Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности открытого оптического информационного канала связи для телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 24
1.1. Параметры открытого оптического канала связи для теле коммуникационных и информационно-измерительных систем
1.1.1. Молекулярное поглощение воздуха в оптическом диапазоне 25
1.1.2. Рэлеевское рассеяние оптического сигнала в атмосфере 26
1.1.3. Параметры аэрозоля в атмосферном канале связи 26
1.1.4. Осадки, перекрывающие атмосферный канал связи 3 О
1.1.5. Турбулентность воздуха в атмосферном канале связи 30
1.1.6. Нелинейные эффекты при распространении лазерного излучения по атмосферному каналу связи 32
1.1.7. Фоновые помехи от посторонних источников в атмосфере 33
1.2. Прохождение одиночных оптических импульсов через от крытый атмосферный канал 35
1.2.1. Пространственное упшрение импульса на турбулентностях атмосферного канала связи 35
1.2.2. Флуктуации интенсивности в сечении лазерного пучка при распространении по атмосферному каналу связи 36
1.2.3. Пространственные флуктуации интенсивности излучения во времени, при прохождении по атмосферным каналам связи 39
1.2.4. Упшрение импульса излучения во времени при прохождении по оптическому атмосферному каналу связи 40
1.2.5. Флуктуации мощности оптического излучения, распространяющегося через осадки в атмосферном открытом канале 41 связи
1.2.6. Фазовые искажения, вносимые в оптический пучок атмосферным каналом оптической связи 43
1.2.7. Сравнительный анализ факторов, влияющих на частотные характеристики систем передачи по открытым оптическим каналам связи 44
1.3. Формирование оптического изображения объектов, окружен
ных аэрозолем, в информационно-измерительных системах 45
1.3.1. Рефракция оптического пучка при прохождении атмосферного канала связи 46
1.3.2. Рассеяние и поглощение потока оптического излучения аэрозолем, перекрывающим атмосферный канал оптической свя- 49 зи
1.4. Надежность и дальность работы систем связи по атмосферным оптическим каналам 51
1.5. Возможности современной аппаратуры атмосферных оптических телекоммуникационных систем 53
1.6. Устройства для формирования сверхвысокочастотных каналов связи телекоммуникационных систем 54 Выводы по главе 1 58
Глава 2. Разработка метода передачи информации в телекоммуникационных и информационно-измерительных системах с помощью потока оптического излучения по открытому атмосферному каналу связи 59
2.1. Расчет интенсивности осадков, вызывающих срыв цифровой связи по оптическому атмосферному каналу 59
2.1.1. Расчет надежности атмосферных оптических линий связи 63
2.2. Экспериментальные исследования влияния аэрозолей на частотно-контрастную характеристику изображений объектов, передаваемых по открытому атмосферному каналу связи 66
2.3. Разработка метода, формирования потока излучения для те- 71 лекоммуникационных и информационно-измерительных систем
2.3.1. Экспериментальное исследование распространения интерференционного потока лазерного луча, через ослабляющие участки атмосферного канала телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 71
2.3.2. Формирование потока оптического излучения для телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 82
2.3.3. Расчет потерь мощности, на атмосферном открытом канале телекоммуникационных и информационно-измерительных систем с локальным поглощающим участком когерентных оптических пучков, испытывающих биения по частоте 91
2.4. Экспериментальные исследования прохождения когерентных
потоков оптического излучения через открытый атмосфер
ный канал 100
Выводы по главе 2 105
Глава 3. Разработка метода передачи мощного лазерного импульса через аэрозольные системы для телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 106
3.1.1. Экспериментальный стенд для моделирования в лабораторных условиях очага оптического пробоя в атмосферном канале телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 106
3.1.2. Спектральные исследования плазмы оптического разряда в канале связи телекоммуникационных и информационно-измерительных систем в лабораторных условиях 112
3.1.3. Анализ динамики плазмы оптического пробоя, формируемой при различном содержании паров воды, в атмосферном канале телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 133
3.1.4. Исследование динамики плазмы оптического пробоя химически реагирующего аэрозоля, в канале лазерного излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 141
3.1.5. Анализ физики плазмы оптического пробоя химически реагирующего аэрозоля, в канале излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 151
3.1.6. Анализ динамики плазмы оптического пробоя на атмосферных каналах телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 158
3.2. Моделирование плазмы оптического пробоя в канале лазер-
ного излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем плазмой высокочастотного разряда 164
3.2.1. Высокочастотная установка для экспериментального моделирования динамики во времени очага лазерного пробоя в канале лазерного излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 165
3.2.2. Анализ спектров ВЧ разряда во влажном воздухе 168
3.2.3. Анализ динамики во времени плазмы ВЧ пробоя с учетом различного содержания паров воды в атмосферном канале телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 179
Выводы по главе 3 192
Глава 4. Исследование особенностей взаимодействия потоков лазерного излучения телекоммуникационных и инфор мационно-измерительных систем с различными объектами в атмосферном канале распространения 193
4.1. Взаимодействие потока лазерного излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем с аэрозолями в атмосферном канале распространения 194
4.1.1. Разработка экспресс-метода оценки параметров аэрозолей в атмосферных каналах телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 196
4.1.2. Разработка способа регистрации интенсивности рассеянного излучения в направлении зондирующего излучения для оценки искажения аэрозольных систем на параметры атмосферных каналов телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 205
4.1.3. Разработка фотоэлектронного счетчика аэрозольных частиц для определения запыленности атмосферы при оценке искажения атмосферными каналами сигналов телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 212
4.2. Разработка дистанционного способа определения запыленности атмосферы для оценки искажения атмосферными каналами сигналов телекоммуникационных и информационно- измерительных систем 225
4.2.1. Формирование сигналов при дистанционном определении состояния атмосферного канала телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 225
4.2.2. Разработка активного доплеровского лидара для дистанционного определения состояния атмосферного канала телекоммуникационных и информационно-измерительных систем 232
4.3. Исследование параметров поверхности объектов, влияющих на условия дистанционного формирования их изображений через атмосферный канал с помощью оптико-электронных информационно-измерительных систем 234
4.3.1. Экспериментальная установка для регистрации рассеянного от излучения различных поверхностей 234
4.3.2. Экспериментальные данные о рассеянии окрашенных поверхностей 237
4.3.3. Соотношения для обработки экспериментальных данных 242
4.3.4. Экспериментальные индикатрисы рассеяния оптического излучения от ячеистых диффузно рассеивающих поверхностей 247
4.4. Исследование рассеивающей способности поверхности с лакокрасочным покрытием 255
Выводы по главе 4 257
Глава 5. Разработка волноводных элементов для информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 258
5.1. Исследования стойкости оптических волокон и кабелей на их основе к внешним воздействиям 258
5.1.1. Исследования стойкости оптических кабелей информационно-измерительных и телекоммуникационных систем к воз-258 действиям температуры
5.1.2. Исследования стойкости оптических волокон информационно-измерительных и телекоммуникационных систем к механическим воздействиям 265
5.1.3. Разработка метода входного контроля оптических кабелей информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 271
5.2. Разработка оптико-электронного конденсатора непрерывного излучения в импульсы наносекундной длительности для информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 287
5.3. Разработка волноводных устройств для информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 292
5.3.1. Устройство для оценки мощности излучения в информационно-измерительных и телекоммуникационных системах 292
5.3.2. Разработка волноводного устройства для ограничения мощности оптического излучения информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 295
5.4. Разработка метода формирования волнововодного канала для информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 299
5.4.1. Разработка физических основ применения плазмы оптического разряда для формирования волнововодного канала в телекоммуникационных системах 299
5.4.2. Исследование проводимости атмосферного лазерного канала 309
5.4.3. Разработка метода формирования волноводного канала для информационно-измерительных и телекоммуникационных систем 318
Выводы по главе 5 323
Выводы.
Заключение 325
Список использованной литературы
- Параметры открытого оптического канала связи для теле коммуникационных и информационно-измерительных систем
- Расчет интенсивности осадков, вызывающих срыв цифровой связи по оптическому атмосферному каналу
- Экспериментальный стенд для моделирования в лабораторных условиях очага оптического пробоя в атмосферном канале телекоммуникационных и информационно-измерительных систем
- Взаимодействие потока лазерного излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем с аэрозолями в атмосферном канале распространения
Введение к работе
Актуальность темы и состояние научной проблемы. Оптические системы связи можно объединить, в две группы по свойствам среды, по которому распространяется излучение от передатчика к приемнику: направленные и открытые. В направленных системах связи для образования канала распространения электромагнитного излучения используются волноводы. В открытых системах связи электромагнитное поле излучается в пространство, а направление распространения излучения определяется диаграммой направленности источника излучения [1,2].
Первые оптические линии связи, появившиеся в начале 60-х годов, использовали в качестве направляющей воздушную среду (АОЛС). Характерным для АОЛС является зависимость качества передачи информации от метеоусловий на трассе (в ненастную погоду возможно даже полное ослабление сигнала). Поэтому после 70 года, в связи с разработкой оптических волокон с затуханием менее 1 дБ/км [3], основные усилия были направлены на разработку волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Несомненны преимущества открытых систем связи, когда один или оба терминала подвижны, на небольших расстояниях (между зданиями), в космическом пространстве. Открытые оптические линии связи (ООЛС) успешно конкурируют с ВОЛС, использующие современные системы связи [4], по временным и финансовым затратам на установление связи. Атмосферный канал связи лишен таких недостатков как двулучепреломление, наведенное механическими напряжениями в оптоволоконном кабеле, вызывающее флуктуации конечной поляризации, и уменьшение степени поляризации из-за дисперсии поляризационной моды [5]. Поэтому, начиная с 1997 года, в связи с разработкой лазерных источников излучения со сроком службы до ста тысяч часов, интерес к АОЛС возобновился.
Современные АОЛС, называемые Free Space Optics (FSO), в основном сталкиваются с проблемой ослабления оптических импульсов при прохождений через турбулентный атмосферный канал связи и детектирования слабых оптических потоков на фоне сильного шума (явление ослабления мощности оптических импульсов ограничивает предельное расстояние между передатчиком и приемником) [6].
Поэтому на современном этапе развития FSO актуальны исследования, связанные с разработкой приборов и методов:
• формирования оптических импульсов, имеющих малое ослабление на атмосферном канале связи (например, на аэрозольных системах);
• приемо-передающих систем, позволяющих максимально использовать энергетические возможности атмосферного канала связи (максимально перехватывать и концентрировать луч, имеющий из-за дифракционной расходимости большой диаметр).
Во многих информационно-измерительных системах передаются структурированные в поперечном направлении потоки оптического излучения (изображения). Например, это происходит при дистанционном наблюдении удаленных объектов через аэрозольные системы как в условиях атмосферы (навигация судов и самолетов в условиях плохой видимости, военное дело), так и в помещениях или на стенде (разработка плазменных и нанотехноло-гий). При прохождении через аэрозоль излучение ослабляется. С целью заглянуть в более глубокие слои, как правило, используют мощный зондирующий поток. Однако, при непрерывной во времени подсветке на изображение рассматриваемой плоскости накладывается фон, рассеянный от близлежащих областей [7, 8]. Это приводит к появлению вуали (уменьшение контраста изображения, что означает снижение уровня информативности). Поэтому в настоящее время атмосферные аэрозоли создают серьезные проблемы также и для оптических измерительно-информационных систем.
Поток оптического излучения высокой интенсивности, используемый для подсветки объектов в информационно-измерительных системах, может вызвать оптический пробой, провоцируемый аэрозольными частицами. Очаги пробоя, как правило, полностью перекрывают лазерный луч. В то же время, непрерывный канал оптического пробоя может быть использован в качестве плазменной антенны или для формирования волноводного канала.
В настоящее время хорошо изучена физика оптического пробоя, известны пороги пробоя в различных средах, через которые формируются оптические открытые каналы связи телекоммуникационных и информационно-измерительных систем.
Известные информационно-измерительные системы в аэрозолях используют наносекундные подсвечивающие импульсы излучения и стробируемый по чувствительности фотоприемник, регистрирующий с задержкой по времени относительно зондирующего импульса, задаваемой в зависимости от расстояния до рассматриваемой плоскости [9]. Это сложный и дорогой комплекс аппаратуры. При этом вуаль не формируется, а ослабление излучения сохраняется.
Такие технологические операции, как лазерная обработка материалов также зависят от наличия паров, формируемых при лазерной абляции. Как правило, эти пары удаляют потоком инертного газа.
Поэтому вопросы исследовательских работ в рамках изучения распространения лазерного излучения через аэрозольные системы с позиции непрерывности передачи систем связи и повышения информативности потока оптического излучения в измерительно-информационных системах различного назначения, а также создание нового поколения коммутаторов и плазменных антенн могут быть отнесены в разряд актуальных.
Проведенный анализ по рассматриваемой проблеме позволил обосновать цель исследований и разработок при решении задач по диссертационной теме.
Целью является: Разработка методов и устройств для передачи пучков оптического излучения с минимальными потерями информативности через открытый и атмосферный канал телекоммуникационных и информационно 15
измерительных систем.
При решении поставленной цели требовалось решить задачи.
1. Определение количественных параметров, характеризующих процесс влияния аэрозольных систем на пространственные и временные характеристики передаваемых по открытым трассам телекоммуникационных и информационно-измерительных систем потоков оптического излучения.
2. Разработка методов передачи пучков оптического излучения с минимальными потерями информативности через атмосферный канал телекоммуникационных и информационно-измерительных систем.
3. Разработка волноводных элементов телекоммуникационных и информационно-измерительных систем.
4. Разработка приборов и методов для безотборной диагностики дисперсности аэрозольных систем.
Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций охватывает область науки и техники, использующая различные каналы и линии связи в виде устройств и систем для информационного обмена, включающая исследования, разработку систем и устройств. Специальность содержит научные и технические разработки систем и устройств телекоммуникаций, включая лазерные и волоконно-оптические. Специальность включает вопросы разработки новых принципов работы систем, устройств, включая их элементы и компоненты для генерации, передачи, приема информации. Решение научных и технических вопросов организации систем и устройств телекоммуникаций состоит в разработке соответствующей аппаратуры. Отрасль: технические науки присваивается за совершенствование и развитие систем и устройств телекоммуникаций. Поэтому диссертация, посвященная изучению открытого канала связи, представлена именно по специальности 05.12.13.
Исследования прохождения лазерного излучения по открытому атмосферному каналу связи позволили разработать новые средства и методы для телекоммуникационных и информационно-измерительных систем.
Публикации. По теме диссертации опубликован 81 научный труд. Из них: 15 статей в рецензируемых журналах [10 - 24], 10 монографий [25 - 34], 3 учебных пособий [35 - 37], 2 изобретения [38, 39], 3 препринта [40 - 42], 48 тезисов докладов в трудах научных конференций (включая депонированные статьи и отчет о НИР) [43 - 90].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 362 страницы, включая 130 рисунков, список цитируемой литературы содержит 272 наименования. Диссертация заканчивается выводами и заключением по работе.
В первой главе приведен обзор научно-технической литературы и изобретений по методам передачи лазерного излучения по атмосферным трассам. Проанализированы явления, сопровождающие процесс распространения потока оптического излучения по трассам, проходящие через турбулентную газовую среду и аэрозольные системы. Эти явления могут создать значительные трудности для передачи телекоммуникационными и информационно-измерительными системами по атмосферному каналу. Обоснованы задачи исследований и разработок по диссертационной теме.
Вторая глава посвящена изучению потери информативности потоков оптического излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем (например, изображений) при передаче по открытым атмосферным каналам. Определены зависимости, определяющие уменьшение частотно-контрастных характеристик при формировании изображений объектов, находящихся за аэрозольной завесой. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований интерференционного потока, позволяющих формировать открытые оптические линии связи телекоммуникационных и информационно-измерительных систем по атмосферным трассам в неблагоприятных метеорологических условиях (туманы, дождь).
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований плазмы оптического пробоя. Очаги такой плазмы, возникающие при высокой интенсивности пучков излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем, могут полностью перекрыть физический информационный канал. Приведены результаты анализа динамики плазмы оптического пробоя в химически реагируемом аэрозоле и механизмы формирования долгоживущего оптического разряда за счет плазмохимических реакций в дисперсной среде. Продолжительность существования плазмы оптического пробоя при повышенной влажности может достигать до 8 мс. Поэтому для детального экспериментального изучения плазмы лазерного пробоя проводилось моделирование с помощью СВЧ разряда динамики во времени при различных условиях атмосферного канала.
Четвертая глава посвящена изучению информативности изображений объектов, формируемых дистанционно информационно-измерительными системами. Для этого разработаны два типа устройств для определения индикатрисы рассеяния. Приведены экспериментальные индикатрисы рассеяния различных поверхностей, определены коэффициенты поглощения этими поверхностями подсвечивающего излучения. По индикатрисе рассеяния различных участков поверхности предметов может быть оценена информативность их изображений.
Пятая глава посвящена разработке методов увеличения эффективности ввода (вывода) излучения в атмосферный открытый канал связи. Приведены результаты изучения стойкости оптических волокон к внешним механическим и термическим воздействиям, а также приводятся результаты разработки волоконных устройств телекоммуникационных и информационно-измерительных систем. Апробировано устройство для визуальной оценки мощности оптического излучения. Приводятся результаты разработки прие-мо-передающей антенны для СВЧ излучения телекоммуникационных систем с помощью очагов лазерного пробоя.
Личный вклад заключается в постановке задач исследований и разработок, проведении расчетов и экспериментальных исследований по теме диссертационной работы. Все результаты, представленные в диссертации, получены соискателем лично.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Результаты определения потери информативности изображений объектов, получаемых с помощью дистанционных лазерных измерительно-информационных систем при определении параметров внутренних слоев светорассеивающих сред, путем определения частотно-контрастных характеристик тестовых изображений с различными пространственными Фурье-частотами при наблюдении их через аэрозоли с различными параметрами дисперсности и оптических свойств.
2. Результаты разработки способа уменьшения коэффициента ослабления излучения в направляющей среде телекоммуникационных систем путем использования двух интерферирующих лазерных пучков и совмещения минимума интерференционной картины с областью максимальной ослабляющей способностью трассы.
3. Результаты экспериментального исследования времени релаксации плазмы оптического пробоя при различных влажностях, из которых следует, что при увеличении влажности воздуха до 97-99% возрастает время послесвечения с 0,4 мкс до 8 мкс.
4. Результаты разработки оптико-электронного конденсатора непрерывного излучения в импульсы наносекундной длительности и повышенной мощности для телекоммуникационных систем. Конденсор содержит замкнутый световодный контур, в который со стороны меньшего радиуса кривизны поверхности под углом к ней вводится непрерывное излучение, которое удерживается в световоде за счет мод шепчущей галереи. Вывод излучения из замкнутого световодного контура осуществляется путем нарушения условий полного внутреннего отражения на локальном участке внешней поверхности с большим радиусом кривизны.
5. Результаты разработки световодных устройств для измерительно информационных и телекоммуникационных систем, таких как устройство, позволяющее по длине светящейся области световода визуально оценивать мощность оптического излучения, а также способ ограничения передавае мой по световоду мощности, использующее экспоненциальное затухание напряженности поля по поперечной, к направлению распространения из лучения, координате.
6. Результаты разработки способа и устройство для формирования направляющего СВЧ излучение канала в атмосфере, ограниченного плазменным слоем, формируемым путем ионизации лазерным излучением, сканируемым по замкнутой конической поверхности.
7. Результаты разработки световодного устройства измерительно информационной системы для определения функции распределения по размерам частиц в гетерогенных системах путем последовательного выделения рассеянных на различные углы потоков зондирующего излучения с заданным высоким разрешением по углам и регистрации собираемых потоков с помощью одного фотоприемника.
8. Результаты исследования стойкости оптических волокон и кабелей на их основе к внешним воздействиям, как сезонные изменения температур, механические усилия при прокладке и в грунтах различных категорий сложности.
9. Результаты определения индикатриса рассеяния потока направленного излучения измерительно-информационных систем от плоских поверхностей, с помощью которых может быть оценена информативность формируемых под разными углами наблюдения изображений с помощью дистанционных измерительно-информационных систем. Научная новизна работы
1. Определены количественные характеристики и их основные закономерности, определяющие величину потерь информативности изображений (наличие мелких деталей изображений) объектов, передаваемых информационно-измерительными системами через открытые трассы с помощью потоков оптического излучения через аэрозольные системы.
2. Впервые разработан способ передачи энергии оптического излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем через ослабляющие участки трассы с помощью интерферирующих между собой пучков.
3. Впервые экспериментально показано, что при увеличении влажности атмосферного воздуха до 97-99% время запирания информационного канала телекоммуникационных и информационно-измерительных систем плазмой оптического пробоя, формируемой на атмосферных аэрозольных частицах, может возрасти от 0,4 мс до 8 мс.
4. Впервые разработан оптико-электронный конденсатор непрерывного излучения в импульсы наносекундной длительности и повышенной мощности для телекоммуникационных систем, содержащий замкнутый световод-ный контур, в который со стороны меньшего радиуса кривизны поверхности под углом к ней вводится непрерывное излучение.
5. Впервые показано, что возможна визуальная оценка мощности непрерывного оптического излучения. За счет порогового характера зрения человека длина визуально наблюдаемого участка световой трассы в рассеивающей свет среде зависит от мощности излучения и уровня внешней засветки.
6. Впервые разработано световодное устройство для телекоммуникационных систем, позволяющее ослаблять мощность оптического излучения до заранее заданного уровня.
7. Показано, что с помощью очагов лазерного пробоя, формируемых с помощью пучка, совершающего перемещения по конической поверхности, в атмосфере может быть сформирован волноводный канал для телекоммуникационных СВЧ систем.
8. Разработанное впервые световодное устройство для информационно-измерительных систем позволяет регистрировать индикатрису рассеяния с высоким заданным распределением по углам от одиночных дисперсных частиц с помощью одного фотоприемника. Это позволяет определять размеры аэрозольных частиц с большей точностью.
Практическая значимость работы
1. Определены частотно-контрастные характеристики для различных аэрозолей, которые показывают, детали какого размера предметов можно наблюдать через аэрозоль на их изображениях с помощью информационно-измерительных систем.
2. Способ и устройство для формирования интерференционного потока вдоль направления распространения потока излучения позволяют вкладывать энергию в заданной области внутри светоослабляющей среды в информационно-измерительных системах или передавать через нее в телекоммуникационных системах. Способ позволяет анализировать аэрозоль на большую глубину.
3. Показано, что при влажности воздуха 97-99% значительно ухудшаются условия функционирования открытых атмосферных линий связи телекоммуникационных сетей.
4. Показано, что мощные оптические импульсы наносекундной длительности для информационно-измерительных и телекоммуникационных систем могут быть сформированы с помощью слаботочных высокочастотных электрических импульсов.
5. Разработаны световодные устройства измерительно-информационных и телекоммуникационных систем, позволяющие оценивать мощность потока непрерывного оптического излучения в оптическом волокне без дополнительных устройств и ограничивать случайные превышения мощности пропускаемого потока на допустимом для фотоприемника уровне.
6. Локализация передаваемого по открытому каналу СВЧ излучения в пределах ограниченного плазмой оптического пробоя направления позволяет значительно увеличить дальность связи телекоммуникационных систем и может быть использована в качестве приемной антенны для СВЧ излучения измерительно-информационных и телекоммуникационных систем.
7. Результаты исследования стойкости оптических волокон и кабелей на их основе к внешним воздействиям, как сезонные изменения температур, механические усилия могут быть рекомендованы для использования при прокладке и эксплуатации оптических кабелей связи.
8. Сведения о форме индикатрисы рассеяния оптического излучения от поверхностей необходимы для интерпретации наблюдаемых изображений объектов в измерительно-информационных системах.
Практическая значимость подтверждена актами внедрения и использования результатов диссертационной работы.
Апробация. Результаты, включенные в диссертацию, были представлены и обсуждались на: III Всесоюзном совещ. по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1985), научно-практическом семинаре по электрофизике горения (Караганда, 1985), VIII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1986), IX Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1986), конф. Нелинейное взаимодействие мощного лазерного излучения с твердым аэрозолем (Барнаул, 1986), XIV Всесоюзной конф. Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем (Одесса, 1986), XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987), научно-технической конф. Радиофизические исследования свойств среды (Омск, 1987), конференции Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде (Томск, 1988), конф. Применение лазеров в науке и технике (Омск, 1988), XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988), III Всесоюзном совещ. по физике низкотемпературной плазмы с КДФ (Одесса, 1988), конф. Нелинейные и когерентные эффекты в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Кировоград, 1988), конф. Физика и техника монодисперсных систем (Москва, 1988), конф. Нелинейная оптика и оптоакустика атмосферы (Томск, 1988), X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1989), V Всесоюзной конф. По физике газового разряда (Омск, 1990), Международной конф. Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах (Томск, 1998), Межрегиональной конф. Наукоемкие технологии двойного назначения и механизмы их реализации на предприятиях ВПК (Томск, 1999), конф. Оптические сети связи в России: наука и практика (Москва, 2002), VI Всероссийской научно-технической конф. (НЛовгород, 2002).
Материалы диссертации обсуждались научных семинарах ГОУ ВПО "СибГУТИ".
Параметры открытого оптического канала связи для теле коммуникационных и информационно-измерительных систем
Работы, направленные на использование лазеров в системах связи начались сразу после их изобретения. В 1965 году в СССР была испытана и начала свою работу первая экспериментальная АОЛС длиной 4,5 км. С разработкой и выпуском опытной партии аппаратуры АОЛС, получившей название "Кратер", были сооружены несколько экспериментальных действующих атмосферных оптических линий, протяженностью до 28 км. Надежность АОЛС в обеспечении связи составляла в среднем 0,96 - 0,97 [91]. Основной причиной отказов являются энергетические потери из-за поглощения и расходимости пучка, вследствие как непосредственного взаимодействия пучка фотонов с молекулами атмосферы, так и взвешенными частицами (аэрозолями) и атмосферными осадками.
Основными факторами, оказывающими влияние на параметры надежности АОЛС, являются: влияние молекулярного поглощения; рэлеевское рассеяние оптического сигнала в атмосфере; аэрозольное ослабление; влияние турбулентности; нелинейные эффекты распространения; фоновые помехи от посторонних источников в атмосфере.
Исследованиям вопросов распространения оптического излучения в ат мосфере посвящено большое количество публикаций [2, 92 - 96, 100, 103]. Выявлено, что энергетические потери оптического сигнала из-за аэрозольно го и молекулярного (рэлеевского) рассеяния являются одним из главных фак торов, определяющих искажение сигнала. Ниже рассмотрим факторы, оказы вающие влияние на параметры атмосферных каналов оптической связи.
Известно, что атмосфера в основном состоит из азота, кислорода и аргона. Следы многих других газов не оказывают сколько-нибудь существенного влияния на распространение видимых и инфракрасных волн [2, 96 - 98]. Уменьшение давления с высотой достаточно хорошо описывается экспоненциальным законом. Концентрация водяного пара чрезвычайно изменчива во времени и пространстве. Однако, с увеличением высоты (до 10 км) концентрация водяного пара убывает [99].
Учесть молекулярное поглощение можно двумя путями: составить физическую модель атмосферы, получить экспериментальные данные и экстраполировать их. При расчете оптических атмосферных линий связи выбирается так называемое "окно" прозрачности атмосферы, в котором будет работать оптико-электронный прибор [1,100].
Прозрачность атмосферного канала оптической связи количественно можно охарактеризовать метеорологической дальностью видимости SM (МДВ). МДВ и коэффициент ослабления оптического излучения ад на волне X = 0,55 мкм связаны соотношением Кошмидера [101]: _ Ins 4,34 In є SM= f = 0-1) КМ км где є = 0,02 - 0,05 - порог контрастной чувствительности глаза наблюдателя на этой волне. Данное соотношение можно распространить и на ближнюю ИК область, при отсутствии селективного молекулярного поглощения. При инструментальном способе МДВ выбирается равным 0,05 [101].
В случае использования в качестве передающих элементов лазеров, необходимо с большой точностью знать спектр излучения лазера, спектр поглощения атмосферы на выбранном участке и закон изменения спектра излучения лазера от воздействия внешних возмущений (изменение давления, нагрев рабочего тела) [102].
Рэлеевским называют когерентное рассеяние света на оптических неод-нородностях, размеры которых значительно меньше длины возбуждающего света, в том числе и на наиболее мелких пылинках (размерами менее 0,01 мкм). Энергетические потери оптических сигналов, обусловленные молекулярным рассеянием, могут быть определены с большой точностью, если известно распределение плотности по высоте. Обычно принято считать, что до высот 30 км достаточно хорошо выполняется условие стандартной модели атмосферы, поэтому проблема количественной оценки указанных потерь считается решенной. На больших высотах плотность атмосферы может существенно изменяться в зависимости от места и времени, соответственно будут изменяться и коэффициенты молекулярного рассеяния [103]. Однако при любом изменении всегда необходимо быть уверенными в том, что энергетическими потерями за счет рэлеевского рассеяния в инфракрасной области можно пренебречь.
В результате исследований установлено, что в приземном слое атмосферы можно выделить несколько типов оптической погоды [104]: дымка, для которой типичны метеорологической дальности видимости более 3 км; туманная дымка, с характерными значениями метеорологической дальности видимости 1-3 км; и облака с метеорологической дальностью видимости менее 1 км. В состоянии дымки и туманной дымки приземный слой атмосферы находится в 90% времени. При наличии дымки процесс распространения оптических пучков в атмосфере можно описать, имея всего три оптические характеристики: коэффициент ослабления, коэффициент рассеяния, и индикатриса рассеяния. Оптические характеристики атмосферного канала оптической связи связаны с такими явлениями как турбулентность, аэрозоли естественного и антропогенного происхождения.
Расчет интенсивности осадков, вызывающих срыв цифровой связи по оптическому атмосферному каналу
Известно [197], что сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон это частотный диапазон электромагнитного излучения соответствующий длинам волн от 30 см до 1 мм (диапазон дециметровых и сантиметровых волн). Так как по длине волны излучение СВЧ - диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, то оно обладает некоторыми свойствами, как света, так и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ - устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз. Все это привело к тому, что радиоволны СВЧ - диапазона нашли широкое распространение в системах связи [197,198].
Так как радиоволны СВЧ - диапазона распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, расположенных друг от друга с интервалами около 50 км при этом используются параболические или рупорные антенны [199,200].
СВЧ - антенны отличаются большим разнообразием необычных форм. Размер антенны приблизительно пропорционален длине волны сигнала, а поэтому для СВЧ - диапазона вполне приемлемы конструкции, которые были бы слишком громоздки на более низких частотах.
В конструкциях многих антенн учитываются те свойства СВЧ - излучения, которые сближают его со светом. Типичными примерами могут служить рупорные антенны, параболические отражатели, металлические и диэлектрические линзы. Применяются также винтовые и спиральные антенны, часто изготавливаемые в виде печатных схем [201].
Группы щелевых волноводов можно расположить так, чтобы получилась нужная диаграмма направленности для излучаемой энергии. Часто применяются также диполи типа хорошо известных телевизионных антенн швы шающие направленность за счет интерференции [202 - 204]. СВЧ - антенны обычно проектируют так, чтобы они были предельно на правленными, поскольку во многих СВЧ - системах очень важно, чтобы энергия передавалась и принималась в точно заданном направлении. Направленность антенны возрастает с увеличением ее диаметра. Но можно уменьшить антенну, сохранив ее направленность, если перейти на более высокие рабочие частоты [203].
В СВЧ, охватывающих дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны, для радиорелейных линий связи, радиолокации, космических линий связи, радиоастрономии и др. широко применяют синфазные поверхностные антенны. По принципу действия такие антенны подобны синфазной многовибраторной решетке и отличаются только тем, что они состоят не из дискретных излучающих элементов (вибраторов), а представляют собой сплош ную плоскую поверхность, на которой возбуждено синфазное электромагнитное поле. Синфазная поверхность, так же как и синфазная решётка, имеет максимальное излучение в направлении, перпендикулярном к поверхности, и диаграмму направленности, суживающуюся по мере увеличения площади поверхности. Коэффициент направленного действия (КНД) определяется по приближенной формуле: D = k4lS/X2 (1.12) где S - площадь полотна А. (м ) Д - длина рабочей волны (м), к - коэффициент, учитывающий влияние земли, расстояние между вибраторами, длину плеч вибраторов. Коэффициент к в данном случае называют коэффициентом использования поверхности.
Например, для синфазных коротковолновых антенн к находится в диапазоне 2-3, а КНД синфазных коротковолновых антенн достигает нескольких сотен и даже тысяч, а кпд, при этом, близок к 1.
В диапазоне СВЧ не принято учитывать влияние земли при определении КНД антенн. Вследствие этого при идеально плоской, синфазно и равномер но возбуждённой поверхности коэффициент к равен 1. В реальных антенных устройствах из-за неравномерности возбуждения, отступления от синфазно сти и утечки части энергии мимо основной излучающей поверхности коэффициент к составляет 0,4-0,8. Как следует из формулы, при заданной площади излучающей синфазной поверхности антенн КНД увеличивается обратно пропорционально квадрату длины волны. Это обстоятельство привело к тому, что в области СВЧ применяют антенны с большими КНД, доходящими до сотен тысяч и миллионов. Для создания синфазно возбуждённой поверхности широко заимствуют технические приёмы из области оптики и электроакустики. Набольшее распространение получили антенны: 1. рупорные и их различные модификации [201,205,206], 2. линзовые [201,205], 3. зеркальные (параболические) [200],
Экспериментальный стенд для моделирования в лабораторных условиях очага оптического пробоя в атмосферном канале телекоммуникационных и информационно-измерительных систем
Основу экспериментальной установки составляет термобарокамера объ емом 5,5 м3, длиной 3,4 м и диаметром 1,6 м [65]. Термобарокамера (ТБК) предназначена непосредственно для исследований распространения оптического излучения и плазмы оптического пробоя атмосферы в искусственных образованьях, состоящих из туманов испарения и распыления различных водных растворов и твердых аэрозолей при изменяющихся давлениях и температурах. Экспериментальный комплекс создавался непосредственно автором на базе Института оптики атмосферы СО РАН.
ТБК позволяет создавать контролируемую атмосферу со следующими параметрами: давление от 0,05 до 2280 Торр, температура среды от 283 до 223 К; влажность от 0 до 99,9%. В ее состав входит собственно термобарокамера, система трубопроводов с запорной арматурой, шкаф управления и щит контроля за метеопараметрами во внутренней полости ТБК. Камера и трубопроводы смонтированы из отдельных элементов металлоконструкций, соединенных между собой сварными и болтовыми соединениями с прокладками. Трубопроводы снабжены соответствующими вентилями с ручным приводом. Закрытие приборного люка камеры осуществляется вручную с помощью накидных болтов.
Для ввода (вывода) излучения, для установки диагностической аппаратуры и визуального наблюдения внутренней полости ТБК снабжена 10 фланцами со стеклянными, кварцевыми и из КРС-6 окнами. Электроснабжение для освещения, подключения размещенной внутри аппаратуры, подогрева окон и оптических элементов устройств осуществляется через 4 гермоввода.
На рис. 3.1 приведена структурная схема, а на рис. 3.2 - внешний вид комплекса для изучения оптического пробоя воздуха.
Электроионизационный импульсный СОг-лазер с перестраиваемой длительностью импульса излучения собран по известной схеме и разработан был в Институте сильноточной электроники СО РАН [217]. Его активная среда возбуждалась с помощью электронного пучка плотностью 2 А/см3 и длительностью 1 мкс от ускорителя прямого действия. Катод работал в режиме взрывной эмиссии. Импульс напряжения 360 кВ подавался на ускоритель от высоковольтного ускорителя, собранного по схеме Маркса.
Излучение от С02-лазера фокусировалось в ТБК с помощью параболического зеркала 10, фокусное расстояние которого составляло 50 мм. Измерение мощности производилось с помощью прибора ИМО-2Н, а форма импульса контролировалась по осциллографу С8-14 от фотоприемника СВОД. Время свечения плазмы фиксировалось на осциллографе С8-14 от ФЭУ-62. Состав газовой смеси регулировался с помощью газовой рампы 12, а контроль метеопараметров осуществлялся с пульта 16.
Контроль концентрации частиц производился оптическим методом путем измерения коэффициента ослабления луча He-Ne - лазера. Для увеличения точности и расширения диапазона измерения концентраций частиц реализуется десятикратный проход излучения через исследуемую среду с помо щью системы зеркал, покрытых алюминием. Концентрация облучаемых частиц вычислялась по формуле: где Ксс - эффективный коэффициент ослабления [218]; А - измеренный коэффициент ослабления He-Ne-лазера; а - среднеквадратичный радиус аэрозольных частиц.
Для наполнения ТБК различными чистыми газами и создания смесей газов в различных пропорциях (вплоть до состава атмосферного воздуха) камера ТБК снабжена газораспределительной рампой с газобаллонной системой.
Измерение давления в камере, температуры и влажности воздуха осуществлялось с помощью самописцев КСД-3, КСМ-4 с термопарами ТХК (по ГОСТ 6616-74), гигрометрами "Волна-1 М" соответственно и оптическим влагомером.
Дополнительный контроль метеопараметров осуществлялся барографом типа М-22АС, термографом М16АС и гигрографом М21АС. Подстройка производилась по показаниям образцовых приборов. На рис. 3.3 показана схема размещения приборов для контроля за метеопараметрами среды.
Для измерения влажности воздуха в области инициирования плазмы оптического пробоя была разработана соответствующая методика и изготовлен прибор [38]. На рис. 3.3 показано размещение оптического влагомера для измерения влажности в локальном объеме с помощью фокусирующего зеркала 6, а на рис. 3.4 приведена его структурная схема.
Взаимодействие потока лазерного излучения телекоммуникационных и информационно-измерительных систем с аэрозолями в атмосферном канале распространения
При формировании открытых оптических линий связи телекоммуникационных и информационно-измерительных систем по атмосферным каналам желательно априори оценить возможные искажения, ограничивающие, например, скорость передачи. На атмосферных трассах основным искажающим фактором являются аэрозольные системы и турбулентности разных масштабов, связанные с ветром и локальными перегревами воздуха. Оценку диапазона ограничений на информативность открытых линий связи, обусловленные атмосферными аэрозолями можно путем определения их характеристик: распределения по размерам аэрозольных частиц и распределения в пространстве вещества аэрозольных систем. Для этого необходимы дистанционные и отборные экспресс - методы диагностики аэрозолей.
Информативность изображений, формируемых дистанционно с помощью информационно-измерительных систем, зависит не только от состояния открытого информационного канала, но и от характеристики поверхности самого объекта наблюдения. Одной наиболее важной из характеристик, оказывающих влияние на информативность изображения, является индикатриса рассеяния - распределение по углам потока падающего на него излучения. Поэтому немаловажное значение имеет и пространственная ориентация различных участков поверхности относительно потока подсвечивающего излучения.
Глава посвящена разработке методов и средств для определения гранулометрического состава аэрозольных систем. Приведены результаты разработки приборов и методов регистрации потоков рассеянного излучения от аэрозольных систем. Приведены результаты калибровки разработанных устройств для диагностики параметров аэрозольных частиц.
Одним из наиболее простых интегральных методов определения гранулометрического состава аэрозолей является метод малых углов. Малоугловая индикатриса рассеяния на дисперсных частицах, имеющих размеры более длины волны зондирующего излучения, может быть вычислена по простым формулам, учитывающим дифракцию оптического излучения. Малоугловая индикатриса рассеяния допускает решение обратной задачи рассеяния лазерного излучения в аналитическом виде. При этом, чем больше диаметр дисперсных частиц, тем ближе к 0 (направление прошедшего излучения) характерные особенности индикатрисы рассеяния лазерного излучения.
Дж. Ми впервые получил общее решение задачи о рассеянии оптического излучения для сферических однородных частиц любых размеров и любых показателей преломления, в том числе для поглощающих частиц. Полученные Дж. Ми соотношения для интенсивности рассеянного потока и для коэффициентов рассеяния и ослабления содержат бесконечное число членов произведений шаровых и цилиндрических функций. Эти формулы не обладают наглядностью и не позволяют непосредственно анализировать закономерности рассеяния. Закономерности рассеяния могут быть выявлены путем проведения численных вычислений. Физический смысл решения Ми состоит в том, что рассеянный аэрозольной частицей оптическое излучение может рассматриваться как бесконечная сумма излучений колеблющихся электрических и магнитных полей.
Дж. Ми показал, что число членов, которое необходимо принимать во внимание из бесконечного ряда, возрастает с увеличением размера частицы и для больших частиц стремится к р=2ягА,, где г- радиус частицы. Таким образом, при рассеянии существен не абсолютный размер (радиус) частицы, а параметр дифракции, характеризующий соотношение между радиусом частицы и длиной волны излучения в среде. Теория Рэлея является частным случаем общего решение Ми, когда можно ограничиться излучением электрического диполя или первой парциальной волной (для мельчайших аэрозольных частиц).
Теория Ми широко использовалась для объяснения окраски коллоидных систем. Для этого производились вычисления спектрального хода коэффициента ослабления и рассеяния дисперсных частиц равных размеров, находящихся в средах с различными показателями преломления. При этом выявились спектральные закономерности зависимости рассеяния от размеров аэрозольных частиц:
1. С увеличением радиуса частиц зависимость рассеяния от длины волны ослабляется (показатель степени X уменьшается, по сравнению с Рэлеев-ской). Наблюдается прохождение коэффициента рассеяния через максимум, положение которого смещается в сторону больших X при увеличении размеров частиц. Рассеяние излучения на очень крупных частицах спектрально не избирательно.
2. Ослабляется зависимость интенсивности рассеяния (коэффициента рассеяния) от размера частицы. Не сохраняется пропорциональность 6-й степени г. Показатель степени г уменьшается с увеличением X и в предельном случае (очень крупные частицы) равен 2, то есть коэффициент рассеяния очень крупных частиц пропорционален их площади сечения.
3. Нарушается симметрия индикатрисы (всё большая часть света рассеивается вперёд), изменяются соотношения поляризации рассеянного света. Ослабление света при прохождении через слой оптически тонкой среды происходит по экспоненциальному закону (закон Бугера). Величина коэффициента ослабления слоя возрастает с увеличением размеров частиц, достигает максимального значения и затем падает. Непрозрачность (мутность) гетерогенного слоя меньше в случае мелких и крупных частиц и максимальна при некотором промежуточном размере.
