射或接收的通信方式。在运行的过程中，终端一旦开始接收信号另一端就会立刻停止发送数据。由此可见，该终端既可以作为接收端也可以作为发送端。半双工通信方式又被称为双向胶体通信，如果要改变通信方向的话需要切换开关。在系统中，两个终端都设置了发射端和接收端，但是在同一个时刻，二者只能有一个发射端和一个接收端，以此来确保信息在同一时刻的单向传输。这种通信方式的灵活性较差，容易造成硬件资源的浪费，因此使用率不高。

1.2.2 双工通信

双工通信指的是信息能够在任意时刻实现在两个终端之间的两个方向相互通信的方式，不需要开关切换的情况下就可以自由通信。人们生活中常用的电话等通信设备所使用的就是这种通信方式。激光雷达领域中，网络电子通信还并没有真正地实现全双工通信，通常使用时分双工和频分双工这两种通信方式。时分双工通信的特点是利用时间分隔多工技术将上行与下行链路的数据传送时间间隔开，使得同一频段的光波在传送的过程中互不影响，频分双工的特点则是利用频率分隔多工技术隔离处理光信号的频率，由于传送数据的上行和下行光波处于不同的频率，因此二者在运行的过程中不会发生相互之间的干涉。

1.2.3 逆向调制通信

这种通信方式的发展时间比较短，其将激光发射装置与接收装置置于同一通信终端上，这可以使终端的激光收发器和跟踪系统质量得到减轻，进而使整个激光雷达网络电子通信系统的重量被释放，体积和能耗也更小。在逆向调制通信的支持下，激光雷达网络电子通信系统可以被放置在热气球和无人机等承载能力更弱的终端上，同时也可以支持野外监测平台和智能机器人等供电能力弱的终端。由此可见，逆向调制通信使激光雷达网络电子通信系统变得更为轻便和灵活，但是它也存在一定的约束性，需要使用激光外调制器才能完成相关信息的加载。

2 激光雷达网络电子通信的关键技术

2.1 高码率调制技术

激光雷达网络电子通信能够实现远距离的高码调制，对光源提出了新的要求。一方面激光器需要具有较强的性能，输出激光的纵模、横模以及线宽都要满足特定的要求，另一方面激光器的功率要达到一定的要求。在这样的情况下，就要运用高功率光源和高码率调制技术，增强光源的热稳定性和频率稳定性，延长其工作寿命，提高其使用性能[1]。

2.2 光束准直技术

在激光雷达网络电子通信的过程中，光源通常是由半导体的激光器发出，发散角比较大，且水平和垂直两个方向的角度不同，质量无法满足实际需求。为解决这一问题，通信系统需要运用精密的光束准直技术将发散角度压缩到微弧度量级。同时，在接收端需要将光场收集起来，使其汇聚到探测器的表面上。在这个过程中，只有使用高质量的光学器件才能充分发挥光束准直技术的优势。

2.3 捕获、跟踪以及瞄准技术

网络电子通信用的激光光束通常比较狭窄，作用的距离比较远，对通信两端视轴的对准进度要求比较高。在激光受到卫星平台和空间环境干扰的情况下，捕获、跟踪以及瞄准系统需要具有较高的控制进度和控制宽带。这个过程中，捕获是星间光通信链路建立的必要条件，而跟踪和瞄准进度对通信的性能具有重要作用。捕获、跟踪以及瞄准技术可以在视场较大、背景噪音较大以及卫星平台内外环境扰动较大的情况下准确捕获堆放信标光。

2.4 光接收技术

在激光进行长距离传输的过程中会产生较多的能量损失，因此接收信号的功率通常比较小。与此同时，光电探测器在运行的过程中还会受到背景噪音的干扰，导致信号的信噪比较低，增加了信号的接收难度。在这样的情况下，就需要一种高灵敏度和抗干扰能力强的光接收技术[2]。

3 基于激光雷达网络电子通信的数据加密技术

3.1 基于信道独立性相位调制的数据加密技术

基于信道独立性相位调制的数据加密技术可以有效分析激光雷达数据影响因素，然后根据误码率与密钥速率之间存在的关系调制信道的独立性相位。首先，将两个用户通信的时间间隙设定为一个常数，在校正整个通信信道的传递函数之后得到了信道独立性相位存在的映射关系。其次，将判决的结果反馈到窃听信道中，得到一个二元输入的信息熵，基于信道估计可以得到接收者对发送数据有效接收的敏感度函数。最后，在传输一帧数据的时间内，通信数据的安全传输的互信息传递函数也可以被表示出来，在这个基础上对信道的状态进行特征重建，就可以实现激光雷达网络电子通信信道独立性相位的调制和数据加密[3]。数据加密之后，可以得到信道中的安全容量。在调用密码库中的AES加密密钥加密数据之后，可以得到不同比特序列长度的加密数据。在这之后，根据自适应调整信道增益的信道容量，结合数据误码率与密钥速率之间的关系得到非重叠分块数据准确接收状态下的安全容量，并在确定数据加密模糊度的满足条件之后得到数据安全保密传输的联合熵。

这种方法采用了相位旋转调制技术增加了密钥的空间，同时结合了误码率与密钥速率之间的关系实现了对信道的相位调制，有效提高了通信信道的均衡性，进而对数据的离散PSK信源进行加密，其主要特点是输出信息的误码率比较低，保真度较高[4]。

3.2 基于波分复用的混沌光流密码的数据加密技术

基于波分复用的混沌光流密码的数据加密技术可以利用波分复用技术来传输密钥和密文。首先，发射机可以将密钥和其他需要发送的信息进行异或操作，然后通过激光器的电流调制将电信号转换为光信号。其次，光信号在光纤中经过长距离传输之后到达接收端，接收端会利用相应的解密装置对其进行解密。在这之后，光信号会被波分解复用器进行解复用，然后在光电探测器中被检测，并被低通滤波器过滤掉高频的噪声。经过这一系列的操作之后，密钥和密文的电信号就可以通过采样和判决等过程被恢复。最后，将恢复之后的信息与接收机的密钥进行异或操作之后就可以得到明文[5]。

研究发现，基于波分复用的混沌光流载波的激光雷达网络电子通信所利用的是混沌同步原理，加入信息的情况下会影响收发机之间的混沌同步，降低通信的质量。而使用混沌光所产生的高速流密码系统可以利用数字化的混沌光作为密钥，在不需要进行混沌同步的情况下就可以确保通信的质量。

3.3 基于ECC算法的数据加密技术

基于ECC算法的数据加密技术运用了粒子群算法，可以提取和分析激光通信特征，获取激光通信数据GF上的椭圆曲线，同时使用ECC算法可以改善传统的加密方法，得到适用于激光雷达网络电子通信系统的加密流程[6]。

ECC算法是基于椭圆曲线离散对数问题所产生的一种公钥密码算法，它可以利用区域内曲线上的有限点群来代替有限循环群。与传统非对称的加密算法相比，该算法具有明显的优势，它的加密时间更短、效率更高且安全性更强。在加密的过程中，首先要初始化激光通信环境，并在这个基础上生成密钥。其次进行加密，加密时需查找激光通信数据的公钥，将激光通信数据表示为椭圆曲线域内元素，然后选取随机激光通信整数计算激光通信数据，接着将加密后的数据发送给数据点。最后进行解密，该过程使用公钥和自身的私钥计算激光通信数据点，运用公式恢复激光通信数据。

4 结 论

综上所述，为了确保激光雷达网络电子通信系统信息的安全性，需要运用相应的数据加密技术。目前所使用的激光通信技术包括调制技术、光束准直技术、光接收技术以及捕获、跟踪、瞄准技术4种，在加密系统数据时要根据这4种技术的特点进行选择。本文主要介绍了基于信道独立性相位调制、基于波分复用的混沌光流密码以及基于ECC算法3种数据加密技术，技术人员可以根据实际需要来选择最适用的加密技术，为系统的运行创造良好条件。