发明内容

本发明为了解决现有的光学PUF身份验证系统存在的或者安全性差或者抗破译程度低的问题，提供了一种基于腔体式光折变晶体PUF的身份验证系统。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于腔体式光折变晶体PUF的身份验证系统，包括沿着光路从左到右依次布置的光强调制模块、光学PUF模块及透镜模块，同时还包括数据处理模块；所述光强调制模块包括光源、扩束准直系统PBES和空间调制器SLM，所述光源为泵浦光源，产生泵浦光，经过扩束准直系统PBES进入空间调制器SLM，然后进入光学PUF模块；所述光学PUF模块为腔体式结构，由两个光学PUF散射片和四个平面反射镜构成，每个光学PUF散射片由两块玻璃平板和锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体构成，两块玻璃平板相互平行、且相对的内表面镀有反射率R =30%的膜层，两块玻璃平板的外表面镀有高透膜，所述锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体均匀铺设于两块玻璃平板之间，且晶体的空间位置随机分布填充；所述两个光学PUF散射片垂直于光路且沿着光路平行设置，所述两个光学PUF散射片之间通过上下前后由四个平面反射镜包裹形成腔体式结构；所述透镜模块包括正透镜，所述数据处理模块包括CCD相机和计算机；光经过光学PUF模块散射后经过正透镜进入CCD相机，所述CCD相机通过串行数据口连接于计算机，所述计算机含有提取程序。

一种基于腔体式光折变晶体PUF的身份验证系统，包括沿着光路从左到右依次布置的光强调制模块、光学PUF模块及透镜模块，同时还包括数据处理模块。所述光强调制模块包括光源、扩束准直系统PBES和空间调制器SLM，所述光源为泵浦光源，产生泵浦光，经过扩束准直系统PBES进入空间调制器SLM，然后进入光学PUF模块；所述光学PUF模块为腔体式结构，由两个光学PUF散射片和四个平面反射镜构成，每个光学PUF散射片由两块玻璃平板和锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体构成，两块玻璃平板相互平行、且相对的内表面镀有反射率R =30%的膜层，两块玻璃平板的外表面镀有高透膜，所述锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体均匀铺设于两块玻璃平板之间，且晶体的空间位置随机分布填充；所述两个光学PUF散射片垂直于光路且沿着光路平行设置，所述两个光学PUF散射片之间通过上下前后由四个平面反射镜包裹形成腔体式结构；所述透镜模块包括正透镜，所述数据处理模块包括CCD相机和计算机；光经过光学PUF模块散射后经过正透镜进入CCD相机，所述CCD相机通过串行数据口连接于计算机，所述计算机含有提取程序。

本发明所提供的一种基于腔体式光折变晶体PUF的身份验证系统，包括沿着光路从左到右依次布置的光强调制模块、光学PUF模块及透镜模块，同时还包括数据处理模块，光强调制模块用于发出光，经过扩束准直，再对光束进行空间域的调制，其包括光源、扩束准直系统PBES和空间调制器SLM，光源为泵浦光源，产生泵浦光，经过扩束准直系统PBES进行扩束、准直，进入空间调制器SLM，SLM需要系统或人为地加载明文图案，改变光强分布即携带“身份信息”，产生该系统的激励光，进入光学PUF模块；光学PUF模块为验证系统的认证凭据，当激励光入射到光学PUF模块上会产生响应光，响应光包含了光学PUF模块的内部结构信息，光学PUF模块为腔体式结构，由两个光学PUF散射片和四个平面反射镜构成，每个光学PUF散射片由两块玻璃平板和锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体构成，两块玻璃平板相互平行、且相对的内表面镀有反射率R =30%的膜层，使光束的部分反射和透射，两块玻璃平板的外表面镀有高透膜，使光束低损耗透过。锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体均匀填充于两块玻璃平板之间，且晶体的空间位置随机分布；两个光学PUF散射片垂直于光路且沿着光路平行设置，光学PUF散射片相当于一个简易的F-P干涉仪，目的是为了让光束在腔体内进行多次的反射，铺设的锆铁双掺的铌酸锂LiNbO₃Fe,Zr颗粒状晶体具有良好的光折变特性，其响应时间可以达到τ_r=1.8秒、灵敏度S为13.4cm/J，并可以在250mw/cm²的P偏振光束下产生光折变效应，光学PUF散射片的工作原理为：其一：当激励光照射在光学PUF模块表面上时，光学PUF散射片的入射面就作为激励光的一个波面，可以出射若干微光束，PUF中散乱的晶体结构，使这些微光束产生复杂的散射、折射；具体的作用机制为：一个微光束会被晶体颗粒反射和折射到其他晶体颗粒处，并与该处原有的微光束产生的光束共同作用，使晶体产生非线性效应，改变了该处原有的微光束的散射和折射特性，从而建立起了不同微光束之间的相互作用，导致出射的散斑图像为非线性叠加；其二：晶体颗粒形状结构类似于四面体、六面体、八面体和椭球等，对光起着局域的作用，当微光束入射到晶体颗粒内部之后，在内部表面发生多次反射，并且短时间内无法出射，实现局域光的效果，提升晶体颗粒内部光强，增强其光折变效应，从而使散斑图案复杂度提升。其三：光学PUF散射片内表面镀有R(R=30%)的反射膜层，可以实现微光束在两平行平板之间多次反射，具体的作用机制为：第一块平行平板作为激励光入射波面，第二块平行平板作为出射波面，当入射波面上若干微光束遇见晶体颗粒，发生散射和折射之后，部分光束会作用到其他位置晶体；其余部分会被散射到两个平板内表面，由于膜层的存在，两平板内表面的光束会发生部分反射，再次作用回晶体颗粒，进一步提升微光束与晶体颗粒之间的作用，提高散斑的不可预测性。两个光学PUF散射片之间由上下前后的四个平面反射镜包裹固定形成腔体式结构，即光学PUF散射片作为腔体的前后端面、平面反射镜作为腔面，激励光经过前段PUF散射片之后，就会变为具有一定光强分布的准响应光，准响应光包含了前段PUF散射片的内部结构信息；准响应光遇见腔面反射镜发生反射，经过后端光学PUF散射片产生响应光，该模块利用了玻璃平板之间的光束的多次反射和散射、PUF结构中晶体的散乱程度和光折变晶体本身具有的光折变效应，使出射光具有较高非线性，增加了信息光斑的不可预测性和复杂程度。这样的腔体结构，利用腔面反射延长光束的反射长度，提升了光束的反射、散射次数，大幅度的增加了两个光学PUF散射片之间微光束和晶体作用的作用次数。在单个光学PUF散射片的基础上，使最终响应散斑的非线性复杂程度更高。透镜模块包括正透镜，正透镜用于减小散射光束的发散角，数据处理模块包括CCD相机和计算机，光经过光学PUF模块散射后经过正透镜进入CCD相机，CCD相机采集2D散斑图像，CCD相机通过串行数据口连接于计算机，CCD相机采集到经过了光学PUF模块的稳态响应光斑图像，传输至计算机，并在计算机中，利用提取程序将图像转换为01数字二进制矩阵，用于表征响应信号。在验证系统工作的过程中，根据使用者手持物的不同，包括两种认证方法，具体过程如下：

一、使用者手持PUF：包括两个工作阶段，分别为注册阶段和认证阶段，通过如下步骤来实现：

1）注册阶段：

①光源作为泵浦光源，输出具有一定偏振态和强度的光束；

②光束经过扩束准直系统PBES，进行扩束、准直，其过程中不影响光束的偏振状态；

③经过扩束、准直且具有一定宽度的出射光束，照射于空间调制器SLM上，光束相位受到调制信息矩阵的影响，改变光强分布，产生具有一定角度和光场分布的激励光，其中激励光由调制信息矩阵C_k表征，成为激励矩阵，k=1、2、3…n，具体由系统拟定的{C_K}矩阵簇决定；

④激励光入射到第i个光学PUF模块，i= 1、2、3…m，光学PUF模块作为光学PUF验证系统的认证凭据，产生响应光；

⑤从第i个光学PUF模块的出射光经过正透镜，减小散射光束的发散角；

⑥从正透镜的出射光入射到CCD相机上，待3s-4s之后，CCD相机对2D散斑图像进行采集，利用计算机中的提取程序，将稳态散斑图像处理成“01”数字二进制矩阵，作为响应信号的响应矩阵P_ik；

⑦根据安全需求，确定需要的激励-响应对数量n，重复步骤①~⑥；

⑧根据实际使用情况，制作并注册m个光学PUF模块，重复步骤①~⑦，此时响应矩阵P_ik中k=1、2、3…n，i=1、2、3…m，连同步骤③中表征激励信号的调制信息矩阵作为激励-响应对{C_k-P_ik}， k=1、2、3…n，i= 1、2、3…m，将二者对应存储在计算机数据库中；

2）认证阶段：

①根据注册过程中的实际测试表现将阈值设置为Δ，认证时产生的响应信号和数据库中存储的响应信号之间的差异位比特数设置为d；

②开启安全认证系统，等待用户放入第i个光学PUF模块，即“身份卡”；此时，计算机调用数据库中已存储的任意激励矩阵C_k，k=1、2、3…n，将表征激励信号的调制信息矩阵C_k加载到空间调制器SLM生成激励光，；激励光作用到光学PUF模块产生响应光，利用CCD相机和计算机的提取程序将响应光转化成响应信号，其中响应信号由“01”数字的二进制矩阵表示，成为响应矩阵P′_ik，k=1、2、3…n，i= 1、2、3…m；

③计算机将处理后的“01”响应矩阵P′_ik与数据库中取出的“01”响应矩阵P_ik的差异位比特数d与阈值Δ进行比较，判断是否通过，若差异位比特数d大于阈值Δ，则认定为身份验证失败；若差异位比特数d小于阈值Δ，则认定为通过；

④若要提高认证结果的正确率，可以一次使用多个激励矩阵激发光学PUF模块，重复步骤②到步骤③，产生的响应与库中储存的注册时响应数据进行比对，利用多数匹配原则进行认证。

二、第二种认证方法，将光学PUF模块固定在系统内，使用者携带明文图案（如指纹），在安全系统进行认证，包括两个工作阶段，分别为注册阶段和认证阶段，通过如下步骤来实现：

1）注册阶段：

①光源作为泵浦光源，输出具有一定偏振态和强度的光束；

②光束经过扩束准直系统PBES，进行扩束、准直，其过程中不影响光束的偏振状态；

③经过扩束、准直且具有一定宽度的出射光束，照射于空间调制器SLM上，光束相位受到调制信息矩阵的影响，改变光强分布，产生具有一定角度和光场分布的携带身份信息的激励光，其中激励光的激励信号由调制信息矩阵C_k表征，成为激励矩阵，k=1、2、3…n，具体由使用者给出的明文图案决定，如“使用者”自身的指纹图案；

④激励光入射到光学PUF模块，光学PUF模块作为光学PUF验证系统的认证凭据，产生响应光；

⑤从光学PUF模块的出射光经过正透镜，减小散射光束的发散角；

⑥从正透镜的出射光入射到CCD相机上，待3s-4s之后，CCD相机对2D散斑图像进行采集，利用计算机中的提取程序，将稳态散斑图像处理成“01”数字二进制矩阵，将稳态散射光斑图像处理成“01”的数字二进制矩阵，作为响应信号的响应矩阵P_k；

⑦由使用者而定，重复步骤①~⑥，加载n个明文图案，记录n个的响应信号矩阵，此时响应P_k中的k=1、2、3…n，存储在计算机数据库中；

2）认证阶段：

①根据注册过程中的实际测试表现将阈值设置为Δ，认证时产生的响应信号和数据库中存储的响应信号之间的差异位比特数设置为n；

②开启安全认证系统，等待用户放入第k个明文图案，即身份卡；此时，将表征激励信号的调制信息矩阵C_k，加载到空间调制器SLM生成激励光，k=1、2、3…n，激励光作用到光学PUF模块产生响应光，再利用CCD相机和计算机提取程序将响应光转化响应信号，其中响应信号由“01”数字的二进制矩阵表示，成为响应矩阵P′_k，k=1、2、3…n；

③计算机将处理后的“01”响应矩阵P′_k与数据库中取出的“01”响应矩阵P_k的差异位比特数d与阈值Δ进行比较，判断是否通过，若差异位比特数d大于阈值Δ，则认定为身份验证失败；若差异位比特数d小于阈值Δ，则认定为通过；

④若要提高认证结果的正确率，可以一次使用多个明文图案，重复步骤②到步骤③，产生的响应与库中储存的注册时响应数据进行比对，利用多数匹配原则进行认证。

优选的，所述光学PUF散射片的玻璃平板可以替换为石英平板。

优选的，所述光源为激光器。

优选的，所述LiNbO₃Fe,Zr晶体中，掺杂的Zr⁴⁺离子浓度为4mol%、Fe³⁺浓度为0.03wt%，形状为类四面体、六面体、八面体和椭球等，为微米量级光折变晶体，其响应时间可以达到τ_r=1.8秒、灵敏度S为13.4cm/J，并可以在250mw/cm²的P偏振光束下产生光折变效应。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于腔体式光折变晶体PUF的身份验证系统，从系统的核心部件PUF模块出发，改变掺杂材料和结构，使身份验证系统具有更高安全性和强抗破译性。本发明中的光学PUF不同于其他光学PUF，PUF散射片中采用的掺杂材料是光折变晶体，具体为具有优良光折变特性的锆铁双掺的铌酸锂系列(LiNbO₃Fe，Zr)晶体，该晶体具有折射率会随光强分布而发生改变的特性，即光折变效应；当PUF散射片内部存在光学散射时，不同空间点的微光束会因为光折变效应而产生相互影响，导致响应结果为复杂的非线性叠加；晶体具有颗粒状结构，可以一定程度上限制光子，增强局域光的能力，降低工作泵浦阈值；光学PUF散射片内表面镀有膜层，可以使光束多次反射，建立不同空间点微光束之间的共同作用，增加对晶体颗粒的影响。本发明采用的光学PUF模块是腔体结构，利用反射镜，将前端PUF散射片的出射光反射到后端PUF散射片，大幅度的增加了两个光学PUF散射片中微光束和晶体作用的作用次数，在单个光学PUF散射片的基础上，使最终响应散斑的非线性复杂程度更高，同时具有强抗破译性和高安全性。