eng
Выпуск #4/2016
М.Керносов, Б.Огнев, Е.Чуляева
Система пространственной стабилизации оси диаграммы направленности лазерного излучения в атмосферной линии связи
Система пространственной стабилизации оси диаграммы направленности лазерного излучения в атмосферной линии связи
Просмотры: 4013
Преимущества беспроводной оптической связи между абонентом и узлом опорной оптоволоконной сети заключаются в использовании лазерного луча. Однако ввиду особенностей атмосферных оптических линий связи для надежного приема сигнала в различных погодных условиях необходимо адаптировать их к ветровым, тепловым и механическим флуктуациям среды. Проведены эксперименты с целью оценки качества и стабильности работы атмосферного оптического канала связи (протяженность канала связи в экспериментах достигала 7 км) при использовании системы автоматической стабилизации оси диаграммы направленности лазерного излучения (длина волны 785 нм).
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.68.78
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.68.78
Теги: atmospheric communication line stabilization of axis of laser radiation directivity diagram атмосферные линии связи стабилизация оси диаграммы направленности лазерного излучения
Разработкой атмосферных оптических линий связи (АОЛС) занимается целый ряд отечественных и зарубежных компаний [1]. Принцип работы таких устройств известен, специалистам же интересны новые варианты систем, обеспечивающие надежный прием сигнала в условиях флуктуации погоды и передающей среды. Далее будет подробно рассмотрено устройство автоматического контроля оси диаграммы направленности (ОДН) лазерного излучения в АОЛС. В случае смещения оптической оси приемо-передающего модуля (ППМ) под воздействием внешних факторов автоматическая коррекция позволит применить лазерный пучок с меньшим углом расходимости и сократить число разрывов оптического канала связи, возникающих из-за разъюстировки линии.
Для надежной передачи данных по оптическому каналу требуется обеспечивать точное совмещение осей – ОДН и ППМ. В процессе реальной эксплуатации АОЛС, в связи с временной нестабильностью опорных конструкций, возникает необходимость постоянного автоматического пространственного наведения одного приемо-передающего модуля на другой. Устройства АОЛС c автонаведением (автотрекинг) одного ППМ на другой, произведенные разными компаниями, известны, например, работы [2–3]. Однако практическая реализация автотрекинга в работах не показана, конкретные характеристики ППМ с устройствами автотрекинга не приведены. Поэтому сравнить между собой характеристики этих устройства с автонаведением нельзя.
Ниже приведены требования к реализации и конкретные данные по диапазону авторегулирования ППМ.
Изменение пространственного положения и угловой ориентации ППМ обусловлено влиянием таких внешних факторов, как температура; механические вибрации и колебания; ветровые нагрузки и возмущения; изменение геометрии опор вследствие старения, усыхания, уплотнения и пр. В системе координат амплитуда–скорость (рис.1) факторы влияния целесообразно разделить на медленно меняющиеся (область 1); низкоамплитудные с изменениями амплитудой изменения углового положения Amin менее 10–20% от угла расходимости (область 2); быстрые вибрационные воздействия с амплитудой, сравнимой с углом расходимости (область 3); колебания с амплитудой Amax, не более динамического диапазона системы пространственной стабилизации (СПС), и скоростью Vmax, не более заданной (область 4). Затененная область 5 ( см. рис.1) – область отсутствия корректной компенсации возмущения в силу технических ограничений СПС (динамический диапазон по амплитуде (углу) и максимальная скорость изменения последней переменной).
Рассмотрим диапазон скоростей и амплитуды вибраций, подвергаемых корректировке с помощью устройства стабилизации ОДН. Определим допустимые границы Amax и Vmax для наземного стационарного оборудования.
Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное.
Низкочастотное – это движение с периодом колебаний от минут до месяцев, которое определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Температурные градиенты приводят к изгибу и скручиванию зданий. Амплитуда этих деформаций в большей степени зависит от размеров здания, их формы и конструкции. Отклонение имеет тенденцию к увеличению с высотой здания и может быть важно для оборудования, установленного на крыше даже для невысоких зданий. Кроме того, отмечено, что данные отклонения оказывают более существенное влияние на углы возвышения (угол места), чем на азимутальные углы.
Среднечастотное движение имеет период порядка нескольких секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Данный вид колебаний может быть весьма значительным для высоких зданий. Прерывание связи для АОЛС по такой причине обычно кратковременно, поскольку после прекращения порыва ветра здание возвращается в исходное положение. Приемопередатчики с достаточно широким углом зрения и расходимостью, а также с достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения должны обладать способностью компенсации этих редких и сильных отклонений без прерывания связи.
Причина высокочастотных колебаний с периодом, меньшим одной секунды, вызывается работой крупного оборудования (например, больших вентиляторов), деятельностью человека (ходьба, закрытие дверей). Их частота находится на уровне 1 Гц [1] и в значительной степени зависит от способа установки ППМ АОЛС. Установка на этаже, стене или крыше (то есть на поверхности кровли или парапетной стенке) способна дать весьма различающиеся уровни колебаний. Величина вибрации может сильно меняться в течение некоторого времени для одного здания. Следует отметить, что почти всякое интегрированное движение находится в пределах полосы частот ниже 10 Гц.
Результаты измерений, опубликованные в работе [4] показали, что максимум углового отклонения из-за вибрации с частотой выше 1 Гц, редко превышает 1 мрад, но чаще приближается к половине этого значения. Однако установка оборудования должна быть тщательно спланирована таким образом, чтобы не усиливать колебания, испытываемые ППМ АОЛС. Учитывая возникающую в ряде случаев необходимость устанавливать ППМ АОЛС на столбах, трубах, балконах, вышках, антенно-мачтовых устройствах, подчеркнем, что указанные факторы приводят к еще более существенным отклонениям по частоте и по амплитуде.
Выделим два крайних случая угловой нестабильности: долговременную и кратковременную. Для долговременной нестабильности допустимый предел диапазона отклонения башен сотовой связи относительно нормального положения установлен на величине Amax = 60 мрад. При этом нижняя оценка периода данных воздействий дает величину Tmin = 1 час = 3 600 сек. Тогда угловая скорость может быть оценена как:
мрад/с. (1)
Кратковременная нестабильность может составлять Amax = 1 мрад (допустимая угловая амплитуда колебаний антенно-мачтовых устройств типа Э4.115.010, ЖЫ4 115 044, и прочих подобных устройств с частотой 1/Tmin = 1 Гц). Тогда оценка угловой скорости дает
мрад/с. (2)
Из полученных значений становится ясно, что в процессе работы необходима автоматическая юстировка ППМ АОЛС-оборудования, так как практические углы зрения и расходимость ППМ значительно меньше амплитуды воздействий. Для обеспечения устойчивой безошибочной передачи данных по оптическому каналу необходимо рассчитать СПС. К важным параметрам системы пространственной стабилизации нужно отнести скорость отработки отклонений и точность поддержания направления связи.
Получив численные значения границ параметров воздействий, сформулируем требования к СПС. Очевидно, что система прежде всего должна удовлетворять требованиям стабилизации по кратковременной нестабильности. А даже значительную долговременную нестабильность можно представить в виде серии из кратковременных нестабильностей небольшой амплитуды.
Система пространственной стабилизации реализована внутри корпуса ППМ и конструктивно представляет собой оптический модуль, который с одной стороны прикреплён через пружину к корпусу ППМ, а с другой опирается на штоки шаговых двигателей (рис 2). Луч лазера, поступающий на приемник, попадает на фотоприемное устройство (ФПУ), представляющее собой ПЗС-матрицу. Сигнал с матрицы считывается построчно и поступает на блок пороговой обработки и блок определения суммарной яркости изображения.
При считывании сигнала с матрицы энергетическая характеристика (рис.3) будет иметь вид, представленный кривой (1). Область, на которую падает лазерный луч, выдает более высокий сигнал, чем краевая зона. В то же время сигнал краевой зоны также не равен нулю по ряду причин – "шум" электронного компонента, световое излучение, отраженное от других объектов, попавших в кадр и тому подобное. Поэтому блок пороговой обработки с целью отсечения постороннего шума устанавливает уровень сигнала (3), ниже которого сигнал принимается равным нулю. Этот порог рассчитывается исходя из отношения максимального значения сигнала, полученного на ФПУ, к среднему уровню сигнала.
Реальная энергетическая кривая достаточно сильно отличается от кривой, представленной на рис.3, и обладает большим количеством пиков и впадин, поэтому для определения центра пятна, описываемого этой кривой, недостаточно просто найти максимум. Для этой цели находится производная функции энергетической характеристики (кривая 2), и точка, соответствующая максимуму амплитуды, принимается за центр пятна.
Далее положение пятна сравнивается с положением цели, определяется рассогласование. В случае необходимости (отклонения центра из-за временной нестабильности) осуществляется корректировка положения оптической конструкции с помощью шаговых электродвигателей. Структурная схема системы стабилизации ОДН состоит из ряда устройств (рис.4).
Входящий лазерный пучок, попадая через апертуру приемного окна, собирается на фотоприемном устройстве, реализованном на ПЗС-матрице размерами 480Ч480 пикселов. С матрицы сигнал поступает на программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС).
На ПЛИС реализован целый ряд операций с поступающей информацией:
• пороговая обработка сигнала,
• определение суммарной яркости,
• вычисление центра пятна,
• усреднение изображения за 4 кадра,
• определение рассогласования с целью,
• построение дискриминационной характеристики,
• управление шаговыми двигателями.
Для управления положением оптической рамы (табл.1) используются два шаговых электродвигателя ШД200, по одному для каждой оси. Шаговые двигатели, используемые в системе СПС, являются основным средством коррекции направленности ОДН ППМ. Шаговые двигатели имеют ряд преимуществ, обусловливающих их применение в данном устройстве. Главное преимущество шаговых приводов – точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Также к их преимуществам следует отнести относительно низкую стоимость и малые размеры. Двигатели расположены под углом 45° относительно горизонта (рис.5). Благодаря такому расположению осей после компенсации временной нестабильности оптическая рама может вернуться в исходное положение под действием силы тяжести по обеим осям, тогда как при компоновке двигателей параллельно осям X и Y придется дополнительно затрачивать работу электродвигателя для компенсации смещения по оси X.
Для управления шаговыми электродвигателями строится дискриминационная характеристика – зависимость количество шагов, которые необходимо совершить двигателю для компенсации смещения по своей оси от уровня смещения в пикселах. Поскольку сигнал, поступающий с выхода ПЛИС, достаточно слаб для управления шаговыми двигателями, он предварительно усиливается по току и напряжению, поступая на транзисторные ключи. Реализованная СПС обеспечивает параметры, приведенные в табл. 2.
Использование данной СПС на практике позволило:
• применять узкие диаграммы направленности передатчиков и углы зрения приёмников, за счёт чего удалось обеспечить приемлемый бюджет линии, высокую скрытность и защищенность канала связи;
• удалось существенно упростить процесс первоначального наведения систем, если раньше процесс наведения измерялся часами, то с использование СПС минутами;
• допускается использование оборудования на мачтах операторов связи и других нестабильных конструкция, что существенно расширило область применения систем без потери качества канала связи.
В качестве параметра, наиболее точно характеризующего результат работы системы стабилизации, было выбрано смещение координат центра пятна.
Для проверки работоспособности системы пространственной стабилизации и всего приемо-передающего модуля в целом используется экспериментальный стенд (рис.6).
Экспериментальный стенд представляет собой два модуля ППМ, разнесенных на расстояние около 700 метров и закрепленных на неподвижных основаниях с помощью универсальных монтажных комплектов. К каждому модулю с помощью кабеля длиной около 50 метров подключен модуль устройства внешнего интерфейса (УВИ), к которому в свою очередь подключены тестеры каналов Ethernet ETEST. Информация из локальной сети LAN поступает на модуль УВИ1 и с него на модуль ППМ1, который передает ее на модуль ППМ2. Модуль ППМ2 не подключен к локальной сети и передает на модуль ППМ1 лишь служебную информацию по "красному" каналу. Тестеры каналов Ethernet используются для оперативной проверки параметров линии связи.
Для проверки работоспособности системы стабилизации варьировали мощность передатчика служебного канала, при этом наблюдали за смещением координаты центра пятна. Высокое качество СПС должно отразиться в незначительном изменении координат центра пятна при изменении мощности. На матрицу поступает излучение с длиной волны 785 нм (длина волны передатчика служебного канала). Визуализация сигнала с ПЗС-матрицы (рис.7) позволяет увидеть, что сигнал, поступающий из области за пределами пятна, низкий. Черная область в центре пятна соответствует высокому уровню сигнала, серая область по краям пятна – пониженному уровню. Числа указывают координаты пятна относительно края кадра.
Понизим мощность передатчика красного канала на 50%. Видно (рис.7а), что пятно изменило свою форму, его яркость снизилась, однако координаты центра пятна практически не изменились. Снизим мощность передатчика до 5% от первоначальной (рис.7b), – пятно уменьшилось в размерах, несколько изменило свою форму, однако координаты его центра остались практически неизменными. Теперь повысим мощность передатчика на 230% относительно первоначальной и увидим (рис.7c), что пятно увеличилось в размерах, а по его краям возникли локальные "выбросы" за счет ярко выраженной спекл-структуры, однако координаты его центра снова остались почти неизменными.
Как мы видим, СПС позволяет довольно точно определять координаты центра лазерного пятна даже при значительных изменениях мощности поступающего излучения как в большую, так и в меньшую стороны. Это говорит о высокой надежности работы АОЛС с системой стабилизации.
Экспериментальные результаты по исследованию работы СПС в реальных условиях иллюстрируют записи текущих значений параметров системы в течение двух часов, сразу после захода солнца (рис.8; графики а и b приведены для оси Y СПС).
Как видно из графика движения штока шагового двигателя (рис.8а) почти сразу после захода солнца произошло кратковременное смещение опоры, а спустя еще час началось непрерывное смещение, которое СПС вынуждена была компенсировать. При этом смещение координаты центра пятна служебного канала в результате корректирующей работы СПС не превышало 1,25 пиксела. Из графика изменения мощности на приемнике рабочего канала за то же время (рис.8c) видно, что смещение опоры не оказало существенного влияния на уровень принимаемой мощности благодаря своевременному срабатыванию СПС, а присутствующие на графике колебания мощности связаны уже с возникшей нестабильностью параметров атмосферы, в основном с турбулентностью.
ВЫВОДЫ
Разработана система, которая полностью удовлетворяет требованиям по корректировке отклонений ОДН лазерного пучка, вызванных вибрациями и смещениями ППМ при размещении на стационарных объектах. Ее использование существенно увеличивает качество и стабильность работы атмосферного оптического канала связи, снижает время, затрачиваемое на его организацию. В частности, повышена дальность связи до 7 км (при скорости передачи информации до 100 Мбит/с), это превышает значения параметров [5] отечественных аналогов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Arnon Sh., Barry J., Karagiannidis G., Schober R. Advanced Optical Wireless Communication Systems. – Cambridge University Press, 2012.
2. www.moctkom.ru. – Сайт компании "ЗАО МОСТКОМ".
3. www.aoptix.com. – Сайт компании AOptix Technologies, Inc.
4. www.lightpointe.com. – Сайт компании LightPointe Communications, Inc.
5. www.optica.ru. – Сайт компании ООО Оптические ТелеСистемы.
Для надежной передачи данных по оптическому каналу требуется обеспечивать точное совмещение осей – ОДН и ППМ. В процессе реальной эксплуатации АОЛС, в связи с временной нестабильностью опорных конструкций, возникает необходимость постоянного автоматического пространственного наведения одного приемо-передающего модуля на другой. Устройства АОЛС c автонаведением (автотрекинг) одного ППМ на другой, произведенные разными компаниями, известны, например, работы [2–3]. Однако практическая реализация автотрекинга в работах не показана, конкретные характеристики ППМ с устройствами автотрекинга не приведены. Поэтому сравнить между собой характеристики этих устройства с автонаведением нельзя.
Ниже приведены требования к реализации и конкретные данные по диапазону авторегулирования ППМ.
Изменение пространственного положения и угловой ориентации ППМ обусловлено влиянием таких внешних факторов, как температура; механические вибрации и колебания; ветровые нагрузки и возмущения; изменение геометрии опор вследствие старения, усыхания, уплотнения и пр. В системе координат амплитуда–скорость (рис.1) факторы влияния целесообразно разделить на медленно меняющиеся (область 1); низкоамплитудные с изменениями амплитудой изменения углового положения Amin менее 10–20% от угла расходимости (область 2); быстрые вибрационные воздействия с амплитудой, сравнимой с углом расходимости (область 3); колебания с амплитудой Amax, не более динамического диапазона системы пространственной стабилизации (СПС), и скоростью Vmax, не более заданной (область 4). Затененная область 5 ( см. рис.1) – область отсутствия корректной компенсации возмущения в силу технических ограничений СПС (динамический диапазон по амплитуде (углу) и максимальная скорость изменения последней переменной).
Рассмотрим диапазон скоростей и амплитуды вибраций, подвергаемых корректировке с помощью устройства стабилизации ОДН. Определим допустимые границы Amax и Vmax для наземного стационарного оборудования.
Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное.
Низкочастотное – это движение с периодом колебаний от минут до месяцев, которое определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Температурные градиенты приводят к изгибу и скручиванию зданий. Амплитуда этих деформаций в большей степени зависит от размеров здания, их формы и конструкции. Отклонение имеет тенденцию к увеличению с высотой здания и может быть важно для оборудования, установленного на крыше даже для невысоких зданий. Кроме того, отмечено, что данные отклонения оказывают более существенное влияние на углы возвышения (угол места), чем на азимутальные углы.
Среднечастотное движение имеет период порядка нескольких секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Данный вид колебаний может быть весьма значительным для высоких зданий. Прерывание связи для АОЛС по такой причине обычно кратковременно, поскольку после прекращения порыва ветра здание возвращается в исходное положение. Приемопередатчики с достаточно широким углом зрения и расходимостью, а также с достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения должны обладать способностью компенсации этих редких и сильных отклонений без прерывания связи.
Причина высокочастотных колебаний с периодом, меньшим одной секунды, вызывается работой крупного оборудования (например, больших вентиляторов), деятельностью человека (ходьба, закрытие дверей). Их частота находится на уровне 1 Гц [1] и в значительной степени зависит от способа установки ППМ АОЛС. Установка на этаже, стене или крыше (то есть на поверхности кровли или парапетной стенке) способна дать весьма различающиеся уровни колебаний. Величина вибрации может сильно меняться в течение некоторого времени для одного здания. Следует отметить, что почти всякое интегрированное движение находится в пределах полосы частот ниже 10 Гц.
Результаты измерений, опубликованные в работе [4] показали, что максимум углового отклонения из-за вибрации с частотой выше 1 Гц, редко превышает 1 мрад, но чаще приближается к половине этого значения. Однако установка оборудования должна быть тщательно спланирована таким образом, чтобы не усиливать колебания, испытываемые ППМ АОЛС. Учитывая возникающую в ряде случаев необходимость устанавливать ППМ АОЛС на столбах, трубах, балконах, вышках, антенно-мачтовых устройствах, подчеркнем, что указанные факторы приводят к еще более существенным отклонениям по частоте и по амплитуде.
Выделим два крайних случая угловой нестабильности: долговременную и кратковременную. Для долговременной нестабильности допустимый предел диапазона отклонения башен сотовой связи относительно нормального положения установлен на величине Amax = 60 мрад. При этом нижняя оценка периода данных воздействий дает величину Tmin = 1 час = 3 600 сек. Тогда угловая скорость может быть оценена как:
мрад/с. (1)
Кратковременная нестабильность может составлять Amax = 1 мрад (допустимая угловая амплитуда колебаний антенно-мачтовых устройств типа Э4.115.010, ЖЫ4 115 044, и прочих подобных устройств с частотой 1/Tmin = 1 Гц). Тогда оценка угловой скорости дает
мрад/с. (2)
Из полученных значений становится ясно, что в процессе работы необходима автоматическая юстировка ППМ АОЛС-оборудования, так как практические углы зрения и расходимость ППМ значительно меньше амплитуды воздействий. Для обеспечения устойчивой безошибочной передачи данных по оптическому каналу необходимо рассчитать СПС. К важным параметрам системы пространственной стабилизации нужно отнести скорость отработки отклонений и точность поддержания направления связи.
Получив численные значения границ параметров воздействий, сформулируем требования к СПС. Очевидно, что система прежде всего должна удовлетворять требованиям стабилизации по кратковременной нестабильности. А даже значительную долговременную нестабильность можно представить в виде серии из кратковременных нестабильностей небольшой амплитуды.
Система пространственной стабилизации реализована внутри корпуса ППМ и конструктивно представляет собой оптический модуль, который с одной стороны прикреплён через пружину к корпусу ППМ, а с другой опирается на штоки шаговых двигателей (рис 2). Луч лазера, поступающий на приемник, попадает на фотоприемное устройство (ФПУ), представляющее собой ПЗС-матрицу. Сигнал с матрицы считывается построчно и поступает на блок пороговой обработки и блок определения суммарной яркости изображения.
При считывании сигнала с матрицы энергетическая характеристика (рис.3) будет иметь вид, представленный кривой (1). Область, на которую падает лазерный луч, выдает более высокий сигнал, чем краевая зона. В то же время сигнал краевой зоны также не равен нулю по ряду причин – "шум" электронного компонента, световое излучение, отраженное от других объектов, попавших в кадр и тому подобное. Поэтому блок пороговой обработки с целью отсечения постороннего шума устанавливает уровень сигнала (3), ниже которого сигнал принимается равным нулю. Этот порог рассчитывается исходя из отношения максимального значения сигнала, полученного на ФПУ, к среднему уровню сигнала.
Реальная энергетическая кривая достаточно сильно отличается от кривой, представленной на рис.3, и обладает большим количеством пиков и впадин, поэтому для определения центра пятна, описываемого этой кривой, недостаточно просто найти максимум. Для этой цели находится производная функции энергетической характеристики (кривая 2), и точка, соответствующая максимуму амплитуды, принимается за центр пятна.
Далее положение пятна сравнивается с положением цели, определяется рассогласование. В случае необходимости (отклонения центра из-за временной нестабильности) осуществляется корректировка положения оптической конструкции с помощью шаговых электродвигателей. Структурная схема системы стабилизации ОДН состоит из ряда устройств (рис.4).
Входящий лазерный пучок, попадая через апертуру приемного окна, собирается на фотоприемном устройстве, реализованном на ПЗС-матрице размерами 480Ч480 пикселов. С матрицы сигнал поступает на программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС).
На ПЛИС реализован целый ряд операций с поступающей информацией:
• пороговая обработка сигнала,
• определение суммарной яркости,
• вычисление центра пятна,
• усреднение изображения за 4 кадра,
• определение рассогласования с целью,
• построение дискриминационной характеристики,
• управление шаговыми двигателями.
Для управления положением оптической рамы (табл.1) используются два шаговых электродвигателя ШД200, по одному для каждой оси. Шаговые двигатели, используемые в системе СПС, являются основным средством коррекции направленности ОДН ППМ. Шаговые двигатели имеют ряд преимуществ, обусловливающих их применение в данном устройстве. Главное преимущество шаговых приводов – точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Также к их преимуществам следует отнести относительно низкую стоимость и малые размеры. Двигатели расположены под углом 45° относительно горизонта (рис.5). Благодаря такому расположению осей после компенсации временной нестабильности оптическая рама может вернуться в исходное положение под действием силы тяжести по обеим осям, тогда как при компоновке двигателей параллельно осям X и Y придется дополнительно затрачивать работу электродвигателя для компенсации смещения по оси X.
Для управления шаговыми электродвигателями строится дискриминационная характеристика – зависимость количество шагов, которые необходимо совершить двигателю для компенсации смещения по своей оси от уровня смещения в пикселах. Поскольку сигнал, поступающий с выхода ПЛИС, достаточно слаб для управления шаговыми двигателями, он предварительно усиливается по току и напряжению, поступая на транзисторные ключи. Реализованная СПС обеспечивает параметры, приведенные в табл. 2.
Использование данной СПС на практике позволило:
• применять узкие диаграммы направленности передатчиков и углы зрения приёмников, за счёт чего удалось обеспечить приемлемый бюджет линии, высокую скрытность и защищенность канала связи;
• удалось существенно упростить процесс первоначального наведения систем, если раньше процесс наведения измерялся часами, то с использование СПС минутами;
• допускается использование оборудования на мачтах операторов связи и других нестабильных конструкция, что существенно расширило область применения систем без потери качества канала связи.
В качестве параметра, наиболее точно характеризующего результат работы системы стабилизации, было выбрано смещение координат центра пятна.
Для проверки работоспособности системы пространственной стабилизации и всего приемо-передающего модуля в целом используется экспериментальный стенд (рис.6).
Экспериментальный стенд представляет собой два модуля ППМ, разнесенных на расстояние около 700 метров и закрепленных на неподвижных основаниях с помощью универсальных монтажных комплектов. К каждому модулю с помощью кабеля длиной около 50 метров подключен модуль устройства внешнего интерфейса (УВИ), к которому в свою очередь подключены тестеры каналов Ethernet ETEST. Информация из локальной сети LAN поступает на модуль УВИ1 и с него на модуль ППМ1, который передает ее на модуль ППМ2. Модуль ППМ2 не подключен к локальной сети и передает на модуль ППМ1 лишь служебную информацию по "красному" каналу. Тестеры каналов Ethernet используются для оперативной проверки параметров линии связи.
Для проверки работоспособности системы стабилизации варьировали мощность передатчика служебного канала, при этом наблюдали за смещением координаты центра пятна. Высокое качество СПС должно отразиться в незначительном изменении координат центра пятна при изменении мощности. На матрицу поступает излучение с длиной волны 785 нм (длина волны передатчика служебного канала). Визуализация сигнала с ПЗС-матрицы (рис.7) позволяет увидеть, что сигнал, поступающий из области за пределами пятна, низкий. Черная область в центре пятна соответствует высокому уровню сигнала, серая область по краям пятна – пониженному уровню. Числа указывают координаты пятна относительно края кадра.
Понизим мощность передатчика красного канала на 50%. Видно (рис.7а), что пятно изменило свою форму, его яркость снизилась, однако координаты центра пятна практически не изменились. Снизим мощность передатчика до 5% от первоначальной (рис.7b), – пятно уменьшилось в размерах, несколько изменило свою форму, однако координаты его центра остались практически неизменными. Теперь повысим мощность передатчика на 230% относительно первоначальной и увидим (рис.7c), что пятно увеличилось в размерах, а по его краям возникли локальные "выбросы" за счет ярко выраженной спекл-структуры, однако координаты его центра снова остались почти неизменными.
Как мы видим, СПС позволяет довольно точно определять координаты центра лазерного пятна даже при значительных изменениях мощности поступающего излучения как в большую, так и в меньшую стороны. Это говорит о высокой надежности работы АОЛС с системой стабилизации.
Экспериментальные результаты по исследованию работы СПС в реальных условиях иллюстрируют записи текущих значений параметров системы в течение двух часов, сразу после захода солнца (рис.8; графики а и b приведены для оси Y СПС).
Как видно из графика движения штока шагового двигателя (рис.8а) почти сразу после захода солнца произошло кратковременное смещение опоры, а спустя еще час началось непрерывное смещение, которое СПС вынуждена была компенсировать. При этом смещение координаты центра пятна служебного канала в результате корректирующей работы СПС не превышало 1,25 пиксела. Из графика изменения мощности на приемнике рабочего канала за то же время (рис.8c) видно, что смещение опоры не оказало существенного влияния на уровень принимаемой мощности благодаря своевременному срабатыванию СПС, а присутствующие на графике колебания мощности связаны уже с возникшей нестабильностью параметров атмосферы, в основном с турбулентностью.
ВЫВОДЫ
Разработана система, которая полностью удовлетворяет требованиям по корректировке отклонений ОДН лазерного пучка, вызванных вибрациями и смещениями ППМ при размещении на стационарных объектах. Ее использование существенно увеличивает качество и стабильность работы атмосферного оптического канала связи, снижает время, затрачиваемое на его организацию. В частности, повышена дальность связи до 7 км (при скорости передачи информации до 100 Мбит/с), это превышает значения параметров [5] отечественных аналогов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Arnon Sh., Barry J., Karagiannidis G., Schober R. Advanced Optical Wireless Communication Systems. – Cambridge University Press, 2012.
2. www.moctkom.ru. – Сайт компании "ЗАО МОСТКОМ".
3. www.aoptix.com. – Сайт компании AOptix Technologies, Inc.
4. www.lightpointe.com. – Сайт компании LightPointe Communications, Inc.
5. www.optica.ru. – Сайт компании ООО Оптические ТелеСистемы.
Отзывы читателей
