Устойчивое распознавание противоположных по знаку топологических зарядов вихревых пучков нейронными сетями в турбулентной атмосфере

В последние годы активно исследуется задача передачи информации через атмосферно‑оптические каналы связи с помощью вихревых лазерных пучков, которые позволяют кодировать информацию в значениях топологического заряда. Серьёзной проблемой в работе подобных систем является атмосферная турбулентность. Лазерные пучки при распространении в турбулентной атмосфере претерпевают случайные фазовые искажения, что приводит к ошибкам декодирования и значительно снижает скорость передачи данных. В решении данной проблемы хорошо зарекомендовали себя нейронные сети. Наиболее распространённый способ заключается в использовании нейронных сетей для распознавания значения топологического заряда вихревого пучка по разрушенным турбулентной атмосферой мгновенным распределениям интенсивности в плоскости регистрации. Такой подход позволяет значительно снизить количество ошибок декодирования, возникающих из-за влияния турбулентности. Ограничением описанного метода считается невозможность различать по мгновенным распределениям интенсивности вихревые пучки с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку топологическими зарядами, поскольку в однородной среде такие пучки формируют тождественные распределения интенсивности и считается, что случайные турбулентные искажения пучка не зависят от знака топологического заряда. На это также указывает тождественность усредненных по множеству турбулентных реализаций картин распределений интенсивности пучков с топологическими зарядами разных знаков. В данном исследовании на основе численного моделирования впервые показано устойчивое к поворотам и отражениям изображений распознавание топологических зарядов противоположных знаков по мгновенным распределениям интенсивности вихревых пучков в турбулентной атмосфере с помощью нейронных сетей. Обнаруженный эффект открывает новые перспективы для создания атмосферно‑оптических систем передачи данных, позволяя использовать для кодирования информации не только величину, но и знак топологического заряда. Результаты исследования также указывают на то, что вносимые турбулентной атмосферой фазовые искажения приводят к возникновению в мгновенных распределениях интенсивности устойчивых к поворотам признаков, зависящих от знака топологического заряда.

Authors

Institutions

Publication Details

Journal
Известия ТПУ Промышленная кибернетика
Published
2025-10-03
DOI
https://doi.org/10.18799/29495407/2025/3/95
Primary Topic
Military Technology and Strategies
Type
article
Field-Weighted Citation Impact
0.00
Controls
|||
ALL TIME
JAN
FEB
MAR
APR
MAY
JUN
JUL
AUG
SEP
OCT
article

Устойчивое распознавание противоположных по знаку топологических зарядов вихревых пучков нейронными сетями в турбулентной атмосфере

E. V. Adamov, В. В. Колосов, E. A. Bogach, Vadim V. Dudorov
Известия ТПУ Промышленная кибернетика
Military Technology and Strategies
article

Устойчивое распознавание противоположных по знаку топологических зарядов вихревых пучков нейронными сетями в турбулентной атмосфере

E. V. Adamov, В. В. Колосов, E. A. Bogach, Vadim V. Dudorov
article en

Abstract

В последние годы активно исследуется задача передачи информации через атмосферно‑оптические каналы связи с помощью вихревых лазерных пучков, которые позволяют кодировать информацию в значениях топологического заряда. Серьёзной проблемой в работе подобных систем является атмосферная турбулентность. Лазерные пучки при распространении в турбулентной атмосфере претерпевают случайные фазовые искажения, что приводит к ошибкам декодирования и значительно снижает скорость передачи данных. В решении данной проблемы хорошо зарекомендовали себя нейронные сети. Наиболее распространённый способ заключается в использовании нейронных сетей для распознавания значения топологического заряда вихревого пучка по разрушенным турбулентной атмосферой мгновенным распределениям интенсивности в плоскости регистрации. Такой подход позволяет значительно снизить количество ошибок декодирования, возникающих из-за влияния турбулентности. Ограничением описанного метода считается невозможность различать по мгновенным распределениям интенсивности вихревые пучки с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку топологическими зарядами, поскольку в однородной среде такие пучки формируют тождественные распределения интенсивности и считается, что случайные турбулентные искажения пучка не зависят от знака топологического заряда. На это также указывает тождественность усредненных по множеству турбулентных реализаций картин распределений интенсивности пучков с топологическими зарядами разных знаков. В данном исследовании на основе численного моделирования впервые показано устойчивое к поворотам и отражениям изображений распознавание топологических зарядов противоположных знаков по мгновенным распределениям интенсивности вихревых пучков в турбулентной атмосфере с помощью нейронных сетей. Обнаруженный эффект открывает новые перспективы для создания атмосферно‑оптических систем передачи данных, позволяя использовать для кодирования информации не только величину, но и знак топологического заряда. Результаты исследования также указывают на то, что вносимые турбулентной атмосферой фазовые искажения приводят к возникновению в мгновенных распределениях интенсивности устойчивых к поворотам признаков, зависящих от знака топологического заряда.

Известия ТПУ Промышленная кибернетикаVol. 3(3)
Weatherford College (US)
Openalex Percentile: Top 61%
Military Technology and Strategies
AI Navigator

Ask Laika to Summarize, Analyze, and Connect papers live on the map.

Summarize Papers & Methodologies

Extract key findings, datasets, and comparative methods across publications.

Benchmark Rankings & Visual Analytics

Rank top research institutions, authors, funders, topics, and journals by Field-Weighted Citation Impact (FWCI) and paper volume with instant charts.

Connect Distant Disciplines

Bridge topological clusters on the map to find hidden collaborative intersections.