Вероятностная структура сигналов и помех в лазерных системах передачи и обработки информации

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:

1. Анализ типовых структурных схем и особенностей построения лазерных информационных систем, выделение основных преобразований и статистических явлений, характерных для радиооптической обработки информации.

2. Исследования обобщенных моделей обработки информационных сигналов, классификация и описание случайных функций, наиболее распространенных в задачах системного анализа и обработки информации.

3. Исследование флюктуационных эффектов в типовых автоколебательных системах, анализ вероятностных моделей лазерных и тепловых излучений, исследование характеристик когерентности и детальный вероятностный анализ интенсивности оптического излучения.

4. Исследование наиболее важных (с точки зрения передачи, приема и обработки информации) статистических характеристик оптического излучения в условиях работы лазерных систем с открытыми атмосферными каналами.

5. Исследование вероятностной структуры эффектов замираний интенсивности оптического излучения в открытых атмосферных каналах, вероятностный анализ оптической прозрачности атмосферы для лазерных систем передачи информации.

6. 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:

1. Реализован системный подход к исследованию достаточно широкого класса лазерных систем передачи, приема и обработки информации.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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:

1. Обобщенная модель лазерной информационной системы и результаты вероятностного анализа отдельных типовых узлов такой модели.

2. Результаты вероятностного анализа наиболее распространенных для радиооптических систем моделей лазерного излучения и теплового оптического излучения.

3. Результаты исследований детальной вероятностной структуры интенсивности оптического излучения на основе анализа характеристик выбросов и представлений информационных процессов в виде фазовых траекторий на фазовой плоскости.

4. Результаты исследований вероятностной структуры эффектов замирания информационных сигналов в открытых атмосферных каналах и результаты вероятностного анализа изменений оптической прозрачности атмосферы для лазерного излучения.

5. 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"№- 06−08−260-А. 9.

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 XTV 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.

Основные результаты диссертационной работы кратко можно перечислить в следующем виде:

1. Выполнен анализ характерных особенностей развития радиооптики, рассмотрены принципы построения и упрощенные структурные модели лазерных систем локации, систем передачи, приема и обработки информации, предложена обобщенная модель основных преобразований в лазерных информационных системах, показана роль и разнообразие статистических явлений в радиооптике, выделены основные проблемы, связанные с вероятностным анализом информационных процессов в радиооптических системах.

2. Рассмотрена обобщенная модель получения, преобразования и обработки информации, показаны особенности вероятностного описания информационных процессов и систем, предложена общая классификация случайных функций и выделены характерные особенности анализа вероятностной структуры непрерывных случайных процессов, случайных точечных процессов и случайных пространственно-временных полей.

3. Рассмотрены особенности описания и анализа флюктуационных процессов в типовых автоколебательных системах, выполнен анализ детальной вероятностной структуры лазерных и тепловых излучений, на основе теории выбросов случайных процессов исследованы основные информационные характеристики интенсивности оптического излучения, в простой аналитической форме показана взаимосвязь характеристик выбросов с характеристиками когерентности излучения.

4. Исследованы особенности представления случайных процессов на фазовой плоскости и показаны возможности получения дополнительной информации о вероятностной структуре исследуемых процессов в задачах обработки и классификации оптических полей за счет анализа характеристик типа «пересечений уровней» фазовыми траекториями интенсивности оптического излучения.

5. Для лазерных информационных систем выполнены аналитические исследования основных моделей открытого атмосферного канала передачи информации, проведен анализ наиболее важных эффектов, влияющих на потенциальные характеристики передачи и приема лазерного излучения, исследована вероятностная структура частоты и длительности замираний информационных сигналов в открытом канале, определены основные вероятностные характеристики оптической прозрачности атмосферы.

6. Выполнен вероятностный анализ процессов регистрации оптического излучения, исследованы квантовые эффекты и флюктуационные эффекты при фотоэлектрическом преобразовании, показаны особенности влияния случайных воздействий на выходной процесс фотодетектора, исследованы характеристики предельной точности оценивания основных информативных параметров интенсивности оптического излучения.

В целом, все полученные в диссертационной работе результаты направлены на формирование единого системного подхода к анализу детальной вероятностной структуры информационных процессов, сигналов и помех, характерных для лазерных систем передачи, приема, преобразования и обработки информации.

Заключение

.