Кодовая оптико-электронная система

 

Изобретение относится к запорным устройствам. Существо изобретения заключается в том, что запорное устройство включается только при совпадении кода, хранящегося в блоке памяти и кода "ключа", формируемого в оптическом формирователе кодов. При этом формирователь кода выполнен в виде световода из нерегулярного волоконно - оптического жгута. 4 ил.

Изобретение относится к области металлургии и предназначено для защиты металлургического оборудования (агрегатов) от несанкционированного включения.

Данная проблема имеет важное значение, поскольку запуск металлургического оборудования посторонними лицами (несанкционированного включения) может привести к тяжелым материальным и экологическим последствиям.

Известно электромеханическое секретное устройство, предназначенное для защиты объекта от несанкционированного доступа (см. патент США N 3376721, кл. С 21 с 5/30, 1968 г).

В известном устройстве его срабатывание осуществляется при совпадении ряда соосных отверстий в наборных дисках, при этом свет попадает от источника на фотоэлемент.

Недостатком известного устройства является невысокая степень его секретности, ввиду возможности совпадения отверстий в дисках при произвольных последовательных переборах их положений.

Известно также техническое решение для приведения в действие зашифрованного устройства с помощью оптического сигнала, принятое в качестве прототипа (см. патент ФРГ N 2815462, кл. С 21 с 5/30, 1981 г).

В известном техническом решении оптические сигналы передаются от оптического излучателя через ключ посредством световодов (передающая оптическая система), расположенных в ключе к приемникам света. Приемники света расположены в соответствии с принятым способом приведения в действие механизма, разрешающего доступ к защищенному оборудованию.

Известное техническое решение применяется в установках, доступных ограниченному кругу лиц или имеющих исключительное право пользования. В установке параллельный закодированный сигнал, состоящий из светлых и темных полос и передающийся с помощью светоприемников и логической схемы, которая на своем выходе генерирует сигнал приведения разрешающего механизма в действие, или сигнал его стопорения, или сигнал тревоги.

Недостатком известного технического решения является то, что для изменения кодовой комбинации, приводящей разрешающий механизм в действие, необходимо изменять сочетание светлых и темных полос, что вызывает необходимость закрывания одной части световодов и открывания другой ее части, что достаточно сложно.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в упрощении операции кодирования и перекодирования при смене кодовой комбинации, а также в повышении степени секретности системы.

Основные особенности системы согласно изобретению.

практически неограниченное число кодов (высшая степень секретности) невозможность изготовления двух и более формирователей кода с одинаковыми кодовыми масками; возможность одновременного запоминания и распознавания практически неограниченного числа кодов; возможность исключения того или иного кода из памяти; практическая невозможность подделки формирователя кода; любые реальные габариты.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что автоматическая система, содержащая оптический излучатель, оптический формирователь кода со световодом, входной торец которого совмещен с входным окном оптического формирователя кода, установленный в первом корпусе, оптико-электронный преобразователь, установленный во втором корпусе, электронный блок управления с исполнительным блоком, коммутатор и источник питания, снабжена передающей оптической системой, размещенной во втором корпусе перед оптико-электронным преобразователем, выполненным в виде позиционно-чувствительного приемника оптического излучения с полупроводниковым чувствительным слоем, световод выполнен в виде нерегулярного волокно-оптического жгута, площадь входного торца световода выполнена большей, чем площадь S₂ входного окна оптического формирователя кода, площадь выходного окна которого выполнена меньшей, чем площадь входного окна передающей оптической системы, оптически сопряженного с полупроводниковым чувствительным слоем позиционно-чувствительного приемника оптического излучения, первый корпус выполнен с возможностью совмещения выходного окна оптического формирователя кода со входным окном передающей оптической системы, электронный блок управления выполнен в виде арифметически-логического узла с блоком памяти и с возможностью подключения к пульту ручного управления, а расстояние h между плоскостью выходного торца световода и расположенным параллельно ему выходным окном оптического формирователя кода удовлетворяет условию: 0 ≅ h < где S₁ площадь выходного торца световода; R₁ разрешающая способность световода; R₂ разрешающая способность передающей оптической системы; U числовая апертура передающей оптической системы.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства, на фиг. 2 и на фиг. 3 показаны варианты компоновки и различного исполнения отдельных его узлов, на фиг. 4 представлена схема расположения узлов устройства, построенная по принципу автоколлимационного хода лучей.

Устройство содержит оптический излучатель 1, оптический формирователь кода 2, включающий первый корпус 3, в котором установлен световод 4, выполненный в виде нерегулярного волоконно-оптического жгута, второй корпус 5, в котором последовательно установлены передающая оптическая система 6 и оптико-электронный преобразователь 7, выполненный в виде позиционно-чувствительного приемника оптического излучения с полупроводниковым чувствительным слоем 8, электронный блок управления 9, выполненный в виде электрически сопряженных между собой арифметически-логического узла 10, пульта ручного управления 11 и блока 12 памяти, коммутатора 13, источник питания 14 и исполнительный блок 15, при этом входной торец 16 световода 4 совмещен с входным окном 17 оптического формирователя кода 2, площадь входного торца 16 выполнена большей площади входного окна 17, площадь выходного окна 18 оптического формирователя кода 2 выполнена меньшей площади входного окна 19 передающей оптической системы 6, входное окно 19 оптические сопряжено с полупроводниковым чувствительным слоем 8, а расстояние между плоскостью выходного торца 20 световода 4 и расположенным параллельно ему выходным окном 18 связано с техническими параметрами элементов устройства.

Кроме того, первый корпус выполнен с возможностью совмещения выходного окна 18 со входным окном 19.

Оптический излучатель 1 предназначен для освещения плоскости входного торца 16 световода 4 в пределах телесного угла не меньшего, чем апертурный угол световода 4, что обеспечивает попадание световой энергии в световод 4, ограниченной размерами входного окна 17 оптического формирователя кода 2. Конструктивно оптический излучатель 1 может быть расположен вне первого и второго корпусов 3 и 5 (фиг. 1), быть элементом оптического формирователя кода 2, т.е. жестко установленным в первом корпусе 2 (фиг. 3), а также быть установленным неподвижно во втором корпусе 5 (фиг. 2 и фиг. 4). Светотехнические параметры оптического излучателя 1 зависят от световых потерь при прохождении световода 4, передающей оптической системы 6, характеристик оптико-электронного преобразователя 7 (интегральные чувствительность, спектральная чувствительность и т.д.), времени экспозиции и т.п. Оптический излучатель 1 может быть выполнен в виде лампы накаливания, газоразрядной лампы, полупроводникового светодиода, лазера и т.д. С практической точки зрения целесообразно использование светодиодов в силу их малых габаритов, веса, а также невысокой потребляемой мощности.

Световод 4 является непосредственно формирователем световой кодовой маски, состоящей из набора произвольно расположенных по площади выходного торца 20 светлых и темных пятен (светлое пятно образуется волокном, входной торец которого расположен в пределах площади входного окна 17), каждое из которых имеет минимальный размер, равный диаметру отдельного волокна световода 4. При этом максимальное возможное число вариантов (N_max) чередования последовательностей светлых и темных пятен получается при отношении 1:2 площадей входного окна 17 и выходного торца 20. В этом случае
N_max ≈ 10^0,3n-0,5lgn, n общее число волокон в световоде.

В частности, в поперечном сечении волоконно-оптического жгута с площадью равной 1 кв. мм уменьшается порядка 2500 волокон (при диаметре отдельного волокна 20 мкм), что дает
N_max ≈ 10⁷⁵⁰
Таким образом, количество получаемых вариантов (кодов) практически неограниченно.

Передающая оптическая система 6 предназначена для обеспечения оптического сопряжения плоскости световой кодовой маски с плоскостью светочувствительного слоя 8 оптико-электронного преобразователя 7. С помощью передающей оптической системы 6 изображение кодовой маски может быть трансформировано по любому заданному закону, например, уменьшено или увеличено с масштабным коэффициентом, развернуто на требуемый угол и т.д. Передающая оптическая система 6 может быть выполнена в виде различных оптических систем: регулярного волоконно-оптического жгута 21 (фиг. 1), нерегулярного волоконно-оптического жгута 22 (фиг. 2) и объектива 23 (фиг. 3 и фиг. 4). В случае использования волоконно-оптического жгута его выходной торец должен быть механически совмещен со светочувствительным слоем 8. При использовании объектива его предметная плоскость должна быть оптически сопряжена с плоскостью выходного торца 4, а плоскость изображения со светочувствительным слоем 8.

Устройство работает следующим образом.

При механическом соединении первого корпуса 3 со вторым корпусом 5 срабатывает коммутатор 13 и автоматически включается оптический излучатель 1, который освещает входной торец 16 световода 4, световое изображение с входного торца 16 передается по волоконно-оптическому жгуту на выходной торец, при этом происходит трансформирование изображения по закону случайного распределения в соответствии с взаимным расположением отдельных волокон в жгуте. Полученное изображение кодовой маски строится с помощью передающей оптической системы на светочувствительном слое 8, считывается арифметически-логическим узлом 10 и сравнивается с изображением (тарировочным), записанным в блоке 12 памяти. При совпадении изображений производится включение исполнительного блока 15. При несовпадении изображений может включаться другая функция исполнительного блока 15 (сигнал тревоги, ловушка и др.).

В случае применения автоколлимационной схемы устройства (фиг. 4) после включения оптического излучателя 1 световой поток попадает на светоделительную грань кубика 24, частично отражается от нее, коллимируется объективом 23 и направляется в световод 4, после чего часть светового потока отражается от зеркальной поверхности 25, соответствующей размеру входного окна 17, в результате чего на выходном торце 20 строится изображение световой кодовой маски.

В качестве арифметически-логического узла выбрана однокристальная МикроЭВМ 8031 компании INTEL.

В качестве приемника изображения (оптико-электронный преобразователь 7) использован кристалл динамической ОЗУ 256 К-бит 41258.

Для запоминания кодов ключей (блок 12 памяти) использована малопотребляющая статическая ОЗУ 8Кх8, снабженная автономным питанием от аккумулятора.

Память эталонов может хранить одновременно коды 1000 ключей.

В качестве Пульта (11) ручного управления (ПРУ) использован стандартный пульт дистанционного управления с инфракрасным источником сигнала.

Принципы работы программы узла 10.

При анализе карты засветки возникающей в преобразователе 7 при вставлении ключа (формирователь 2) вычисляется характеристический полином. Каждой светящейся точке на карте ставится в соответствие псевдослучайное число. Возникающие числа суммируются, и образовавшаяся сумма сравнивается с эталоном.

Равномерность псевдослучайных чисел выбрана 80, что определяет степень защиты 2⁸⁰ или 10²⁴.

При вычислении характеристического полинома приняты меры, обеспечивающие совпадение результата вычисления при различных положениях ключа в скважине замка. Для этого вначале вычисляются координаты X, Y "центра тяжести" карты засветки
X=Σ x_i; Y=Σ y_i где x_i, y_i координаты засвеченных точек.

Для каждой засвеченной точки вычисляются цилиндрические координаты R_i и ϕ_i, которые округляются так, чтобы исключить погрешности, связанные с допусками для ориентации ключа в замочной скважине. После округления значения R и ϕ поступают на вход датчика псевдослучайных чисел.

Последовательность работы устройства.

Анализ ключа (формирователь 2).

При вставлении ключа в замочную скважину запускается программа считывания и анализа карты засветки, подается питание на излучатель 1 и после экспозиции процессор узла 10 приступает к вычислению характеристического полинома.

После вычисления полинома начинается сравнение со значениями, хранящимися в памяти эталонов. При обнаружении совпадения с одним из эталонов, поступает команда на исполняющее устройство (блок 15), приводящее в движение засов замка.

Защита доступа к памяти эталонов.

Для избежания нежелательного вмешательства в работу системы предусмотрены два уровня защиты. Это "ключ хозяина" и "защитная последовательность" на ПРУ. Последовательность действий при изменении содержимого памяти эталонов следующая.

Вставить "ключ хозяина" в замочную скважину.

При этом на табло индикаторов мигает "1". Затем, не вынимая ключа набрать на пульте ручного управления защитную последовательность цифр. На табло индикаторов "1" перестает мигать. После этого система готова воспринимать команды изменения памяти эталонов.

Команда "4" запоминание нового ключа.

Вынуть ключ хозяина из замочной скважины и вставить новый ключ. Набрать на ПРУ команду "4". На табло индикаторов мигает номер очередного ключа. Вставить новый ключ в замочную скважину и трижды нажать клавишу "8". Номер ключа перестает мигать ключ запомнен.

Команда "5" исключение ключа из памяти эталонов.

Набрать на ПРУ команду "5". Табло индикаторов гаснет. Набрать номер вызываемого ключа, а затем трижды клавишу "8". На табло мигает номер ключа. Набрать трижды клавишу "9" номер перестает мигать ключ стерт из памяти.

Команда "6".

Команда служит для дополнительной защиты от несанкционированного доступа к памяти эталонов. При нажатии клавиши "8" на ПРУ на табло индикаторов высвечивается количество активных ключей. Пpи повторном нажатии "6" высвечивается количество запомненных ключей. И при нажатии "6" в третий раз высвечивается количество запрещенных ключей.

Команда "7" просмотр номеров активных ключей.

При последовательном нажатии клавиши "7" на ПРУ на табло высвечиваются номера активных в данный момент ключей.

Формула изобретения

КОДОВАЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА, содержащая оптический излучатель, оптический формирователь кода со световодом, входной торец которого совмещен с входным окном оптического формирователя кода, установленный в первом корпусе, оптико-электронный преобразователь, установленный во втором корпусе, электронный блок управления с исполнительным блоком, коммутатор и источник питания, отличающаяся тем, что она снабжена передающей оптической системой, размещенной во втором корпусе перед оптико-электронным преобразователем, выполненным в виде позиционно-чувствительного приемника оптического излучения с полупроводниковым чувствительным слоем, световод выполнен в виде нерегулярного волоконно-оптического жгута, площадь входного торца световода выполнена большей, чем площадь s₂ входного окна оптического формирователя кода, площадь выходного окна которого выполнена меньшей, чем площадь входного окна передающей оптической системы, оптически сопряженного с полупроводниковым чувствительным слоем позиционно-чувствительного приемника оптического излучения, первый корпус выполнен с возможностью совмещения выходного окна оптического формирователя кода с входным окном передающей оптической системы, электронный блок управления выполнен в виде арифметически-логического узла с блоком памяти и с возможностью подключения пульта ручного управления, а расстояние h между плоскостью выходного торца световода и расположенным параллельно ему выходным окном оптического формирователя кода удовлетворяет условию

где s₁ площадь выходного торца световода, мм²;
R₁ разрешающая способность световода, 1/мм;
R₂ разрешающая способность передающей оптической системы, 1/мм;
v числовая апертура передающей оптической системы (безразмерная величина).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4