Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Особенности реализации волоконно-оптических аналоговых и цифровых преобразователей перемещения систем управления
1.1 Преобразователи линейных и угловых перемещений как элементы систем управления. Обзор и классификация
1.2 Общая характеристика основных элементов волоконно-оптических преобразователей угловых и линейных перемещений. Влияние условий эксплуатации на их характеристики
1.3 Особенности построения многоканальных систем сбора и передачи информации измерительных преобразователей 38 перемещения для систем управления, контроля и измерения
Выводы к главе 1 47
ГЛАВА 2. Исследование процессов в многокомпонентных волоконно-оптических аналоговых и цифровых преобразователях перемещения со спектральным уплотнением
2.1 Обобщенная математическая модель оптоэлектронного тракта волоконно-оптических преобразователей угловых и линейных перемещений 48
2.2 Математическое моделирование процессов в аналоговых ВОПП-МОС
2.3 Математическое моделирование процессов в цифровых ВОПП-МОС
Выводы к главе 2 81
ГЛАВА 3. Метрологический анализ волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением
3.1 Метрологический анализ аналоговых и цифровых ВОПП-МОС
3.2 Методы повышения точности и стабильности аналоговых и цифровых ВОПП-МОС
3.3 Исследование динамических характеристик аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением 91
3.4 Особенности юстировки аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением 95
Выводы к главе 3 99
ГЛАВА 4. Синтез и методики проектирования волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением
4.1 Синтез аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения
4.2 Особенности построения систем сбора и передачи информации с ВОГТП-МОС 112
4.3 Методика расчета параметров аналогового ВОПП-МОС 118
4.4 Методика расчета параметров цифрового ВОПП-МОС 128
Выводы к главе 4 134
ГЛАВА 5. Конструктивные и схемотехнические особенности построения оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением
5.1. Конструктивные и схемотехнические особенности построения аналоговых и цифровых ВОПП-МОС
5.2 Экспериментальные исследования аналоговых и цифровых ВОПП-МОС
5.3 Особенности практического применения аналоговых и цифровых ВОПП-МОС в системах управления, контроля и измерения
Выводы
- Общая характеристика основных элементов волоконно-оптических преобразователей угловых и линейных перемещений. Влияние условий эксплуатации на их характеристики
- Обобщенная математическая модель оптоэлектронного тракта волоконно-оптических преобразователей угловых и линейных перемещений
- Особенности юстировки аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением
- Особенности построения систем сбора и передачи информации с ВОГТП-МОС
Введение к работе
Известно, что применение оптоэлектроники позволяет добиться высоких метрологических характеристик первичных преобразователей, их устойчивости к электромагнитным воздействиям, создавать помехоустойчивые каналы связи, элементы практически идеальной гальванической развязки измерительных, управляющих и силовых цепей [24, 61, 62]. Вопросам разработки и применения оптоэлектронных преобразователей, элементов и устройств посвящено большое количество работ. Создана теоретическая и практическая базы оптоэлектронных первичных преобразователей, устройств вычислительной техники и систем управления. Изучению проблем построения оптоэлектронных датчиков перемещения посвящены труды отечественных и зарубежных ученых Гитиса Э.И., Гречишникова В.М., Домрачева В.Г., Конюхова Н.Е., Леоновича Г.И., Матюнина С.А., Преснухина Л.Н., Удалова Н.П., Huang Y.S., Okosi T.I. и др. Разработке и производству оптоэлектронных датчиков перемещения уделяют внимание отечетсвенные и зарубежные производители, такие как: ЛОМО, ЛИТМО, СКБ ИС, Allen Bradley, Siemens, Kuebler, Honeywell и др.
Современное состояние отечественной авиационной промышленности диктует необходимоть создания качественной, конкурентоспособной и надёжной продукции, что невозможно без создания новых двигательных установок, планеров, без совершенствования систем автоматического управления (САУ) воздушных и космических летательных аппаратов (ЛА), совершенствования элементной базы САУ, в том числе первичных преобразователей.
Среди известных типов измерительных преобразователей, применяемых в САУ, широкое распространение получили волоконно-оптические преобразователи. Применение волоконно-оптических преобразователей позволяет строить более помехоустойчивые и быстродействующие системы в сравении с существующими. Но такие датчики подвержены влиянию внешних дестабилизирующих воздействий (температуры, деградации характеристик оптических элементов и т.д.). Несмотря на принимаемые меры защиты, остается высокой чувствительность оптоэлектронного тракта к загрязнению, изменению степени поглощения излучения оптической системой (ОС). Даже волоконно-оптические датчики, не содержащие полупроводниковых элементов, остаются чувствительными к возникающему во время эксплуатации загрязнению ОС, к изменению степени поглощения в канале связи, к временным изменениям характеристик элементов. Стабилизация характеристик оптической системы путем введения дополнительного оптического канала обратной связи не дает особого эффекта, так как требует идентичности изменения под влиянием внешних дестабилизирующих факторов (ВДФ) характеристик основного и дополнительного каналов.
Эффективным выходом из сложившейся ситуации является использование измерительных преобразователей перемещения на основе многокомпонентных оптических спектрально-селективных структур (ВОГШ-МОС). В ВОПП-МОС удается добиться существенного снижения чувствительности к ВДФ: изменению температуры, деградации характеристик оптоэлектронных элементов и свойств оптической системы. Для ВОПП-МОС характерно: высокая чувствительность к информативным параметрам, сравнительная простота оптомеханического узла, большая светосила, высокая точность и стабильность. Однако возможность их широкого применение ограничивается сложностью технологии изготовления и отсутствием достаточных для инженерной деятельности математических моделей и инженерных методик проектирования.
Другой особенностью использования волоконно-оптических измерительных преобразователей в САУ является наличие большого количества контролируемых параметров, что приводит к необходимости применения значительного количества первичных преобразователей различных физических величин. Так как измерительные преобразователи, за редким исключением, не имеют спектральномодулированного выходного сигнала, то для согласования с волоконно-оптическими линиями связи необходимо преобразовать их электрические сигналы в оптические и осуществить их спектральное разделение и уплотнение. В результате возникают существенные проблемы в волоконно-оптическом канале связи преобразователей с вычислительно-управляющим центром.
Проведенные исследования систем управления современных летательных аппаратов (ЛА) показывают, что более 80% их измерительных преобразователей представляют собой преобразователи перемещения резистивного типа с погрешностью 3—4%, а масса кабелей связи преобразователей с бортовой САУ доходит до 300 кг. Замена этих преобразователей перемещения на более точные и стабильные волоконно-оптические и замена электрических кабелей связи на волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют: снизить массу ЛА на 350-400 кг, увеличить дальность полета на 9%, повысить тактико-технические характеристики самолета [55, 63, 109].
Существующие современные системы сбора и передачи измерительной и управляющей информации на основе волоконно-оптических линий связи являются наиболее рациональными элементами приемо-передающих трактов благодаря высокой устойчивости оптоволоконных элементов к электромагнитным помехам, разрушающим факторам окружающей среды (химическим, радиационным, температурным и др.), а также в связи с возможностью сверхскоростной передачи результатов измерений и команд управления.
Особую значимость приобретает возможность установки в сетевой структуре оптических и волоконно-оптических пространственно разнесенных измерительных преобразователей физических величин на принципах последовательного, параллельного и комбинированного опроса. Такие преобразователи могут работать в условиях высокой взрыво- и пожароопасное, имеют высокие метрологические характеристики, обладают высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малой массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при малой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. На их основе в США, Японии и Китае созданы и практически применяются волоконно-оптические контрольно-измерительные сети на принципах мультиплексирования сигналов волоконных чувствительных элементов [73, 106].
Однако из-за сложности мультиплексирования, связанной с температурной и акусто-механической нестабильностью оптических мультиплексоров и демультиплексоров, число измерительных преобразователей, реально интегрированных в состав таких сетей, невелико, что существенно ограничивает область практического применения и не позволяет создать унифицированные средства. В качестве примера можно привести экспериментальные измерительные комплексы FTSO TECHNOLOGIES (Канада), Blue Road Research (США), Oregon Department of Transportation (США), SOFO (Japan). Среди российских разработок можно указать интерферометрическую волоконно-оптическую измерительную систему «Дозор» и распределенную волоконно-оптическую измерительную систему, разработанные «Лабораторией цифровых методов обработки сигналов» при «Московском государственном техническом университете им Н.Э. Баумана», измерительную интерферометрическую систему «Электроника-2000А», выпускаемую НІЖ ПО «Научно-производственный комплекс прецизионного оборудования» [63].
Все перечисленные разработки имеют узкую специализацию и ограниченные возможности по наращиванию, масштабированию и длительной эксплуатации. В частности, входящие в них полупроводниковые оптоэлектронные элементы характеризуются низкой температурной стабильностью (0,2-2%/С) и высокой скоростью деградации энергетических характеристик (0,1-0,5%/100 ч), что существенно снижает эксплуатационную надежность и точность таких систем в бортовых комплексах ЛА [55].
В то же время использование в системах автоматического управления ВОПП-МОС позволит реализовать SCADA—системы на основе аналоговых и цифровых измерительных преобразователей угловых и линейных перемещений, содержащих простые оптомеханические кодомодулирующе узлы, полосовые интерференционные светофильтры, многокомпонентные оптоэлектронные системы и элементы с встроенной функцией спектрального уплотнения информации. В таких преобразователях путем расчета топологической схемы кодирующего узла и конструктивных оптических элементов формируется алгоритмическая маска спектрального взаимодействия, реализующая спектральное уплотнение информации без введения дополнительных мультиплексирующих и других оптоэлектронных и электронных элементов и устройств. Выходной оптический сигнал ВОПП-МОС модулирован по спектру излучения, что упрощает согласование множества датчиков с волоконно-оптическими линиями связи и позволяет комбинировать множество преобразователей перемещения на одну волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) без использования специальных мультиплексоров.
Таким образом, актуальность решаемой проблемы определяется: - потребностью различных областей техники в стабильных и точных волоконно-оптических датчиках и устройствах со спектральным уплотнением для систем управления; - отсутствием точных математических моделей и инженерных методик, позволяющих реализовать стабильные и точные оптоэлектронные преобразователи перемещения и устройства со спектральным уплотнением.
Цель диссертационной работы - разработка положений теории функционирования, теоретическое и экспериментальное исследования и разработка волоконно-оптических аналоговых и цифровых преобразователей перемещения на основе оптических спетрально-селективных структур со спектральным уплотнением для систем управления.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, теории дифракции, численные методы анализа и синтеза.
Решаемые задачи.
1. Разработка и исследование математических моделей аналоговых и цифровых ВОПП-МОС;
2. Разработка алгоритмов и программ расчета и оптимизации характеристик ВОПП-МОС;
Проработка вариантов компоновки ВОПП-МОС и структурных схем вторичных преобразователей;
Анализ и оптимизация метрологических характеристик аналоговых и цифровых ВОПП-МОС;
Разработка инженерных методик расчета аналоговых и цифровых ВОПП-МОС;
6. Экспериментальные исследования макетных образцов ВОПП-МОС. Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований макетных образцов ВОПП-МОС, созданных с использованием разработанных математических моделей и структурных схем и совпадением результатов экспериментальных исследований и математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан способ преобразования углового перемещения, заключающийся в том, что перемещение контролируемого объекта преобразуют в изменение степени взаимного перекрытия спектральных характеристик спектрально-селективных элементов (ССЭ), а изменение степени взаимного перекрытия спектральных характеристик преобразуют фотоприемником в соответствующее изменение электрического сигнала;
Разработана математическая модель формирования выходного сигнала произвольного разряда цифрового ВОПП-МОС, кодовый диск которого выполнен в виде планарного набора разношаговых дифракционных элементов, учитывающая взаимное влияние соседних дифракционных элементов кодового диска и конструктивных параметров преобразователя па его характеристики и позволяющая совместить функции позиционного кодирования и спектрального уплотнения;
Разработана математическая модель аналогового ВОПП-МОС, спектрально-селективные элементы которого выполнены в виде дифракционных решеток с переменным шагом, позволяющая линеализировать позиционную характеристику преобразователя и учесть влияние конструктивных параметров на его характеристики;
Разработаны математические модели аналоговых ВОПП-МОС, спектрально-селективные элементы которых выполнены в виде узкополосных фильтров, учитывающие влияние параметров волоконно-оптических линий связи и узкополосных фильтров на его характеристики.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
Разработаны методики расчета параметров аналоговых и цифровых ВОПП-МОС для систем управления со спектральным уплотнением, позволяющие разработать их оптимальные конструкции;
Разработан вариант формирования кодового диска цифрового ВОПП-МОС, выполненного в виде планарного набора разношаговых дифракционных элементов, позволяющий совместить функцию позиционного преобразования и спектрального уплотнения;
Разработаны экспериментальных стендах, позволяющие проводить исследования основных характеристик аналоговых и цифровых ВОПП-МОС; - Разработаны алгоритм и программа анализа характеристик ССЭ аналоговых и цифровых ВОПП-МОС, позволяющие автоматизировать процесс исследований; - Разработаны алгоритм и программа аппроксимации спектральных характеристик оптоэлектронных элементов и ССЭ функциями Гаусса, позволяющие получить аналитическое решение задач анализа и синтеза ВОПП-МОС. - Во внедренных экспериментальных образцах ВОПП-МОС. На защиту выносятся следующие положения:
Способ преобразования углового перемещения на основе многокомпонентных оптических спектрально-селективных элементах;
Математическая модель формирования выходного сигнала произвольного разряда цифрового ВОПП-МОС, кодовый диск которого выполнен в виде планарного набора разношаговых дифракционных элементов, совмещающих функции позиционного кодирования и спектрального уплотнения;
Способ формирования кодового диска цифрового ВОПП-МОС в виде планарного набора разношаговых дифракционных элементов;
Математическая модель аналогового ВОПП-МОС, спектрально-селективные элементы которого выполнены в виде дифракционных решеток с переменным шагом;
Математическая модель аналогового ВОПП-МОС, спектрально-селективные элементы которого выполнены в виде узкополосных фильтров
Инженерные методики расчета, рекомендации, результаты анализа, расчетов и экспериментальных исследований.
Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе теоретические положения, математические модели, методики, конструкции и алгоритмы внедрены в: проектно-конструкторскую деятельность ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (рекомендованы к использованию в бортовой аппаратуре современных самолетов, в том числе в системах автоматического управления и цифровых измерителях); аппаратуру наземного испытательного комплекса (ФГУП П-Ш РКЦ ЦСКБ-Прогресс, г. Самара); в технологический процесс ООО «СЭД-Сызрань»; учебный процесс ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева».
Теоретические и экспериментальные результаты использованы при проведении исследований в рамках НИОКР «Разработка теоретических основ, моделирование и исследование управляемых элементов дифракционной оптики», выполняемой Самарским государственным аэрокосмическим университетом в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)».
Апробация работы. Результаты работа докладывались, обсуждались и были одобрены на: - Международных НТК:
1) «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Москва, 2007);
2) «Современные направления теоретических и прикладных исследований — 2007» (Одесса, 2007);
3) «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте - 2007» (Одесса, 2007);
4) «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития - 2008» (Одесса, 2008 г.); - Всероссийских НТК:
1) «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2008, 2009);
2) «Всероссийская конференция по волоконной оптике» (Пермь, 2009); - НТК молодежи:
1) «Инновационные разработки — основа создания мирового лидирующего продукта в ракетно-космической отрасли» (Самара, 2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 статей, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение (способ и устройство).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, списка использованной литературы из 110 наименований, перечня основных сокращений, принятых в работе, 4 приложений, содержит 81 рисунок и 10 таблиц.
Общая характеристика основных элементов волоконно-оптических преобразователей угловых и линейных перемещений. Влияние условий эксплуатации на их характеристики
Современные самолеты, особенно сверхзвуковые, имеют большой диапазон изменения высоты и скорости полета, что обусловливает невозможность обеспечения с помощью конструктивных способов управляемости ЛА на всех режимах полета. Кроме того, современные подходы к формированию самолета нового поколения акцентируют внимание на том, что сам самолет является частью комплексной системы, способной получать информацию об окружающей ее обстановке как самостоятельно, так и от других источников, а также передавать эту информацию другим пользователям [17, 38]. Согласно существующей концепции, самолет пятого поколения должен отвечать следующим требованиям [3, 17]: 1) многофункциональность, то есть высокая эффективность при поражении воздушных, наземных, надводных и подводных целей; 2) наличие круговой информационной системы; 3) освоение крейсерских режимов полета на сверхзвуковых скоростях; 4) кардинальное уменьшение заметности самолета в радиолокационном и инфракрасном диапазонах в сочетании с переходом бортовых датчиков на пассивные методы получения информации, а также на режимы повышенной скрытности; 5) способность осуществлять всеракурсный обстрел целей в ближнем воздушном бою, а также вести многоканальную ракетную стрельбу при ведении боя па большой дальности; 6) автоматизация управления бортовыми информационными и помеховыми системами; 7) повышенная боевая автономность за счет установки в кабине одноместного самолета индикатора тактической обстановки с возможностыо микширования информации (то есть одновременного вывода и взаимного наложения в едином масштабе «картинок» от различных датчиков), а также использования систем телекодового обмена информацией с внешними источниками; 8) аэродинамика и бортовые системы должны обеспечивать возможность изменения угловой ориентации и траектории движения самолета без сколько-нибудь ощутимых запаздываний, не требуя при этом строгой координации и согласования движений управляющих органов; 9) самолет должен «прощать» грубые погрешности пилотирования в широком диапазоне условий полета; 10) самолет должен быть оснащён автоматизированной системой управления на уровне решения тактических задач, имеющей экспертный режим «в помощь летчику». Эти требования приводят к необходимости контроля различных физических параметров и процессов с применением разнообразных систем управления и регулирования, способных работать совместно. Основными источниками получения информационных сигналов в системах управления являются измерительные преобразователи. Все измерительные преобразователи в существующих в настоящее время СУ самолетов имеют резервирование от 2 до 4 (редко не имеют резервирования), стабильные метрологические характеристики (погрешность от 0,05 до 4 %), высокую надежность в условиях воздействия вибрации и ударов до 10000 м/с2 и функционируют в жестких климатических и эксплуатационных условиях: температурный режимы эксплуатации от -60 до +250С, повышенная влажность и т. д. Кроме того, такие измерительные преобразователи должны иметь возможность диагностирования своего технического состояния. Все это требует определенных конструкторско-технологических решений и ограничений [14, 44]. Новым направлением в разработке элементов авиационных систем управления является создание оптоэлектронных измерительных преобразователей, отличительными чертами которых являются: - отсутствие воздействия на объект измерения; - высокая устойчивость к электромагнитным помехам; - высокое быстродействие; - возможность снижения массо-габаритных показателей. Система сбора и передачи информации (ССПИ) обеспечивает одновременный и взаимно независимый сбор и передачу по одному каналу связи информации от нескольких измерительных преобразователей. Система воздушных сигналов предназначена для выдачи основной пилотажной информации на указатели контрольно-измерительных приборов в кабине самолета и на бортовые системы управления. Системы управления современных самолетов выполняют следующие основные функции: - управление рулевыми плоскостями самолетов на всех этапах полета в ручном и автоматическом режимах; - определение предельно допустимых значений пилотажных парамсгров полета в соответствии с информацией о текущих загрузке и заправке, режиме полета и исправности взаимодействующих систем; - автоматический предстартовый контроль исправности и непрерывный полетный контроль с локализацией отказа и выдачи информации о результатах контроля; - управление тягой двигателей и вектором тяги двигателей; - устойчивость и управляемость самолета в процессе дозаправки топливом в воздухе; - поддержание комфортных режимов для экипажа в кабине (в салоне, для пассажирских самолетов) и др. Авиационные системы управления имеют в своем составе измерительные преобразователи различных физических величин (перемещения, давления, скорости, ускорения и др.) [14, 38, 44], более 80% которых представляют собой преобразователи перемещения резистивного типа с основной погрешностью 2—4%. Основные характеристики преобразователей перемещения, применяемых в САУ самолетов приведены в Приложении Б. Практически вся информация от измерительных преобразователей содержится в амплитуде их выходных сигналов, которая наиболее подвержена влиянию электромагнитных наводок и помех.
Обобщенная математическая модель оптоэлектронного тракта волоконно-оптических преобразователей угловых и линейных перемещений
При понижении температуры происходит смещение спектральной характеристики в направлении коротковолновой области, при повышении - в направлении длинноволновой. Это смещение происходит из-за изменения показателей преломления и толщины слоев при изменении температуры и носит обратимый характер. Из рисунка 1.11 видно, что интенсивность пропускания в максимуме изменяется мало. При изменении температуры на 100С ширина полосы пропускания изменяется в среднем на 0,5 % [107].
Учитывая чувствительность элементов волоконно-оптических преобразователей перемещения к дестабилизирующим факторам, сказывается на их стабильности, то для современных ЛА необходимо разрабатывать стабильные волоконно-оптические преобразователи.
Измерительные преобразователи и системы самолетов в процессе эксплуатации подвергаются влиянию внешних воздействий: изменению температуры и давления окружающей среды, механическим ударам, линейным ускорениям, вибрации, пыли, влажности и т. п.
Значение нормируемых параметров пониженного давления для оборудования ЛА устанавливают в зависимости от высотности высоты полёта этого самолета. Пониженное давление воздуха ухудшает отвод тепла от электрических узлов, усиливает испарение смазки трущихся механических частей, уменьшает электрическое напряжение пробоя изоляции [14, 38].
С подъемом на высоту происходит конденсация влаги и ее выпадение в виде росы, снега, инея. При этом осадки, попадая на приборы, отрицательно влияют на их работу, ускоряя коррозию металлических частей ЛА, понижая сопротивление электрической изоляции и т. д. Авиационные и космические приборы и системы подвержены влиянию механических воздействий: перегрузкам, турбулентным колебаниям атмосферы, ударам при взлете и посадке, вибрациям. Значение нормируемых параметров линейного ускорения при оценке прочности узлов крепления может достигать 10g (98 м/с"). В наибольшей степени к ионизирующему излучению восприимчивы волоконно-оптические элементы и полупроводниковые приборы. Результаты воздействий могут быть обратимыми и необратимыми. Часть радиационных дефектов со временем отжигается. Особо неблагоприятен крайний низкотемпературный режим (-60С), при котором не происходит отжиг радиационных дефектов [14, 38]. Авиационное оборудование в зависимости от размещения на ЛА можно разделить на оборудование, расположенное: а) в отсеках с регулируемой температурой; б) в отсеках с нерегулируемой температурой и в зонах, контактирующих с внешним потоком воздуха; в) в двигательных отсеках. Во всех случаях нижний предел рабочей температуры равен -60С (для космических ЛА нижний предел рабочих температур может быть и ниже -100С). Верхний предел для случая а) равен +60, для случая б) определяется режимом полета; для случая в) может достигать +300С. Скорость изменения температуры может достигать 10С/мин [14, 38].
Сильное влияние на характеристики волоконно-оптических преобразователей перемещения оказывают ионизирующее излучение, влажность, вибрационное воздействие, деградация характеристик оптоэлектронных элементов. Наблюдается высокая чувствительность оптоэлектронного тракта к загрязнению оптической системы, изменению степени поглощения излучения, радиационному воздействию. Даже волоконно-оптические преобразователи, не содержащие полупроводниковых элементов, остаются чувствительными к возникающему во время эксплуатации загрязнению оптической системы, к изменению степени поглощения, к временным изменениям характеристик элементов [53].
Для преобразователей перемещения, использующихся в САУ ТП, характерно наличие следующих дестабилизирующих факторов: относительно большой разброс температур окружающей среды (-30С...+80С), наличие вибрации, индустриальные помехи, запыленность, высокая влажность и т. д [63].
Таким образом, при разработке волоконно-оптических преобразователей перемещения следует учитывать необходимость их работу в жестких условиях эксплуатации (для САУ ЛА диапазон рабочих температур от -60С до +85С, относительная влажность до 98% и т. д.), поскольку для большинства оптоэлектронных элементов и устройств характерна низкая температурная стабильность. Применение температурной стабилизации зачастую лишает оптоэлектронную аппаратуру основного преимущества - гальванической развязки между измерительной и силовой цепями, усложняет конструкцию устройства.
Особенности юстировки аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральным уплотнением
Равномерное распределение оптических каналов систем WDM позволяет оптимизировать работу оптических транспондеров, перестраиваемых лазеров и других устройств систем спектрального уплотнения в оптической сети связи, а также облегчает возможность ее дальнейшего наращивания [1,2, 94, 99].
Кроме диапазонов, представленных на рисунке 1.15, для построения ССПИ 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 [94, 102]. Но, учитывая, что средняя длина самолета или космического аппарата не превышает 50... 100 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 (рисунок 1.16) [22, 40].
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 [22, 40]. Идеальное разделение канальных сигналов невозможно ни при одном из вышеуказанных способов уплотнений, так как реально имеют место переходные помехи между каналами. Переходные помехи обусловлены формированием групповых сигналов, искажением группового сигнала в линии передачи и несовершенством линии передачи.
Обозначим через Ц коэффициент взаимного мешающего действия j—го канала на і -ый канал. Тогда средняя мощность Р; переходных помех для і— ого канала от j-oro канала можно выразить []:
Если взаимное влияние каналов одинаково, то мощность канальных сигналов одинакова и, следовательно, одинаковы мощности помех в различных каналах. В этом случае необходимо уменьшать количество каналов.
В любом случае, использование уплотнений линий связи позволяет существенно повысить эффективность использования ССПИ. Использование волоконно-оптических ССПИ измерительных преобразователей позволяет снизить массу самолетов и космических аппаратов за счет замены электрических кабелей на волоконно-оптические. Применение таких систем для существующих измерительных преобразователей становится бессмысленным, так как большинство измерительных преобразователей, оптических мультиплексоров и демультиплексоров, а также источников и приемников излучения требует подвода электрической энергии. Основное достоинство частотного уплотнения каналов состоит в следующем: 1. Простота технической реализации. 2. Высокая помехоустойчивость. 3. Возможность организации любого числа каналов. 4. Увеличение числа каналов, если позволяет общая полоса пропускания линии связи. Недостатком схемы ССПИ (рисунок 1.14) является необходимость подведения питания и управляющих сигналов к мультиплексору и демультиплексору. Устранить указанные недостатки можно, используя измерительные преобразователи с интегрированной функцией спектральной модуляции, так как в этом случае в системе будут отсутствовать мультиплексор и демультиплексор. Таким образом, для реализации волоконно-оптической ССПИ со спектральным уплотнением необходимо решить ряд вопросов научно-технического характера, таких, как: 1. Разработка волоконно-оптических аналоговых и цифровых преобразователей перемещения с интегрированной функцией спектральной модуляции. 2. Разработка математических моделей аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения с интегрированной функцией спектральной модуляции. 3. Разработка алгоритма распределения частотных каналов волоконно-оптической системы сбора и передачи информации со спектральным уплотнением. 4. Разработка методик расчета параметров аналоговых и цифровых волоконно-оптических преобразователей перемещения с интегрированной функцией спектральной модуляции.
Особенности построения систем сбора и передачи информации с ВОГТП-МОС
Оптический узел 3 содержит делитель оптического сигнала передающего волокна по количеству разрядов, сумматор оптических сигналов от приемных волокон, граданы. Кодирующая маска представляет собой двоичную матрицу (например, в виде кода Грея), каждый разряд которой реализуется дорожкой с чередующимися ячейками в виде отражающих дифракционных решеток с разным периодом. Световой поток от ИИ вводится в передающие волокна волоконно-оптического кабеля 2 и далее падает на кодовую маску 3. Световой поток, отражаясь от кодовой маски, попадает на приемные волокна и далее поступает в блок обработки.
В 2.3 был описан вариант построения кодового диска. Для изготовления кодирующей маски в виде разрядных дорожек с чередующимися ячейками на основе отражающих амплитудных дифракционных решеток с разным шагом может быть использована лазерная термохимическая запись [96].
Данный вариант заключается в следующем. На поверхность подложки, прошедшей этап очистки, наносится тонкий 80 — 100 нм слой хрома одним из стандартных методов. Далее подложка помещается в круговую лазерную записывающую станцию КЛЗС (точность позиционирования до 50 им, минимальный размер метки 0,5 мкм, погрешность радиального смещения -не более 100 нм), где хромовая маска экспонируется лазерным лучом, движущимся по заданной траектории. Процесс экспонирования заключается в локальном нагреве маски лазером с образованием поверхностного слоя оксида хрома (термохимическая запись рельефной функции). Современные КЛЗС имеют точность позиционирования угловой координаты ±1", линейной - 5 — 10 нм; экспонирование осуществляется лазером с длиной волны 500 нм, сфокусированным в пятно диаметром 0,8 мкм, что обеспечивает разрешающую способность 700—1200 штрихов/мм [96]. Завершается процесс селективным химическим травлением неокисленных участков хромовой маски в растворе NaOH + K3Fe(CN)6 и промывкой в дистиллированной воде. В итоге формируется амплитудная дифракционная решетка в виде сочетания отражающих участков хрома и пропускающих, образованных поверхностью подложки. Наличие слоя окисла на поверхности хрома и изменение его структуры при экспонировании не приводит к значительному снижению интенсивности отраженного света [41, 47, 79, 89], величина изменения составляет несколько процентов.
Вариант формирования КД имеет следующие особенности. Для изготовления дифракционного рельефа с высоким разрешением, порядка единиц микрометра, напыляемая маска должна иметь мелкодисперсную структуру для сохранения однородности краев рисунка. В этой связи предпочтителен метод катодного распыления, позволяющий получить практически аморфную структуру пленки и обеспечивающий разрешение записи до 1200 штрихов/мм [96]. Мощность записывающего лазера ЬСЛЗС, требуемая для термохимического окисления хрома, в общем случае зависит от толщины маски, эффективности отвода тепла в системе хром-подложка, скорости вращения подожки; на практике применяется экспериментальная калибровка метода с использованием тестовых структур.
С целью выбора материала подложки был проведен анализ конструкционных параметров доступных оптических материалов [53, 96]. Результаты исследования представлены в таблице 5.2.
Согласно данным таблицы 5.2, наилучшей совместимостью с хромовым покрытием в широком диапазоне эксплуатационных температур обладает оптическое стекло К8: температурный коэффициент линейного расширения хрома составляет 5,1-10"6 и 7,78-10" град"1 в диапазонах температур -100..0 С и 0..+200 С, данные значення близки к аналогичным параметрам стекла К8.
Низкий показатель преломления К8 обеспечивает значение френелевского отражения 4-5 % по интенсивности при углах падения, близких к нормальным. Уровень отражения от поверхности хрома составляет 56-57% в диапазоне длин волн 0,7-1,0 мкм [41]. Таким образом, вследствие значительного отличия отражательной способности различных участков кодирующей маски, достигается четкая пространственно-спектральная модуляция.
Достоинством оптического стекла является также низкое значение теплопроводности 1,114 Вт/(м-град) [41], определяющее возможность термохимической записи рельефной функции в слое хрома, высшая группа химической устойчивости к воздействию влажной атмосферы и пятнающих агентов [41].
Принципиальная схема вторичного преобразователя цифрового дифференциального ВОПП-МОС представлена на рисунке 5.8. Блок обработки представляет собой п-каналов (А 1.1 - А1.12), подобных аналоговому ВОПП-МОС, выходные сигналы с которых поступают на схему формирования выходного кода через мультиплексоры DA4, DA5. Основу схемы формирования выходного кода составляет микроконтроллер ATmega 32-16Р (DA8), преобразующий информацию о перемещении от ПИ каждого разряда в последовательный код для передачи по интерфейсу RS-485 с помощью микросхемы DA13 МАХ 485 СРЕ.
Стенд состоит из двух ССЭ (оптические фильтры), ИИ, ПИ, зеркала и микрометрического винта. С помощью микрометрического винта задавалось перемещение подвижного отражающего ССЭ (2ДА,т=20 нм, А.то-922 нм), на который поступает оптический сигнал от светоизлучающего диода АЛ165Д (2А?іф=80 нм, А о-920 нм) и он, в результате переотражения от зеркала, попадает на неподвижный отражающий ССЭ. После отражения от неподвижного ССЭ оптический сигнал поступает на фотодиод ФД-ЗК (область спектральной чувствительности 500-1100 нм). Электрический сигнал ПИ подавался на усилитель, с выхода которого поступал на вход вольтметра. Для исключения засветки от посторонних источников ИИ работает в импульсном режиме с частотой 1 кГц. На рисунке 5.10 представлены расчетная и экспериментальная ПХ.
Отклонение экспериментальной ПХ от расчетной не превышает 5,2 %. Огличие расчетной ПХ от экспериментальной можно объяснить погрешностью математической модели и погрешностью аппроксимации спектральных характеристик оптоэлектронных характеристик при вычислении расчетной ПХ.
Для исследования цифрового ВОПП-МОС использовался экспериментальный стенд, представленный на рисунке 5.11.
