CC BY
81
УДК 681.7.08, 681.78
В. Л. Мусяков, Э. Д. Панков , А. Н. Тимофеев
Е. М. Богатинский, П. В. Яковлев
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ
Показано, что совершенствование систем с оптической равносигнальной зоной возможно путем формирования элементов схемы с использованием современных электронных и оптических компонентов, позволяющих оптимизировать выполняемые ими преобразования сигналов, в особенности для инфракрасного диапазона.
Ключевые слова: оптико-электронная система, оптическая равносигнальная зона, пространственное распределение, лазерные диоды, регулярная рефракция, полихроматический метод.
Оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) характеризуются высокой эффективностью, обусловленной возможностью обеспечения полной автоматизации процессов управления в статическом и динамическом режимах, а также возможностью корректировки результатов измерений с учетом влияния условий эксплуатации [1].
Возрастающие требования к точности определения местоположения объектов при строительстве, на железнодорожном транспорте, в самолетостроении, геодезии [2, 3] и микроэлектронике обусловливают необходимость продолжения работ по совершенствованию ОЭС с ОРСЗ (далее — системы с ОРСЗ).
Обобщенная структурная схема системы с ОРСЗ (рис. 1) содержит блок, задающий базовое направление (блок ЗБН), приемную часть (ПЧ), размещаемую на контролируемом объекте, и блок обработки команд управления (БОКУ). Перечисленные блоки находятся в физической среде и имеют энергетическое обеспечение. Поскольку носителем информации является оптическое излучение, которое распространяется в воздушном тракте, в структуре физической среды должен присутствовать воздушный тракт (ВТ), а также должны учитываться эксплуатационные воздействия (ЭВ) на элементы ОЭС, обусловленные изменениями температуры, вибрацией, солнечными засветками и т.д.
В состав блока ЗБН, формирующего в физической среде необходимое пространственное распределение информативных параметров, в результате чего и реализуется ОРСЗ, входят: излучатель 1, содержащий источник оптического излучения 7 и конденсор 8; базовый узел 2, который содержит элемент формирования ОРСЗ 9, создающий в пространстве несколько полей излучения с различающимися информативными параметрами, и объектив 10; оптический компенсатор 3, необходимый для компенсации неточности изготовления оптических элементов блока ЗБН.
Приемная часть преобразует информацию, содержащуюся в оптических пучках с равно-сигнальной зоной, в электрические сигналы, т. е. осуществляет предварительную обработку информации о своем пространственном положении относительно ОРСЗ. В процессе преобразования ПЧ осуществляет концентрацию потока излучения на фоточувствительном элементе приемника оптического излучения (ПОИ), а также пространственную селекцию сигнала от помех. Особенность ПЧ заключается в том, что регистрация ее положения реализуется с помощью анализа распределения в пространстве основного информативного параметра оптического
излучения. В состав ПЧ входят: оптическая система 4, состоящая из оптического фильтра 11 и объектива 12, которая реализует функции преобразования оптического сигнала (иногда вводится анализатор); ПОИ 5; электронная схема предварительной обработки электрического сигнала 6, содержащая предусилитель 13 и электронный фильтр 14.
-ФИЗИЧЕСКАЯ СРЕДА
Блок ЗБН |
1 7 , 8 » ---
БОКУ
15
16
17
Рис. 1. Обобщенная схема ОЭС с оптической равносигнальной зоной
Блок отработки команд управления обеспечивает блок ЗБН и ПЧ требуемыми питающими напряжениями, обрабатывает электрические сигналы, полученные от ПЧ, и выдает информацию о величине смещений ПЧ относительно ОРСЗ. В структуре этого блока можно выделить: узел питания источника излучения 15; схему окончательной обработки информации, содержащую, как правило, блок окончательной обработки электрического сигнала 16 и узел индикации информации 17.
Анализ работы устройств по описанной схеме показывает, что совершенствование систем возможно осуществлять в двух следующих направлениях:
— формирование элементов схемы с использованием современных электронных и оптических компонентов, позволяющих оптимизировать выполняемые ими преобразования сигналов;
— определение принципов и методов ослабления влияния внешних факторов, снижающих технические характеристики систем, на основе теоретического анализа физических явлений и экспериментального исследования их воздействия.
Особенно интенсивное развитие оптико-электронных систем с ОРСЗ наблюдалось в 80-е годы прошлого столетия, когда благодаря прогрессу в технологии электронных компонентов было освоено производство полупроводниковых источников оптического излучения (свето-диодов и лазерных диодов) мощностью 100 мВт с высоким показателем параметра наработки на отказ (5—6 лет) [4].
Важное преимущество оптической равносигнальной зоны перед радиотехнической — отсутствие принципиальных ограничений на частоту модуляции оптического излучения, параметры которой определяются не принципами и средой передачи, а техническими характеристиками модулирующих элементов и частотными свойствами ПОИ [1]. Так как скорость передачи данных достигла отметки десятков, а при мультиплексировании по длине волны — сотен гигабит в секунду, перспективы развития систем обработки информации в ОЭС с ОРСЗ весьма оптимистичны.
Особый интерес представляет развитие систем в области ИК-диапазона, поскольку работы по созданию мощных полупроводниковых источников излучения осуществляются именно в этом диапазоне. ИК-диоды с излучением с поверхности целесообразно применять
в основном при дальности до 1 км, в низкочастотных системах, работающих при скорости обработки информации до 10 Мбит/с, в то время как использование лазерных ИК-диодов с излучением с торца перехода позволяет обеспечить дальность до 4—15 км при скорости обработки до 10 Гбит/с.
Блоки ЗБН, использующие полупроводниковые (1111) диоды (ИК-диоды с излучением с поверхности), менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере благодаря широкой полосе излучения (около 50 нм), что, однако, может вызвать сложности при передаче высокочастотного сигнала (разные составляющие оптического сигнала поступают на вход приемника с различной задержкой), и на выходе приемника распознать сигнал будет уже крайне сложно. При правильном выборе длины волны излучения, не попадающей в полосы поглощения газов атмосферы, применение в качестве источников излучения лазерных диодов мощностью 1 Вт и более (при полосе излучения около 1 нм) позволит достигнуть дальности более десятка километров. Однако эллиптическая форма диаграммы направленности излучения обусловливает в этом случае необходимость применения в конденсоре анаморфотных оптических систем.
Не менее перспективно использование в блоке ЗБН лазерных VCSEL-диодов с излучением с поверхности в результате объемного резонанса. Таким диодам присущи преимущества как лазерных диодов — узкая полоса излучения (в некоторых режимах всего одна мода), так и 11 -диодов — продолжительное время наработки на отказ и сферическая форма диаграммы направленности. Однако в настоящее время они уступают по мощности излучения источникам, названным выше.
Относительно применения в ОЭС приемников оптического излучения, можно однозначно утверждать, что все высокочастотные системы должны использовать лавинные фотодиоды, а низкоскоростные системы — обычные кремниевые p — i — и-фотодиоды, чувствительность которых почти на порядок ниже.
Очевидно, что в процессе эксплуатации отсутствует возможность обеспечения стабильных, однородных и изотропных пространственно-временных условий применения систем с ОРСЗ. К числу важных особенностей прохождения ИК-излучения через атмосферу относятся факторы, которые по уменьшению степени их влияния на процессы работы систем можно классифицировать следующим образом:
— градиенты температуры воздушного тракта;
— аэрозольное затухание;
— резонансное поглощение;
— наличие осадков;
— флюктуации температуры и турбулентность воздушной среды.
Факторы первой группы вызывают так называемую регулярную рефракцию лучей за счет изменения среднего значения коэффициента преломления среды по длине воздушного тракта, что приводит к искривлению пучков лучей [5]. В настоящее время для ослабления влияния этих факторов перспективно использование полихроматического метода (метода спектральных разностей [6]) с применением принципов мультиплексирования сигналов. Внедрение технологии мультиплексирования в БОКУ, например компанией „Lucent Technologies", США (продукт WaveStar OpticAir), обеспечивает скорость передачи и обработки информации до 10 Гбит/с на четырех длинах волн.
Затухание сигнала при тумане и дожде легко формализуется расширенной моделью аэрозольного поглощения. Такая преграда, как дождь, например, с интенсивностью до 75 мм/ч (почти тропический ливень), что плохо преодолевается радиорелейными системами в диапазонах 18—54 ГГц, не представляет серьезной угрозы для систем с ИК ОРСЗ и не нарушит их функционирование при работе на расстояниях до 2 км.
ИК-излучение может преодолеть практически все погодные явления, но не физические преграды. Это приводит к тому, например, что птицы и насекомые, пересекая луч, кратковременно прерывают оптический канал. В таких случаях возможно применение многолучевых или широкопольных систем, но это значительно увеличит габариты системы и соответственно ее стоимость.
Совершенствование систем возможно также путем модернизации оптической части. Так, оптимальной для контроля пространства в некоторой сравнительно широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по углу места) является система с панорамной концентрической оптикой [7].
В таких системах создается плоская проекция полусферы (или области, близкой к ней). Достоинства их очевидны: отсутствие механического сканирования, единый оптический канал и возможность различных способов анализа изображения.
Рассмотрим модель блока, задающего базовую плоскость (рис. 2), для оптико-электронной системы с ОРСЗ [8]. Эту модель можно представить двумя концентрическими объективами 3 и 4, строящими изображения излучающих поверхностей радиально установленных полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 1, 5. Кольцевая заслонка 2 перекрывает часть пучков излучения ПИД для того, чтобы изображения подсвеченных границ при максимальном расстоянии соприкасались, и, таким образом, образовывалась ОРСЗ. Диоды переключаются с частотами/1 и/2 в верхнем и нижнем каналах, благодаря чему информативным параметром ОРСЗ является частота.
12 3 4
5
Рис. 2. Схема блока, задающего базовую плоскость
Для обеспечения непрерывности распределения облученности в круговой планарной ОРСЗ предлагается использовать многоэлементный источник излучения, представляющий собой кольцо, составленное из расположенных вплотную друг к другу ПИД.
Наряду с очевидным, с точки зрения техники проектирования, применением современной электронной элементной базы совершенствование ОЭС с оптической равносигнальной зоной должно осуществляться и в направлении построения систем, автоматически адаптирующихся к воздействию внешних условий. При этом одним из основных критериев обработки информации в таких системах должен быть минимум систематической и случайной составляющих погрешности.
Исследования, описанные в настоящей статье, проводятся при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 06-08-00356.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Джабиев А. Н., Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной: Монография / Под ред. Э. Д. Панкова. СПб.: СПбГУ ИТМО, 1998. 238 с.
2. Ли Шифан, Панков Э. Д., Румянцева Д. М., Крайлюк А. Д. Следящая оптико-электронная система // Оптическое приборостроение: Тр. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 225-летию МИИГАиК. М.: МИИГАиК, 2004. С. 50—55.
3. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1987. 480 с.
4. Великотный М. А. Применение матриц арсенид-галлиевых светодиодов для систем контроля и управления прямолинейным перемещением // Применение оптико-электронных приборов в измерительной технике: Сб. М.: МДНТП, 1973. С. 36—38.
5. Неумывакин Ю. К. и др. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. М.: Недра, 1984. 128 с.
6. Витол Э. А., Мусяков В. Л., Коняхин И. А., Тимофеев А. Н. Реализация дисперсионного метода в оптико-электронных системах с оптической равносигнальной зоной // Сб. трудов VI Междунар. конф. „Прикладная оптика", 18—21 окт. 2004 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. Т. 1. С. 37—40.
7. Елизаров А. В., Куртов А. В., Соломатин В. А., Якушенков Ю. Г. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 2. С. 37—45.
8. Богатинский Е. М., Тимофеев А. Н. Габаритно-энергетический расчет в оптико-электронной системе с круговой оптической равносигнальной зоной // Современная оптика: науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. Вып. 34. С. 209—212.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
