Введение к работе
Актуальность темы. Освоение оптического диапазона длин волн позволяет создавать информационные и управляющие системы с характеристиками, которые принципиально не достижимы в диапазоне радиоволн. К настоящему времени разработаны наземные, авиационные и космические системы лазерной связи, оптические комплексы аэрокосмического мониторинга окружающей среды, системы воздушной разведки, системы предупреждения столкновений подвижных объектов, лазерные системы стыковки космических аппаратов, аппаратура лазерного наведения и управления лазерным оружием.
Главное преимущество оптических систем передачи с открытым
распространением оптического излучения связано с огромной информационной ёмкостью, обусловленной чрезвычайно высокой частотой оптического несущего колебания.
Цель диссертационных исследований состоит в улучшении вероятностных и
временных характеристик пространственного поиска источников слабых
оптических излучений с одновременным снижением временной неопределённости приёма импульсных сигналов.
Объектом исследований является приёмопередающий комплекс для пространственно-временного поиска (ПВП) источника лазерного излучения с выделением момента приёма импульсного сигнала в режиме однофотонной регистрации сигналов.
Предметом исследования является алгоритм, структура и модель аппаратуры ПВП источника лазерного излучения с выделением момента приёма импульсного сигнала в режиме однофотонной регистрации сигналов.
Частные задачи диссертационных исследований:
Формирование исходных научных посылок, отражающих модель ПВП импульсного излучения и включающих состав переменных и постоянных исходных данных с определением в случае признания необходимости рамок исследования.
Синтез алгоритма и разработка структуры приемника для ПВП импульсного излучения при использовании сканирующего однофотонного диссектора.
Установление количественных соотношений для описания параметров комплекса приёмно-передающей аппаратуры поиска источников импульсного излучения при использовании сканирующего диссектора с ограниченной полосой пропускания в режиме регистрации однофотонных импульсов. Формулирование требований к выбору параметров систем ПВП импульсного излучения с одноканальной обработкой информации.
Проверка эффективности алгоритма ПВП источников импульсного излучения
с обнаружением и выделением момента появления оптического импульса при
использовании диссектора с ограниченной полосой пропускания в режиме
одноканальной регистрации однофотонных импульсов (ОФИ) методом
статистического моделирования. с исключением допущений и ограничений, принятых при установлении количественных соотношений для описания параметров комплекса поиска. Сопоставление полученных теоретических выкладок с результатами статистического моделирования и уточнения требований к используемой оптической и электронной элементной базе.
При выполнении диссертационных исследований использовались: общие
методы системного анализа, методы теории обнаружения для алгоритма
приёмопередающей аппаратуры ПВП импульсных сигналов в режиме
однофотонной регистрации сигналов; методы теории вероятностей и
математической статистики при выводе аналитических выражений для расчёта вероятностных характеристик аппаратуры ПВП импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов; численные методы для оценки влияния параметров аппаратуры поиска на вероятностные и временные характеристики; компьютерное моделирование для доказательства эффективности и подтверждения достоверности предлагаемого алгоритма.
К наиболее существенным новым научным результатам, полученным в результате диссертационных исследований, относятся:
Уточнен алгоритм ПВП импульсного излучения, учитывающий присутствие оптического импульса в момент начала обследования временного кадра, равного по длительности периоду следования оптических импульсов. Структура приемника, реализующая предлагаемый алгоритм поиска импульсного излучения, обеспечивает улучшение вероятностных и временных характеристик пространственного поиска источников слабых оптических излучений с одновременным снижением временной неопределённости приёма импульсных сигналов.
Получены выражения, устанавливающие связь вероятности ложных тревог при условии приёма фонового излучения с длительностью, периодом и нестабильностью следования оптических импульсов, параметрами однофотонного диссектора, пороговым уровнем амплитудной дискриминации, частотой генерации однофотонных импульсов фонового излучения и импульсов темнового тока.(БКБ-РКЕ статья). Предложена формула для упрощённого расчёта вероятности ложных тревог.
Получены соотношения, устанавливающие связь вероятностных и временных характеристик ПВП импульсного излучения с параметрами аппаратуры приёма и обработки информации. В частности, выделены три вероятностные составляющие, произведение которых определяет вероятность правильного обнаружения полезного излучения.
Разработана модель ПВП импульсных сигналов в режиме регистрации
однофотонных импульсов для оценки эффективности уточненного алгоритма и
разработанной структуры приемника для ПВП импульсного излучения при
использовании сканирующего однофотонного диссектора, отличающаяся учётом
реальной формы однофотонного импульса, срабатывания амплитудного
дискриминатора в начале или в конце временного кадра, а также флуктуаций коэффициента умножения однофотонного диссектора.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Уточнен алгоритм и структура приёмника для ПВП импульсного излучения с обработкой потока фотонов отличающийся от известных тем, что учитывает срабатывание АД в начале или в конце временного кадра.
Впервые полученные выражения учитывают срабатывание АД в
произвольные моменты во временном кадре и устанавливают связь вероятностных и
временных характеристик ПВП импульсного излучения с длительностью, периодом и нестабильностью следования оптических импульсов, параметрами однофотонного диссектора, пороговым уровнем амплитудной дискриминации, частотой генерации однофотонных импульсов фонового излучения и импульсов темнового тока.
Разработана модель ПВП импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов отличающаяся учётом реальной формы однофотонного импульса, срабатывания амплитудного дискриминатора произвольными моментами во временном кадре, а также флуктуаций коэффициента умножения однофотонного диссектора.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Структура приемника, реализующая предлагаемый алгоритм ПВП
импульсного излучения, обеспечивает выигрыш более 30 % в вероятности ложных тревог при изменении среднего числа шумовых импульсов за период следования оптических импульсов в пределах менее 0,1 при использовании широкополосного однофотонного диссектора. Выигрыш превышает 2,7 раза при скважности следования импульсов выше 10, использовании инерционного однофотонного диссектора и при среднем числе ИТТ за временной кадр 0,01.
Предложены формулы для упрощённого расчёта вероятностей ложных тревог и правильного обнаружения полезного излучения, а также среднего времени наблюдения фонового пространственного элемента разложения, погрешность расчётов по которым не превышает 1 %. Уточнены требования к параметрам приёмно-передающего комплекса поиска источников импульсного излучения при использовании сканирующего диссектора с ограниченной полосой пропускания в режиме регистрации однофотонных импульсов для разработанного алгоритма пространственно-временного поиска.
Доказана эффективность реализации ждущего режима в аппаратуре ПВП импульсного излучения посредством отключения только однофотонного диссектора по сравнению со способами, предусматривающими отключение только электронной части аппаратуры или одновременное отключение электронной части и однофотонного диссектора.
Разработано два программных продукта для ЭВМ защищенные авторскими свидетельствами. Первый программный продукт ориентирован на имитационное моделирование ПВП импульсных сигналов в режиме одноканальной регистрации однофотонных импульсов .Второй программный продукт ориентирован на оценку влияния нестабильности частоты следования оптических импульсов на характеристики системы ПВП источников излучения.
Выполненные в диссертационной работе исследования дают основу для оценки потенциальных возможностей и оптимизации существующих алгоритмов ПВП импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов, для синтеза новых алгоритмов и разработки перспективных структур оптических систем связи.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, результаты патентных исследований, аналитические выражения для описания алгоритма ПВП импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов, количественные
соотношения для расчета вероятностных и энергетических параметров системы, компьютерное моделирование алгоритма ПВП, анализ результатов моделирования, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований
использованы при выполнении: государственного задания Министерства
образования и науки РФ высшим учебным заведениям в части проведения научно-исследовательских работ №213.01-11/2014-9, гранта РФФИ №14-08-00071.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
-
Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии и телекоммуникации. КТиТК–2014». г. Грозный, 18 - 20 июня 2014 г.
-
«Инновационные технологии в профессиональном образовании» 2-я Всероссийская научно-методическая конференция, г. Грозный, 12 – 13 мая 2011 г.
-
«Инновационные технологии в профессиональном образовании» 3-я Всероссийская научно-методическая конференция, г. Грозный, 16 – 18 мая 2012 г;
-
XI Всероссийская научная конференция "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" ("КРЭС-2012") – Таганрог, 2012 г.
-
XI Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления, Таганрог, 2012 г.
-
XII Всероссийская научно-техническая конференция. г. Пенза, 2014 г.
-
21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 2014 г.
-
Десятая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, г. Ростов-на-Дону, 14-29 апреля 2014 г.
-
Международной конференции «ICCMIT-2018. International Conference on Communication, Management and Information Technology», Мадрид, Испания 31.03-09.04.2018.
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 19 научных работ. Из них в перечне рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации материалов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора технических наук, в соавторстве с научным руководителем Румянцевым К.Е. опубликовано 6 статей. В трудах международных конференций IEEE, реферируемых в базе данных «SCOPUS», апробирована 1 научная статья. Получено два свидетельства на программный продукт для ЭВМ и патент на изобретение.
Основные положения, выносимые на защиту диссертационной работы: Положение 1. Существующие алгоритмы не обеспечивают уменьшения среднего времени ПВП источников импульсного излучения сканирующими фотоприёмниками в режиме однофотонной регистрации потока фотонов, в связи, с чем исследования представляются актуальными. Таким образом, приём и обработка оптических сигналов требует организации ПВП с целью обнаружения и выделения момента появления оптического импульса в режиме однофотонной регистрации для
вхождения в связь и синхронизм приёмно-передающего комплекса в атмосферных и спутниковых системах КРК.
Положение 2. Уточненный алгоритм и разработанная структура приемника для ПВП импульсного излучения при использовании сканирующего однофотонного диссектора отличается учетом срабатывания АД в начале или в конце временного кадра.
Положение 3. Установлены количественные соотношения для описания параметров и в формулировке требований к узлам приёмно-передающего комплекса поиска источников импульсного излучения при использовании однофотонного диссектора. Сформулированы требования к одноканальной аппаратуре ПВП импульсного излучения при использовании сканирующего однофотонного диссектора с ограниченной полосой пропускания.
Положение 4. Доказана эффективность уточнённого алгоритма и измерены статистические характеристики системы ПВП источников импульсного излучения с обнаружением и выделением момента появления оптического импульса при использовании однофотонного диссектора с ограниченной полосой пропускания в режиме регистрации однофотонных импульсов.