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混沌应用于图像加密与交通光通信保密系统

时间:2023-09-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:Logistic 映射的特性按照式进行仿真。图2-3Logistic 的二维相空间图2-4Logistic 的三维相空间4.Logistic 的相关性取序列长度N=1024,x=0.289999,μ=4,相关间隔M=2048,自相关仿真结果如图2-5 所示。图2-6Logistic 的互相关5.Logistic 的倍周期分岔当μ 的取值范围是(0,4]时,Logistic 映射是从区间(0,1]到其本身的非线性映射。图2-7Logistic 的倍周期分岔从图2-7中可看出,0<μ<3,可见一条曲线,即x有一个收敛点。当Lyapunov 指数为正时,序列可认为已进入混沌状态。

混沌应用于图像加密与交通光通信保密系统

Logistic 映射的特性按照式(2-13)进行仿真。

1. Logistic 的初值敏感性

式(2-13)中的μ=4,初始值x(0)分别为0.289999,0.290000,迭代次数为100,就可以得到Logistic 映射的初始值敏感图,如图2-1 所示。横轴表示迭代次数n,纵轴表示序列的取值x(n)。从图2-1 可以看出,两者的初始值仅相差10-6,刚开始迭代的两条曲线基本重合,但是经过一段时间的迭代后,两个曲线有很大的差别,这说明混沌序列对初始值非常敏感。通过预置初始值,可以产生不同的混沌序列,产生的序列数量非常多。

图2-1 Logistic 的初始值敏感性

2. Logistic 的遍历

理论上,当x(n)经过n 次迭代运算后(n 值足够大时),其迭代运算值x(n)等遍历(0,1]上所有的值。取初始值x(0)=0.289999,μ=4,对式(2-13)进行1000 次迭代所产生的混沌轨迹如图2-2 所示。横轴表示迭代次数n,纵轴表示序列的取值x(n)。图中的“+”表示第n 次迭代运算值x(n)。从图2-2中可以看出,当迭代次数足够大时,模拟混沌序列的取值x(n)几乎遍历了(0,1]的区间。

图2-2 Logistic 的遍历性

3. Logistic 的相空间

初始值x(0)=0.289999,迭代次数为1024,当μ=4 时,可以得到Logistic 映射的二维相空间图(图2-3)和三维相空间图[图2-4(a)];当μ=3.96 时,可以得到Logistic 映射的三维相空间图[图2-4(b)]。由图2-4 可以看出,分形参数μ 的微小变化能够使得三维相空间发生改变。

图2-3 Logistic 的二维相空间

图2-4 Logistic 的三维相空间

4.Logistic 的相关性

取序列长度N=1024,x(0)=0.289999,μ=4,相关间隔M=2048,自相关仿真结果如图2-5 所示。横轴表示时延,纵轴表示归一化幅度。从图2-5看出,类似于δ 函数,接近白噪声的特性。

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图2-5 Logistic 的自相关

取序列长度N=1024,μ=4,x(0)=0.289999,y(0)=0.289999,最小初始值敏感度为10-6,相关间隔M=2048,互相关仿真结果如图2-6 所示。横轴表示时延,纵轴表示归一化幅度。由图2-6 可以看出,互相关系数非常小,随着序列长度的增加会逐渐趋近于白噪声。而且,初始值相差10-6的两个序列经过数次迭代后,互相关性变得非常小。

图2-6 Logistic 的互相关

5.Logistic 的倍周期分岔

当μ 的取值范围是(0,4]时,Logistic 映射是从区间(0,1]到其本身的非线性映射。μ 以0.02 的步长,在(0,4]区间逐步增加时,对每一个固定的μ 值,取一个初始值x(0)=0.289999,通过对式(2-13)进行500 次迭代运算,每当给定一个μ 值后,取其最后500 次的x(n)值进行绘图,其结果为倍周期分岔图,如图2-7 所示。图2-7 中横坐标表示μ 的取值范围,纵坐标表示x(n)的取值范围。

图2-7 Logistic 的倍周期分岔

从图2-7(a)中可看出,0<μ<3,可见一条曲线,即x(n)有一个收敛点。从图2-7(b)中可看出,大约3<μ<3.45,可见两条曲线,即x(n)有两个收敛点;大约3.45<μ<3.55,可见四条曲线,即x(n)有四个收敛点;大约μ>3.6 时,无法看清楚图中的曲线分支。μ 由小逐渐变大时,则由倍周期分岔通往混沌的道路就彻底打通了。

6.Logistic 的Lyapunov 指数

式(2-13)Logistic 的Lyapunov 指数的表达式:

μ 以0.001 的步长,在(0,4]区间逐步增加时,对每一个固定的μ 值,取一个初始值x(0)=0.289999,n=200,得到李雅普诺夫指数图,如图2-8 所示,图中横坐标表示μ 的取值范围,纵坐标表示Lyapunov 指数。

当Lyapunov 指数为正时,序列可认为已进入混沌状态。从图2-8(a)可以看出,当μ>3.5 后,Lyapunov 指数大多数为正,图中有不少的波动,其Lyapunov 值均跳跃为零以下,见图2-8(b)。这里是因为混沌的状态下,数值的变化是无规则无法预测的,所以在间断点附近会出现跳跃,即Lyapunov指数变为负值。

图2-8 Logistic 的李雅普诺夫指数

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