Введение к работе
Актуальность исследований. Развитие телекоммуникационных систем нового поколения основывается на использовании широкополосных и сверхширокополосных сигналов с большой информационной емкостью. Задача создания высокоскоростных систем передачи информации (более 1 Гбит/с) решается переходом в оптический диапазон волн. Оптическая связь позволяет не только существенно увеличить скорость передачи, но и повысить помехозащищенность передаваемых сообщений, а также снизить габариты приемо-передающих устройств, сохраняя при этом большие коэффициенты усиления антенн и снижая чувствительность к воздействию возмущающих факторов.
В последние десятилетия изучается вопрос об использовании открытых оптических систем передачи для глобальной связи типа Земля – Луна, космический аппарат (КА) – КА, орбитальная станция – Луна, искусственный спутник Земли (ИСЗ) – ИСЗ и т.п. Подтверждением этому служит проведение двумя ведомствами США – НАСА и ВКС – долгосрочных программ разработки двусторонней оптической линии связи (ОЛС) "Космос – Земля", "Земля – Самолет", "La-sercom", а также проект SILEX, предусматривающий создание ОЛС между геостационарными и низкоорбитальным ИСЗ. Проблема создания космических ОЛС достаточно актуальна и для России. Согласно новой военной доктрины в вооруженных силах возрастает роль средств связи, защищенных от организованных помех и несанкционированного доступа.
Создание ОЛС для космических целей связано с решением множества проблем, среди которых выделяется задача пространственного поиска, обнаружения и сопровождения корреспондента. Действительно, главное преимущество оптического диапазона – высокая направленность излучения – вызывает необходимость решения сложной задачи вхождения в связь, состоящей во взаимном нацеливании антенн приемно-передающих комплексов. Под поиском корреспондента понимается процесс целенаправленного обследования приемной аппаратурой определенной области пространства (контролируемого поля) для обнаружения источника полезного излучения, а под обнаружением – получение информации о пространственном местонахождении источника оптического излучения путем установления с ним прямого энергетического контакта.
Вторая проблема вытекает из того факта, что в лазерных системах дальней связи энергия принимаемого оптического излучения настолько мала, что фотоприемный канал работает в режиме счета фотонов, раздельно регистрируя каждый акт преобразования фотона в фотоэлектрон (ФЭ). Этот режим будет характерен и для подсистемы вхождения в связь с мобильными аппаратами при осуществлении пространственного (или пространственно-временного) поиска и обнаружения сигналов корреспондента. Заметим, что при работе систем связи в режиме счета фотонов значительно повышается скрытность передачи данных.
Третья проблема обуславливается тем, что в случае размещения лазерных систем связи на мобильных аппаратах актуально снижение массы аппаратуры, так как стоимость вывода в космос килограмма полезного груза исчисляется тысячами долларов. Наибольший вклад в массу лазерной системы связи вносит оптическая антенна (ОА), в качестве которой часто используется линзовый телескоп.
Целью исследований является сохранение эффективности приема обнаружителя оптических импульсов, работающего в режиме счета фотонов, для подсистем вхождения в связь с летательными (мобильными) аппаратами при снижении массы антенного комплекса.
Объектом исследования является подсистема вхождения в связь для открытых лазерных систем связи (ОЛСС), работающая в режиме счета фотонов.
Предметом исследования является разработка и анализ двухканального обнаружителя импульсного оптического излучения в режиме счета фотонов с двумя ОА при сохранении неизменной эффективности приема по сравнению с одноканальной системой, но при меньшей массе приемного антенного комплекса.
Научной задачей исследования является развитие теории приема и обработки оптических сигналов в системах вхождения в связь, предусматривающих прием на две оптические антенны и использование инерционных однофотонных фотоэмиссионных приборов (ОФЭП) и электронного тракта обработки.
Для достижения поставленной цели исследования решаются следующие частные задачи:
– анализируются особенности функционирования оптических телекоммуникационных систем мобильной связи при передаче данных отдельными фотонами с позиции минимизации массы приемного антенного комплекса;
– исследуется канал обработки потока однофотонных импульсов для оценки влияния инерционности ОФЭП и дискретного счетчика (ДС) на вероятностные характеристики и достоверность однофотонной регистрации одноканального обнаружителя;
– разрабатывается структура комплекса для приема импульсного оптического излучения с двумя оптическими антеннами, и исследуются вероятностные характеристики двухканального обнаружителя для сравнительной оценки эффективности с одноканальной системой при условии сохранения неизменной площади приема;
– моделируется процесс обнаружения импульсного оптического излучения в режиме счета фотонов для сравнительного анализа одно- и двухканального обнаружителей при снятии ограничения на форму отклика ОФЭП с целью подтверждения теоретических результатов и возможности использования аналитических соотношений для инженерных расчетов вероятностных характеристик однофо-тонных регистраторов и эффективности обнаружения.
Методы исследования, применяемые для решения поставленных задач:
– методы теории вероятностей и математической статистики при выводе аналитических выражений для оценки влияния инерционности аппаратуры на вероятностные характеристики регистраторов;
– методы теории обнаружения и приема оптических сигналов для анализа двухканального обнаружителя;
– статистическое моделирование и вычислительный эксперимент для доказательства эффективности предлагаемых алгоритмов.
Научную новизну работы составляют:
– развит математический аппарат, базирующийся на трапецеидальной аппроксимации формы однофотонных импульсов (ОФИ), на основе которого получены аналитические выражения для оценки условных вероятностей P{j|nФЭ} регистрации j ОФИ при генерации nФЭ ФЭ инерционными однофотонными преобразователями с учетом необходимого минимального временного зазора между счетными импульсами;
– получены выражения для оценки вероятности правильного обнаружения одно- и двухканальным обнаружителями, работающими в режиме счета фотонов, с учетом инерционности как опто-электронного преобразователя, так и тракта обработки;
– обоснована структура обнаружителя, отличающаяся от одноканальной тем, что при сохранении неизменной эффективности приема обеспечивает уменьшение массогабаритных показателей приемного антенного комплекса;
– разработан алгоритм, позволяющий рассчитывать численные значения условных вероятностей P{j|nФЭ} регистрации j ОФИ из nФЭ сгенерированных ФЭ катодом инерционного ОФЭП, вероятности правильного обнаружения и достоверности регистрации с ограничением количества суммируемых членов с заданной погрешностью вычислений и оценивать эффективность работы оптических телекоммуникационных систем при передаче данных отдельными фотонами;
– разработан алгоритм работы двухканального однофотонного регистратора ОФИ, позволяющий оценивать эффективность оптических систем при передаче данных отдельными фотонами с учетом инерционности ОФЭП и тракта обработки.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
– предложен вариант технического решения системы вхождения в связь с использованием двухканального обнаружителя оптических импульсов, работающего в режиме счета фотонов и позволяющего существенно снизить массу приемного антенного комплекса ОЛСС, устанавливаемой на мобильных (летательных) аппаратах. В примере показано, что масса приемного антенного комплекса,
состоящего из двух ОА, может быть уменьшена более чем в 5 раз по сравнению с массой комплекса на основе одной приемной антенны при сохранении эффективности приема;
сформулированы требования к выбору пороговых уровней с точки зрения максимизации вероятности правильной регистрации ФЭ с учетом инерционности ОФЭП и ДС;
разработаны программные средства для обработки потока ОФИ, реализующие алгоритм работы двухканального однофотонного регистратора;
применение предложенной двухканальной системы регистрации ОФИ в оптических информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, позволяет значительно повысить их эффективность, а также расширить динамический диапазон в сторону приема как более слабых, так и более интенсивных засветок. Так, при неизменной инерционности узлов обработки получен значительный выигрыш в вероятности пропуска сигнала. Например, при пороге обнаружения 3, среднем числе ФЭ за длительность оптического импульса равном 10 и значении обобщенного параметра а = 0,1 выигрыш превышает 11 раз и растет с увеличением среднего числа ФЭ за длительность оптического импульса;
разработана программа для ЭВМ, реализующая алгоритм расчета численных значений условных вероятностей регистрации однофотонных импульсов, вероятности правильного обнаружения и достоверности регистрации с ограничением количества суммируемых членов с заданной погрешностью вычислений;
разработана методика оценки достоверности результатов однофотонной регистрации на основе знаний параметров тракта обработки (инерционности ОФЭП и ДС) и оптического импульса.
Основные положения и результаты выносимые на защиту:
-
Существующие одноканальные системы приема информации не позволяют снизить массу аппаратуры при сохранении заданных вероятностных характеристик и при фиксированной площади приема (заданной мощности излучения на входе антенного комплекса).
-
Полученные аналитические выражения для расчета условных вероятностей регистрации у ОФИ из пФЭ принятых ФЭ и достоверности результатов однофотонной регистрации учитывают инерционность не только ОФЭП, но и тракта обработки, в частности, дискретного счетчика и позволяют сформулировать требования к выбору параметров аппаратуры.
-
Получены аналитические выражения для сравнительного анализа од-ноканальной и двухканальной систем обнаружения, работающих в режиме счета фотонов, с учетом инерционности оптоэлектронного преобразователя и тракта обработки.
-
Применение двухканального регистратора, содержащего ОА, ОФЭП, блок предварительной обработки однофотонных импульсов (БПООФИ) и ДС в
каждом канале, а также цифровой сумматор (ЦС), дает выигрыш не только в массе приемного антенного комплекса, но и в вероятностных характеристиках. В случае инерционности узлов тракта обработки, как и в одноканальной системе, при сохранении неизменной вероятности правильного обнаружения двухканаль-ная система с ЦС обеспечивает существенное снижение массы приемного антенного комплекса.
Личный вклад. Все основные научные результаты, аналитические выражения для описания вероятностных характеристик одно- и двухканального инерционных регистраторов, результаты моделирования работы однофотонных счетчиков, разработка программных средств как элементов обработки потока ОФИ с выхода фотоприемника, оценка эффективности оптических систем в режиме счета фотонов и разработанные рекомендации по построению регистратора, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Апробация, публикация результатов работы. По результатам диссертационных исследований опубликовано 8 печатных работ. Среди них 2 статьи из перечня периодических изданий рекомендуемых ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XVII Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования, 10 – 13 декабря 2013 г., Москва, Россия; X Международной научно-практической конференции «Научная мысль информационного века – 2014», 07 – 15 марта 2014 г., Пшемысль, Польша; IV Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Компьютерные технологии и телекоммуникации 2014», 18 – 20 июня 2014 г., Грозный, Россия; Международной научно-практической конференции «Научные преобразования в эпоху глобализации», 20 мая 2016 г., Курган, Россия;
Внедрение результатов работы. Диссертационные исследования являются частью плановых научно-исследовательских работ, выполняемых кафедрой информационной безопасности телекоммуникационных систем (ИБТКС) в рамках гос. задания № 213.01-11/2014-9, выполняемого вузом в рамках базовой части государственного задания.
Научные результаты работы использованы в НИР № 213.01-11/2014-9, реализованы в лекционном материале дисциплины «Оптические телекоммуникационные системы и сети», «Поиск и обнаружение оптических сигналов», курсовом и дипломном проектировании, лабораторных работах и исследовательской работе студентов (имеются соответствующие документы).
Структура и основное содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и 2 приложений. Общий объем диссертации 178 страниц, включая 43 иллюстрации, 31 таблицу, список литературы из 115 наименований.