CC BY
32
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ПЕРСПЕКТИВЫ ОТКРЫТЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В
РЕЖИМЕ СЧЕТА ФОТОНОВ
Амплиев Андрей Евгеньевич
Ст. преподаватель, Южный федеральный университет, г. Таганрог
АННОТАЦИЯ
Показана актуальность применения метода счета фотонов в телекоммуникационных системах нового поколения для сигналов видимого диапазона волн. Использование именно этого диапазона позволяет как дополнительно увеличить широ-кополосность, так и применять в качестве фотоприемной аппаратуры вакуумные однофотонные фотоэлектронные преобразователи. Кроме того, применение метода счета фотонов позволяет значительно повысить защищенность передаваемой информации по оптическим каналам связи ввиду скрытности самого факта передачи. Работа выполнена на основе гос. задания №213.01-11/2014-9, выполняемого вузом в рамках базовой части государственного задания.
ABSTRACT
The urgency of the application of the method of photon counting at telecommunication sy^ems for the new generation of signals in the visible wavelength range. The use of this range allows a further increase output and to be used as a photodetector apparatus vacuum singlephoton photoelectric converters. In addition, using the method of photon counting can significantly improve the security of information transmitted over optical communication channels due to the secrecy of the fact of transmission.
Ключевые слова: телекоммуникационная система, оптическая связь, однофотонный режим, счет фотонов, оптический диапазон, вакуумный прибор.
Keywords: telecommunication sy&em, optical communication, single photon mode, photon counting, optical range, vacuum device.
Развитие телекоммуникационных систем нового поколения основывается на использовании широкополосных и сверхширокополосных сигналов с большой информационной емкостью. В системах связи с расширением полосы частот несущих сигналов увеличивается скорость передачи информации и повышается устойчивость работы систем при наличии возмущающих факторов [15].
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 влиянию атмосферы.
В оптических системах связи широкое распространение находят не только открытые (атмосферные, космические), но и закрытые (световодные) каналы передачи информации.
Открытые наземные оптические линии связи (ОЛС) находят широкое применение для внутригородской и междугородней связи с целью устранения ограничений на ширину полосы пропускания. В качестве примера может быть приведена функционирующая в Москве с шестидесятых годов оптическая связь между почтамтами. В Мюнхене (ФРГ) создана ОЛС между двумя заводами фирмы Siemens. Специалистами фирмы NEG (Япония) установлена двусторонняя ОЛС между городами Иокогамой и Тамагавой [1, 17]. Достаточно большое внимание 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 10-6 [29].
В последние десятилетия изучается вопрос об использовании открытых оптических систем передачи для глобальной связи типа Земля - Луна, космический аппарат - космический аппарат, орбитальная станция - Луна, ИСЗ - ИСЗ и т.п. [1, 3, 5, 6, 17, 21, 29]. Подтверждением этому служит проведение двумя ведомствами США - НАСА и ВКС - долгосрочных программ разработки двусторонней ОЛС "Космос - Земля", "Земля - Самолет", "Lasercom". Наибольшего продвижения в этом направлении добился консорциум из 23 Европейских фирм 10 стран, работающий над проектом SILEX, где предусматривается создание ОЛС между геостационарными ИСЗ, а также между низкоорбитальным и геостационарным ИСЗ. Система функционирует совместно с радиоканалом ИСЗ - наземная станция [17, 24, 29]. 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 выделяются задачи 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 инфор-
мации о пространственном местонахождении источника оптического излучения путем установления с ним прямого энергетического контакта [10, 13, 19, 20, 27].
Как правило, к моменту начала вхождения в связь имеется информация о моменте появления сигнала и о предполагаемом начальном положении корреспондента. Эта информация может быть получена бортовыми комплексами автономно или во взаимодействии с наземными центрами. Действительное 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 [22].
Вопросам стратегии и тактики пространственного поиска источников полезного оптического излучения уделено достаточно много внимания в литературе, в частности в [10, 16, 18, 22, 34]. Однако остается актуальным вопрос о степени влияния параметров узлов поисковой (приемной) аппаратуры на качество работы всей оптической информационной системы.
Предельные параметры приемной аппаратуры удается получить при использовании однофотонных 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, при работе системы связи на малых расстояниях использование режима счета фотонов позволяет значительно уменьшать мощность передатчика, что, в свою очередь, повышает скрытность передаваемых данных, так как для перехвата информации, в этом случае, требуется применять специальные фотоприемники [29].
Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным ТКС, является обеспечение скрытности и конфиденциальности связи. Существует ряд работ, например [2, 4], в которых предложены методы защиты систем связи от несанкционированного доступа. Такие методы, в основном, основаны на передаче отдельных фотонов. Так, в работе английских ученых [2] передача информации осуществляется лазером, генерирующим импульсы оптического излучения настолько малой длительности, что в пределах каждого импульса содержится один фотон. Длительность импульсов лазера при такой передаче информации составляет не более единиц пикосекунд, что позволяет создать информационные системы со скоростью передачи данных в тысячи гига-бит в секунду.
Бурное развитие квантовых технологий привело к появлению квантово-криптографических систем [33]. В подобных системах используется новый алгоритм шифрования - генерация секретного ключа при помощи квантовой криптографии ^КО-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.
Одним из важнейших элементов, определяющих чувствительность и энергетический потенциал оптической информационной системы, является приемная аппаратура [10, 26]. Сигнал на выходе приемника оптического излучения в большинстве случаев появляется лишь при регистрации группы фотонов, что ограничивает чувствительность приемника и приводит к утрате информации о статистической структуре света. Для регистрации слабых световых потоков (10"19...10"12 Вт) наиболее чувствительными и точными являются однофотонные регистраторы, работающие в режиме счета отдельных фотонов [8, 12].
Применение метода счета фотонов, фотоэлектронов (ФЭ) или однофотонных импульсов (ОФИ) эквивалентно, так называемому, энергетическому приему, основанному на измерении и фиксации элементарных порций энергии, заключенных в сигнале [8]. Действительно, каждый единичный ФЭ генерирует в однофотонном 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 вторичного электронного умножителя. Для типовых значений С = 15 пФ и G = 106 напряжение составляет 10 мВ, что вполне достаточно для запуска быстродействующего дискриминатора, формирующего ТТЛ-нормированный импульс для счетчика или ЦАП. Если распределенная емкость анода успевает разрядиться через нагрузку до прихода следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся ОФИ, реализуя счетный режим работы аппаратуры.
По сравнению с аналоговым методом измерения анодного тока счетный метод имеет следующие преимущества [8, 12]:
- флуктуации коэффициента умножения, определяющие шум в аналоговом методе, здесь не важны, так как каждый ФЭ преобразуется амплитудным дискриминатором (АД) в нормированный импульс с длительностью, которая зависит от времени превышения анодным импульсом порога дискриминации;
- темновой ток, определяемый тепловыми электронами с различных динодов, может быть ослаблен выбором порога дискриминации. Такой отсев практически приемлем в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) с высоким коэффициентом вторичной эмиссии первого динода;
- токи утечки между проводниками в ФЭУ способствуют шуму при аналоговом методе, но не чувствительны АД;
- импульсная форма сигнала предпочтительнее для последующей обработки. Импульсы АД могут быть поданы непосредственно в дискретный счетчик, который анализирует информацию;
- счет фотонов может производиться в течение длительного времени.
При использовании счетного метода регистрации фотонов, немаловажным его достоинством 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.
Анализ патентных исследований, посвященных регистраторам слабых световых сигналов, говорит об устойчивом интересе ученых и научных центров России и разных стран мира к данной тематике [25]. Область науки, посвя-
щенная вопросам регистрации световых потоков на уровне счета отдельных фотонов, непрерывно развивается, главным образом, в двух направлениях: расширяется область применения метода счета фотонов и повышается эффективность регистрации в результате разработки новых однофотонных фотодетекторов и использования способов увеличивающих чувствительность фотодетекторов и расширяющих динамический диапазон регистрируемых световых сигналов.
Решению задач однофотонной регистрации оптического излучения посвятили многие свои работы такие видные отечественные ученые, как Ветохин С.С., Шубников E.H., Шереметьев А.Г., Оганесян А.В., Бычков С.И., Казарян С.А., Щелкунов К.Н., Гулаков Н.Р., Перцев А.Н. и многие другие. В ЮФУ проблемам однофотонной регистрации оптического излучения посвящены работы профессора Румянцева К.Е. [9, 10, 23, 28, 29, 30, 31, 32].
В существующих атмосферных оптических информационных системах для передачи данных преимущественно используется ближний ИК диапазон волн (0,8 3,3 мкм) [7, 11, 14]. Это связано с тем, что именно в этом диапазоне волн находятся "окна прозрачности" атмосферы и кварцевых оптических волокон с малыми потерями. В этом случае в качестве фотоприемной аппаратуры используются фототранзисторы, фотодиоды и лавинные фотодиоды. Однако эти фотоприемники обладают рядом недостатков по сравнению с вакуумными фотоприемниками типа ФЭУ, диссекторами и фотоэлектронными преобразователями с многоканальной электронной умножительной системой (ФЭП с МЭУС), чувствительность которых на несколько порядков выше [11, 12]. Применение же вакуумных фотоприемников для детектирования излучений ИК диапазона до недавнего времени было весьма ограничено вследствие того, что их максимальная спектральная чувствительность находилась в видимом диапазоне волн (порядка 0,3 - 0,7 мкм) [26].
Заключение. Актуальным является применения метода счета фотонов в телекоммуникационных системах нового поколения. 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 однофотонные фотоэлектронные преобразователи, типа ФЭУ, диссекторов, ФЭП с МЭУС, являющихся на данный момент самыми чувствительными и малошумящими устройствами. Также применение метода счета фотонов позволяет значительно повысить защищенность передаваемой информации по оптическим каналам связи ввиду скрытности самого факта передачи.
Список литературы:
1. Concellieri G., Chiaraluce F., Gambi E. PPM transmission over a photon counting channel: Comparison among various transmission formats // Eur. Trans. Telecommun. - 1996. - V7, №4. - P. 359 - 376.
2. Fietcher P. Light pulses sent over optical fibers creat "Invulnerable" eneryption // Electron Des. - 1995. - V.43, №26 - P. 38 - 40.
3. Nagaraja R., Dzurko K. Data-link components meet satellite requirements // Laser Focus World. - 1996. - V.32, №11. - P. 117 - 126.
4. Quantum Cryptography // Photonics Spectra. - 1994. -V.28, №9. - P. 48 - 50.
5. Rapp C., Giggenbach D., Schex A. Optische Nachrichtenubertragung im Weltraum // DLR-Nachr. - 1996. -№82. - P. 11 - 13.
6. T. Tolker-Nielsen, J.-C. Guillen, "SILEX: The FirS European Optical Communication Terminal in Orbit," ESA Bulletin No 96, Nov. 1998.
7. Андрушко Л.М. и др. Справ. по волоконно-оптическим линиям связи. / Под. ред. С.В. Свечникова и Л.М. Андрушко. - К.: Тэхника, 1988. - 239 с.
8. Артемьев В.В. Фотоэлектронные счетчики фотонов: Обзор // Оптико-механическая промышленность. - 1974. -№1. - С. 62 - 68.
9. Бычков С.И., Румянцев К.Е. Оптимизация параметров диссекторной системы поиска источников импульсного излучения // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1986.
- Т.29, №5. - С. 12 - 18.
10. Бычков С.И., Румянцев К.Е. Поиск и обнаружение оптических сигналов. Монография. / Под. ред. К.Е. Румянцева.
- М.: Радио и связь., Таганрог: ТРТУ 2000. - 282 с.
11. Ватутин В.М., Вагин А.И. Волоконно-оптические системы в технике физического эксперимента // Приборы и техника эксперимента. - 1989. - №1. -С. 7 - 36.
12. Ветохин С.С., Гулаков Н.Р., Перцев А.Н., Резников И.В. Однофотонные фотоприемники - М.: Атомиздат, 1979.
- 192 с.
13. Вишнеков В.Е., Кравец В.Г. Перспективы использования опыта разработки и эксплуатации системы связи со станцией «Мир» и кораблем «Буран» для Российского сегмента Международной космической станции // Космическая техника и технологии. - 2013. - №3 - С. 66 - 74.
14. Гроднев И.И. Линии связи. - М.: Связь, 1980. - 440 с.
15. Гуляев Ю.В. и др. Широкополосные телекоммуникационные средства с кодовым разделением каналов на основе хаотических сигналов // Радиотехника. - 2002. - № 10.
- С. 3 - 15.
16. Здор С.У и др. Оптический поиск и распознавание. -М.: Наука, 1973.-240 с.
17. Исследование принципов построения широкополосных атмосферных систем обмена информацией в оптическом диапазоне длин волн: Промеж. отчет о НИР по теме "Исследование и разработка способов приема широкополосных сигналов". / ТРТУ; Рук-ль Денисов О.Н. №ГР 80010038. Инв.№ 0285.0 074205. Таганрог, 1985.
18. Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации. - М.: Машиностроение, 1973. - 447 с.
19. Ковтун В.С. и др. Космические системы связи разработки ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королева // Космическая техника и технологии. - 2015.
- № 2 (9) - С. 3 - 24.
20. Королев Б.В. Технология работы космической оптической линии связи для повышения оперативности управления и получения информации потребителем в процессе функционирования космических средств // Космическая техника и технологии. - 2014. - № 1 (4) - С. 39 - 48.
21. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1984.
- 478 с.
22. Минаев И.В. и др. Лазерные информационные системы космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1981.
- 272 с.
23. Михалков К.В., Румянцев К.Е. Синтез оптимальных параметров астродатчика, работающего в режиме счета фо-
тоэлектронов // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. - 1987. - Вып. 5. - С. 37 - 43.
24. Мохов В. Впервые спутники «общались» с помощью лазера // Новости космонавтики. - 2002. - № 1 (228) - С. 34.
25. Разработка радиотехнических процессоров на аку-стооптических, волоконно-оптических и оптоэлектронных структурах: Отчет о патентных исследованиях на уровень техники по теме "Стробируемые регистраторы". Часть 4. Промеж. отчет о НИР 11351 / ТРТУ; Рук-ль Румянцев К.Е. №ГР 01.9.60.004349. Инв. № 02.9.70.001265. Таганрог, 1999.
26. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир, 1969. - 520
с.
27. Российский космический эксперимент «Система лазерной связи» (КЭ «СЛС») [Электронный ресурс]: Новости ВПК [сайт]. - 27.09.2013. - Режим доступа: http://vpk.name/ news/97641_rossiiskii_kosmicheskii_eksperiment_
28. Румянцев К.Е. Достоверность результатов однофо-тонной регистрации световых потоков // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1986 - Т.29, №12. - С. 62 - 65.
29. Румянцев К.Е. Защищенные атмосферные лазерные системы связи. - Таганрог: ТРТУ, 1998. - 60 с.
30. Румянцев К.Е. Методы регистрации потока однофотонных импульсов // Радиотехника. - 1991. - №3. - С. 75 -81.
31. Румянцев К.Е. Однофотонные регистраторы световых сигналов. - Таганрог: ТРТИ, 1991. - 52 с.
32. Румянцев К.Е. и др. Частотные и импульсные характеристики диссекторов // Оптические и оптико-электронные методы обработки изображений и сигналов. - 1982. - С. 183 - 187.
33. Санько С.С. Квантовая криптография уже на старте // Quanta et Qualia. - 2002. - № 47 (http://www.kv.minsk.by/ index2002474603.htm).
34. Шереметьев А.Г. Статистическая теория лазерной связи. - М.: Связь, 1971. - 264 с.
СОЗДАНИЕ ПРОСТОИ МУЛЬТИПЛИКАЦИИ
Ананьева Марина Алексеевна
старший преподаватель Московский Государственный Университет информационных технологий, радиотехники и электроники МИРЭА
г. Москва
INSTANTIATE THE SIMPLE ANIMATION
Ananieva Marina Alekseevna
older teacher of Moskow State University information technology, radio-technology and electronics MIREA, MOSCOW
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассматривается создание собственной мультипликации - подбрасывание мяча вверх на заданную высоту. Пример простой мультипликации приводится в [1]. Простые анимации можно использовать при создании какой-нибудь обучающей программы, чтобы описывать какие-то схемы или условные изображения механизмов, чтобы показать в движении взаимодействие их отдельных составляющих.
ABSTRACT
In this article considers the in^antiate eigenanimation - pick up of ball up on setting height. The example of simple animation result in [1]. The simple animation one can use by in^antiate some teach program, in order to revive some schemes or conditional image of mechanism, in order to show in movement interaction them separate Sructures.
Ключевые слова: мультипликация, мяч.
Keywords: animation, ball.
//программа написана на языке C++Builder 6 #include <vcl.h> #pragma hdr^op
#define IC_M Image1->Canvas->MoveTo #define IC_L Image1->Canvas->LineTo #define IC_B_C Image1->Canvas->Brush->Color #define IC_P_C Image1->Canvas->Pen->Color #define IC_P_W Image1->Canvas->Pen->Width #define IC_F Image1->Canvas->FloodFill
#define IC_E Image1->Canvas->Ellipse #define IC_P Image1->Canvas->Pixels #define cW clWhite #define cG clGreen #define cR clRed #include "Article_14.h" //-----------------------------------------------
#pragma package(smart_init)
