張澤峰 黃麗蓮 項(xiàng)建弘 劉帥

1) (哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

2) (哈爾濱工程大學(xué),先進(jìn)船舶通信與信息技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

保守系統(tǒng)因?yàn)闆](méi)有吸引子,與常見(jiàn)的耗散系統(tǒng)相比,它的遍歷性更好,偽隨機(jī)性更強(qiáng),安全性更高,更適合應(yīng)用于混沌保密通信等領(lǐng)域.基于此,設(shè)計(jì)了一個(gè)新的具有寬參數(shù)范圍的五維保守超混沌系統(tǒng).首先,進(jìn)行Hamilton 能量和Casimir 能量分析,證明了新系統(tǒng)滿(mǎn)足 Hamilton 能量保守且能夠產(chǎn)生混沌.然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,包括保守性證明、平衡點(diǎn)分析、Lyapunov 指數(shù)譜和分岔圖分析,證明了新系統(tǒng)具有保守系統(tǒng)的特點(diǎn),且能夠在寬參數(shù)范圍內(nèi)一直保持超混沌狀態(tài),同時(shí)對(duì)比寬參數(shù)范圍內(nèi)系統(tǒng)的相圖和Poincaré 截面圖,結(jié)果表明隨著參數(shù)增大,系統(tǒng)的隨機(jī)性和遍歷性得到增強(qiáng).接著,對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行 NIST 測(cè)試,結(jié)果顯示該系統(tǒng)在寬參數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生的混沌隨機(jī)序列具有很強(qiáng)的偽隨機(jī)性.最后對(duì)保守超混沌系統(tǒng)進(jìn)行電路仿真和硬件電路實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了新系統(tǒng)具有良好的遍歷性和可實(shí)現(xiàn)性.

1 引言

混沌系統(tǒng)具有遍歷性、偽隨機(jī)性和初始敏感性等典型特征,這些特征使混沌理論在混沌保密通信等多領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1].從1963 年Lorenz[2]提出第一個(gè)混沌系統(tǒng)開(kāi)始,新的系統(tǒng)不斷被提出,如Sprott 系統(tǒng)[3]、Chen 系統(tǒng)[4]、Lü系統(tǒng)[5]等,這些系統(tǒng)大多數(shù)是耗散系統(tǒng).但是混沌系統(tǒng)的豐富特性,不僅僅只存在于耗散系統(tǒng)中[6-8],還應(yīng)該包括保守系統(tǒng)和量子系統(tǒng)[9,10].

與耗散系統(tǒng)相比,保守系統(tǒng)的相體積恒定,不存在吸引子,系統(tǒng)維數(shù)為整數(shù)維,遍歷性更好,偽隨機(jī)性更強(qiáng),安全性更高[11],因而保守混沌系統(tǒng)逐漸引起學(xué)者們的注意.2015 年Vaidyanathan和Volos[12]構(gòu)造了一個(gè)三維無(wú)平衡點(diǎn)的保守混沌系統(tǒng),2017 年Cang 等[13]構(gòu)造了兩個(gè)保守混沌系統(tǒng)并進(jìn)行了電路仿真.2018 年Qi[11]通過(guò)構(gòu)建四維歐拉方程提出6 個(gè)不同的四維Hamilton 保守混沌系統(tǒng),為構(gòu)建保守混沌系統(tǒng)提供了新的思路.2019 年Dong 等[14]提出一類(lèi)新的具有多穩(wěn)定性的Hamilton保守混沌系統(tǒng),并設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了偽隨機(jī)數(shù)信號(hào)發(fā)生器,證明了保守混沌系統(tǒng)的應(yīng)用前景.2020 年Gu等[15]提出一個(gè)新的四維非Hamilton 保守超混沌系統(tǒng),并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析.2021 年Chen 等[16]提出了一個(gè)二維非自治保守系統(tǒng)并在積分域上進(jìn)行了重構(gòu),使保守運(yùn)動(dòng)有了更充分的解釋.

在工程應(yīng)用中,如果有一類(lèi)混沌系統(tǒng)能夠隨著某個(gè)參數(shù)變化,在更寬的范圍內(nèi)一直保持混沌狀態(tài),那么這類(lèi)系統(tǒng)在保密通信[17]、密碼學(xué)[18]、混沌控制[19]等領(lǐng)域中將更有優(yōu)勢(shì).2007 年Barboza[20]提出一個(gè)線性擴(kuò)展的四維Lorenz 系統(tǒng),并證明了該系統(tǒng)在寬范圍下是超混沌的.2009 年Jia 等[21]提出一個(gè)大范圍超混沌系統(tǒng)并用模擬電路驗(yàn)證了系統(tǒng)的復(fù)雜性.2013 年Liu和Zhang[22]提出一個(gè)寬參數(shù)范圍的雙渦卷混沌系統(tǒng).2018 年Xian 等[23]提出一個(gè)大范圍參數(shù)下具有共存吸引子的混沌系統(tǒng),并用模擬電路和FPGA 驗(yàn)證了系統(tǒng)的混沌特性.2019 年Xu 等[19]提出一個(gè)超大范圍混沌系統(tǒng)并進(jìn)行了自適應(yīng)滑?？刂?同年,Xu和Li[24]又構(gòu)建了一個(gè)具有共存混沌吸引子的超大范圍參數(shù)混沌系統(tǒng).

以上研究都是關(guān)于寬參數(shù)范圍耗散混沌系統(tǒng)的,對(duì)于寬參數(shù)范圍保守混沌系統(tǒng)卻鮮有報(bào)道.2011 年Sprott[25]提出三條標(biāo)準(zhǔn),新構(gòu)建的混沌系統(tǒng)應(yīng)該至少符合其中的一條.對(duì)比近些年關(guān)于保守混沌系統(tǒng)的文獻(xiàn)[11-16]發(fā)現(xiàn),尚未有學(xué)者專(zhuān)門(mén)針對(duì)寬參數(shù)范圍的保守混沌系統(tǒng)進(jìn)行研究.文獻(xiàn)[15]雖然提到系統(tǒng)的混沌區(qū)域具有較大的參數(shù)空間,但是并沒(méi)有進(jìn)行更深入的研究.因此,本文基于五維歐拉方程構(gòu)造了一個(gè)新的具有寬參數(shù)范圍的五維保守超混沌系統(tǒng),它符合Sprott 提出的第二條標(biāo)準(zhǔn)“系統(tǒng)應(yīng)該表現(xiàn)出一些以前沒(méi)有觀察到的行為”.新系統(tǒng)滿(mǎn)足Hamilton 能量保守和相體積保守,具有保守系統(tǒng)特有的中心平衡點(diǎn),只有混沌軌道而不存在吸引子,并且可以在寬參數(shù)范圍內(nèi)一直保持超混沌狀態(tài)和良好的遍歷性.同時(shí)還對(duì)新系統(tǒng)在寬參數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生的混沌隨機(jī)序列進(jìn)行了NIST 測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明序列的偽隨機(jī)性良好,基于新系統(tǒng)設(shè)計(jì)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是可行的.最后對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果一致,證實(shí)了系統(tǒng)是無(wú)吸引子和具有優(yōu)越遍歷性的保守超混沌系統(tǒng),同時(shí)也是可實(shí)現(xiàn)的.

2 系統(tǒng)模型

2.1 五維歐拉方程的建模

本文參考文獻(xiàn)[26]的方法,將子剛體S123和S145耦合共軸于軸1 得到五維剛體Σ1,它的五維歐拉方程的Hamilton 向量場(chǎng)形式可以描述為

因?yàn)镴1(x)是斜對(duì)稱(chēng)矩陣,所以系統(tǒng)Σ1的Hamilton 能量和Casimir 能量都是保守的.

證明1系統(tǒng)Σ1Hamilton 能量保守.

能量的變化可以通過(guò)Hamilton 函數(shù)H(x) 關(guān)于時(shí)間的微分表示,因?yàn)镴1(x) 是斜對(duì)稱(chēng)矩陣,可得

所以系統(tǒng)Σ1滿(mǎn)足Hamilton 能量保守.

證明2系統(tǒng)Σ1Casimir 能量保守.

Casimir 能量是剛體動(dòng)力學(xué)中一個(gè)重要的物理量.Casimir 能量的變化率稱(chēng)為Casimir 功率,它反映了一個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)能量和消耗能量的功率差.當(dāng)外部轉(zhuǎn)矩和耗散轉(zhuǎn)矩不存在時(shí),即≡0和C/=0,Casimir 能量是保守的.定義Casimir 函數(shù)為

(6)式滿(mǎn)足Lie-Poisson 括號(hào),={C,H}=0,?H ∈C∞(g*).

對(duì)于系統(tǒng)Σ1,可得

所以系統(tǒng)Σ1滿(mǎn)足Casimir 能量保守.

由上述分析可知,本節(jié)構(gòu)造的五維歐拉方程滿(mǎn)足Hamilton 能量和Casimir 能量雙保守,從而不會(huì)產(chǎn)生混沌,但可以為下一步構(gòu)造Hamilton 保守超混沌系統(tǒng)提供框架.

2.2 Hamilton 保守超混沌系統(tǒng)的建模

為了產(chǎn)生混沌,必須破壞系統(tǒng)Σ1Hamilton能量和Casimir 能量的雙保守.因?yàn)橐獦?gòu)造的系統(tǒng)滿(mǎn)足Hamilton 能量保守,所以可以通過(guò)在J1(x)中引入常數(shù)來(lái)破壞系統(tǒng)Σ1的Casimir 能量保守,使Casimir 功率進(jìn)行無(wú)規(guī)則振蕩,從而為產(chǎn)生混沌創(chuàng)造條件.

2.3 能量分析與數(shù)值驗(yàn)證

設(shè)置 (Π1,Π2,Π3,Π4,Π5)=(3,2,4,5,8),初始值為 (0.5,0.1,0.5,0.1,0.5),當(dāng)a=b=c=0 時(shí),系統(tǒng)是五維歐拉方程對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)Σ1,此時(shí)Hamilton 能量和Casimir 能量都是保守的,系統(tǒng)Σ1只能產(chǎn)生周期軌道,它的時(shí)域波形和Casimir 功率都在有規(guī)則地振蕩,如圖1(a)和圖1(b)中的紅色曲線所示.當(dāng) (a,b,c)=(0.5,0.4,0.2)時(shí),系統(tǒng)Σ1變?yōu)橄到y(tǒng),Hamilton 能量仍然是保守的,但是Casimir 功率開(kāi)始不規(guī)則的振蕩,Casimir 能量的保守狀態(tài)最終被打破,為系統(tǒng)產(chǎn)生混沌創(chuàng)造了條件.圖1(a)和圖1(b)的藍(lán)色曲線分別表示系統(tǒng)的時(shí)域波形和Casimir 功率,可以看出曲線的變化是隨機(jī)的.圖1(c)和圖1(d)分別給出了兩個(gè)系統(tǒng)在三維平面和二維平面下產(chǎn)生的相圖,紅色曲線表示系統(tǒng)Σ1產(chǎn)生的周期軌道,藍(lán)色曲線表示系統(tǒng)產(chǎn)生的混亂軌道.數(shù)值仿真的結(jié)果驗(yàn)證了2.1節(jié)和2.2節(jié)理論分析的正確性.

圖1 數(shù)值仿真,紅色部分為系統(tǒng) Σ1,藍(lán)色部分為系統(tǒng) (a)時(shí)域波形;(b)Casimir 功率;(c) x1-x4-x5 相圖;(d) x1-x4相圖Fig.1.Numerical simulation,the red part is system Σ1,the blue part is system :(a) Time domain waveforms;(b) Casimir power;(c) x1-x4-x5 plane;(d) x1-x4plane.

3 動(dòng)力學(xué)分析

3.1 保守性

3.2 平衡點(diǎn)

設(shè)置(10)式中

令fi(λ)=0,i=1,2,3,4,可以得到對(duì)應(yīng)的特征值.表1列出了部分特征值和對(duì)應(yīng)的平衡點(diǎn)類(lèi)型,從中可以看出,平衡點(diǎn) (0,0,0,0,0)對(duì)應(yīng)的特征值是(0,jω1,-jω1,jω2,-jω2),由0和純虛數(shù)組成,可以判定(0,0,0,0,0)是中心平衡點(diǎn),滿(mǎn)足保守系統(tǒng)的特點(diǎn).事實(shí)上因?yàn)橄到y(tǒng)是Hamilton 保守系統(tǒng),不能漸進(jìn)的到達(dá)平衡點(diǎn),所以系統(tǒng)中只存在中心和鞍型平衡點(diǎn)[27],表1也驗(yàn)證了這一點(diǎn).

表1 系統(tǒng) 的平衡點(diǎn)和特征值Table 1.Equilibrium points and characteristic values of system .

表1 系統(tǒng) 的平衡點(diǎn)和特征值Table 1.Equilibrium points and characteristic values of system .

3.3 寬參數(shù)范圍的Lyapunov 指數(shù)譜和分岔圖

當(dāng)全局只有一個(gè)Lyapunov 指數(shù)為正時(shí),系統(tǒng)定義為混沌系統(tǒng).當(dāng)有超過(guò)一個(gè)正的Lyapunov 指數(shù)時(shí),系統(tǒng)定義為超混沌系統(tǒng)[28].此外,保守系統(tǒng)的Lyapunov 指數(shù)是關(guān)于零對(duì)稱(chēng)的,因此所有Lyapunov 指數(shù)之和為零,這意味著整個(gè)相空間體積是守恒的.

對(duì)于系統(tǒng),設(shè)置參數(shù)(Π1,Π2,Π3,Π4,Π5,a,b,c)=(3,2,4,5,8,0.5,0.4,0.2),初值(0.5,0.1,0.5,0.1,0.5).計(jì)算Lyapunov 指數(shù)的方法有很多,本文選擇Jacobi 矩陣法求Lyapunov 指數(shù)[29,30].圖2(a)是系統(tǒng)隨著參數(shù)Π2變化的Lyapunov 指數(shù)譜,圖中有6 條曲線,其中紅色曲線表示Lyapunov指數(shù)之和,與x軸完全重合,恒等于零,再次證明系統(tǒng)是保守的.其余5 條曲線從大到小記為L(zhǎng)1＞L2＞0,L3≈0,0＞L4＞L5,滿(mǎn)足超混沌系統(tǒng)的條件,系統(tǒng)是超混沌系統(tǒng).圖2(b)是對(duì)應(yīng)的分岔圖,沒(méi)有出現(xiàn)分岔現(xiàn)象,只有1 條由無(wú)數(shù)點(diǎn)連成的粗線,符合超混沌狀態(tài)的特性,同時(shí)還可以看出系統(tǒng)幾乎是瞬間進(jìn)入超混沌狀態(tài)且能夠一直保持,與Lyapunov 指數(shù)譜相符.Lyapunov 指數(shù)譜和分岔圖還有一個(gè)特點(diǎn)是橫坐標(biāo)Π2∈[0,1600],具有很寬的參數(shù)范圍,說(shuō)明系統(tǒng)是具有寬參數(shù)范圍的Hamilton 保守超混沌系統(tǒng).

圖2 數(shù)值仿真 (a)系統(tǒng) 的Lyapunov 指數(shù)譜;(b)系統(tǒng) 的分岔圖Fig.2.Numerical simulation:(a) Lyapunov exponent spectrum of system ;(b) bifurcation diagram of system Σ1H.

3.4 參數(shù) Π2對(duì)系統(tǒng) 的影響

寬參數(shù)范圍的混沌系統(tǒng)最顯著的優(yōu)勢(shì)就是混沌狀態(tài)可以任由參數(shù)在寬范圍內(nèi)改變而一直保持.我們利用相圖和Poincaré截面圖分析參數(shù)Π2在[0,1600]變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響.仿真參數(shù)調(diào)為一致,設(shè)置參數(shù)(Π1,Π3,Π4,Π5,a,b,c)=(3,4,5,8,0.5,0.4,0.2),初值 (0.5,0.1,0.5,0.1,0.5),選取Π2=2,500,1000,1500時(shí)的四種情況,系統(tǒng)的相圖和Poincaré截面圖如圖3所示.左側(cè)是Π2取不同值時(shí)在x3-x4平面上的相圖,隨著Π2的增大,混沌軌道越來(lái)越密集.右側(cè)是對(duì)應(yīng)的Poincaré截面圖,可以看出4 個(gè)截面上都有大量的面狀點(diǎn),結(jié)合3.3節(jié)的分析,說(shuō)明系統(tǒng)始終處于超混沌狀態(tài).通過(guò)右側(cè)4 張圖對(duì)比,還可以發(fā)現(xiàn)隨著Π2的增大,點(diǎn)組成的面的范圍也在變大,這說(shuō)明系統(tǒng)不僅可以在大范圍內(nèi)保持超混沌狀態(tài),而且隨機(jī)性和遍歷性也都在增強(qiáng).

值得一提的是,保守系統(tǒng)因?yàn)橄囿w積守恒,它的運(yùn)動(dòng)軌道永遠(yuǎn)不會(huì)吸引附近的軌跡,所以沒(méi)有吸引子[27],圖3和圖4的相圖可以很好地說(shuō)明這一點(diǎn).從圖上還可以看出混沌軌道填滿(mǎn)了大部分平面,證明了保守超混沌系統(tǒng)的遍歷性良好.

圖3 系統(tǒng) 的相圖和Poincaré截面圖 (a) Π2=2時(shí)的相圖;(b) Π2=2時(shí) 的Poincaré截面圖;(c) Π2=500時(shí)的相圖;(d) Π2=500時(shí) 的Poincaré截面圖;(e) Π2=1000時(shí)的相圖;(f) Π2=1000時(shí) 的Poincaré截面圖;(g) Π2=1500時(shí)的相圖;(h) Π2=1500 時(shí)的Poincaré截面圖Fig.3.Phase diagrams and Poincaré maps of system :(a) The phase diagram when Π2=2;(b) the Poincaré map when Π2=2 ;(c) the phase diagram when Π2=500;(d) the Poincaré map when Π2=500;(e) the phase diagram when Π2=1000 ;(f) the Poincaré map when Π2=1000;(g) the phase diagram when Π2=1500;(h) the Poincaré map when Π2=1500.

圖4 系統(tǒng)在Π2=2的相圖(a)x2-x5平面;(b) x3-x5平面Fig.4.Phase diagrams of system when Π2=2:(a) x2-x5plane;(b) x3-x5plane.

4 NIST 測(cè)試和電路實(shí)現(xiàn)

4.1 NIST 測(cè)試

為了證明本文設(shè)計(jì)的保守超混沌系統(tǒng)在寬參數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生的混沌隨機(jī)序列具有偽隨機(jī)性,我們采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局推出的STS測(cè)試包,即SP800-22 標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證[31].它的測(cè)試項(xiàng)目全面,測(cè)試軟件成熟,測(cè)試結(jié)果認(rèn)可度高.NIST 總共設(shè)定了15 個(gè)測(cè)試項(xiàng)檢驗(yàn)真隨機(jī)序列或偽隨機(jī)序列的質(zhì)量,每一項(xiàng)測(cè)試都會(huì)得到1 個(gè)P-value.對(duì)于測(cè)試結(jié)果采用兩種方法判斷:1)檢驗(yàn)通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的序列比例;2)檢驗(yàn)P-values 的分布是否均勻.

1)對(duì)于系統(tǒng),選擇默認(rèn)顯著性水平α=0.01,P-value 大于0.01 表示通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試,同時(shí)考慮m組測(cè)試序列中P-values 大于0.01 的比率,以是否落在置信區(qū)間為準(zhǔn).置信區(qū)間為

表2 系統(tǒng) 的NIST 測(cè)試結(jié)果Table 2.NIST test results of System .

表2 系統(tǒng) 的NIST 測(cè)試結(jié)果Table 2.NIST test results of System .

2)檢查P-values 分布以確保均勻性,通常我們可以使用直方圖來(lái)直觀的表示,將0和1 的區(qū)間分成10 個(gè)等間距的子區(qū)間,P-values 分布在每個(gè)子區(qū)間的數(shù)量被顯示.為充分體現(xiàn)P-values 分布的均勻性,選取測(cè)試次數(shù)最多的非重疊模塊匹配檢驗(yàn)進(jìn)行直方圖驗(yàn)證,如圖5所示,可以看到Pvalues 分布具有很好的均勻性.其他14 項(xiàng)也都有類(lèi)似的分布,證明了P-values 分布均勻.

圖5 系統(tǒng) 非重疊模塊匹配檢驗(yàn)的P-values 的直方圖Fig.5.P-values histogram of non-overlapping template matching test of system .

4.2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[32]提出的基于無(wú)量綱狀態(tài)方程的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行混沌電路設(shè)計(jì),采用不同阻值的線性電阻、線性電容、乘法器和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn).將參數(shù)(Π1,Π2,Π3,Π4,Π5,a,b,c)=(3,2,4,5,8,0.5,0.4,0.2)代入(10)式中,得:

根據(jù)(17)式做模塊化電路設(shè)計(jì),如圖6所示.

圖6 系統(tǒng) 的電路設(shè)計(jì)Fig.6.Circuit design of system .

對(duì)應(yīng)的電路狀態(tài)方程為

首先使用仿真軟件進(jìn)行電路模擬,設(shè)置電容C1=C2=C3=C4=C5=20 nF,電阻R4=R9=R13=R17=R22=50 kΩ,R3=R8=R12=R16=R21=100 kΩ.考慮到狀態(tài)變量在正常變化范圍內(nèi),故不需要對(duì)變量進(jìn)行比例壓縮變換.時(shí)間尺度變換因子為100,同時(shí)模擬乘法器輸出比例系數(shù)選擇100 mV/1 V.通過(guò)對(duì)比(17)式和(18)式的系數(shù),得到R1=50 kΩ,R2=33.3 kΩ,R5=100 kΩ,R6=500 kΩ,R7=625 kΩ,R10=100 kΩ,R11=250 kΩ,R14=20 kΩ,R15=1250 kΩ,R18=50 kΩ,R19=2500 kΩ,R20=500 kΩ.設(shè)置5 個(gè)電容的初始電壓分別為0.5,0.1,0.5,0.1,0.5 V,與混沌系統(tǒng)的初始值 (0.5,0.1,0.5,0.1,0.5) 對(duì)應(yīng).供電電壓選擇±15 V,使用Multisim 軟件進(jìn)行電路模擬.仿真結(jié)果如圖7所示,與圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,證明了系統(tǒng)是沒(méi)有吸引子,具有優(yōu)越遍歷性的保守超混沌系統(tǒng).

圖7 系統(tǒng) 的仿真電 路 (a) x2-x5相圖;(b) x3-x5相 圖Fig.7.Simulation circuit of system:(a) x2-x5plane;(b) x3-x5plane.

接下來(lái)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì),乘法器選擇AD633JN,運(yùn)算放大器選擇TL082CP,硬件實(shí)驗(yàn)電路如圖8(a)所示.結(jié)合參數(shù)取值和實(shí)際元件參數(shù)限制,同時(shí)盡可能的考慮實(shí)際電路中可能遇到的問(wèn)題,設(shè)置電容C1=C2=C3=C4=C5=1 nF,電阻R4=R9=R13=R17=R22=100 kΩ,R3=R8=R12=R16=R21=1 kΩ.另外對(duì)比系數(shù),選取R1=100 kΩ,R2=66.7 kΩ,R5=200 kΩ,R6=5 kΩ,R7=6.25 kΩ,R10=200 kΩ,R11=2.5 kΩ,R14=40 kΩ,R15=12.5 kΩ,R18=100 kΩ,R19=25 kΩ,R20=5 kΩ.反相器部分的電阻都是 100 kΩ,模擬乘法器輸出比例系數(shù)選擇 1V/1 V.供電電壓為±15 V,由EM1716 A 直流穩(wěn)壓電源提供.利用VOS-620 B 雙蹤示波器觀察結(jié)果,如圖8(b)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性,為以后的應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值.

圖8 系統(tǒng) 的實(shí)際電路 (a)硬件實(shí)驗(yàn)電路;(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8.Actual circuit of system :(a) Hardware experimental circuit;(b) experimental result.

5 結(jié)論

本文基于五維歐拉方程提出了一個(gè)新的具有寬參數(shù)范圍的五維保守超混沌系統(tǒng).首先進(jìn)行了能量分析,包括Hamilton 能量和Casimir 能量,證實(shí)了新系統(tǒng)是Hamilton 能量保守且能夠產(chǎn)生混沌.然后分析了動(dòng)力學(xué)特性,包括散度、平衡點(diǎn)、Lyapunov 指數(shù)譜和分岔圖,說(shuō)明了新系統(tǒng)是具有寬參數(shù)范圍的保守超混沌系統(tǒng).分析參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響則進(jìn)一步闡述了新系統(tǒng)寬參數(shù)范圍的特性,系統(tǒng)的超混沌狀態(tài)可以在參數(shù)改變時(shí)保持不變,并且隨著參數(shù)增大,系統(tǒng)的遍歷性和隨機(jī)性也在增強(qiáng).接著進(jìn)行的NIST 測(cè)試說(shuō)明新系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌隨機(jī)序列具有良好的偽隨機(jī)性,基于新系統(tǒng)設(shè)計(jì)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是可行的.最后,電路仿真實(shí)驗(yàn)和硬件電路實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明新系統(tǒng)具有優(yōu)越的遍歷性和物理可實(shí)現(xiàn)性.本文深入分析了新提出的具有寬參數(shù)范圍的五維保守超混沌系統(tǒng),這對(duì)于推動(dòng)研究保守超混沌系統(tǒng)有著積極的影響,為進(jìn)一步將保守超混沌系統(tǒng)應(yīng)用于保密通信等領(lǐng)域提供了理論支撐.

感謝天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院胡建兵博士給予的討論.