Система сбора информации c МОС-датчиков со спектральным уплотнением

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

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

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

• -    отсутствие воздействия на объект измерения;

• -    высокая устойчивость к электромагнитным помехам;

• -    высокое быстродействие.

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

Степанов Максим Владимирович, аспирант кафедры электронных систем и устройств

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1. Варианты спектрального уплотнения

Вид и параметры спектрального уплотнения	CWDM неплотное спектральное уплотнение	DWDM плотное спектральное уплотнение	HDWDM высокоплотное спектральное уплотнение
Расстояние между каналами, нм	20, 25	1,6	0,4
Диапазон	O, E, S, C, L	S, C, L	C, L
Число каналов	максимум 18	десятки-сотни	десятки

Рис. 1. Распределение длин волн по диапазонам рального уплотнения в оптической сети связи, а также облегчает возможность ее дальнейшего наращивания.

Кроме диапазонов, представленных на рис. 1, для построения систем сбора информации c МОС–датчиков могут использоваться видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн 400…1000 нм. Для этих диапазонов характерно относительно высокое затухание в волооконно-оптическом кабеле, составляющее величину более 3 дБ/км. Но, учитывая, что средняя длина самолета не превышает 30…50 м, то при такой длине кабеля затухание в ВОЛС не превысит 0,15 дБ, что соизмеримо с потерями в волоконно–оптических разъемах, разветвителях и других пассивных элементах. Для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн характерно наличие большого количества полупроводниковых источников излучения (рис. 2).

Единственным серьезным недостатком видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн является отсутствие источников и приемников излучения с волоконно–оптическими разъемами, что затруднит ввод излучения в ВОЛС и его вывод.

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

Необходимым и достаточным условием разделения группового сигнала Yгр является линейная независимость канальных сигналов Yк. В данном случае условие линейной независимости выполня- ется, так как

N

∑ С i ⋅ Y ki ≡ 0

i =1

справедливо только

когда все коэффициенты Ci равны нулю [4].

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

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

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

Рис.2. Спектральные характеристики полупроводниковых источников излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн

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

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

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

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

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

Выбор ширины полосы пропускания СФЭ

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

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

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

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

Рис. 5. Распределение спектральных характеристик спектроформирующих элементов МОС-датчиков по длинам волн

Таблица 2. Варианты подключения МОС-датчиков к ВОЛС

Тип датчи ка И спользуемые диапазоны длин волн, нм Количество датчиков В ариант 1 В ариант 2 В ариант 1 Вариант 2 Аналоговый 400… 1000 400… 1000 Более 19 Более 15 1260…1460 - Аналогоцифровой 1460…1625 1260…1460 13 (12-разрядны х) 30 (12-разрядны х) - 1460…1625 полосы пропускания составляет может составлять величину менее 1 нм.

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

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