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基于随机共振的微弱电磁信息检测研究

刘晋明  
【摘要】:信息化时代,计算机等信息设备广泛应用于政府机要部门、军事指挥系统、安全机关和银行金融等领域,大大提升工作效率,但同时也带来了信息安全的问题。信息设备电磁辐射造成的电磁信息泄漏就是其中一项重大安全问题,信息设备辐射的电磁波中含有有用信息或机要保密的电磁信息,因其无意性、隐蔽性等特点,已成为敌方窃取机密情报信息的一种重要途径。因此,为了消除这一重大信息安全隐患,开展信息设备的电磁信息安全检测对于保障系统的信息安全具有重要意义和迫切性。目前,电磁信息安全检测方法中,常规的时域频域处理方法通过抑制噪声获得信号,这些传统方法的缺陷体现在复杂的强噪声环境下检测微弱电磁信息时存在瓶颈。本文将随机共振检测方法引入到电磁信息泄漏检测领域,以解决微弱电磁信息的检测瓶颈问题。随机共振检测方法在检测机制具有将噪声能量转化为信号能量的特点,与传统方法相比具有机理上的独特优势,同时计算复杂度低、在短数据集条件下能够快速优化,因此,在电磁信息泄漏检测方面具有非常大潜力。随机共振方法自提出以后受到了广泛的关注和研究,但理论上尚未完善。在电磁信息检测实践中,这些理论不足体现在诸如如何实现准确快速检测,如何避免漏检误判等方面。因此,还有许多难题需要逐一解决。本文的工作重点主要体现在两个方面,一是将随机共振应用到电磁信息安全检测技术上;二是同时解决完善了随机共振理论上的不足。通过对随机共振的经典双稳态模型和数学描述进行理论推导和方法研究,分析现有随机共振理论的不足及拟重点解决的问题,并将理论方面的成果运用于电磁信息泄漏检测。为了尽可能详细地掌握双稳态系统的非线性动力学特性,项目开展系统涉及的诸多参数的逐次分析,包括势函数、信号的幅度和频率、采样率、迭代步长、噪声因素。发现了现有理论无法解释的现象,即系统内部存在的混沌现象和正、反向两种跃迁形式。通过研究提出了混沌判决函数,并分析混沌现象与正向跃迁、反向跃迁、输出相位和波形畸变之间的关系。针对双稳态系统的“黑盒”状态问题,进行小参数条件和大参数条件下,多个信号源在系统中的运行轨迹研究,信号源包括常见的余弦波、三角波、方波、锯齿波、阻尼波。通过广泛研究各种信号源的运行规律,证实了混沌现象、正向跃迁和反向跃迁的广泛性,在此基础上对系统内部状态进行分类,并提出了状态判定规则,基于混沌判决函数构建了双稳态系统的状态观测器,将双稳态系统从“黑盒”系统打造成可观测的系统,解决了双稳态系统可控但不可观的问题。通过实例演示了参数调节过程中系统内部状态的同步变化,分析了评估指标和系统状态的变化规律,发现了常规统计指标存在的盲区,分析了该问题对系统优化过程的干扰作用。针对经典数学描述中的参数限制问题,从空间映射关系和系统状态的新视角进行了解释。双稳态系统的随机动态描述方程是非线性的,且还含有时变项,不可能求出任何解的精确表达式。由于绝热近似理论和线性响应理论利用Kramer跃迁率来得出描述方程的近似解,因此带入Kramer跃迁率的约束条件即小参数条件。而采用空间映射的关系来解释随机共振的优化问题时,并不带约束条件,因此也就没有所谓的大小参数条件问题。针对随机共振的系统优化问题,提出了基于状态观测的PSO自适应随机共振算法,利用PSO粒子群算法具备全局优化的能力,进行随机共振的自适应结构调节。通过构造复合适应度函数,将系统的内部状态和常规统计指标相结合,解决常规统计指标存在的盲区问题,避免系统寻优陷入局部极值,从而快速实现系统的优化调整。针对微弱电磁泄漏信号的检测问题,本文开展了随机共振检测方法的研究,并取得较好的实践效果,为后续研究提供了理论基础和实验结果支持,有利于推动电磁信息安全领域的相关技术发展。


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