Исследование амплитудных методов селекции одноэлектронных импульсов в оптических информационных системах, работающих в режиме счета фотонов

Развитие телекоммуникационных систем нового поколения основано на использовании широкополосных и сверхширокополосных сигналов с большой информационной емкостью. В системах связи широкая полоса частот несущих сигналов позволяет как увеличить скорость передачи информации, так и повысить устойчивость работы систем при наличии возмущающих факторов [1].

Задача создания систем со скоростью передачи информации более 1 Гбит/с решается путем перехода в оптический диапазон волн. Помимо возможности существенного увеличения скорости передачи, оптическая связь позволяет повысить помехозащищенность передаваемых сообщений, снизить габариты приемопередающих устройств при сохранении больших коэффициентов усиления антенн и снизить чувствительность к влиянию ионизации атмосферы.

В оптических системах связи широкое распространение находят как открытые (атмосферные, космические), так и закрытые (световодные) каналы передачи информации.

С целью устранения ограничений на ширину полосы широкое применение для внутригородской и междугородней связи находят открытые наземные оптические линии связи (ОЛС). Примером этому служит функционирующая в Москве с шестидесятых годов оптическая связь между несколькими почтамтами. В ФРГ создана ОЛС между двумя заводами фирмы Siemens в Мюнхене. Усилиями специалистов фирмы NEG (Япония) разработана и установлена двусторонняя ОЛС между городами Иокогамой и Тамагавой. [3, 4]. Много внимания уделяется разработке ОЛС и другими фирмами России, Японии, Германии, США и т. д.

Анализ атмосферных систем ОЛС указывает на возможность их функционирования практически 99% времени в течение года с вероятностью появления ошибок не более 1(Г [2].

В последние десятилетия серьезно изучается вопрос об использовании лазерных систем глобальной связи, типа Земля — Луна, космический корабль — космический корабль, орбитальная станция — Луна, искусственный спутник земли (ИСЗ) — ИСЗ и т. п. [2−7] Подтверждением этому служит проведение двумя ведомствами США — HACA и ВВС — долгосрочных программ разработки двусторонней ОЛС «Космос-Земля», «Земля-Самолет», «Lasercom». Наибольшего продвижения добился консорциум из 23 Европейских фирм 10 стран, работающий над проектом SILEX. В проекте предусматривается создание ОЛС между геостационарными ИСЗ, а также между геостационарным и низкоорбитальным ИСЗ. Система функционирует совместно с радиоканалом ИСЗ — наземная станция [2, 3].

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 космических ОЛС связано с решением сложных проблем, среди которых выделяются задачи пространственного поиска, обнаружения и сопровождения корреспондента. Действительно, основное преимущество оптического диапазона — высокая направленность излучения — приводит к необходимости решения сложной задачи вхождения в связь, состоящей во взаимном нацеливании антенн приемно-передающих комплексов. Под поиском 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 [8].

Обычно к моменту начала вхождения в связь имеется информация о моменте появления сигнала и о предполагаемом начальном положении корреспондента, которая может быть получена бортовыми комплексами автономно или во взаимодействии с наземными центрами. Реальное направление на корреспондента отличается от расчетного из-за ошибок прогнозирования движения объектов, а также в результате действия частично или полностью не учитываемых при прогнозировании полета объекта источников различных возмущающих сил [9].

Вопросам тактики и стратегии пространственного поиска источников полезного оптического излучения уделено достаточно много внимания в литературе, в частности в [8−12]. Однако вопрос о степени влияния параметров узлов поисковой (приемной) аппаратуры на качество работы всей оптической информационной системы по-прежнему актуален.

Предельные параметры приемной аппаратуры удается получить при использовании одноэлектронных фотоприемников, работающих в режиме счета отдельных фотонов. Работа оптических систем связи в режиме счета фотонов позволяет не только обнаруживать и принимать сигналы при больших расстояниях между корреспондентами, но и значительно повысить их защищенность от несанкционированного доступа.

Актуальным является и вопрос использования оптических телекоммуникационных систем для коммерческих целей. Так, использование режима счета фотонов при работе системы связи на малых расстояниях позволяет значительно уменьшать мощность передатчика, что, в свою очередь, повышает скрытность передаваемых данных, т.к. для перехвата информации, в этом случае, требуется применять специальные фотоприемники [2].

Несомненными преимуществами перед атмосферными и космическими каналами оптической связи обладают системы связи на основе волоконных световодов. Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным телекоммуникационным системам, является обеспечение скрытности и конфиденциальности связи. Существует ряд работ, например [13, 14], в которых предложены методы защиты волоконно-оптических систем связи от несанкционированного доступа. Эти методы основаны на передаче по волоконным световодам отдельных фотонов. В частности, в работе английских ученых [14] для передачи информации используется лазер, генерирующий импульсы оптического излучения столь малой длительности, что в пределах каждого импульса содержится один фотон, находящийся в состоянии линейной или круговой поляризации. В этом случае длительность импульсов лазера составляет порядка единиц пикосекунд и меньше, что приводит к возможности создания информационных систем со скоростью передачи данных в тысячи гигабит в секунду.

Бурное развитие квантовых технологий и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) привело к появлению квантово-криптографических систем, являющихся предельным случаем защищенности ВОЛС [15]. В подобных системах используется новый алгоритм шифрования — генерация секретного ключа при помощи квантовой криптографии (ОКЛЭ-система). Передача как секретного ключа, так и самих данных осуществляется отдельными фотонами находящимися в состоянии прямолинейной или диагональной поляризации. Перехват подобного сообщения неизбежно ведет к внесению в него искажений согласно принципу неопределенности Гейзенберга, что может быть сразу обнаружено авторизованными пользователями.

Работы в области квантовой криптографии ведутся во многих странах мира. В России, например, этими вопросами активно занимаются в Государственном университете телекоммуникаций (г. Санкт-Петербург). Швейцарские инженеры компании GAP-Optique из Женевского университета представили весной 2002 г. на выставке СеВ1Т'2002 первую (^КИ-систему, позволяющую осуществлять передачу криптографического ключа в виде единичных фотонов по оптоволоконному кабелю на расстояние 67 км и готовую к внедрению в массовое производство и построению защищенных от перехвата оптоволоконных каналов передачи сообщений [16]. Осенью 2002 года британским физикам из коммерческого подразделения С^тейС) Британской оборонной исследовательской лаборатории и немецким физикам из Мюнхенского университета Людвига-Максимиллиана впервые удалось передать криптографический ключ в виде единичных фотонов на расстояние 23,4 км непосредственно через воздушное пространство [17].

Одним из важнейших элементов оптической информационной системы, определяющей ее чувствительность и энергетический потенциал, является приемная аппаратура [8, 18].

В большинстве приемников оптического излучения сигнал на выходе появляется лишь при регистрации группы фотонов, что ограничивает их чувствительность и приводит к утрате информации о статистической структуре света. Для регистрации слабых световых потоков (10″ 19.10″ 12 Вт) наиболее чувствительными и точными являются одноэлектронные регистраторы (фотоэлектронные счетчики), работающие в режиме счета отдельных фотонов [8, 19, 20].

Первые счетчики фотонов на гейгеровских трубках созданы в 30-х годах С. Ф. Родионовым и Б. Раевским. Применение метода счета фотонов, фотоэлектронов (ФЭ) или одноэлектронных импульсов (ОИ) эквивалентно, так называемому, энергетическому приему, который основан на измерении и фиксации элементарных порций энергии, заключенных в сигнале [20]. Действительно, каждый единичный ФЭ генерирует в одноэлектронном фотоприемнике заряд Ge0, который на аноде с распределенной емкостью С генерирует импульс напряжения e0G/C. Здесь е0=1,6−10″ 19 Кл — заряд электрона, G — средний коэффициент умножения вторично-электронного умножителя (ВЭУ). Для типовых значений С=15 пФ и G=106 напряжение составляет 10 мВ, что вполне достаточно для запуска быстродействующего дискриминатора, формирующего TTJl-нормированный импульс для счетчика или цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Если емкость успевает разрядиться через нагрузку до следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся ОИ, реализуя счетный режим работы аппаратуры.

По сравнению с аналоговым методом измерения анодного тока счетный метод имеет следующие преимущества [19, 20]: флуктуации коэффициента умножения, которые определяют шум в аналоговом методе, не важны здесь, так как каждый ФЭ преобразуется амплитудным дискриминатором (АД) в нормированный импульс с длительностью, которая зависит от времени превышения анодным импульсом порога дискриминациитемновой ток, определяемый тепловыми электронами с различных динодов, может быть ослаблен выбором порога дискриминации. Такой отсев практически приемлем в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) с высоким коэффициентом вторичной эмиссии первого динодатоки утечки между проводниками в ФЭУ способствуют шуму при аналоговом методе, но не чувствительны амплитудным дискриминаторомимпульсная форма сигнала предпочтительнее для последующей обработки. Импульсы АД могут быть поданы непосредственно в счетчик, который анализирует информациюсчет фотонов может производиться в течение длительного времени.

Немаловажным достоинством счетного метода является то, что информация об интенсивности светового потока выражается в числе зарегистрированных импульсов. Методы преобразования информации, представляемой в виде последовательности счетных импульсов, отличаются большим разнообразием и высокой точностью, стабильностью и большой емкостью памяти.

Патентные исследования [21], посвященные регистраторам слабых световых сигналов и проведенные с участием автора диссертации, дают ретроспективность изобретений за 1968;2002 гг. В ходе патентного поиска выявлено, описано и проанализировано свыше 50 авторских свидетельств, заявок и патентов. Динамика патентования за период времени с 1968 по 2002 гг. (см. приложения) по проблеме регистрации слабых световых сигналов и ее применении в различных сферах науки и техники, говорит об устойчивом интересе ученых и научных центров России и разных стран мира к данной тематике [21].

Анализ показывает, что регистрация световых потоков на уровне счета отдельных фотонов непрерывно развивается, главным образом, в двух направлениях: расширяется область применения метода и повышается эффективность регистрации в результате разработки новых одноэлектронных фотодетекторов и использования способов увеличивающих чувствительность фотодетекторов и расширяющих динамический диапазон регистрируемых световых сигналов.

Решению задач одноэлектронной регистрации оптического излучения посвятили многие свои работы такие видные отечественные ученые, как Ветохин С. С., Михалков К В., Шубников E.H., Шереметьев А. Г., Оганесян A.B., Бычков С. И., Казарян С. А., Щелкунов К. Н., Гулаков Н. Р., Перцев А. Н. и многие другие. В ТРТУ проблемам одноэлектронной регистрации оптического излучения посвящены многие работы профессора Румянцева К. Е. [2, 8, 22−27].

В существующих оптических информационных системах для передачи данных преимущественно используется ближний ИК диапазон волн (0,8 — 3,3 мкм) [28−30]. Это связано с тем, что именно в этом диапазоне волн находятся «окна прозрачности» атмосферы и кварцевых оптических световодов, наиболее распространенных в настоящее время. В этом случае в качестве фотоприемной аппаратуры используются фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды (ФД) и лавинные фотодиоды (ЛФД). Однако, эти фотоприемники обладают рядом недостатков по сравнению с вакуумными фотоприемниками типа ФЭУ, диссекторы и фотоэмиссионные приборы (ФЭП) с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС), чувствительность которых на несколько порядков выше [19, 30]. Применение же вакуумных фотоприемников для детектирования излучений ИК диапазона невозможно вследствие того, что их максимальная спектральная чувствительность находится в видимом диапазоне волн (порядка 0,3—0,7 мкм) [18]. Таким образом, компромиссными решениями этого противоречия могут быть следующие варианты: использование оптических световодов с «окнами прозрачности» в видимом диапазоне волн. В последнее время появились экспериментальные образцы оптических волокон с «окнами прозрачности» в видимом диапазоне волн [31−35]. В частности, в работе английских ученых [31] предложен метод изготовления нового оптического волновода: оптического кристаллического волокна, способного поддерживать устойчивый режим распространения оптического излучения при низких потерях в очень широком спектральном диапазоне (458— 1550 нм). В [32] предложен метод изготовления оптических волноводов из пористого кремния, что позволяет изготавливать оптические волноводы, работающие между видимым (633 нм) и ИК диапазоном (1,3 мкм). повышение частоты излучения в стандартных световодах с помощью четырех-волнового смешения [36−39] и за счет генерации гармоник в световодах [40, 41]. Новым способом повышения частоты излучения распространяющегося в световоде является использование эффекта четырех-волнового смешения. В частности, в работе [36] предложен способ и устройство генерирования, путем четырех-волнового смешения, холостой частоты, чей спектр является передаваемой версией сигнала. Предложенное устройство может быть использовано для уменьшения длины волны сигнала, передаваемого по оптическому волокну. повышение частоты излучения на выходе волоконно-оптического тракта [42−47]. В частности, в работе немецких ученых [42] предложено устройство для преобразования частоты оптического излучения на выходе оптического волокна. Передача излучения видимого диапазона по волоконно-оптическому тракту связана с рядом затруднений, например, большим уровнем потерь в тракте. В следствие этого предлагается передавать по оптическому волокну излучения с длиной волны, лежащей в пределах ближайшей части ИК-диапазона с преобразованием частоты на выходе тракта, причем результатом этого преобразования является получение излучения с длиной волны либо видимого диапазона, либо ближнего ультрафиолетового (УФ) диапазона.

Таким образом, актуальным является вопрос исследования возможностей применения метода счета фотонов в телекоммуникационных системах нового поколения [48]. Метод счета фотонов наиболее применим для сигналов видимого диапазона волн. Использование именно этого диапазона позволяет как дополнительно увеличить широкополосность (по сравнению с ИК излучением), так и применять в качестве фотоприемной аппаратуры вакуумные одноэлектронные ФЭП, типа ФЭУ, диссекторы, ФЭП с МЭУС, являющиеся на данный момент самыми чувствительными и малошумящими устройствами для соответствующего применения [19, 20]. Также применение метода счета фотонов позволяет значительно повысить защищенность передаваемой информации по оптическим каналам связи.

1. Актуальность исследований.

Для реализации предельных характеристик работы оптических телекоммуникационных систем и для обеспечения высокой точности регистрации оптического излучения в системах лазерной связи (а так же в системах вхождения в связь) фотоприемный канал должен работать в одноэлектронном режиме, раздельно регистрируя каждый акт преобразования фотонов в фотоэлектрон. Последнее предполагает применение в качестве фотоприемной аппаратуры высокочувствительных фотоэлектронных счетчиков [8, 19, 20].

Следует учитывать, что основной областью применения фотоэлектронных счетчиков до последнего времени являлась сцинтилляционная техника, ядерная физика, биофизика, астрофизика и т. п. Здесь требовалось зарегистрировать среднюю интенсивность весьма слабых световых потоков, что позволяло производить длительное временное измерение. В связи с этим основные исследования были направлены на изучение временной стабильности одноэлектронных параметров фотоприемников и точности измерения средней интенсивности излучения [22].

Другая особенность этих счетчиков состояла в возможности, в силу измерения потоков ФЭ слабой интенсивности, применять инерционные одноэлектронные фотоприемники, справедливо полагая, что вероятность наложения ОИ весьма мала.

В случае применения фотоэлектронных счетчиков при регистрации импульсного излучения в системах лазерной связи приходится учитывать, что здесь скорость поступления «сигнальных» и фоновых ФЭ значительно превосходит скорость поступления ОИ темнового тока (в десять и более раз). Здесь за время в десятки и менее наносекунд необходимо зарегистрировать, в среднем, 3.6 ФЭ. Действительно, счетчики фотонов, применяемые ранее, способны регистрировать.

— у световые сигналы с интенсивностью потока ФЭ до 3−10 импульсов/с. Следовательно, подобные регистраторы (фотоэлектронные счетчики) могут быть успешно использованы лишь в том случае, если за длительность измерения (длительность импульса лазера), например 10 не, будет приниматься в среднем 0,3 ФЭ. При этом увеличение скорости поступления фотонов будет сопровождаться падением точности регистрации и, как следствие, резким ухудшением характеристик приемной аппаратуры [49−52].

В поисковой аппаратуре систем вхождения в связь время наблюдения пространственного элемента разложения ограничено, а среднее число регистрируемых за длительность светового импульса ФЭ велико [8]. Следовательно, существующие в литературе рекомендации по уменьшению погрешности измерения средней интенсивности потока здесь также не приемлемы [23−25]. Это приводит к некоторым особенностям обработки информации, отличающимся от известных.

Сравнительно низкий предел максимального числа регистрируемых фотонов в системах оптической связи вызван как недостаточно высокими частотными и временными параметрами одноэлектронных фотоприемников, так и несовершенностью обработки сигнала в фотоэлектронных счетчиках. Авторами ряда работ (Румянцев К.Е., Холондырев C.B., Ветохин С. С. и др.) установлено, что существующие отечественные сканирующие фотоприемники не обладают достаточной широкополосностью для обеспечения должного временного разрешения одноэлектронных импульсов при использовании в одноэлектронной регистрирующей аппаратуре [23−25, 53−55].

В практике инженерного проектирования и применения приемных устройств оптических систем связи всегда интересует их результирующая эффективность. Важнейшей и наиболее широко распространенной мерой оценки эффективности работы приемных устройств является вероятность ошибочного приема двоичного символа за длительность импульса излучения. В системах же вхождения в связь наибольший интерес представляют рабочие характеристики приемной аппаратуры, позволяющие оценивать вероятности ложного обнаружения и пропуска источников полезного излучения [8].

Существует большое количество работ, посвященных оценке эффективности оптических телекоммуникационных систем и нахождению рабочих характеристик оптимальных приемников систем вхождения в связь, работающих в условиях действия возмущающих факторов в открытых (атмосферных, космических) оптических каналах [8, 10]. Однако реальные параметры фотоэлектронных счетчиков существенно сказываются на эффективности оптических информационных систем.

В системах вхождения в связь задачей приемного устройства является обнаружение источника полезного импульсного сигнала и установление с ним прямого энергетического контакта. Оптимальный приемник оптического излучения представляет устройство, подсчитывающее число ФЭ за время наблюдения пространственного элемента разложения Т и сравнивающее его с пороговым значением (также представляющим некоторую дискретную величину) ппор, зависящим как от выбранного критерия обнаружения (в этом случае наиболее удобным для практического использования является критерий Неймана-Пирсона, т.к. в поисковой аппаратуре ОЛС, например с летательными аппаратами, из-за отсутствия полной априорной информации не всегда удается реализовать байессовы алгоритмы решений в их точной форме, что связано с неизбежным отличием фактических значений параметров наблюдений от расчетных [8]), так и от средних интенсивностей «сигнальных» и фоновых ФЭ. Принятие решения об обнаружении источника полезного излучения осуществляется если подсчитанное количество ФЭ окажется больше этого порога [8, 53−56]. Однако на практике, для достижения приемлемого значения вероятности ложной тревоги, приходится выставлять этот порог на уровне порядка ппор=5. .20 ФЭ за длительность Т=10 не.

Наибольшее распространение, по сравнению с аналоговыми методами модуляции, получили цифровые оптические системы связи (в частности метод активной и пассивной паузы), которые позволяют значительно уменьшить вредное влияние атмосферы. Задачей приемного устройства, в этом случае, является не столько восстановление действительной формы переданного сигнала, сколько простое обнаружение или декодирование символа (т.е. различение и идентификация символов). В этом случае оптимальный приемник представляет устройство, подсчитывающее число ФЭ за длительность информационного символа Т и сравнивающее его с пороговым значением ппор, зависящим как от выбранного критерия оценки эффективности, так и от средних интенсивностей сигнальных и фоновых ФЭ. Принятие решения о наличии сигнала (об идентификации двоичного символа «1» в системе с активной и пассивной паузой) осуществляется если подсчитанное количество ФЭ окажется больше этого порога [8, 56—59]. На практике для достижения приемлемого значения полной вероятности ошибки приходится выставлять этот порог на уровне порядка ппор=5.20 ФЭ за длительность Т=10 не. А как показано выше, большинство известных регистраторов оптического излучения (фотоэлектронных счетчиков) имеют сравнительно низкий предел максимального числа регистрируемых ФЭ (порядка 0,3 ФЭ за длительность 10 не).

В оптических системах связи, для оценки их эффективности, наибольшее распространение получили критерии Неймана-Пирсона и идеального наблюдателя (Зигерта-Котельникова). Причем первый из них наиболее удобен в открытых (атмосферных, космических) системах связи большой дальности, когда неизвестны априорные вероятности посылки сигналов и неизвестны цены ошибок при приеме. А второй может быть использован как в открытых, так и в закрытых (световодных) ОЛС, когда известны априорные вероятности посылки символов.

Существует большое количество работ, посвященных оценке эффективности приемников, работающих по правилам Неймана-Пирсона и Зигерта-Котельникова, для цифровых оптических систем связи (и систем вхождения в связь) в условиях действия пуассоновских и тепловых шумов (например, [8, 10, 56−59]). Однако в них не дается оценка влияние узлов фотоприемной аппаратуры на величину ошибки, возникающую при передаче данных, и предполагается использование идеальных фотоэлектронных счетчиков, способных зарегистрировать все сгенерированные ФЭ (под генерированием понимается акт высвобождения ФЭ с поверхности фото катода ФЭП в результате внешнего фотоэффекта).

Если учесть, что вся информация о количестве сгенерированных ФЭ заложена в количестве ОИ на выходе ФЭП, то для уменьшения ошибок, возникающих при приеме информации в оптических телекоммуникационных системах, работающих в режиме счета фотонов, необходимо обеспечение точного подсчета количества ОИ за определенный интервал измерения (за время наблюдения пространственного элемента разложения, за длительность информационного символа).

В связи с этим актуальной и закономерной является задача количественной оценки эффективности оптических информационных систем при передаче данных отдельными фотонами и разработка оптических регистраторов (фотоэлектронных счетчиков), позволяющих значительно расширить динамический диапазон в сторону приема более интенсивных излучений без заметных ухудшений характеристик всей приемной аппаратуры оптических телекоммуникационных систем.

Все вышеизложенное определяет актуальность исследований диссертационной работы, которые направлены на: анализ особенностей функционирования оптических телекоммуникационных систем при передаче данных отдельными фотонамиобоснование математического аппарата, позволяющего оценивать качество работы фотоэлектронных счетчиков и, как следствие, качество приемной аппаратуры оптических информационных системоценку влияния параметров узлов фотоэлектронных счетчиков, а именно частотных свойств ФЭП, случайного характера умножения заряда в ВЭУ, уровней амплитудной дискриминации и их количества, быстродействия АД и счетчика импульсов на эффективность оптических телекоммуникационных системвыработку рекомендаций по выбору оптимальных порогов амплитудной дискриминации как с точки зрения максимизации вероятности правильной регистрации ФЭ, так и с точки зрения минимизации требований к стабильности порогов амплитудной дискриминацииразработку и обоснование модели фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ и разработку алгоритмов и программных средств, как элементов обработки потока ОИ с выхода фотодетектора, позволяющих оценивать эффективность работы оптических информационных систем при передаче данных единичными фотонамисовершенствование технической базы приемных комплексов оптических информационных систем и разработку фотоэлектронных счетчиков, позволяющих значительно расширить динамический диапазон в сторону приема более интенсивных излучений как за счет оптимального различения наложившихся ОИ, так и за счет селекции ОИ темнового тока при их наложении на ОИ оптического излученияразработку методики оценки характеристик оптических информационных систем при передаче данных отдельными фотонами в условиях действия внешних и внутренних шумов различного происхождения.

2. Предмет, цель и рамки исследований. Формулировка научной задачи.

Целью работы является развитие теории приема световых сигналов в оптических информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ и совершенствование технической базы приемных комплексов оптических телекоммуникационных систем.

В соответствии с данной целью были поставлены и решались следующие задачи: систематизация и сравнительный анализ методов селекции ОИ, включая оценку патентно-лицензионной ситуации и технического уровня, прогноз тенденций развития аппаратурыобоснование математического аппарата, основанного на трапецеидальной аппроксимации формы ОИ, позволяющего оценивать качество работы фотоэлектронных счетчикованализ особенностей функционирования оптических информационных систем на основе фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудной селекцией ОИ и выработка рекомендаций по выбору оптимальных порогов амплитудной дискриминации как с точки зрения максимизации вероятности правильной регистрации ФЭ, так и с точки зрения минимизации требований к стабильности порогов АДразработка и обоснование статистической модели процесса регистрации оптического излучения фотоэлектронными счетчиками с амплитудными методами селекции ОИ и разработка алгоритмов и программных средств, как элементов обработки потока ОИ с выхода фотодетектора, позволяющих оценивать эффективность работы оптических информационных систем при передаче данных единичными фотонамисовершенствование технической базы приемных комплексов оптических телекоммуникационных систем и разработка фотоэлектронных счетчиков, позволяющих значительно расширить динамический диапазон в сторону приема более интенсивных излучений как за счет оптимального различения наложившихся ОИ, так и за счет селекции ОИ темнового тока при их наложении на ОИ оптического излученияколичественная оценка эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, с учетом параметров узлов фотоэлектронных счетчиков и разработка методики расчета их характеристик.

Научная задача исследования. Развитие теории приема световых сигналов в оптических информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ, разработка и научное обоснование модели многопорогового фотоэлектронного счетчика, разработка алгоритмов и программных средств как элементов обработки потока ОИ, совершенствование технической базы приемных комплексов телекоммуникационных систем за счет разработки фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ и методик расчета их характеристик.

Предметами исследования являются, оптические телекоммуникационные системы, работающие в режиме счета фотоновалгоритмы и программные средства как элементы обработки потока ОИ с выхода фотодетектора, позволяющие оценивать их эффективностьтехнические решения и статистические модели фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИусловные вероятности регистрации оптических сигналов.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов математической статистики, теории вероятностей, теории оптимального обнаружения и приема оптических сигналов.

Экспериментальная часть работы основана на численных методах машинного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием языка высокого уровня программирования. При моделировании флуктуаций амплитуд ОИ применялся метод генерации случайных чисел, распределенных по закону Пуассона, предложенный Каном [60].

Рамки исследования работы включают теорию анализа и алгоритмы функционирования оптических телекоммуникационных систем при передаче данных отдельными фотонамимодели фотоэлектронных счетчиков (регистраторов световых сигналов) с амплитудными методами селекции ОИалгоритмы и программы для ЭВМ, позволяющие оценивать эффективность оптических информационных систем в условиях действия возмущающих факторов при использовании серийно выпускаемой промышленностью фотоприемной аппаратуры.

3. Научная новизна, практическая значимость, достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций и основные положения, выносимые на защиту.

В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в развитии теории приема световых сигналов в оптических (атмосферных, космических и световодных) информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ.

Научную новизну работы составляют: развит математический аппарат, основанный на использовании трапецеидальной аппроксимации формы ОИ, и получены оценочные аналитические выражения для расчета условных вероятностей Р{]|п} регистрации j ОИ при генерации п ФЭ фотоэлектронными счетчиками, построенными на основе серийно выпускаемых промышленностью ФЭПнаучно обоснована модель фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ и разработаны программные средства, позволяющие оценивать эффективность оптических информационных систем при передаче данных фотонамивыработаны рекомендации по выбору оптимальных уровней АД фотоэлектронных счетчиков с многопороговой селекцией ОИ как с точки зрения максимизации вероятности правильной регистрации ФЭ, так и с точки зрения минимизации требований к стабильности уровней АД, с учетом случайного характера умножения заряда в ФЭПприменение многопороговой амплитудно-временной селекции ОИ позволило усовершенствовать техническую базу приемных комплексов оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, а именно расширить динамический диапазон (в ряде случаев в три и более раз) в сторону приема более интенсивных излученийдана количественная оценка эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, с учетом параметров узлов фотоэлектронных счетчиков.

Практическая значимость.

Диссертационные исследования являются частью плановых научно-исследовательских работ, выполняемых кафедрой радиоэлектронных средств защиты и сервиса (РЭС ЗиС), по темам: «Разработка радиотехнических процессоров на акустооптических, волоконно-оптических и оптоэлектронных структурах» [21] в 1999 — 2000 гг., «Исследование методов и средств комплексной безопасности организаций и личности в информационной, технической, правовой и социально-психологической сферах» [61] в 2001 г., «Радиоэлектронные технологии информационной безопасности телекоммуникационных систем в образовательном процессе и научных исследованиях» [62] в 2002 г.

Предложен и защищен патентом 2 190 196 РФ научно обоснованный способ регистрации слабых световых сигналов, позволяющий подавлять дополнительно более 20% ОИ темнового тока, что значительно снижает вероятность ошибки при идентификации двоичных символов в приемной аппаратуре цифровых оптических систем связи при передаче данных отдельными фотонами. В данном патенте РФ предложены технические решения, позволяющие реализовать этот способ.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем: разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, позволяющие получать численные значения условных вероятностей регистрации оптического излучения фотоэлектронными счетчиками с амплитудными методами селекции ОИ при случайном характере вторичной электронной эмиссии динодной системы ФЭП и оценивать эффективность работы оптических телекоммуникационных систем при передаче данных отдельными фотонамипредложены варианты технических решений фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудно-временной селекцией ОИ, позволяющие усовершенствовать техническую базу приемных комплексов оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов. Так, введение в фотоэлектронный счетчик дополнительно второго АД позволило снизить ошибку регистрации при приеме трех ФЭ более чем в 12 раз.

Введение

дополнительно многопороговой временной селекции по уровням 0,7 от средней длительности ОИ гарантирует полную селекцию ОИ темнового тока, наложившегося на ОИ оптического изучения, что полностью устраняет ошибку регистрации, при условии постоянства амплитуд ОИ. При этом потери полезного сигнала отсутствуютсформулированы требования к выбору порогов АД фотоэлектронных счетчиков с амплитудной селекцией ОИ. Установлено, что выбор нормированных порогов АД фотоэлектронных счетчиков, при случайном характере вторичной электронной эмиссии динодной системы ФЭП, на уровне UH. nopl=0,5, UH. nop2=l, 5 и ин. порЗ=2,5 гарантирует максимизацию вероятности правильной регистрации ФЭустановлено, что введение второго АД в схему фотоэлектронного счетчика позволяет увеличить вероятность правильной регистрации четырех ФЭ более чем в 4 раза при случайном характере вторичной электронной эмиссии ФЭП, по сравнению с однопороговым фотоэлектронным счетчиком. Также, введение второго АД позволяет снизить требования к полосе пропускания ФЭП более чем в 4 раза при неизменном значении вероятности правильной регистрации ФЭ по сравнению с однопороговым фотоэлектронным счетчикомпри анализе работы цифровых оптических систем связи с активной и пассивной паузами установлено, что при фиксированной полосе пропускания ФЭП увеличение количества порогов АД с одного до двух приведет к уменьшению полной вероятности ошибки в системе связи более чем в 60 раз и расширению динамического диапазона регистрируемых сигналов более чем в 3 разаразработаны программы для ЭВМ, позволяющие дать количественную оценку влияния параметров узлов фотоэлектронных счетчиков на эффективность оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, в условиях действия внешних и внутренних шумов различного происхождения. Установлено, что при действии в канале пуассоновской помехи добавление только второго АД позволяет уменьшить вероятность ошибочной идентификации символа «О» более чем в 13 раз, а третьего АД — почти в 40 разразработана методика расчета характеристик приемной аппаратуры оптических информационных систем при передаче данных отдельными фотонами на основе фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, основанным на использовании строгого математического аппарата, применением многократно проверенных математических моделей системы, практически полным совпадением теоретических результатов с результатами статистического моделирования и экспертизами, проведенными при получении патента Российской Федерации и свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и широким обсуждением результатов на НТК.

Личный вклад. Все основные научные результаты, результаты патентных исследований уровня техники по теме диссертации, аналитические выражения для расчета условных вероятностей регистрации ФЭ, результаты моделирования работы фотоэлектронных счетчиков, разработка программных средств как элементов обработки потока ОИ с выхода фотоприемника, оценка эффективности оптических информационных систем в режиме счета фотонов и разработанные рекомендации по построению фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Основные положения и результаты выносимые на защиту: математический аппарат для оценки точности регистрации оптического излучения инерционными фотоэлектронными счетчиками с одним порогом амплитудной дискриминации, основанный на трапецеидальной аппроксимации формы ОИрезультаты статистического моделирования работы фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ с учетом и без учета флуктуаций амплитуд ОИсравнительный анализ полученных теоретических результатов с результатами моделирования работы фотоэлектронных счетчиков, как подтверждение достоверности разработанных моделей и программ для ЭВМметодика выбора оптимальных пороговых уровней АД фотоэлектронных счетчиковтехнические решения фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудно-временной селекцией ОИ и обоснование их эффективностирезультаты количественной оценки эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, с амплитудными методами селекции ОИ.

4. Апробация, публикации результатов работы и их реализация.

По результатам диссертационных исследований опубликовано 30 печатных работ [63−92]. Среди них патент РФ №>2 190 196 [63], свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 003 610 249 [64], 4 статьи [65−68], 10 трудов в материалах Всероссийских и Международных конференций [69−78], 14 тезисов докладов в материалах научно-технических конференций [79−92] (в том числе 4 конференций с международным участием). Материалы исследований также нашли отражение в 3 отчетах о научно-исследовательских работах [21, 61, 62].

Научные результаты работы реализованы в разработках научно-конструкторского бюро «Миус» (г. Таганрог) — в учебном процессе кафедры РЭС ЗиС ТРТУ (г. Таганрог) и кафедры радиоэлектронных систем Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты) в лекционном материале, курсовом и дипломном проектировании, лабораторных работах и исследовательской работе студентов (имеются соответствующие акты о внедрении и справки об использовании).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. IV, V, VI Всероссийских НТК «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог, 15−17 ноября 1998, 2000, 2002 гг.

2. Всероссийской НТК с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности», г. Таганрог, 1−5 октября 1999 г.

3. II и V Всероссийских НТК молодых ученых и аспирантов, «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения», г. Таганрог, 28−29 ноября 1999 и 2002 г.

4. Всероссийских НТК с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» («Датчик»), г. Гурзуф, 2000, 2001 и 2002 гг.

5. Региональном научно-практическом семинаре «Информационная безопасность — Юг России», г. Таганрог, 28−30 июня 2000 г.

6. Ежегодных научно-методических конференциях ТРТУ 1998 — 2002 гг.

7. IV, V, VI, VII Всероссийских НТК «Методы и средства измерений физических величин», г. Нижний Новгород, 1999 — 2003 г.

8. I и VIII Всероссийских НТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, 2000 и 2003 г.

5. Структура и основное содержание работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем диссертации 180 страниц, включая 61 иллюстрацию, 8 таблиц, список литературы из 151 наименования.

Выводы.

Разработанные статистические модели фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ и разработанные программные средства для проведения вычислительного эксперимента на ЭВМ позволили оценить эффективность оптических информационных систем в условиях действия внешних и внутренних шумов при использовании инерционных ФЭП.

Установлено, что при обнаружении источников полезного излучения в тепловых шумах в оптических системах вхождения в связь увеличение количества АД фотоэлектронного счетчика, при фиксированной широкополосности ФЭП, позволяет значительно снизить вероятность пропуска этих источников и расширить динамического диапазона регистрируемых сигналов, в пределах которого вероятность правильного обнаружения не меньше заданной. Так, если за время ф наблюдения пространственного элемента разложения Т=10 не поступает в среднем 5с=20 сигнальных и 8Ш=1 шумовой ФЭ, то при а=0,05 увеличение количества порогов АД с одного до двух приведет к росту вероятности обнаружения с Робн=0,62 До РОбн=0,97, а с одного до трех — с Робн=0,62 до Робн=0,99. Т. е., вероятность пропуска Рпр снижается в 12,7 и 40 раз соответственно. При этом также происходит расширение динамического диапазона регистрируемых сигналов. Так, для обеспечения Роб&bdquo->0,95 динамический диапазон сигнала для двухпороговой АД составляет от 17 до 30 ФЭ, а для трехпороговой АД с 15 до 50 ФЭ (увеличивается более чем в 2,5 раза).

Показано, что при фиксированных значениях ппор и, а при увеличении количества порогов АД вероятность ложной тревоги Рлт также увеличивается. А.

Анализ работы цифровых оптических систем связи с активной и пассивной паузами позволил установить, что при фиксированной полосе пропускания ФЭП увеличение количества порогов АД фотоэлектронного счетчика приводит к уменьшению полной вероятности ошибки в системе связи и расширению динамического диапазона регистрируемых сигналов, при котором вероятность ошибки остается не больше заданной. Так, если за длительность передаваемого символа Г=10 не поступает в среднем 8С=20 сигнальных и = 1 шумовой ФЭ, то при а=0,05 увеличение количества порогов АД с одного до двух приведет к уменьшению полной вероятности ошибки в системе связи более чем в 65 раз (с Рош=0,2 до Рош=3−10″ 3), а с одного АД до трех АД — более чем в 650 раз (с Рош=0,2 до РОШ=3−10″ 4). В то же время для обеспечения полной вероятности ошибки не хуже РОШ=3−10″ 3 в случае а=0,05 динамический диапазон регистрируемого сигнала для двухпороговой АД составляет с 13 до 20 ФЭ, а для трехпороговой АД с 12 до 35 ФЭ. Таким образом, динамический диапазон расширился более чем в 3 раза.

Установлено, что при отсутствии аддитивного шума вероятность ошибки в цифровой оптической системе связи не зависит от параметров фотоэлектронного счетчика, а определяется только квантовыми эффектами. Действительно, при отсутствии аддитивного шума регистрация фотоэлектронным счетчиком хотя бы одного ФЭ говорит о приеме символа «1» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена существенная научно-техническая задача, заключающаяся в развитии теории приема световых сигналов в оптических (атмосферных, космических, световодных) информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ, разработаны алгоритмы и программные средства как элементы обработки потока ОИ с выхода фотоприемника, позволяющие оценивать эффективность их работы в условиях действия возмущающих факторов, усовершенствована техническая база приемных комплексов оптических телекоммуникационных систем за счет применения в них предложенных фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудно-временной селекцией ОИ и разработаны методики оценки их характеристик.

При этом полученные результаты позволили с единых позиций подойти к оценке эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, в приемной аппаратуре которых применяются многопороговые фотоэлектронные счетчики с серийно выпускаемыми промышленностью ФЭП.

При решении поставленных задач выполнено следующее: развит математический аппарат, основанный на использовании трапецеидальной аппроксимации формы ОИ и получены оценочные аналитические выражения для расчета условных вероятностей Р{Лп} регистрации ] ОИ при генерации п ФЭ фотоэлектронными счетчиками, построенными на основе серийно выпускаемых промышленностью ФЭПнаучно обоснована модель фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ и разработаны алгоритмы и программные средства, как элементы обработки потока ОИ с выхода фотодетектора, позволяющие оценивать эффективность оптических информационных систем при передаче данных отдельными фотонами в условиях действия внешних и внутренних шумов различного происхождениясформулированы требования к выбору оптимальных пороговых уровней амплитудной дискриминации с точки зрения максимизации вероятности правильной регистрации всех п ФЭ с учетом случайного характера процесса вторичной электронной эмиссии динодной системы ФЭП. Установлено, что в этом случае при выборе нормированных порогов амплитудной дискриминации фотоэлектронных счетчиков на уровне инпор1=0,5, и11Иор2=1,5 и ин. порз=2,5 гарантируется максимальное значение вероятности правильной регистрации всех п ФЭразработаны программы для ЭВМ (свидетельство № 2 003 610 249), позволяющие дать количественную оценку влияния параметров узлов фотоэлектронных счетчиков на эффективность работы оптических телекоммуникационных систем, работающих в режиме счета фотонов, в условиях действия возмущающих факторов. Установлено, что добавление второго АД в схему фотоэлектронного счетчика позволяет уменьшить вероятность ошибочной идентификации символа «О» в оптических системах связи более чем в 13 раз, а третьего АД — почти в 40 раз. Также установлено, что для обеспечения Робн>0,95 динамический диапазон сигнала для трехпорогового фотоэлектронного счетчика будет в 3,5 раза шире чем для двухпороговогопредложены варианты технических решений, описаны алгоритмы функционирования и доказана эффективность фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудно-временной селекцией ОИ. Применение предложенных технических решений в приемной аппаратуре оптических телекоммуникационных систем позволяет повысить их эффективность за счет селекции ОИ темнового тока при их наложении на ОИ оптического излучения. Доказано, что выбор временной селекции второго и третьего селекторов по уровню 0,7 от средней ожидаемой длительности ОИ гарантирует полную селекцию ОИ темнового тока, наложившегося.

0 на ОИ оптического изучения, что полностью устраняет ошибку регистрации, при условии постоянства амплитуд ОИ. При этом потери полезного сигнала отсутствуютустановлено, что введение многопороговой амплитудной селекции ОИ позволяет значительно снизить требования к широкополосности фотоприемного тракта при постоянстве вероятности правильной регистрации всех п ФЭ. В частности установлено, что для достижения вероятности правильного счета Р{4|4}=0,9 потребуется ФЭП с Пфэп=3,2 ГГц в случае однопороговой АД, Пф. эп=320 МГц в случае двухпороговой АД и Пф311=260 МГц в случае трехпороговой АД. Таким образом, в первом случае требования к широкополосности ФЭП снижаются в десять раз, а во втором — более чем в 12 раз. Соответственно, введение многопороговой.

Ф амплитудной дискриминации ОИ позволяет снизить стоимость всей приемной аппаратуры оптической информационной системы практически на порядокразработана методика оценки характеристик оптических информационных систем при передаче данных отдельными фотонами на основе фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ в условиях действия внешних и внутренних шумов различного происхождения.

Рекомендации по использованию результатов диссертационного исследования: разработанные модели, алгоритмы и программные средства — для оценки качественных характеристик систем в таких областях науки и техники как биология, химия, медицина, исследования ядерно-физических процессов, сцинтилляционная техника, системы экологического мониторинга (выявление и первичная идентификация болезнетворных микробов), люминесцентный анализ, метеорология, метрология, навигация, локация, научный эксперимент, спектроскопия и т. п.- технические решения фотоэлектронных счетчиков — для усовершенствования существующих и разработки новых оптических информационных систем, работающих в режиме счета отдельных фотонов.