Вопросы совершенствования открытых оптических линий связи для систем управления воздушным движением гражданской авиации

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 139

УДК 621.386

ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Б.А. КУЗЯКОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.

Производятся оценки параметров открытых оптических линий связи для гражданской авиации.

Открытые оптические системы связи предназначены для создания каналов беспроводной передачи данных между разнообразными объектами. Оборудование функционирует по принципу преобразования электрических сигналов в оптические и обратно. Передача осуществляется в открытом пространстве остронаправленным инфракрасным лазерным лучом в условиях прямой видимости. Одной из основных характеристик канала связи является его доступность. Например, среднегодовая доступность определяется как суммарное время работы линии за год по отношению к полному числу часов в год. Сети разного назначения (телефонные сети связи, компьютерные, магистральные, местные и т.д.) предъявляют различные требования к доступности используемых линий связи. В наше время внедрены разнообразные открытые оптические линии связи (ООЛС): «МТС», «Короткая», «Телеком», «Фара» и ряд других [1, 2]. В то же время разработаны системы, в которых связь осуществляется широкополосным оптическим сигналом, формируемым светодиодом, на дальность до 1,2 км. Развёртывание наземных оптических линий связи производится быстро и при минимальных затратах.

Информационные сети, допустимая величина доступности в которых не превышает 0,99, представляются весьма перспективными для использования ООЛС [3, 4]. При этом большей доступностью при других равных условиях обладают относительно низкоскоростные каналы связи 2-4 Мбит/с. Уже выпускается модификация модели ООЛС для протокола Fast Ethernet 100Base-FX с волоконно-оптическим интерфейсом [1]. Оптический канал связи обладает более высокой степенью помехозащищённости, большей надёжностью и быстродействием по сравнению с радиоканалом, высокой степенью защищённости от электрических промышленных помех и атмосферного электричества. Эти примеры доказывают, что современная оптическая связь находится в бурном развитии [1 -4].

Доступность ООЛС непосредственно связана с отношением сигнал/шум SNp и величиной, поступающей лазерной мощности на приёмник Pr. Попадающая на фотоприёмник лазерная мощность приводит к появлению тока i в его электрической цепи, который можно определить из выражений:

где: п, М - квантовая эффективность и коэффициент усиления фотодетектора; q - заряд электрона; X- длина волны излучения; И - постоянная Планка; с - скорость света; звёздочка ( ) - обозначает операцию усреднения,

v J VR J

где: а - коэффициент пропускания атмосферы; Рг -мощность передатчика; т - потери мощности в передатчике; тг - потери мощности в приёмнике; Я - расстояние между передатчиком и приём-

где: 1а - темновой ток; к - постоянная Больцмана; 1ь- поверхностный ток утечки; В - эквивалентная ширина спектра шума; - эквивалент сопротивления электрической цепи детектора,

Б(М) ~ Мх (0 < х < 1); Т - температура системы.

Оценки по формулам (2, 3), приведённые в работе [5] для спутниковых ООЛС показывают, что величина БКР остаётся пригодной для уверенного приёма сигналов приёмником на базе лавинного фотодиода на расстояниях Я превышающих 107 км, а при использовании волоконно-оптического предусилителя в блоке приёмника оценка предельного расстояния составляет ~ 5 109 км. Оценки проводились для ООЛС-1 со следующими параметрами:

Интенсивно разрабатываются ООЛС для передачи информации между спутниками и воздушными суднами (ВС). Например, реализована двусторонняя лазерная связь со скоростью 50 Мбит/с между Европейским спутником «Artemis» и ВС на дальности 40 000 км. Как сообщается в [6], в отличие от радиоволн, лазерный сигнал хорошо защищён от прослушивания и другого постороннего вмешательства. По-видимому, при проведении экспериментальной связи ВС находился на максимально высоком эшелоне. В этом случае влияние атмосферы может быть наименьшим. Как известно, излучение среднего ИК проходит через атмосферу с меньшими потерями (рис. 1), чем излучение ближнего ИК (X ~ 1 мкм). В связи с этим, в настоящее время повысился интерес к ООЛС, работающих в диапазоне среднего ИК излучения (X ~ 10 мкм). Кроме того, повышение интереса к таким системам дополнительно обусловлено несколькими причинами и обстоятельствами: необходимостью увеличения дальности работы ООЛС; интенсивным совершенствованием передатчиков на базе СО2 -лазеров [7], включая волноводные СО2 -лазеры [8, 9]; разработкой полупроводниковых лазеров, работающих в диапазоне среднего ИК излучения; разработкой более совершенных фотодетекторов для приёмного модуля [10-11] (рис. 2).

ником; = (лО( / Л)2, Ог = ('лЮг / Л)2, - диаметр антенны передатчика; Бг - диаметр антенны

приёмника,

SNp 2q((i2 )* M~2 + Id Mx+2B + 2qILB + 4kTBFT / Rq ’

X =0,85, о = 1, Pt = 100 мВт, Dt =30,5 см, Dr = 10 м.

т, %

40

80

20

60

>1

К

2

4

6

8

10

12 Длина волны, мкм

Рис. 1. Фрагменты спектра пропускания атмосферы,

№*)

2 4 6 8 10 Длина волны, мкм

Рис. 2. Спектральная чувствительность фотодетекторов в ближнем и среднем ИК диапазонах длин волн ((К*), смГц1/2Вт-1 - обнаружительная способность фотодетектора):

1 - 1пАв, 2 - Hg0.8Cd0.2Te

Из рис. 2 видно, что для представленных фотодетекторов в двух диапазонах: ~ 1 мкм и 10,6 мкм, обнаружительная способность (К) практически одинаковая и составляет ~ 3 109 смГц1/2Вт-1.

Обращаясь к модулю приёмника нужно отметить, что одним из возможных вариантов реализации высокой чувствительности ИК-фотоприёмников в диапазоне 8-12 мкм является использование гетероструктур с квантовыми ямами ОаАв/АЮаАв [10]. В работе [11] исследована приповерхностная область р- и п- КРТ при наличии варизонного слоя и без него с помощью вольт-фарадных характеристик МД11-структур Al-SiO2-HgCdT. Толщина диэлектрического слоя составляет 100 нм. Установлено, что время перезарядки поверхностных состояний не зависит от типа проводимости и составляет 0,1 мкс для образцов с варизонным слоем. Таким образом, реализована высокая чувствительность фотоприёмников в диапазоне 8-12 мкм и быстродействие пригодное для ряда ООЛС.

Приведённые данные позволяют моделировать систему ООЛС-2 для связи спутник - ВС в диапазоне 8-12 мкм со следующими параметрами:

X =10,6 мкм, о = 1, Р1 = 7 Вт, М=80, = 0,9 м, Бг = 1,7 м .

При оценочных расчётах предполагалось, что формулы (1-3) остаются пригодными, при использовании разных фотодетекторов в двух рассматриваемых диапазонах длин волн. Результаты проведённых оценок показаны на рис. 3.

1802)*,А2

1 10 30 50 80 100 К, тыс. км

Рис. 3. Зависимость тока фотодетектора от расстояния между передающей и приёмной антеннами: 1- фрагмент расчёта параметров ООЛС-1; 2- оценки параметров ООЛС-2

Несмотря на существенное уменьшение в ООЛС-2 диаметра приёмной антенны Бг = 1,7 м, пригодной для размещения на ВС (в сравнении с ООЛС-1) и использование длинноволнового фотоприёмника с меньшим коэффициентом усиления (М=80), кривая 2 захватывает большой диапазон Я (Я = 10-100 тыс. км) и проходит выше кривой 1. Этот результат получается из-за увеличения мощности передатчика длинноволнового излучения (X =10,6 мкм) и Бг. Возможность увеличения Р! (Рг = 7 Вт) подтверждается тем, что волноводные СО2 -лазеры с мощностью 1-100 Вт и выше выпускаются серийно несколькими отечественными и зарубежными фирмами.

Необходимо заметить, что зависимости на рис. 3 получены при выборе параметра а = 1. Модельное представление линии связи с таким параметром более адекватно реальным условиям для линии связи между КА и ВС, находящихся на самых высоких эшелонах. Для систем связи между КА и ВС, находящихся на других эшелонах, например ниже 9100 м, и систем связи ВС - ВС, нужно более подробно учитывать вклад состояния атмосферы в величину а. В общем случае вблизи земной поверхности в величину а вносят вклад [12]: рэлеевское рассеяние сигнала, аэрозольное ослабление, молекулярное поглощение, турбулентность атмосферы, нелинейные эффекты. Вследствие этого, дальность действия высоконадёжных линий связи вблизи земной поверхности в видимом и ближнем ИК диапазонах ограничена несколькими километрами.

Кроме того, нужно учитывать, что устройство лазерного передатчика, показанного на рис. 4, существенно отличается, например, от лазера с мощностью более 200 Вт, предназначенного для лазерных технологий.

источник накачки лазера ВВ источник ТТЛ генератор

плотное селективный зеркало волновод

лазерное

окно

выходное

излучение

кристалл пластина СсГГе л/4 выходное зеркало

Рис. 4. Оптический передатчик на базе волноводного СО2 - лазера,

Основное отличие состоит в использовании внутрирезонаторного, модулятора, который вносит дополнительные потери в лазерный резонатор и влияет на работу всего газового лазера. В частности, при расчёте параметров зеркал резонатора необходимо учитывать длину фокуса Г термической линзы,

/

аР{ дп

Ктрсо2 дТ

-і

1_

21

которая образуется в кристалле под воздействием проходящего лазерного излучения (Г зависит от мощности Р! , поперечного сечения пучка, X, температурного градиента показателя преломления Зп/ЗТ, длины 1 и других параметров кристалла СёТе).

Внутрирезонаторный модулятор в лазере на смесях углекислого газа может быть выполнен также на основе акустооптического взаимодействия, например, в кристалле Ое [13]. При этом используемый в оценках уровень выходной мощности передатчика на базе волноводного СО2 -лазера вполне реализуем с обоими типами модулятора.

Зависимость функции /* = д//дР от внутрирезонаторной мощности приведена на рис. 5.

*

Зависимость показывает, что длина і сильно изменяется при изменении Р в диапазоне 30-70 Вт. Это обусловлено тем, что в волноводном лазере [14], обладающим малой площадью поперечного сечения волноводного канала ( 1 - 6 мм2 ), даже при относительно небольшой мощности излучения, высока плотность внутрирезонаторной мощности излучения.

Р*, отн.един.

3

30 50 90 130 Р*, Вт

Рис. 5. Зависимость производной длины фокуса от внутрирезонаторной мощности

На основании проведённого анализа и полученных количественных и качественных оценок сформирована общая схема системы связи, приведённая на рис. 6.

Рис. 6. Общая схема системы связи: 1- источник лазерного излучения с модулятором, 2 - модуль передающей антенны, 3- модуль приёмной антенны,

4 - модуль фотоприёмника с предусилителем

Таким образом, можно считать перспективным использование диапазона 8-12 мкм для реализации необходимого уровня доступности наземных ООЛС на дальности свыше 10 км и ООЛС для связи спутник-ВС на дальностях, не превышающих 100 тыс. км. Возможности и перспективы использования таких ООЛС подтверждаются рядом разработок отечественных и зарубежных фирм [5, 7, 15, 16].

ЛИТЕРАТУРА

1. Иваненко О.И., Сумерин В.В., Хюппенен А.П. Параметр доступности линии связи как основной критерий эффективности использования атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Лазер-Информ ЛАС, № 9-10 (240241), 2002, с. 10-11.

2. Беспроводные инфракрасные дуплексные системы связи. Проспект ФГУП «Особое конструкторское бюро МЭИ» - М., 2005. - 1 с.; Лазерная атмосферная линия. Проспект ФГУП НИИ Телевидения, 2007. - 2 с.; www.niitv.ru

3. Кулик Т.К., Прохоров Д.В. Методика сравнительной оценки работоспособности лазерных линий связи // Технологии и средства связи, 2000, № 6, с. 8-10.

4. Оптическая система связи ОСС. Проспект ООО НПП «Лазерные техно-логии», Россия, г. Екатеринбург,

2006.- 2 с; Атмосферные оптические линии связи. Проспект Гос. Рязанского приборного завода, 2007. - 2 с.; www.grpz.ru

5. Toyoshima M., Leeb W.R., Kunimori H., Takano T. Comparigion of microwave and light wave communication systems in space applications. Optical Engineering 46(1), 015003-(1-7), 2007.

6. Рекламный листок. Популярная механика. 2007, № 4, с. 17; www.popmech.ru

7. Zhou D., Jiang D., Zheng C., Huo Y., Chen J. Study on electro-optic Q switch for CO2 waveguide lasers. Optical Engineering, vol. 42, No. 11, 2003, p. 3315-3319.

8. НИИ ГРП «ПЛАЗМА». Буклет фирмы, 4 с.; Волноводные СО2 -лазеры для технологии и медицины. Проспекты НИИКИ ОЭП, СПб., 8 с.

9. Кузяков Б.А. Оптимизация комплекса ЛТУ на базе волноводных структур. Фундаментальные физико-математи-ческие проблемы и моделирование технико-технологических систем. Сб. науч. трудов. - М.: «Янус-К»,

2007. Вып. 10, с. 60-65.

10. Мармалюк А.А., Рябоштан Ю.А., Будкин И.В., Ладугин М.А. Гетероструктуры с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, InGaAs/AlGaAs для ИК-фотоприёмников спектрального диапазон 3-5 и 8-12 мкм. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - М., 2006, с. 103-104.

11. Ярцев А.В. Исследование вольт-фарадных характеристик МДП-структур на основе HgCdT. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - М., 2006, с. 94.

12. Гауер Дж. Оптические системы связи; пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989.

13. Григорьянц В.В., Жаботинский М.Е., Кузяков Б.А., Магдич Л.Н. Волноводный газовый лазер. Авт. Свидетельство № 923335 /СССР/ Опубликовано в БИ, 1982, № 39.

14. Кузяков Б.А. Развитие концепции применения волноводов в лазерных установках. Международный форум по проблемам науки, техники и образования. - М., Академия наук о Земле. Тр. в 2 т. Т. 2. 2004, с. 128- 129.

15. Бобровский Ю.Л., Корнилов С.А., Кратиров И.А. и др. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2002.

16. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004.

QUESTIONS OF OPEN OPTICS COMMUNICATION LINES MODERNIZATION FOR CIVIL

AVIATION AIR TRAFFIC CONTROL SYSTEMS

Kuzyakov B.A.

It is discussed the questions of open optics communication systems modernization for civil aviation.

Сведения об авторе

Кузяков Борис Алексеевич, 1946 г.р., окончил МИФИ (1970), канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры ОРТ и ЗИ МГТУ ГА, автор более 120 научных работ, область научных интересов - квантовая радиофизика, волоконная оптика, квантовая и оптическая электроника.