Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности построения и анализа лазерных информационных систем 11
1.1. Характерные особенности развития радиооптики 11
1.2. Модели лазерных информационных систем 14
1.3. Обобщенная модель и статистические явления в радиооптике 19
1.4. Принципы формирования «Статистической радиооптики» 22
1.5. Основные результаты и выводы 24
2. Вероятностное описание сигналов и систем в задачах обработки информации 26
2.1. Обобщенная модель преобразования информации 26
2.2. Определение и общая классификация случайных функций 28
2.3. Описание непрерывных случайных процессов 32
2.4. Описание случайных точечных процессов 38
2.5. Описание случайных полей 50
2.6. Типовые задачи теории статистических решений 55
2.7. Проблемы вероятностного анализа и статистического синтеза алгоритмов 60
2.8. Основные результаты и выводы 62
3. Вероятностная структура оптического излучения 64
3.1. Вероятностный анализ колебаний в типовом генераторе 64
3.2. Вероятностное описание тепловых излучений 72
3.3. Вероятностные модели лазерных излучений 73
3.4. Когерентность оптического излучения 81
3.5. Вероятностная структура интенсивности излучения 88
3.6. Основные результаты и выводы 101
4. Анализ открытого оптического канала передачи информации 105
4.1. Особенности лазерных систем передачи информации 106
4.2. Оптический канал связи в свободном пространстве 112
4.3. Оптический канал связи в турбулентной атмосфере...'...: 116
4.4. Оптический канал связи в атмосфере с рассеянием 125
4.5. Вероятностная структура эффектов замираний в открытом оптическом канале 133
4.6. Вероятностный анализ прозрачности атмосферы для лазерного излучения 145
4.7. Основные результаты и выводы 155
5. Вероятностный анализ процессов регистрации оптического излучения 159
5.1. Преобразование оптического излучения в электрический сигнал.159
5.2. Флюктуационные эффекты при детектировании оптического излучения (исследование статистики фотоотсчетов) 167
5.3. Предельная точность оценивания характеристик интенсивности излучения 187
5.4. Основные результаты и выводы 200
Заключение 203
Литература 205
- Характерные особенности развития радиооптики
- Обобщенная модель преобразования информации
- Вероятностный анализ колебаний в типовом генераторе
- Особенности лазерных систем передачи информации
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время уже нет особой необходимости в детальном обосновании актуальности и практической значимости исследований в области лазерных информационных технологий. Появление лазерных источников излучения явилось основой для освоения оптического диапазона при решении проблем передачи, приема, преобразования и обработки информации.
Оптический диапазон имеет много характерных особенностей и за счет малой длины волны позволяет существенно уменьшить размеры антенных систем, достичь высокой направленности излучения, сформировать чрезвычайно узкие лазерные пучки и получить высокую концентрацию электромагнитного излучения в пространстве. Оптический диапазон открывает возможности создания информационных и управляющих систем с характеристиками, которые принципиально не достижимы в радиодиапазоне. К настоящему времени разработаны разнообразные наземные, авиационные и космические системы оптической связи, лазерной локации, лазерные системы аэрокосмического мониторинга природной среды, системы воздушной разведки, системы предупреждения столкновений подвижных объектов, лазерные системы стыковки космических аппаратов, системы лазерного наведения и лазерного управления оружием.
Потенциальные возможности лазерных информационных систем, как и в целом оптических методов передачи и обработки информации, весьма велики. Во многих задачах предельно достижимые характеристики ограничиваются лишь квантовыми эффектами. Однако в действительности потенциальные возможности оптического диапазона далеко не всегда удается эффективно реализовать на практике. Причин здесь много.
Существенное влияние на рабочие характеристики реальных лазерных систем оказывают неизбежные флюктуации в источниках лазерного излучения, случайные изменения параметров информационных процессов,
воздействия различных помех, вероятностный характер операции фотодетектирования. Многие информационные системы оптического диапазона строятся с использованием открытого (чаще всего атмосферного) канала. Для лазерного излучения атмосферный канал представляет собой канал со случайно-неоднородной средой распространения. Эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, молекулярное и аэрозольное рассеяние, искажения пространственно-временной структуры и нарушение когерентности лазерного излучения - все это оказывает заметное влияние на энергетический потенциал, принципы обработки информационных сигналов и дальность действия создаваемых систем.
Перечисленные особенности показывают, что анализ лазерных информационных систем, оценка их потенциальных и реально достижимых характеристик не может проводиться без вероятностного исследования структуры информационных сигналов и помех.
К настоящему времени накоплены многочисленные результаты по вероятностному анализу различных лазерных систем. Однако большинство таких результатов представляются весьма разрозненными, они не базируются на едином подходе и их достаточно сложно использовать в практических задачах. Необходимость дополнительных детальных исследований вероятностной структуры сигналов, помех и в целом информационных процессов в радиооптике связана с необходимостью совершенствования математических моделей, решением задач оптимизации структуры сигналов и систем, разработкой новых перспективных алгоритмов передачи, приема, преобразования и обработки информации в оптических и радиооптических информационных системах.
Цель диссертационной работы состоит в построении обобщенной модели для лазерных информационных систем и исследовании детальной вероятностной структуры информационных процессов, сигналов и помех, характерных для радиооптики.
Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
Анализ типовых структурных схем и особенностей построения лазерных информационных систем, выделение основных преобразований и статистических явлений, характерных для радиооптической обработки информации.
Исследования обобщенных моделей обработки информационных сигналов, классификация и описание случайных функций, наиболее распространенных в задачах системного анализа и обработки информации.
Исследование флюктуационных эффектов в типовых автоколебательных системах, анализ вероятностных моделей лазерных и тепловых излучений, исследование характеристик когерентности и детальный вероятностный анализ интенсивности оптического излучения.
Исследование наиболее важных (с точки зрения передачи, приема и обработки информации) статистических характеристик оптического излучения в условиях работы лазерных систем с открытыми атмосферными каналами.
Исследование вероятностной структуры эффектов замираний интенсивности оптического излучения в открытых атмосферных каналах, вероятностный анализ оптической прозрачности атмосферы для лазерных систем передачи информации.
Исследование вероятностного механизма преобразования оптического излучения в электрический сигнал, исследование квантовых эффектов и потенциальной точности оценивания основных характеристик интенсивности лазерного излучения в радиооптических системах обработки информации.
Методы исследования. При выполнении диссертационных исследований использовались: общие методы системного анализа, методы теории вероятностей и математической статистики, общая теория случайных процессов и теория выбросов случайных процессов, методы статистической радиофизики, статистической радиооптики и методы статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
Реализован системный подход к исследованию достаточно широкого класса лазерных систем передачи, приема и обработки информации.
На основе анализа принципов построения систем лазерной локации, лазерных систем информационного обмена и систем обработки информации выделены типовые преобразования, предложена обобщенная структурная модель и обоснованы основные этапы построения единой статистической теории для радиооптических систем обработки информации.
Выполнен анализ детальной вероятностной структуры лазерных и тепловых излучений, на основе теории выбросов случайных процессов исследованы основные информационные характеристики интенсивности оптического излучения, показана взаимосвязь характеристик выбросов и длительностей выбросов над заданным пороговым уровнем с характеристиками когерентности излучения.
Показаны возможности исследований тонкой структуры оптических излучений на основе фазовых траекторий интенсивности. Поведение фазовых траекторий позволяет получать дополнительную информацию о вероятностной структуре исследуемых процессов при анализе и классификации оптических полей.
Для лазерных информационных систем выполнены аналитические исследования основных моделей открытого атмосферного канала
передачи информации, определены вероятностные характеристики частоты и длительности замираний, исследованы характеристики вероятностной структуры оптической прозрачности атмосферы. 6. Получены удобные для практического применения общие результаты по исследованию квантовых эффектов в системах приема оптического излучения и результаты по оцениванию потенциальной точности измерений основных параметров информационных процессов.
Практическая значимость. Выполненные в диссертационной работе исследования дают основу для оценки потенциальных возможностей и оптимизации существующих алгоритмов радиооптической обработки информации, для синтеза новых алгоритмов и разработки перспективных структур лазерных информационных систем. Полученные в работе результаты позволяют:
выполнять анализ работы лазерных информационных систем в условиях реальной помеховой обстановки;
оценивать состояние канала передачи информации, повышать эффективность и помехоустойчивость лазерных систем;
оптимизировать алгоритмы передачи, приема и обработки информации, исследовать устойчивость информативных признаков и совершенствовать алгоритмы классификации оптических излучений;
разрабатывать более полные и удобные для практического применения вероятностные модели информационных процессов и систем.
В целом, выполненные в диссертационной работе исследования формируют основу для рассмотрения многих разрозненных задач информационной радиооптики с единых позиций — с позиций системного анализа и общей статистической теории обработки информационных процессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Обобщенная модель лазерной информационной системы и результаты вероятностного анализа отдельных типовых узлов такой модели.
Результаты вероятностного анализа наиболее распространенных для радиооптических систем моделей лазерного излучения и теплового оптического излучения.
Результаты исследований детальной вероятностной структуры интенсивности оптического излучения на основе анализа характеристик выбросов и представлений информационных процессов в виде фазовых траекторий на фазовой плоскости.
Результаты исследований вероятностной структуры эффектов замирания информационных сигналов в открытых атмосферных каналах и результаты вероятностного анализа изменений оптической прозрачности атмосферы для лазерного излучения.
Результаты исследований флюктуационных эффектов при приеме и обработке информационных процессов, анализ квантовых эффектов при регистрации слабых излучений в режиме счета фотонов и потенциальные точности оценивания основных вероятностных характеристик интенсивности оптических излучений.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ЗАО «СКБ Орион» при разработке системы информационного обмена и экспресс-анализа телеметрической информации на этапе запуска космических аппаратов.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР по гранту Минобрнауки РФ «Проблемы теории выбросов случайных процессов» № Т00-03.2-2694, по гранту Минобрнауки РФ «Проблемы обработки данных научного эксперимента» № Т02-03.3-3642, а также по гранту РФФИ «Обработка информационных сигналов в системах речевого командного управления»№ 06-08-00260-А.
Кроме того, полученные в диссертационной работе результаты внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (по кафедре компьютерной математики и программирования) при разработке курса «Статистическая радиооптика» и курса «Статистическая обработка экспериментальных данных».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: на ежегодных Научных сессиях Государственного университета аэрокосмического приборостроения (г. Санкт-Петербург, 2005-2008 г.); на Десятой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2005 г.); на Всероссийской НТК «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2006 г.); на XVIT Всероссийском семинаре «Передача, обработка, отображение информации» (г. Ставрополь, 2006 г.); на XIV Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, 2004 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований опубликованы в 12 печатных работах, из которых 1 работа опубликована в рецензируемом научном журнале из Перечня ВАК, 4 работы в сборниках научных конференций, получено 7 свидетельств на разработки, зарегистрированные в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (134 наименования) и приложений. Общий объем работы 214 страниц машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков, 8 схем.
Характерные особенности развития радиооптики
За прошедшие несколько десятилетий после появления лазеров накопилось много убедительных доказательств того, что методы радиофизики и радиотехники эффективно могут использоваться в оптическом диапазоне. В свою очередь, оптические методы активно внедряются в информационные технологии, локацию, навигацию, вычислительную технику и технику связи. Разнообразное взаимное сочетание методов радио и оптики дает основу для развития самостоятельного направления исследований - радиооптики.
Формирование и общее развитие радиооптики [111, 130] во многом определяется информационными задачами — задачами наблюдения и измерения, задачами передачи, приема и обработки больших массивов информации при обеспечении высокого быстродействия. Класс информационных радиооптических систем объединяет разнообразные и многочисленные лазерные системы, особенностью которых является использование оптического излучения в качестве носителя информации. При рассмотрении таких систем обычно можно выделить источник информации, передатчик информации, приемник и канал связи между передатчиком и приемником информации. Примерами подобных систем являются системы лазерной локации и навигации [29, 51, 71, 76], системы оптической связи [17, 74, 102], лазерной дальнометрии [50], лазерного зондирования [27, 57, 82], лазерные измерительные системы [52, 75] и сенсорные системы [10, 13, 49], лазерные системы видения [34], системы лазерного наведения, прицеливания и управления оружием [53, 107, 124], системы лазерной и волоконно-оптической гироскопии [11, 124], лазерной интерферометрии [24, 45], лазерной спектроскопии [23], лазерной голографии [43, 67] и многие другие.
В радиофизике и радиооптике системы передачи, приема, преобразования и обработки информации наиболее часто классифицируются по диапазону длин волн или диапазону рабочих частот используемого электромагнитного излучения. На рис. 1.1 показано условное разделение спектра электромагнитных волн на несколько характерных диапазонов. В оптических информационных системах, как правило, используется оптический диапазон спектра, в который входят диапазоны инфракрасного излучения, видимого и ультрафиолетового излучения.
При разработке перспективных информационных систем повышенный интерес к оптическому диапазону обычно объясняется несколькими причинами. Среди них можно выделить: возможности резкого увеличения объема перерабатываемой информации за счет расширения диапазона используемых частот, возможности существенного повышения быстродействия и . потенциальной точности измерений за счет высоких рабочих частот оптических систем, возможности формирования высокостабильного монохроматического излучения при использовании квантовых генераторов, возможности одновременной работы по многим свободным от взаимных помех информационным каналам, возможности простой технической реализации сложных интегральных преобразований и простой реализации алгоритмов пространственно-временной,обработки информационных процессов, возможности получения больших коэффициентов усиления передающих антенн при их малых габаритах, возможности формирования на передающей стороне узких лучей с малыми угловыми расходимостями.
Во многих задачах, связанных с передачей и обработкой информации, потенциальные возможности лазерных систем по существу ограничиваются лишь квантовыми эффектами. Вместе с тем, хорошо известно, что на практике, при построении реальных (не идеализированных) систем далеко не всегда удается приблизиться к потенциально достижимым характеристикам. Случайные изменения параметров информационных процессов, сигналов и помех, неизбежные флюктуации в источниках лазерного излучения, случайные изменения характеристик канала передачи и вероятностный характер операции фотодетектирования — все это существенно влияет на практическую реализацию и характеристики реальных лазерных систем.
Конечно, при освоении оптического диапазона реализация потенциальных возможностей оптики неизбежно связана с изучением и исследованием новых физических эффектов, решением технических и технологических проблем. За последние годы в смежных с радиофизикой и оптикой областях сформировались и интенсивно развиваются такие научные направления, как оптическая электроника [108, 128], акустооптика и электрооптика [4, 46, 129], адаптивная оптика [1, 15], компьютерная оптика [44, 58], информационная оптика [30]. Подобно общему развитию радиооптики [111, 130], основным стимулом для развития названных направлений являются информационные задачи. Все эти задачи по своей постановке относятся к классу статистических задач. Однако, несмотря на это, нужно подчеркнуть, что до настоящего времени статистическая оптика [22, 66], статистическая акустооптика [115] и статистическая радиооптика [2] находятся лишь на стадии формирования.
Выделенные особенности, с одной стороны, поясняют преимущества использования оптического диапазона при построении информационных систем и, с другой стороны, еще раз подтверждают необходимость обобщения многочисленных разрозненных результатов в области радиооптики и построения единой статистической теории радиооптических методов передачи, приема и обработки информации.
Обобщенная модель преобразования информации
Обычно все основные процедуры сбора, преобразования и обработки информации существенно зависят от содержания и конкретных условий решаемой задачи. Большое разнообразие практических задач приводит к разнообразию экспериментальных исследований, разнообразию систем обработки и анализа данных. Однако, несмотря на это, принцип получения информации и основные этапы преобразования информационных процессов условно можно представить в виде обобщенной модели (схема 2.1.1).
Такая модель включает в себя источник информации, операции первичного преобразования, передачи, приема и обработки данных. Источником информации является здесь изучаемый объект или какая-либо исследуемая система. Любая реальная (не идеализированная) система функционирует в условиях случайных внешних воздействий, параметры самой системы также могут изменяться случайным образом, и поэтому "состояние системы" должно рассматриваться как некоторая случайная Приведенная модель отражает последовательность основных этапов получения, преобразования и обработки информации Модель носит общий характер. Она справедлива при проведении различных экспериментальных исследований, при рассмотрении телекоммуникационных систем, описании систем мониторинга, систем технической и медицинской диагностики, при исследовании различных радиофизических и радиооптических систем функция x(t,r), зависящая от времени t и координат пространства г.
Операция первичного преобразования предназначена для выделения информационных параметров или признаков, которые характеризуют состояние исследуемого объекта. Такая операция может выполняться, например, датчиками, чувствительными элементами, сенсорными устройствами. После первичного преобразования информационные сигналы передаются по каналу передачи в систему обработки и анализа данных (схема 2.1.1). Характеристики каналов передачи информации могут изменяться случайным образом в процессе работы. Практическая реализация основных преобразований всегда сопровождается некоторыми погрешностями. Кроме того, разнообразные внутренние и внешние случайные воздействия оказывают неизбежное влияние на параметры исследуемых процессов.
Все эти особенности приводят к необходимости построения вероятностных моделей для описания изучаемых систем, процессов и преобразований.
Представленная на схеме 2.1.1 обобщенная структура по своей сути отражает "содержательную" сторону проблематики получения, преобразования и обработки информации. При решении задач обработки и анализа данных основой являются математические методы, и для их использования необходимо перейти от содержательного описания к формализованному представлению информационных процессов.
На схеме 2.1.2 показана обобщенная формализованная модель обработки информации. Такая модель полностью эквивалентна рассмотренной ранее структурной схеме и отличается лишь большей формализацией. Такая структурная модель является обобщенным формализованным представлением основных этапов обработки информации Независимо от конкретной области, решение подобных задач связано с математическим описанием исследуемых систем (источников информации), описанием сигналов, помех, наблюдений и решений Пространство сигналов S, пространство помех N, пространство наблюдений { } и пространство решений {z } - это, по существу, некоторые множества случайных функций. Вид этих функций определяется конкретным содержанием решаемой задачи Правило принятия решений G\z\ } характеризует здесь процедуру выработки решения z по наблюдаемым данным ,, то есть определяет алгоритм обработки наблюдений.
Обобщенные модели преобразования и обработки информации (п. 2.1) достаточно наглядно подтверждают, что математическое описание динамических систем, информационных процессов и помеховых воздействий должно выполняться на основе теории случайных функций. Для того чтобы воспользоваться этой теорией, целесообразно, прежде всего, дать общее определение случайной функции и рассмотреть возможность предварительной "грубой" классификации таких функций. Подобный подход позволяет выделить основные классы вероятностных моделей и привести характерные примеры их практического использования.
В наиболее общем виде случайная функция формально определяется как семейство случайных переменных в котором s - параметр, X - пространство состояний переменной ;, S -множество возможных значений параметра s. Если из рассматриваемого семейства { (V)} выбрать лишь одну функцию (s), то такую функцию Z,(s) принято называть выборочной функцией или отдельной реализацией.
Классификация случайных функций, как и любая классификация, существенно зависит от целей и содержания решаемых задач. Она может выполняться различными способами и по самым различным признакам. На данном этапе за основу классификации удобно взять общее определение случайной функции { Z,(s), Z,EX,S GS] и путем конкретизации множеств X и S разделить все многообразие функций {t,(s)} на самостоятельные классы [119] (схема 2.2.1).
Вероятностный анализ колебаний в типовом генераторе
1. Идеализированный генератор гармонических колебаний может рассматриваться как некоторая автоколебательная система, выходной процесс которой имеет вид x(t) = AQcos[(t)Qt + q Q ], (3.1.1) где значения амплитуды А0, частоты со0 и начальной фазы ф0 являются постоянными детерминированными величинами. На фазовой плоскости (х, х ) при x = x(t), x =dx(t)/dt такая система описывается изображающей точкой (рис. 3.1), движущейся по выпуклой замкнутой фазовой траектории L(x, x ). Характер движения является периодическим, а фазовая траектория совпадает с так называемым предельным циклом системы. Если имеются какие-либо начальные отклонения изображающей точки от предельного цикла, то они быстро исчезают в результате "притяжения" фазовых траекторий к предельному циклу. Спектральная плотность колебания (1) представляет собой монохроматическую линию \AQ/2 )б(со - ю0 ) на частоте со = ю0.
В любой физически реальной динамической системе (простой или сложной) существуют нестабильности и флюктуации отдельных параметров. Неизбежные воздействия внутренних и внешних флюктуационных шумов приводят к случайным отклонениям изображающей точки, а следовательно, и к отклонениям фазовой траектории L(x, х ) от предельного цикла (рис. 3.1).
При этом возникают амплитудные, фазовые и частотные флюктуации колебания, и именно поэтому выходной процесс x(t) любой реальной автоколебательной системы-генератора никогда не бывает монохроматическим — спектральная линия колебания всегда обладает определенной шириной и формой.
Анализ выходного процесса автогенератора более полно может быть выполнен на основе модели случайного квазигармонического колебания t x(t) = [A0 + a(t)]cos[ш0ґ + ф(/)] =A(t)cos[ю0/ + ф(ґ)], (p(f) = \0.{t)dt, (3.1.2) о где A{) — среднее значение амплитуды, а со0 - среднее значение частоты колебаний; функции a(t), ф(ї) и Cl(t) являются здесь случайными процессами и характеризуют соответственно амплитудные, фазовые и частотные флюктуации. Нахождение вероятностных характеристик и, в частности, спектрально-корреляционных характеристик колебания (2) при различных распределениях процессов a{t), ф(/) и Q.(t) составляет основную задачу исследования флюктуационных эффектов в автоколебательных системах [2, 55, 80, 93]. Как правило, спектрально-корреляционные характеристики во многих задачах оказываются достаточными для анализа квазигармонических излучений, описываемых моделью (2).
2. По своей физической природе флюктуации в автоколебательных системах условно делятся на два основных класса: естественные и технические [55, 80]. Естественные флюктуации связаны с действием собственных (обычно тепловых PI дробовых) шумов. Они обусловлены тепловым движением носителей заряда и дискретностью природы заряда. Такие флюктуации принципиально неустранимы и от их уровня зависит предельно достижимая стабильность амплитуды и частоты автоколебаний. Технические флюктуации порождаются различными нестабильностями параметров элементов системы, воздействием внешних шумов и в принципе являются устранимыми.
По своим статистическим характеристикам, как правило, естественные флюктуации хорошо описываются моделью "быстрых и слабых" флюктуации, а технические — моделью "медленных, но сильных" хаотических (флюктуационных) изменений параметров системы.
3. Полное описание идеализированной модели гармонического колебания (1), вообще говоря, может быть выполнено без привлечения вероятностных методов. Действительно, по известному значению Xi=x(tt) функции x(t) = AQcos[(tQt + ф0 ] в некоторый момент t = tj при AQ= const, со0 = const, ф0 = const можно предсказать значение функции x-=x(tj) в момент t- i -vi при произвольных т. Подобные рассуждения справедливы для большинства детерминированных моделей и сразу же нарушаются при переходе к более реальным ситуациям. Рассмотрим две наиболее распространенные практически важные ситуации.
Особенности лазерных систем передачи информации
На данном этапе, по-видимому, уже ясно, что появление лазеров и развитие лазерной связи пока не привело к революционным изменениям (как это неоднократно предполагалось) во всей технике связи. Наибольшие успехи получены здесь в области волоконно-оптических систем [14, 35, 41, 69, 105, 123]. Применительно к передаче информации через открытый атмосферный канал, большинство возможностей оптического диапазона остаются до настоящего времени лишь потенциальными.
И, тем не менее, свойства оптического диапазона и свойства оптических методов преобразования информации таковы, что перспективность хотя бы частичной реализации этих "потенциальных возможностей" делает исследования в области радиооптики постоянно актуальными. Более того, существует и целый класс задач [29, 34, 50, 62, 64, 68, 71], в решении которых лазерные информационные системы не имеют достойной конкуренции.
Какие же особенности радиооптики относятся к наиболее привлекательным с точки зрения передачи, приема и обработки информации? Перечислим здесь несколько характерных черт оптического диапазона.
1. Потенциальная возможность передачи больших объемов информации с высокой скоростью. Обычно скорость передачи информации связана с полосой частот модулированной несущей. Существенное повышение средней частоты несущей в оптическом диапазоне приводит к возможности существенного расширения полосы частот для передачи информации и значительному увеличению информационной емкости линии связи. В оптическом диапазоне волн полоса частот информационного сигнала может быть примерно в 105 раз больше, чем в радиодиапазоне.
2. Возможность создания узкой диаграммы направленности передающей антенны и повышение энергетической эффективности системы передачи информации. Это объясняется тем, что коэффициент усиления антенны пропорционален Х 2, с повышением частоты несущей (уменьшение длины волны X ) удается получить большую плотность мощности излучения, т.е. формировать более узкие оптические пучки.
3. При использовании узкого оптического пучка появляется возможность обеспечения защищенной от несанкционированного доступа передачи информации. Скрытность оптической связи (ее защищенность от перехвата) — это важный показатель не только для военных систем, но и для каналов передачи, функционирующих на территориях промышленных комплексов.
4. Возможность существенного снижения массогабаритных показателей радиооптических систем. Оптические методы обработки информации позволяют достаточно просто выполнять разнообразные интегральные преобразования в задачах обработки сигналов (преобразование Фурье, свертку функций, корреляционную обработку, ...). Кроме того, при переходе на оптическую несущую за счет потенциально высоких коэффициентов усиления антенн и высоких скоростей передачи информации, удается существенно снизить (по сравнению с диапазоном СВЧ) вес и габариты приемо-передающей аппаратуры. Эта особенность важна и при создании бортовых комплексов, и при построении переносных локальных систем передачи информации.
5. Возможность более простого решения общей проблемы электромагнитной совместимости систем. Применительно к оптическому диапазону, по-видимому, на данном этапе развития, проблемы ЭМС вообще не существует.
Безусловно, наряду с достоинствами, оптический диапазон имеет и ряд своих недостатков. Уровень техники приема, преобразования и передачи информации в области оптических частот до настоящего времени заметно ниже уровня развития элементной базы радио-, СВЧ и миллиметрового диапазонов. Менее исследованными являются здесь эффекты распространения оптического излучения в атмосферной случайно-неоднородной среде, эффекты влияния квантовой природы излучения на точность измерительных систем, остаются нерешенными и многие задачи управления оптическим излучением.
С учетом всех этих достоинств и недостатков оптического диапазона рассмотрим теперь общий подход к разработке систем передачи информации и выделим те особенности, которые определяют потенциальные характеристики и общую эффективность лазерных информационных систем.
Обобщенная модель передачи информации
1. Обычно произвольную (в том числе и оптическую) систему передачи информации можно представить в виде упрощенной модели (рис. 4.1), на которой показаны основные операции преобразования множества сообщений \mt }, поступающих от источника сообщений ИС, в множество решений \mi}. Оператором LT здесь описывается преобразование сообщений ті в сигналы S;, оператор LK характеризует влияние канала связи при передаче сигналов, а оператор LR описывает процедуру преобразования смеси {хг- } принимаемых колебаний Z,A, {;.} и комплекса действующих помех и, в соответствующее множество решений \т1 }. В зависимости от решаемых задач каждый из операторов L{...} может быть в той или иной степени детализирован.
