Глава 5. Информационные и управляющие системы

Начало научно-технической революция (НТР) в середине XX в. связано с интенсивным увеличением роста объемов информации вовлекаемой в жизненно важные научные, технические процессы, в различные процессы жизнедеятельности человечества. Вторая половина XX в. характеризуется бурным развитием средств передачи, обработки и хранения информации - электроники, вычислительной техники, радио и телевидения. Наряду с развитием микроэлектроники, вычислительной техники, персональных ЭВМ, быстро развивались системы передачи информации, сделавшие информацию доступной широким слоям населения. Благодаря многоканальным радиорелейным, спутниковым и волоконно-оптическим системам связи раскрылись новые возможности информационных каналов, телевидения, появился Интернет. Одновременно развивалась сотовая мобильная связь, увеличившая возможность общения людей. Доступность информации и быстрота её обработки оказали влияние на все стороны жизни человеческого общества, привели к росту производительности труда, резкому ускорению научно-технического прогресса. Современные информационные системы обогатили интеллектуальный уровень людей, включая культуру, быт, психологию, взаимоотношение их с природой. Возросла роль информации и информационных систем в социальных преобразованиях общества и построении гармоничной государственной социальной системы.

5.1. Информация, информатика и информационные системы

Информация (лат. разъяснение, изложение, осведомлённость) – совокупность сведений (данных, знаний) о физических объектах, процессах и системах.

Более полным является другое определение.

Информация – совокупность сообщений (сведений) о свойствах объектов, изменении их состояния, о протекании процессов в природе, обществе и т.п.

Информация (философское определение) – отражение объективных свойств материального мира.

В настоящее время информация играет всё возрастающую роль в жизни человеческого общества. Происходит ускорение развития информационных потребностей человечества и средств их обеспечения (систем хранения и передачи информации). Большую роль в информационном обеспечении играет радиотехника, электронная техника, информационно-измерительные, информационно-поисковые и управляющие системы.

Информация предстаёт в виде сообщений, которые передаются в форме сигналов. В радиотехнике информация в виде сообщений передается с помощью радиосигналов (радиоволн), распространяющихся в пространстве. В волоконно-оптических системах - в виде оптических сигналов.

Радиосигнал – это электромагнитные колебания, как правило, гармонические синусоидальные, с определенной несущей частотой, промодулированные первичным электрическим сигналом от источника сообщения, (например, звуковыми колебаниями или телевизионным видеосигналом).

Информация в материально-энергетической форме - это сообщение в виде электрического, светового или звукового сигнала.

Данные – информация представленная в цифровой форме.

Информация и материя

С точки зрения философии информация – наиболее общее понятие наряду с материей. Можно сказать, что она отражает упорядоченную структурную организацию материи. При этом информация не только пассивно характеризует структуру материи, но и способна активно создавать и воспроизводить эту структуру. При проектировании и строительстве создаваемый человеком объект первоначально существует в виде идеи (образа).

Антиподом информации является хаос (беспорядок). Упорядоченность и хаос (и, соответственно, информация энтропия) в видимой вселенной непрерывно перетекают друг в друга. Например, строить – означает упорядочивать, а разрушать – вносить беспорядок.

Информация в адаптивной системе

Понятия количества, значения и ценности информации приобретают смысл, если в рассмотрении появляется субъект – система, которая эту информацию использует. Такой системой может быть, например, живой организм, сообщество людей или компьютер, управляющий некоторым агрегатом.

Система всегда существует в определенной среде. Чтобы решать свои задачи она должна иметь собственную модель среды и постоянно корректировать ее на основе получаемых сведений (адаптировать, приспосабливать). В рамках такого подхода информация есть «представление субъекта об окружающей среде». Напротив, энтропия – неопределенность знания в таком представлении. Появление новых сведений снимает часть неопределенности и энтропия (“незнание”) заменяется информацией (“знанием”).

Информация (как “представления субъекта”) сама по себе не материальна (абстрактна), однако, она всегда имеет материальные носители, объекты хранения и представляет реальную ценность для пользователя. Каналы связи, которые переносят информацию, газеты, журналы книги или библиотеки носителей, с помощью которых она хранится - это материальные объекты. Сигналы служат носителями информации при восприятии ее из среды и при передаче от одного субъекта другому. При этом для любого субъекта из многообразных физических воздействий на него информативными сигналами будут лишь те, из которых субъект получает информацию.

Формы представления информации

Для человека, как существа общественного, принципиально необходимо обмениваться информацией с себе подобными. Именно способность накапливать, передавать и воспринимать опыт других и сделала его Человеком. При этом, по мере развития культуры люди изобретали все более изощренные и разнообразные средства хранения, передачи, а затем и обработки информации.

Основные формы представления информации, используемые человеком для ее передачи и хранения, показаны на рис. 5.1.

Рис.5.1 Виды и формы представления информации

Символьная и знаковая информация

Знаки представляют материальное замещение понятий, которыми человек пользуется, чтобы упорядочить, упростить и обобщить свои представления о внешнем мире. Так, например, понятие “дерево” обобщает множество индивидуальных деревьев разного возраста, вида и формы. Этому понятию может соответствовать определенный знак, например, пиктограмма, иероглиф или набор букв.

Обычно знаки образуют знаковую систему. Примером знаковой системы являются различные языки – от живого языка человеческого общения до алгоритмического языка для записи программ или языка химических формул. Другие примеры – набор знаков дорожного движения и цветов светофора, и т.д. Существуют и внесистемные знаки, которые обычно тоже являются отражением знаковых систем (например, жесты или замечания).

По своей природе знаковые системы дискретны, то есть, используют ограниченный набор элементов.

Другой аспект знакового изображения – связь формы знака и его смысла. Знаки, форма которых (их вид) непосредственно связана с их смыслом, называют символами. Таковы, например, гербы и пиктограммы. Если подобная связь отсутствует (как в случае слов естественного языка или знаков математических операций), знаки называют диакритиками. Обычно знаковые системы состоят из диакритических знаков, хотя в ряде случаев можно проследить их символические корни (например, некоторых букв и иероглифов).

Законы построения знаковых систем изучает семиотика, которая включает ряд направлений.

Синтактика занимается правилами соединения знаков (например, построения фраз).

Семантика изучает смысл – соответствие знака (слова) и понятия.

Прагматика занимается полезностью и истинностью. Фраза «Сегодня хорошая погода» синтаксически правильна и семантически корректна. Однако истинность и ценность информации, которую она передает, зависит от конкретных условий.

Сигматика изучает различные аспекты обозначений.

Большую роль в современной жизни играют знаковые обозначения в виде букв и цифр. Обычно использование знаков рассматривается с точки зрения передачи информации. С этих позиций буквы и цифры представляют собой условное изображение элементов сообщения. Типичный случай сообщения, состоящего из знаков – текст. Цифровые сообщения называют данными.

Графическая информация. Понятие о спектре непрерывных сообщений

Графическая форма представления удобна для отображения информации, которую человек непосредственно, без логической обработки, получает по зрительному каналу (изображения). Она хорошо подходит также для передачи особенностей непрерывных по своей природе сигналов (например, звуковых), а в общем виде – непрерывных (аналоговых) зависимостей. Величину тока или напряжения, изменяющуюся во времени, обычно называют процессом или сигналом.

Типичный вариант графического отображения непрерывной зависимости - изображение некоего сигнала во времени на осциллографе. В телевидении цветовой сигнал представлен как наложение трех цветов (красного, зеленого и голубого). Изменение изображения на экране можно представить как изменение трех видов напряжения во времени. Звуковые сигналы формируют в микрофоне электрический сигнал, который можно усилить, преобразовать в изменение магнитного поля и записать на пленку. Таким образом, подобный подход достаточно универсален.

Зачастую меняющаяся во времени величина сохраняет некоторые стабильные характеристики, в частности, мощность различных частотных составляющих (которым соответствуют участки кривой с разной скоростью изменения амплитуды). Такой “частотный портрет” непрерывной зависимости называется её спектром.

В дальнейшем мы вернемся к детальному изучению спектров различных сигналов, используемых при передаче информации по линиям связи. Здесь же уместно отметить следующее: для реальных сигналов, скорость изменения которых конечна, всегда существует некоторая граничная частота спектра, соответствующая его самой высокочастотной составляющей.

Цифровая информация и дискретизация непрерывных процессов

Для представления количественной информации чаще всего используются числа. По сравнению с представлением величин непрерывными зависимостями они дают значительные преимущества в возможностях передачи, обработки и хранения информации. Именно поэтому непрерывные сообщения часто “оцифровывают” и представляют в виде чисел, т. е. представляют как последовательность цифр.

Числовая информация, как и символьная, по своей природе дискретна, так как она может быть представлена ограниченным набором цифровых символов в разных системах исчисления.

Преобразование непрерывной зависимости U(t) в числовую включает две составляющих:

дискретизацию (разбиение) по времени с шагом t;

дискретизацию (квантование) по уровню с шагом U.

Благодаря этим двум процедурам всю зависимость U(t) можно представить как последовательность дискретных значений, которым соответствуют числа. При этом точность представления изменения величины во времени U(t) зависит от интервалов разбиения и квантования. Непрерывный процесс можно представить с помощью оцифровки с любой необходимой точностью. Чем меньше интервал, тем выше точность воспроизведения. Однако вместе с ростом точности растет трудность и время обработки, а также длина последовательности (количество чисел), что затрудняет их запись и хранение. Поэтому возникает проблема выбора оптимальных параметров дискретизации, чтобы не потерять важной информации о процессе и не воспроизводить излишних деталей, которые могут быть просто помехами.

При воспроизведении оцифрованного звука или изображения возникает задача обратного преобразования из цифровой последовательности в аналоговую форму, удобную для восприятия. Естественно, что при этом часть информации теряется, и точность воспроизведения будет зависеть от интервалов дискретизации (точности оцифровки).

Таким образом, дискретная форма представления информации является наиболее общей и, как будет показано далее, необходимой для помехоустойчивой передачи, обработки и хранения информации.

Передача информации

В соответствие с формами представления информации выделяют типы цифровых (дискретных) и непрерывных (аналоговых) сообщений. Первые состоят из знаков, принадлежащих к определенному алфавиту. Вторые включают непрерывно меняющиеся во времени величины, называемые процессами и сигналами.

Принципиально важно понять, что непрерывная информация может быть преобразована в цифровую с любой точностью, тогда как обратное преобразование возможно только с потерей информации, определяемой ошибкой квантования по времени и амплитуде.

Мы будем рассматривать дискретную (цифровую) форму представления информации, как основную. Основной задачей настоящего курса является рассмотрение проблем, связанных с созданием эффективных средств и методов передачи информации.

Ниже мы выясним основные задачи такой передачи, опираясь на обобщенную модель информационного канала.

Информация передается в виде изменения физической величины во времени x(t), которое называется процессом. Процесс бывает непрерывный (аналоговый) или дискретный (импульсный, цифровой).

Обработка информации (аналоговой и цифровой) производится на электронной вычислительной машине (ЭВМ), которую также называют цифровой вычислительной машиной (ЦВМ). В просторечии их называют также персональными ЭВМ (ПВМ) или компьютерами. Персональный компьютер сокращенно обозначается ПК, а в латинском написании - РС.

Информация носит двоякий характер. С одной стороны она абстрактна, и иногда трудно оценить её количественной мерой. С другой стороны она материальна, если она выражена в виде сообщений и данных. Для её передачи нужны физические транспортные каналы передачи, хранилища для хранения, устройства для обработки. Как и материальные вещи, она имеет ценность, и эта ценность со временем устаревает.

Область науки, относящаяся к работе с информацией, названа информатикой. Информация после обработки, накопления и анализа превращается в знание законов, действующих в природе и обществе.

Информатика

Информатика – наука о методах и устройствах сбора, передачи, обработки и хранения информации.

Информационные технологии (ИТ) – машинизированные (инженерные) способы передачи , обработки и хранения информации. Как правило, они автоматизированы.

ИТ отличны от производственных (энерго- и материально-преобразующих) процессов.

ИТ - это преобразование информации (анализ, обобщение, классификация), т.е. это-знание преобразующие технологии.

Обобщенная схема сбора, передачи, обработки и хранения информации представлена на рис 5.2.

Рис. 5.2. Обобщенная схема сбора, передачи, обработки и хранения информации

Важную роль в использовании информации играют хранилища информации. В них информации должна быть в упорядоченном, удобном для хранения и использования виде. Упорядочивание информации связано с классификацией знаний в той или иной форме. Извлечение необходимой информации помогают осуществлять информационно-поисковые системы.

Объект информатики

Объект информатики – автоматизированные информационные системы (АИС), основанные на телекоммуникационной и вычислительной технике или автоматизированные системы сбора, передачи, обработки и хранения информации (рис. 5.3).

Современный объект информатики – технические средства передачи и обработки, математическое, программное и лингвистическое обеспечения.

Проблемы информатики – создание сверхсложных интеллектуальных, глобальных телекоммуникационных и информационных, а также, творческих систем (Creative Systems).

Таким образом, современная информатика - это наука о свойствах информации, средствах её извлечения, передачи и обработки, а также об особенностях работы вычислительных комплексов, использующихся в этих целях.

Рис. 5.3. Структурная схема автоматизированной информационной системы (АИС)

(АСУ - автоматизированная система управления, АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическими процессами, САПР - система автоматизированного проектирования, САУ - система автоматического управления, ИПС - информационно-поисковая система)

На рис. 5.3 приведена структурная схема автоматизированной информационной системы (АИС) во взаимодействии с другими АИС и их базами данных. Составной частью АИС являются базы данных и информационно-поисковая система (ИПС). АИС предприятия или организации непосредственно связана с одной или несколькими автоматизированными системами управления (АСУ). Они, в свою очередь, связаны с автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП) и системами автоматизированного проектирования (САПР). АСУ ТП подчинены системы автоматического управления САУ и контрольно-измерительные системы.

Предметная область информатики.

Работа с информацией осуществляется с помощью информационных технологий, включающих средства извлечения, передачи, обработки и хранения информации. Средства извлечения информации подразумевают разные источники: люди, средства массовой информации, датчики и системы сбора информации, измерительная техника и программное обеспечение. Информации может быть использована одним или многими потребителями и здесь важны средства доступа к информации и формы её представления (отображения) в удобном для восприятия виде. Схематическое представление последовательности извлечения, обработки, передачи, хранения и представления информации приведено на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схематическое представление работы с информацией

Информационный ресурс (знания + информация) взаимодействует с другими ресурсами путём обмена информацией.

Теоретическая информатика изучает:

- информационные процессы и системы;

- закономерности протекания информационных процессов в искусственных системах;

- принципы организации работы технических и программных сред.

Информатика как наука

Информатика, как наука, имеет предметную область, аксиоматику (понятия и определения), математический аппарат.

Предметной областью информатики являются теория информационных систем и теория информационных процессов. Соответствующие предметные области содержат свою аксиоматику и математический аппарат. С общей теорией систем мы познакомились ранее в главе 1, а в этой главе рассмотрены общие вопросы информационных систем.

Теория информационных процессов рассматривает количественную меру информации, носители информации, каналы передачи информации, шумы и искажения информации.

Обычно информационные системы рассматривают с кибернетической точки зрения, т.е. как динамические системы, имеющие цели или целевые функции, объекты управления, органы управления, управляющие воздействия, обратные связи.

Информатика как наука оперирует с такими понятиями как:

- информационный ресурс;

- формальная (логическая информация);

- когнитивная (содержательная информация);

- социальная энтропия (мера неопределённости знаний);

- полезная работа (отдача) ЭВМ;

- информационная среда;

- информационный поток;

- автоматизация информационной системы;

- информационные технологии;

- искусственный интеллект;

- творческая система;

- коллективный интеллект.

Аксиоматика информатики

1. Информационный поток от объекта:

I_исх = NH,

где H - энтропия сигнала (в предположении одной и той же для всех сигналов),

N - количество сигналов.

2. Информационная напряжённость каждого элемента управляющей системы.

Информационная напряжённость каждого элемента управляющей системы g_i определяется отношением информационного воздействия наблюдателя I_исх к энтропии элемента H_i :

g_i= I_исх /H_i

При этом могут быть крайние случаи: H_i =1 – объект повторяет воздействие; H_i =0 – объект не реагирует на воздействие.

Информационная напряжённость системы равна сумме напряжённостей элементов:

4. Энтропия объекта E, затрачиваемая на переход в новое информационное состояние:

где - полезная информационная работа системы.

5. Работа управления информационной системы:

A=a+b , где а – внутренняя работа управляющей системы, b – работа, направленная на объект.

6. Полезная работа информационной управляющей системы (B) равна полному информационному потоку за период времени Т:

Виды и свойства информации и информационных систем

Информация может делиться по видам и областям применения, а также по свойствам. Соответственно могут классифицироваться информационные системы и базы данных.

Деление информации по видам: аналоговая, цифровая, звуковая, телевизионная, кино и фото материалы, новости и т.д.

Деление информации по областям применения: генетическая; синоптическая; экономическая, техническая, биологическая, медицинская.

Деление информации по свойствам: полная (неполная), точная (приближенная), правдивая (ложная), свежая (устаревшая).

Качественные оценки ценности информации

Качественные оценки ценности информации включают следующие элементы:

- релевантность (соответствие запросу потребителя);

- полнота (отсутствие недоговорок);

- своевременность (информация устаревает);

- достоверность и однозначность (не имеет скрытого смысла);

- доступность (возможность получить в любое время);

- защищённость (невозможность несанкционированного извлечения);

- эргономичность (наглядность, удобство восприятия);

- адекватность (однозначное соответствие объекту).

Качественные оценки ценности информации важны для практической работы с информацией. Некоторые из элементов оценки могут быть выражены количественно.

История развития современных информационных систем

В 90-е годы прошлого века начали интенсивно развиваться локальные, региональные и глобальные вычислительные сети и информационные системы на базе цифровых линий связи с использованием коаксиальных, радиорелейных и спутниковых радиоканалов. Цифровые каналы передачи данных вычислительных сетях требуют уменьшения вероятности возникновения и уровня перекрестных помех, снижения влияния электромагнитных наводок, увеличения функциональных возможностей систем коммутации, повышение надежностных и эксплуатационных характеристик при одновременном снижении веса, габаритов, энергопотребления и стоимости изделий электронной техники. Перечисленные требования привели к необходимости использования высоких, сверхвысоких и крайне высоких частот, а также использования оптического диапазона и волоконно-оптических каналов передачи информации. Эти тенденции хорошо отражены в трудах ведущих российских ученых - академиков: Басова Н.Г., Прохорова А.М., Котельникова В.А., Гуляева Ю.В., Дианова Е.М. [1-6]; а также зарубежных ученых: Gauer Dj., Markuze R., Presby P. Mears R.G., Rashleigh S.C. и др. [8,16,17,20] Одновременно осуществлялся переход на новейшую элементную базу на основе интегральных полупроводниковых однокристальных моноблоков, больших интегральных схем (БИС) с высокой степенью интеграции и миниатюризации (акад. Алферов Ж.И., Hansperjer R., Irvin I., Robinson A.J. и др.) [1,4,5,6,12].

Особыми преимуществами для решения современных задач информационно-вычислительных систем и сетей имеет применение оптоволоконных линий связи и квантовых интегрально-оптических устройств[18-21]. Они удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к высокоскоростным цифровым каналам связи. Они также имеют хорошую совместимость с современными радиоканалами, радиоэлектронными и цифровыми устройствами на основе БИС[6,12]. Кроме того, оптоволоконные каналы имеют практически неограниченную широкополосность, закрытость информации от прослушивания и электромагнитных помех.

Последние достижения полупроводниковой квантовой электроники (акад. Басов Н.Г., Прохоров А.М., Алферов Ж.И.) [21] и одномодовой волоконной оптики (акад. Котельников В.А., Прохоров А.М., Дианов Е.М., Гуляев Ю.В.) [24], позволяют реализовать принципы когерентной оптической передачи и обработки информации. В когерентно-оптических приборах используется взаимодействие когерентных оптических волн и пучков, подчиняющихся законам волновой электродинамики и распространению радиоволн в пространстве. Для их описания применимы радиофизические принципы и методы обработки информации с применением методов нелинейной и статистической радиофизики, разработанных в работах акад. Хохлова Р.В. и проф. Ахманова С.А. и Чиркина А.С. [6,7].

Применение интерференционного взаимодействия когерентных источников оптического излучения (одночастотных полупроводниковых лазеров), позволяет осуществить гетеродинный и гомодинный прием сигналов с переходом из оптического в радио диапазон (Григорянц В.В. , Моршнев В.А. , Францессон А.В.) [25]. Использование внутриимпульсной линейной частотной модуляции (ЛЧМ) лазерного излучения позволяет получить солитонный режим в оптическом волноводе с хроматической дисперсией, а также повысить чувствительность и разрешающую способность мультиплексированных и распределенных систем сбора информации. Механизм интерференционного взаимодействия волн аналогичен сжатию линейно частотно-модулированного радиосигнала в согласованном фильтре на дисперсионной ультразвуковой линии задержки. Как и в радиотехнических системах, эти интерференционные взаимодействия дают возможность существенно повысить дальность передачи и увеличить широкополосность волоконно-оптических линий связи. Общие механизмы и волновые законы взаимодействия со средой позволяют считать когерентные системы радиооптическими и подчиняющимися законам радиофизики.

Переход на одномодовые волоконно-оптические линии связи и когерентные интегрально-оптические элементы позволил качественно улучшить характеристики отечественных технических средств связи и поднять их до уровня, не уступающего зарубежным [26]. В свою очередь, задача комплексной интеграции оптоэлектронных систем в современные телекоммуникационные системы типа "Интернет" требует коренного изменения принципов построения всей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и систем на её основе. Реализация программы комплексного подхода в создании Всероссийской информационно-вычислительной сети [25,26] позволит объединить её с глобальными спутниковыми и Европейскими волоконно-оптическими сетями и войти в международное глобальное информационное пространство в рамках сети "Интернет" и международной телефонной сети.

Волоконно-оптические системы сбора, обработки и передачи данных с удаленных объектов промышленных предприятий оказались наиболее эффективными там, где высок уровень электромагнитных помех а также во взрыво- и пожароопасных условиях, где необходима искробезопасность[27].

Методы оптической обработки информации, применение теории многомодовой и одномодовой интегральной оптики, а также принципов построения акусто-оптических (АО) и интегрально-оптических (ИО) вычислительных элементов привели к созданию схем и устройств обработки информации, совмещающих высокоскоростное аналогово-цифровые преобразования и спектральную обработку радиосигналов с последующей обработкой данных средствами вычислительной техники или систем управления [28,29]. Важной особенностью оптических систем обработки информации является возможность обрабатывать двумерные изображения (оптические изображения).

Процесс сближения радиофизических методов и радиотехнических решений с методами и решениями на основе когерентной интегральной и волоконной оптики позволяет говорить об успешном развитии нового научного направления известного как когерентная радиооптика [29]. В частности, далее будут показаны возможности применения в волоконно-оптических системах: спектрального уплотнения каналов (мультиплексирование) в оптическом диапазоне с последующим разуплотнением (демультиплексирование) в радиодиапазоне; гетеродинный и гомодинный прием; использование внутриимпульсной линейной частотной модуляции с последующим "сжатием" и выделением сигнала на фоне помех в радиочастотном диапазоне; использование радиофизических методов в абсорбционной спектроскопии.

Несмотря на быстрое развитие радиофизических идей и методов волоконной оптики, развитие и внедрение оптических информационно-телекоммуникационных систем сбора, передачи и обработки информации сдерживается из-за слабой разработки её отдельных элементов, слабой изученности физических механизмов и отсутствием наличия надёжных технологий их изготовления. Ранее такие устройства как разветвители, поляризаторы, модуляторы и дефлекторы изготавливались в виде объёмных элементов или планарных структур. Первые имели большие объемы и вес, управлялись высокими напряжениями и токами. Это приводило к низкому быстродействию, большим энергозатратам, высокой стоимости, большим габаритам и весу приборов и устройств. Для систем с планарными структурами требовались дополнительные дорогостоящие согласующие устройства и элементы сопряжения с волоконными световодами, которые, как правило, имели большие вносимые потери, высокую температурную нестабильность, подверженность влиянию внешних факторов (шумы, удары, вибрация). Технология их сложна и трудно воспроизводима.

Разработка когерентных волоконно-оптических систем передачи информации [25,26], оптических процессоров [27], специализированных вычислительных машин нового поколения[28], а также интегрально-оптических устройств для обработки радиосигналов и других быстропротекающих процессов[28] потребовала разработки специфической элементной базы и новых технологии изготовления основных элементов. Исследования, приведенные в последнее время, показали, что многие пассивные и активные элементы когерентных информационных систем могут иметь волоконно-оптическое исполнение. При этом сравнительно легко решаются проблемы интеграции волоконно-оптических датчиков, модуляторов, усилителей, ретрансляторов и аналого-цифровых преобразователей в единую волоконно-оптическую систему сбора, передачи и обработки информации. В большинстве случаев, волоконные элементы наиболее эффективны в больших локальных и региональных системах открытого доступа и высокоскоростных системах сбора информации и обмена данными.

Решение задач создания специализированной волоконно-оптической элементной базы когерентных информационных систем потребовало разработки новых радиофизических методов исследования, теоретической проработки, поиска новых конструктивных решений, а также разработки нестандартных типов волокон целевого назначения. Комплексный подход и систематизация разработок позволили найти нетрадиционные пути решения проблем повышения дальности и информационно-пропускной способности систем при одновременном снижении их энергопотребления и стоимости.

Наиболее важной проблемой построения такой элементной базы информационных систем была проблема создания промышленной технологии производства высококачественных оптических волокон и кабелей. Вначале были разработаны технологии изготовления изотропных и анизотропных одномодовых световодов с минимальными потерями и минимальной дисперсией [27]. Одновременно создавалось уникальное оборудование и технология для визуального отображения информации (электровакуумные, жидкокристаллические, светодиодные, лазерные, ионноплазменные панели и мониторы).

Разработанные оборудование и технология позволили приступить к созданию больших автоматизированных систем сбора и обработки информации и управления (АСУ).

Наряду с созданием оборудования, технологии и конструкций волоконно-оптических элементов создавались уникальные радиофизические методы исследования процессов, волноводных и полевых структур, а также метрологическое оборудование. В частности, разработаны методы исследования реализаций сигналов обратного релеевского рассеяния, модовых полей и передаточных характеристик световодов [27,28]. В последующем многие наработки этого направления послужили основой для создания волоконно-оптических чувствительных элементов и датчиков-преобразователей физических полей и воздействий [27-29]. На их основе были разработаны волоконно-оптические системы контроля метана и вредных примесей в атмосфере шахт, горнодобывающих предприятий и предприятий нефтехимической промышленности[29], а также лазерные и оптоэлектронные системы экологического мониторинга атмосферы городов с волоконно-оптическими сетями сбора информации[30].

Проведен ряд работ по исследованию электро- и магнитооптических эффектов в кристаллах и волоконно-оптических структурах[29-30]. На основе этих эффектов разработаны приборы контроля напряженности электрических и магнитных полей, а также, напряженности ВЧ и СВЧ-полей. Результаты теоретических исследований и разработок волоконно-оптических элементов для этих приборов вступили в стадию опытного производства и практических реализаций в радиотехнических системах, технике связи, сбора и обработки информации. Материалы по этой тематике ввиду новизны и приоритетности в большей части остаются закрытыми как в России, так и за рубежом. Реализации всех технологических этапов создания волоконно-оптических элементов и систем включая конструкции технологического и контрольно-измерительного оборудования, являются бережно охраняемыми «ноу-хау». В открытых публикациях, как правило, не содержится информации, необходимой для создания реальных устройств и комплексного решения проблем их создания.