Система сбора информации c МОС-датчиков со спектральным уплотнением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК681.586

СИСТЕМА СБОРА ИНФОРМАЦИИ С МОС-ДАТЧИКОВ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ

© 2009 М.В. Степанов

Самарский государственный аэрокосмический университет

Поступила в редакцию 14.04.2009

Рассмотрены вопросы построения системы сбора информации с МОС-датчиков со спектральным уплотнением. Описан принцип работы такой системы.

Ключевые слова: спектральное уплотнение, система сбора информации, МОС - датчик, волоконно-оптическая линия связи, уплотнение каналов

Основными источниками получения информационных сигналов в системах контроля и управления современных летательных аппаратов (ЛА) являются датчики. Такие системы управления имеют в своем составе датчики различных физических величин (перемещения, давления, скорости, ускорения и др.), более 80% из которых представляют собой датчики перемещения резистивного и электромагнитного типов с основной погрешностью 2-5%.

Каждый такой датчик требует для своей работы подвода к нему достаточно стабильного напряжения питания, а так же информационных кабелей. При этом масса электрических кабелей, необходимых для подведения питания и передачи информационных сигналов, составляет 1015% от общей массы самолета [3].

Новым направлением в разработке элементов авиационных систем контроля и управления является использование датчиков, например, волоконно-оптических, не требующих подвода питающих напряжений, и многоканальных систем сбора информации с датчиков, использующих уплотнение информационных сигналов. Соответственно такие многоканальные системы сбора информации требуют разработки оптоэ-лектронных датчиков, допускающих их объединение на общую информационную магистраль. Кроме того, отличительными чертами волоконно-оптических датчиков являются:

- отсутствие воздействия на объект измерения;

- высокая устойчивость к электромагнитным помехам;

- высокое быстродействие.

В последнее время в мировой практике появилась концепция построение летательных аппаратов без кабелей или каких-либо механических соединений между двигателем, навигационной сис-

Степанов Максим Владимирович, аспирант кафедры электронных систем и устройств E-mail: st [email protected].

темой и бортовым компьютером (только беспроводная связь для пересылки сообщений между важнейшими системами. Эта технология получила название "fly-by-wireless". При этом остается острым вопрос об электромагнитной совместимости систем самолетов (особенно это актуально при реализации концепции самолета 5-го поколения в вопросе уменьшения заметности самолета) и об их защите от радиотехнических помех.

Выходом из положения может стать использование вместо электрических кабелей волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), способных к одновременной передаче десятков и сотен управляющих сигналов, повышению надежности коммуникационной системы самолета и его помехозащищенности. Также это позволяет снизить массу ЛА, увеличивая тем самым дальность полета и повышая тактико-технические характеристики [3].

Использование ВОЛС, обладающих широким частотным диапазоном, создает возможность для применения различных видов уплотнения. Что позволяет передавать информацию от комплекса датчиков через одну ВОЛС.

В настоящее время совершенствование волоконно-оптических систем передачи в первую очередь связано с развитием технологий спектрального уплотнения каналов WDM (Wavelength Division Multiplexing) [6]. В табл. 1 приведены наиболее распространенные варианты спектрального уплотнения, а на рис. 1 представлено распределение длин волн по диапазонам.

Распределение длин волн по диапазонам оптических каналов систем WDM формируется на основании формулы:

f=193,1±m$0,1 (ГГц), где 193,1 - опорная частота (опорная длина волны 1,55252 нм); m - целое число.

Равномерное распределение оптических каналов систем WDM позволяет оптимизировать работу оптических транспондеров, перестраиваемых лазеров и других устройств систем спект-

Таблица 1. Варианты спектрального уплотнения

Вид и параметры спектрального уплотнения CWDM неплотное спектральное уплотнение DWDM плотное спектральное уплотнение HDWDM высокоплотное спектральное уплотнение

Расстояние между каналами, нм 20, 25 1,6 0,4

Диапазон О, Е, 8, С, Ь S, C, L С, Ь

Число каналов максимум 18 десятки-сотни десятки

5 С I

j H'-iw

т гп т 1.™ итп ни ш ,

Рис. 1. Распределение длин волн по диапазонам

рального уплотнения в оптической сети связи, а также облегчает возможность ее дальнейшего наращивания.

Кроме диапазонов, представленных на рис. 1, для построения систем сбора информации с МОС-датчиков могут использоваться видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн 400...1000 нм. Для этих диапазонов характерно относительно высокое затухание в волооконно-оптическом кабеле, составляющее величину более 3 дБ/км. Но, учитывая, что средняя длина самолета не превышает 30.50 м, то при такой длине кабеля затухание в ВОЛС не превысит 0,15 дБ, что соизмеримо с потерями в волоконно-оптических разъемах, разветвителях и других пассивных элементах. Для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн характерно наличие большого количества полупроводниковых источников излучения (рис. 2).

Единственным серьезным недостатком видимого и ближнего инфракрасного диапазонов

длин волн является отсутствие источников и приемников излучения с волоконно-оптическими разъемами, что затруднит ввод излучения в ВОЛС и его вывод.

Структурная схема типичной волоконно-оптической системы сбора информации с датчиков, использующей спектральное уплотнение представлена на рис. 3 [1, 4].

Необходимым и достаточным условием разделения группового сигнала У является линейная независимость канальных сигналов У В данном случае условие линейной независимости выполня-

ется, так как

IС {• Ykl = 0

справедливо только

когда все коэффициенты С. равны нулю [4].

Недостатком данной волоконно-оптической системы сбора информации является сложность выполнения управляемого источника света и наличие мультиплексора и демультиплексора.

От этого недостатка свободны волоконно-оптической системы сбора информации со спектральным уплотнением с использованием МОС-датчиков (рис. 4) [3, 5].

Система представляет собой ряд рассредоточенных в пространстве МОС-датчиков, соединенных меду собой и системой управления общей волоконно-оптической магистралью, на-

i.fl

0.5

<&) ici m

ffl

сг1 (3) IT) и пи) |н>

№

3

m

\

■

Г

"Ч

га*™

зад

400

ни

500

МО

ею

ем

ТОО

7W

К»

вьо

та?

350

10И

11) ЬМШ-Ш HLVKPKXUH

(H toP — МВниУХедто-овчный

CI) - 5вЬ -Hfltiemuft

И) faAsf.'CjF - Hi -и.^рзсо-оранизив (S) faP - ïflS HK'T^lMPPKllHH if) Gafllisfiaflb - 650 - Y^Vnempjc- ria if'i BiAiFjlGiP - BU) nuilCVfltiiK^ib-1 Ji

<9; KlA As - fi!» h hi DtUWUi i SaAiAa/SaAs-WO ■ Id) Ga^SiC - «С нвймИ (1) hôjH/SC-'ItO "At мня» ийлэс-ма и^аь-оный

4D| infaMiC - 523 'Н^спп-ь Ï

Рис.2. Спектральные характеристики полупроводниковых источников излучения видимого и

ближнего инфракрасного диапазонов длин волн

i=i

Рис. 3. Типичная волоконно-оптическая система сбора информации с датчиков, использующая спектральное уплотнение

1 ПСФЭ НСФЭ

1 1 датчика 1 . ■ 1.: 11чики 1

Г"

1 ПСФЭ НСФЭ

1 1 лапит 2 . !.:! гч11ьа

1 Дипжк:

ПСФЗ НСФЭ

даттццса и Д^ПЧШЛ И

^.ч.гп

Ь:;Л:1 ~£ псрсдкн

11.1-4 ■.тг.-.Од^-.Ь.Л л

Пол»*-<хбой_ 131111? 1

ГГлтглтт I

I /

/ ! I

' Г-Г- .Т-~! —г/.тП'у;,* п-|н\-,1 ^т

ПС'ЛиССЕ-йЙ ■фзыь ц) 2

ВО щ '..а 2

Поло [ си-сй >1иль три

К:ш;| м I

] I.'. JW.iiJ.lli

Лл. 1 у 'ияил е^ртч

Система

■: и р а. контроля п

уГЦМЬЯеНШ

Рис. 4. Структурная схема волоконно-оптической системы сбора информации с МОС-датчиков со спектральным уплотнением (ПСФЭ - подвижный спектроформирующий элемент, НСФЭ - неподвижный спектроформирующий элемент)

пример типа "звезда". Спектроформирующие элементы (СФЭ) МОС-датчиков проектируются так, что бы диапазоны изменения их спектральных характеристик не пересекались (рис. 5).

При углового перемещении ПСФЭ, связанного с объектом перемещения, относительно НСФЭ изменяется степень перекрытия их спектральных характеристик и, соответственно, выходной сигнал датчика. Расположив элементы оптического блока так, что в исходном положении их спектральные характеристики частично перекрываются, можно вывести "рабочую точку" на линейный участок позиционной характеристики. Кроме того, СФЭ, являясь конструктивными элементами датчиков, выполняют и функции мультиплексора, упрощая всю систему сбора информации и снижая ее стоимость.

Далее сигнал от каждого датчика передаётся в ВОЛС. На приемной стороне установлен набор полосовых фильтров, выделяющих канальные сигналы, которые поступают в блок сбора информации, контроля и управления.

Выбор ширины полосы пропускания СФЭ

МОС-датчика зависит от измеряемой им физической величины (так для концевых выключателей с уменьшением ширины полосы пропускания СФЭ увеличивается точность срабатывания, а для датчика угловых перемещений с увеличением полосы пропускания СФЭ уменьшается влияние неравномерности спектральных характеристик оптоэлектронных элементов на позиционную характеристику).

От ширины полосы пропускания зависит так же величина нелинейности позиционной характеристики МОС-датчика, энергетические характеристики и т.д. [3, 5].

При этом, в зависимости от вышеуказанных требований спектр сигнала от г - ого датчика системы может занимать как одну спектральную полосу (рис. 1), так и несколько.

В [3] было показано, что для аналогового МОС-датчика перемещения оптимальной является ширина полосы пропускания СФЭ 20 - 40 нм (зависит от величины допустимой погрешности нелинейности позиционной характеристики). А для аналого-цифрового датчика ширина

Рис. 5. Распределение спектральных характеристик спектроформирующих элементов

МОС-датчиков по длинам волн

Таблица 2. Варианты подключения МОС-датчиков к ВОЛС

Тип датчика Используемы е диапазоны длин волн,нм Количество датчиков

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 1 Вариант 2

А налого вы й 400... 1000 400. 1000 Более 19 Более 15

1260. 1460 -

Аналого-цифровой 1460. 1625 1260. 1460 13 (12- разрядны х) 30 (12- разрядны х)

- 1460. 1625

полосы пропускания составляет может составлять величину менее 1 нм.

В табл. 2 проведена оценка максимального количества датчиков, подключаемых к одному оптическому волокну для ЛА типа МИГ-29.

Из анализа [2,4] и таблицы 2 можно сделать вывод, что одного оптического волокна достаточно для сбора информации с датчиков системы автоматического управления и системы ограничительных сигналов современных самолетов (например, МиГ - 29), при условии, что все датчики построены на основе спектрального взаимодействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2313827 Российская Федерация, МПК7 G 06 F

17/40, G 06 F 7/00. Система сбора и регистрации полетной информации [Текст] / Скубилин М.Д.; заявитель и патентообладатель Скубилин М.Д. -№2006128667/09; заявл. 07.08.06, Бюл. № 36 (II ч.). - 3 с.: ил.

2. Воробьев В.Г., Глухов В.В. и др. Авиационные приборы и измерительные. М.: Транспорт, 1981. 391 с.

3. Матюнин С.А. Многокомпонентные оптронные структуры. Самара: Самарский научный центр РАН, 2001. 260 с.

4. Борисов В А., Калмыков В.В., Ковальчук Я.М. и др. Радиотехнические системы передачи информации: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990. 304 с.

5. Степанов М.В. Волоконно-оптическая система сбора информации на многокомпонентных оптронных структурах / / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций». Самара: Изд-во СГАУ, 2008. С. 236-239.

6. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2007. 512 с.

SYSTEM OF COLLECTING INFORMATION FROM OF MULTICOMPONENT OPTICAL STRUCTURE SENSOR WITH WAVELENGTH MULTIPLEXING

© 2009 M.V. Stepanov

Samara State Aerospace University

In this article the problems of construction of system of collecting information from of multicomponent optical structure sensor with wave-length multiplexing are concerned and the principles of system's action are described. Key words: spectral compaction, system of the collection to information, multicomponent optical structure sensor, fiber-optic communication link, compaction channel

Maxim Stepanov, Graduate Student at the Electronic Systems and Devices Department E-mail: st [email protected].