Стратегия и аппаратура поиска источников оптического излучения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

К. Е. РУМЯНЦЕВ

СТРАТЕГИЯ И АППАРАТУРА 

ПОИСКА ИСТОЧНИКОВ 

ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 

Учебник

Ростов-на-Дону  Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.396.96:621.396.391.26:621.396.624
ББК 32.875я73-5

Р865

Печатается по решению кафедры информационной безопасности телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий и информационной безопасно
сти Южного федерального университета (протокол № 12 от 14 февраля 2018 г.)

Рецензенты:

заместитель директора по научной работе Ростовского филиала 

Российской таможенной академии, заслуженный деятель науки РФ, 

доктор технических наук, профессор Д. А. Безуглов

профессор кафедры «Антенны и радиопередающие устройства»

Южного федерального университета, заслуженный работник высшей школы РФ, 

доктор технических наук, профессор В. А. Обуховец

Румянцев, К. Е.

Р865 
Стратегия и аппаратура поиска источников оптического излучения : 

учебник / К. Е. Румянцев ; Южный федеральный университет.  Ростов-наДону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. 
 246 с.

ISBN 978-5-9275-2844-8
Дан анализ современного состояния и перспектив развития систем связи двойного 

назначения в космосе и через космос. Показано, что спутниковая связь является важнейшим элементом информационно-телекоммуникационной инфраструктуры вооруженных сил, обеспечивающим надёжное управление группировками войск. Обоснованы 
преимущества от применения лазерных систем связи и условия их функционирования. 

Сформулирована задача поиска, обнаружения, наведения и автоматического сопро
вождения удалённых и мобильных корреспондентов в открытых (атмосферных, спутниковых и космических) оптических (лазерных) системах передачи в сетях связи, а также в 
системах квантовой криптографии. 

Излагается теория пространственного поиска мобильных объектов. На первом этапе 

построения оптимальной стратегии поиска объекта из рассмотрения исключаются ложные срабатывания аппаратуры, исследуется поиск стационарных точечных объектов. 
Полученные стратегии в дальнейшем уточняются для поиска стационарных точечных 
объектов при наличии ложных срабатываний аппаратуры, поиска мобильных точечных 
объектов, поиска мобильных объектов с протяжённым изображением.

Описаны оптические элементы и раскрыта специфика их применения для управле
ния направлением оптического излучения. Приводятся технические параметры сканирующего диссектора для организации электронного сканирования пространства приёмной аппаратурой по заданным траекториям. Даны технические решения аппаратуры для 
организации пространственно-временного поиска с целью вхождения в связь приёмнопередающего комплекса в атмосферных и спутниковых системах.

Учебник предназначается для студентов, обучающихся по специальности 10.05.02 

Информационная безопасность телекоммуникационных систем.

УДК 621.396.96:621.396.391.26:621.396.624

ББК 32.875я73-5

ISBN 978-5-9275-2844-8

© Южный федеральный университет, 2018
© Румянцев К. Е., 2018
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник содержит систематическое изложение первой части дисци
плины «Квантовая связь и криптография». Учебник написан в соответствии 
с требованиями образовательного стандарта высшего образования Южного 
федерального университета (ОС ВО ЮФУ) по специальности 10.05.02 −
Информационная безопасность телекоммуникационных систем, утверждённого приказом Южного федерального университета «Об утверждении 
образовательного стандарта Южного федерального университета по 
направлению подготовки 10.05.02 − Информационная безопасность телекоммуникационных систем» от 24 июля 2017 г. № 229-ОД.

В учебнике изложен материал, посвящённый проблеме простран
ственного поиска корреспондента в процессе установления связи.

Изучение учебника должно обеспечить подготовку студента к реше
нию следующих профессиональных задач:

− применять стандартные методы и модели к решению теоретико
вероятностных задач и стандартных задач математической статистики;

− использовать методы дискретной математики при решении задач;
− применять на практике знание законов общей физики и оптики; 
− оценивать численные значения величин;
− выбирать стратегии поиска источников сигнала в процессе вхож
дения в квантовую связь разнесённых и мобильных корреспондентов; 

− проводить анализ эффективности и оптимальности построения си
стем поиска источников оптических сигналов.

При изучении учебника должны использоваться знания и навыки, по
лученные студентами в следующих дисциплинах.

Математика. Математический анализ: числовые последовательно
сти, пределы числовых последовательностей; функции одной и нескольких 
переменных; числовые ряды и их свойства. Системы линейных уравнений. 
Численное интегрирование и дифференцирование. Использование комбинаторных методов в теории вероятностей. Аксиоматика теории вероятностей. Случайные величины, распределения случайных величин и их числовые характеристики. Элементы математической статистики. 

Дискретная математика. Основы теории множеств; комбинатори
ка, комбинаторные задачи. 

Физика. Знания основных законов оптики. Умения использовать за
коны оптики для анализа процессов происходящих в оптоэлектронных 

Предисловие

устройствах. Навыки анализа процессов, происходящих в оптоэлектронных 
устройствах.

Электротехника, электроника и схемотехника. Усилительные 

схемы. Применение операционных усилителей. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Триггеры; регистры; счетчики; сумматоры. 

Теория электрической связи. Сигналы и помехи, их математические 

модели. 

Оптические телекоммуникационные системы и сети. Фотодетек
тирование сигналов; фотодетекторы; шумы фотодетекторов. Компоненты 
оптических линий связи. 

Цель учебника состоит в формировании знаний для обеспечения ин
формационной безопасности телекоммуникационных систем и сетей посредством уточнения стратегии поиска источников сигнала в процессе 
вхождения в квантовую связь разнесённых и мобильных корреспондентов с 
учётом используемых сканирующих фотоприёмников.

Изучение учебника обеспечивает подготовку в области эксперимен
тально-исследовательской деятельности для построения и анализа фотоприёмного канала системы поиска и обнаружения источников оптического 
излучения. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

DRS
−
Европейская система космической оптической связи 

FSO
−
Free Space Optics, открытая оптическая система передачи 

GaAs
−
арсенид галлия 

GII
−
Global Information Infrastructure,
глобальная информационная инфраструктура

LEO
−
Low Earth Orbit, низкоорбитальный (спутник)

MEO
−
Medium Earth Orbit, среднеорбитальный (спутник)

NGN
−
Next Generation Network, сеть следующего поколения

VSAT
−
Very Small Aperture Terminal, 
терминал с малогабаритной антенной

АД
−
амплитудный дискриминатор

АРОИ
−
амплитудное распределение однофотонных импульсов

АЦП
−
аналого-цифровой преобразователь

ВОЛС
−
волоконно-оптическая линия связи

ВЭУ
−
вторично-электронный умножитель

ГСО
−
геостационарная орбита 

ГТИ
−
генератор тактовых импульсов

ЗС
−
земная станция 

ИК
−
инфракрасный

ИСЗ
−
искусственный спутник Земли

ИТТ
−
импульс темнового тока

КА
−
космический аппарат

КОСС
−
космическая оптическая система связи

КППА 
−
комплекс приёмопередающей аппаратуры 

КРК
−
квантовое распределение ключа

ЛСС
−
лазерная система связи

ЛФД
−
лавинный фотодиод 

ОЗУ
−
оперативное запоминающее устройство

ОЛС
−
оптическая линия связи

ОФИ
−
однофотонный импульс

ПЗС
−
прибор с зарядовой связью

ПОМ
−
передающий оптоэлектронный модуль

ППА
−
приёмопередающая аппаратура 

ПРОМ
−
приёмный оптоэлектронный модуль

СС СН
−
сеть связи специального назначения

Список сокращений

ТТЛ
−
транзисторно-транзисторная логика

ФНЧ
−
фильтр нижних частот

ФОС
−
фокусирующе-отклоняющая система

ФПМ
−
фотоприёмный модуль

ФЭУ
−
фотоэлектронный умножитель

ЦАП
−
цифроаналоговой преобразователь

ЭСЛ
−
эмиттерно-связанная логика

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

    
−
скорость оптического излучения в вакууме

    
−
диаметр антенны 

 { }
−
дисперсия случайной величины

 (   )
−
полезность j-й проверки k-го элемента разложения

    
−
частота генерации ИТТ

    
−
частота оптического излучения

     
−
частота счёта ОФИ сигнального излучения

     
−
частота счёта ОФИ фонового излучения

    
−
усиление оптической антенны 

   
−
постоянная Планка

       
̅̅̅̅̅̅̅̅
−
среднее значение темнового тока диссектора

 (   )
−
коэффициент перехвата элементом энергии в кружке 
рассеяния

  
̅̅̅
−
среднее число вторичных эмитируемых электронов на 
один первичный (коэффициент вторичной эмиссии)

  
−
число вторичных эмитируемых электронов на один 
первичный электрон

 { }
−
математическое ожидание случайной величины

 ( |   )
−
число проверок, предусмотренных для k-го элемента за 
время первых M испытаний для стратегии поиска S

  
−
число динодов в фотоэмиссионном приборе

   
−
число регистрируемых фотонов за время наблюдения

 (  )
−
вероятность генерации   вторичных эммитируемых 
электронов с динода на один первичный электрон

        
−
принимаемая мощность точечного источника 
излучения

       
−
мощность оптического излучения в месте приёма

      
−
принимаемая мощность фонового излучения

 { }
−
вероятность принятия правильного решения

pk
−
вероятность нахождения объекта в k-м элементе

   
−
вероятность ложных тревог

    
−
вероятность обнаружения сигнала

   
−
вероятность принятия ошибочного решения

Список основных обозначений

8

    { | }
−
вероятность успешного завершения поиска объекта, 
находящегося в k-м элементе во время j-го его осмотра

    { | }
−
безусловная вероятность успешного завершения поиска 
объекта за М проверок для стратегии S

    { |     }
−
условная вероятность успеха поиска, если, объект
находится в i-й области перекрытий между элементами 
и в j-й области перекрытий между строками k-го кадра

   
−
отношение сигнал/шум в режиме счёта фотонов 

    
−
отношение сигнал/шум в токовом режиме

    
−
эффективный радиус кружка рассеяния

  
−
время на последовательный просмотр всех z элементов

 (   )
−
длительность M испытаний для стратегии S

    ( | )
−
среднее время успешного поиска для стратегии S при 
условии, что объект находится в k-м элементе поля

    ( )
−
среднее время успешного поиска

  
−
скорость перемещения цели

           
−
угловые скорости перемещения изображения источника сигнала в соответствующих направлениях

 (
) 
−
плотность распределения вероятности случайной 
величины

Z:={1,2,…, z}
−
множество возможных результатов поиска

           
−
число элементов в строке, строк в кадре и кадров в поле

      
−
угловые размеры элемента разложения


−
линейные углы контролируемого поля

  
−
угловой размер кадра

              
−
статические перекрытия между элементами в строке, 
строками и кадрами

               
−
динамические перекрытия между элементами в строке, 
строками и кадрами

             
−
коэффициенты, учитывающие затраты на переход к
просмотру соседних элементов в строке, строк в кадре 
и кадров в контролируемом поле

   
−
токовая чувствительность фотокатода

    
−
угловая ширина луча 

Список основных обозначений

9

              
−
коэффициенты, учитывающие изменения в требуемом 
времени наблюдения кадра, строки или элемента из-за 
статических составляющих перекрытий

              
−
коэффициенты, учитывающие изменения в требуемом 
времени наблюдения кадра, строки или элемента из-за 
динамических составляющих перекрытий

    
−
длина волны оптического излучения 

 
−
случайное смещение центра луча

(j, k)
−
длительность j-й проверки k-го элемента разложения

(S, i)
−
длительность i-го испытания для стратегии S

   
−
среднее время поиска

           
−
время наблюдения элемента, строки и кадра

              
−
время наблюдения элемента, строки и кадра при поиске 
неподвижного источника излучения

   
−
угловое смещение центра луча 

   
−
квантовая эффективность материала

   
−
полоса частот приёмной аппаратуры

    
−
коэффициент шума ВЭУ