Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала Российский патент 2017 года по МПК H04B10/07 G01N21/17 

Изобретение относится к области оптической связи, в частности к лазерным атмосферным системам передачи информации и к контролю характеристик, от которых зависит пропускная способность оптического канала.

Рассматривается беспроводная связь с космическими аппаратами (КА), где при построении и последующей эксплуатации космической лазерной системы связи чрезвычайно важен контроль характеристик оптического канала. Главные факторы, воздействующие на работоспособность оптического канала связи, включают атмосферное поглощение, сцинтилляцию, потери на стеклах, например иллюминаторов КА, наклоны и движение КА, солнечная засветка и перекрытие прямой видимости. В частности особую актуальность приобретает исследование влияния на эффективность высокоскоростных лазерных систем связи при прохождении оптического излучения в плазменном слое возвращаемого космического аппарата при входе его в верхние слои атмосферы.

Участок движения в атмосфере (атмосферная часть траектории снижения) - это участок от момента прохождения КА верхней границы атмосферы до момента начала использования посадочных средств: парашютной системы, тормозной двигательной установки мягкой посадки. На этом участке, начиная с высот ~80-100 км, спускаемый на Землю КА испытывает воздействие больших аэродинамических сил, в несколько раз превышающих силу земного притяжения. Этот участок опасен, как в смысле перегрузок, испытываемых КА, так и в смысле интенсивности аэродинамического нагрева на поверхности КА достигающего 6000-8000 K (Политехнический словарь. 3-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000, с. 42). Для защиты КА от интенсивного нагрева корпуса при спуске предусматривается наружное теплозащитное покрытие (ТЗП). Создание системы теплозащиты стало возможным после разработки абляционных материалов, которые испаряются вследствие трения о воздух при прохождении КА с высокой скоростью через атмосферу (Политехнический словарь. 3-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000, с. 9).

Однако, при абляционном охлаждении корпуса возвращаемого КА, на этапе входа в атмосферу Земли с 1-й или 2-й космической скоростью, вокруг него образуется плазменное облако с температурой плазмы ~3000-10000 K, которое не пропускает какие бы то ни было виды радиоизлучения. КА пропадает с экранов радаров и связь с ним на атмосферном участке траектории снижения прерывается. Поэтому стоит актуальная задача восстановления связи с КА на этом временном промежутке при использовании так называемой «безволоконной оптики» или иначе называемой «беспроводной оптической» связи (Патент РФ 2312371, МПК: G01S 17/00 (2006.01), H04B 10/00 (2006.01), опубл. 10.12.2007; Heinz Willebrand - LightPointe Communications, 10140 Barnes Canyon Road, San Diego, California 92121. Принципы работы FSO - систем. / JOURNAL OF OPTICAL NETWORKING / June 2003. Vol. 2. No. 6, с. 1, www.moctkom.ru/articles/fso-osa/fso-osa.htm).

Источник модулированного света, которым обычно является лазер, обеспечивает передачу оптического сигнала и определяет все передающие свойства системы. При передаче информации через атмосферу с использованием модулированного оптического излучения с помощью безволоконной оптики используют, как правило, простую амплитудную модуляцию, то есть ту же стандартную технику кодирования, которая используется и в цифровой волоконной оптике. Причем характерно ослабление мощности передаваемого оптического излучения, или затухание, как по оптоволоконным каналам, так и при использовании атмосферных систем связи, называемых часто «беспроводные оптические» связи (Heinz Willebrand - LightPointe Communications, 10140 Barnes Canyon Road, San Diego, California 92121. Принципы работы FSO - систем. / JOURNAL OF OPTICAL NETWORKING / June 2003. Vol. 2. No. 6, с. 1, www.moctkom.ru/articles/fso-osa/fso-osa.htm).

При построении и последующей эксплуатации лазерной системы передачи информации чрезвычайно важен контроль характеристик, от которых зависит пропускная способность оптического канала. Для того, чтобы точно рассчитать качество связи необходимо предварительно провести измерения оптических потерь на приемной стороне, для чего используют наземные установки контроля затухания (или ослабления) мощности оптического излучения, моделирующие внешние воздействия на это излучение.

Известны способы определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала, выполненные для оптоволоконных каналов.

Известен способ контроля характеристик оптического волокна и устройство для контроля, реализующее способ (Сокольников А.В., Косарев А.В. Контроль характеристик и параметров оптического волокна и устройств на его основе. ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева», г. Саранск. E-mail: sokolnikov-av@yandex.ru, с. 1-12, http://fetmag.mrsu.ru/2009-3/pdf/Parameters_of_optical_fiber.pdf). Приведена установка, которая содержит основные узлы и блоки, позволяющие генерировать когерентное излучение с помощью полупроводникового лазера, вводить это излучение в исследуемый оптический канал, в качестве которого используется волоконный световод, измерять светопропускание с помощью фотоприемников или оптических тестеров, анализировать изображение модового состава излучения в световоде с помощью оптической телекамеры, подвергать световод различным внешним воздействиям с помощью узла измерения потерь, производя при этом измерение удельного коэффициента затухания на определенной длине участка световода.

Особенностью процесса распространения волн по световоду является то, что зигзагообразный путь, проходимый волнами, различен. Более того, форма пути зависит от длины волны источника, возбуждающего световод. Следовательно, отрезок световода конечной длины каждая мода будет проходить за различное время. С точки зрения передачи информации по волоконной линии этот процесс порождает ее искажения за счет волновой дисперсии - каждая составляющая этого спектра проходит отрезок волновода за различное время и на его выходе между ними возникают неустранимые фазовые сдвиги. Наличие большого числа мод в световоде без принятия специальных мер приводит к появлению в волоконной линии модового шума.

Известен способ контроля характеристик, от которых зависит пропускная способность оптических каналов передачи информационного сигнала (Определение затухания в оптических кабелях и компонентах / Журнал сетевых решений LAN, №4, 2006, с. 1-2, http://www.osp.ru/lan/2006/04/1155614/). Приведено необходимое оборудование для установки контроля характеристик, от которых зависит пропускная способность оптического канала. В тестировании характеристик оптических линий использован «измеритель оптических потерь». В общем случае это устройство состоит из двух независимых блоков: источника излучения и измерителя оптической мощности. Устройство определяет фактическую величину затухания сигнала между разъемами сетевого интерфейса. Причем, измерение мощности оптического сигнала на выходе не вызывает технических сложностей, поскольку размеры чувствительной области фотоприемника намного превышают диаметр сердцевины как многомодового, так и, тем более, одномодового световода. Реализация метода с использованием измерителя оптических потерь представляет собой трехшаговую схему. На первых двух шагах инструментальными средствами определяется мощность оптического сигнала на входе тестируемого оптоволоконного канала связи и его мощность на выходе. Затем по основному расчетному соотношению вручную или автоматически при помощи регистрирующего устройства (встроенного контроллера) вычисляется фактическая величина затухания.

Наиболее близким к заявленному решению является способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала и установка для его реализации (ГОСТ 26814-86 «Кабели оптические. Методы измерения параметров», 1987 г., с. 1-6). Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала включает измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения - квантового генератора до фоточувствительной площадки приемника оптического излучения, который преобразует электромагнитную энергию лазерного излучения заданной мощности и длины волны λ_i в электроэнергию, при этом интенсивность источника оптического излучения, работающего в непрерывном режиме, поддерживают стабильной в течение всего времени проведения измерений, а регистрацию сигнала производят во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения. Установка для реализации способа содержит источник оптического излучения, имеющий фиксированную длину волны излучения (светодиод или лазер), устройство ввода, смеситель мод, фильтр мод оболочки, оптический кабель, приемник лазерного излучения с фоточувствительной площадкой и регистрирующее устройство.

С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца измеряемого волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Фиксируют положение входного торца и регистрируют значение сигнала на входе приемника излучения. При проведении измерения спектрального распределения затухания изменяют длину волны вводимого в оптическое волокно излучения в заданном спектральном диапазоне; при этом регистрируют значение сигнала на выходе волокна во всем спектральном диапазоне. В приведенной установке, в частности, положение и интенсивность источника лазерного излучения стабильны в течение всего времени проведения измерений, а приемник излучения имеет фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего конуса излучения, выходящего из оптического волокна. Приемник излучения чувствителен к излучению во всем спектральном диапазоне, используемом в измерениях, при этом чувствительность приемника однородна по всей его площади, а преобразовательная характеристика - линейная или известная. Регистрирующее устройство обеспечивает регистрацию сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника лазерного излучения. Если применяют модуляцию оптического излучения, то система обработки сигнала поступающего от приемника лазерного излучения, должна быть согласована с характеристиками модулятора (например, синхронизирована с частотой модуляции сигнала источника излучения). Характеристика регистрирующего устройства - линейная или известная.

Основным недостатком вышеприведенных способов определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала является то, что приведенными способами невозможно выполнить контроль оптической связи при прохождении информационного сигнала через плазменный слой. В частности в решении задачи расчета качества лазерной связи с КА при прохождении оптического излучения через плазменный слой, образующийся при абляционном охлаждении корпуса возвращаемого КА на этапе входа его в атмосферу Земли.

Задачей изобретения является разработка способа определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала, позволяющего определить затухание оптического сигнала, а также определить области частот лазерного излучения, для которых поглощающий слой плазмы прозрачен.

Техническим результатом предложенного изобретения является:

- возможность определения затухания оптического канала, соответствующее ослаблению мощности лазерного излучения при прохождении его через поглощающий слой плазмы, моделируемый исследуемым выгорающим материалом, и зависимости затухания мощности оптического сигнала и дисперсии излучения от состава поглощающего слоя плазмы, его плотности для исследуемого выгорающего материала;

- возможность определения области частот лазерного излучения, для которых поглощающий слой плазмы прозрачен;

- возможность выбора оптимального типа лазера, используя основной параметр: величину затухания оптического канала.

Достигается вышеуказанный технический результат тем, что в способе определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала, включающем измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения - квантового генератора до фоточувствительной площадки приемника оптического излучения, который преобразует электромагнитную энергию лазерного излучения заданной мощности и длины волны λ_i в электроэнергию, при этом интенсивность источника оптического излучения, работающего в непрерывном режиме, поддерживают стабильной в течение всего времени проведения измерений, а регистрацию сигнала производят во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения, при этом формируют поток воздушной плазмы толщиной h_B с заданной плотностью мощности и нормально падающий на него параллельный узконаправленный открытый круговой лазерный пучок, который прерывают с заданной частотой ν и длительностью пропускания τ и направляют его через поглощающий слой плазмы, образованный исследуемым выгорающим материалом под действием сформированного потока воздушной плазмы, причем в процессе определения характеристик производят перемещение лазерного пучка согласованно с линейным перемещением приемника оптического излучения, при этом фиксируют расстояние χ от оси лазерного пучка до выгорающего материала, причем на фиксированной длине волны источника оптического излучения λ_i предварительно регистрируют значение сигнала T_BK(λ_i), соответствующее уровню мощности лазерного излучения при отсутствии потока воздушной плазмы, далее регистрируют значения сигналов в присутствии сформированного потока воздушной плазмы, а именно значение сигнала T_B(λ_i), соответствующее уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через слой толщиной h_B воздушной плазмы, и, при фиксированном расстоянии χ, регистрируют значение сигнала T_M(λ_i, χ), соответствующее уровню мощности лазерного излучения, прошедшего поглощающий слой плазмы исследуемого выгорающего материала с характерным размером его лобовой поверхности h_M<h_B, причем в момент пропускания лазерного излучения регистрируют значения сигналов T_BK(λ_i), T_B(λ_i) и T_M(λ_i, χ) с периодом модуляции τ_МОД = 1/ν, удовлетворяющим соотношению

где τ_ВЫГ - характерное время выгорания исследуемого выгорающего материала до заданной величины, а в момент прерывания лазерного излучения и в присутствии потока воздушной плазмы регистрируют значение сигнала Т_ПЛ, поступающее с приемника оптического излучения и соответствующее уровню мощности от излучения воздушной плазмы, при этом величина зоны нечувствительности регистрирующего устройства Δ и значения регистрируемых сигналов T_BK(λ_i), Т_ПЛ, T_B(λ_i) и T_M(λ_i, χ) должны удовлетворять следующим соотношениям:

а затухание контролируемого оптического канала определяют по формулам:

где A_ПЛ1(λ_i) и А_ПЛ2(λ_i, χ) - затухание контролируемого оптического канала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через слой воздушной плазмы и через поглощающий слой плазмы исследуемого выгорающего материала, соответственно.

На фиг. 1 представлена схема установки, поясняющая суть предлагаемого способа определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала, где χ - расстояние от оси лазерного пучка до лобовой поверхности выгорающей мишени, h_B - толщина слоя воздушной плазмы, h_M - толщина поглощающего слоя плазмы выгорающей мишени, численно равная его характерному размеру. На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - источник оптического излучения (квантовый генератор);

2 - оптическая связь;

3 - коллиматор;

4 - лазерный пучок;

5 - линейный транслятор;

6 - вакуумная камера;

7 - плазматрон;

8 - воздушная плазма;

9 - выгорающий материал (выгорающая мишень);

10 - держатель;

11 - поглощающий слой плазмы;

12 - входной иллюминатор;

13 - выходной иллюминатор;

14 - оптический конденсор;

15 - диафрагма;

16 - приемник оптического излучения (ПОИ);

17 - токовый шунт;

18 -источник питания;

19 - регистрирующее устройство;

20 - усилитель сигнала (УС);

21 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

22 - дисплей;

23 - прерыватель.

Установка, реализующая предложенный способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала, содержит источник оптического излучения - квантовый генератор 1, который преобразует электроэнергию от соединенного с ним источника энергии (на фиг. 1 не показан) в электромагнитную энергию лазерного излучения заданной мощности и длины волны λ_i. От источника оптического излучения 1 через оптическую связь 2 электромагнитную энергию передают коллиматору 3, где формируют параллельный узконаправленный открытый круговой лазерный пучок 4. Коллиматор 3 установлен на линейном трансляторе 5, позволяющем перемещать лазерный пучок 4. Также установка включает вакуумную камеру 6 с установленным в ней плазматроном 7, создающим стационарный и регулируемый поток воздушной плазмы 8 с толщиной слоя h_B. Коллиматор 3 установлен так, что его оптическая ось перпендикулярна набегающему на лобовую поверхность выгорающей мишени 9 потоку воздушной плазмы 8. Поток воздушной плазмы 8 нормально падает на лобовую поверхность выгорающей мишени 9, помещенной в этом потоке и закрепленной в держателе 10. Выгорающая мишень 9 является исследуемым образцом теплозащитного покрытия (ТЗП) с характерным размером лобовой поверхности h_M<h_B. Взаимодействие набегающего потока воздушной плазмы 8, создаваемой плазматроном 7, с исследуемым образцом ТЗП приводит к образованию, со стороны лобовой поверхности выгорающей мишени 9, поглощающего слоя плазмы 11. Лазерный пучок 4, вышедший из коллиматора 3 попадает в прерыватель 23 и далее проходит через входной иллюминатор 12 в вакуумную камеру 6. Далее, в случае не работающего плазматрона 7, лазерный пучок 4 через выходной иллюминатор 13 выходит из вакуумной камеры 6, проходит через оптический конденсор 14 и диафрагму 15 и падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16. Причем, оптический конденсор 14, диафрагма 15 и приемник оптического излучения 16 последовательно установлены друг за другом и оптически связаны. В том случае, когда плазматрон 7 работает лазерный пучок 4, войдя через входной иллюминатор 12 в вакуумную камеру 6, проходит или через слой воздушной плазмы 8 или через поглощающий слой плазмы 11 выгорающей мишени 9. Далее лазерный пучок 4 проходит через выходной иллюминатор 13, оптический конденсор 14, диафрагму 15 и падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16. Причем расстояние δ между фоточувствительной площадкой приемника оптического излучения 16 и диафрагмой 15, находящейся в фокальной плоскости оптического конденсора 14, удовлетворяет соотношению

δ=bF/D_K,

где b - диаметр фоточувствительной площадки приемника оптического излучения 16;

D_K - диаметр линзы оптического конденсора 14;

F - фокусное расстояние оптического конденсора 14, равное расстоянию от линзы оптического конденсора 14 до центра отверстия диафрагмы 15.

Оптическая энергия лазерного пучка 4, вышедшего из вакуумной камеры 6, падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16, подключенного через токовый шунт 17 к источнику питания 18. В приемнике оптического излучения 16 энергия квантов лазерного пучка 4 преобразуется в электрическую энергию и снимается в виде напряжения с токового шунта 17, после чего поступает в регистрирующее устройство 19. Регистрирующее устройство 19, включающее усилитель сигнала (УС) 20, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21 и дисплей 22, обеспечивает регистрацию электрического сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения 16. Электрический сигнал, в виде напряжения снимаемого с токового шунта 17, усиливают в УС 20 и оцифровывают в АЦП 21. Далее информацию выводят на устройство для визуального отображения - дисплей 22.

Определение характеристик оптического канала связи включало предварительное измерение значений регистрируемых сигналов T_BK(λ_i), соответствующих уровням мощности лазерного пучка 4, прошедшего через входной иллюминатор 12 и выходной иллюминатор 13 вакуумной камеры 6 при неработающем плазматроне 7. Затем последующие измерения проводились с работающим плазматроном 7. При этом выполнялась регистрация сигналов T_B(λ_i), соответствующих уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через слой толщиной h_B воздушной плазмы 8 плазматрона 7, и сигналов T_M(λ_i, χ), соответствующих уровню мощности лазерного излучения прошедшего через поглощающий слой плазмы 11 толщиной h_M, образованный выгорающей мишенью 9 с характерным размером лобовой поверхности h_M. Здесь толщина h_M поглощающего слоя плазмы 11 принималась равной характерному размеру лобовой поверхности выгорающей мишени 9, причем удовлетворялось соотношение h_M<h_B. Выгорающая мишень 9 размещена так, что ее лобовая поверхность отстоит на расстоянии χ от оси лазерного пучка 4. Причем расстояние χ изменяют в процессе эксперимента перемещением на линейном трансляторе 5 коллиматора 3 согласованно с линейным перемещением приемника оптического излучения 16 и оптически связанного с ним оптического конденсора 14 и диафрагмы 15. Во всех вышеупомянутых измерениях осуществлялась модуляция непрерывного лазерного излучения при помощи прерывателя 23. Прерыватель 23 осуществляет прерывание лазерного излучения, с заданной частотой ν и длительностью пропускания τ. Прерыватель 23 установлен на участке оптического канала между коллиматором 3 и входным иллюминатором 12. В момент прерывания лазерного излучения регистрирующее устройство 19 обеспечивало регистрацию значения сигнала Т_ПЛ, поступающего с приемника оптического излучения 16, соответствующего определенному уровню мощности от излучения плазмы. А в момент пропускания лазерного излучения регистрируют значение сигнала, соответствующее определенному уровню мощности лазерного излучения, прошедшего исследуемый слой, а именно или слой воздушной плазмы 8 T_B(λ_i) или поглощающий слой плазмы 11 T_M(λ_i, χ) выгорающей мишени 9. При модуляции оптического излучения основным параметром являлся период модуляции τ_МОД = 1/ν, удовлетворяющий соотношению (1) τ < τ_МОД << τ_ВЫГ, где τ_ВЫГ - характерное время выгорания выгорающей мишени 9 до требуемой величины. При этом величина зоны нечувствительности Δ регистрирующего устройства 19 и значения регистрируемых сигналов T_BK(λ_i), Т_ПЛ, Т_В(λ_i) и T_M(λ_i, χ) должны удовлетворять следующим соотношениям (2)

Δ<T_BK(λ_i); Δ<T_ПЛ ∧ ΔТ_ПЛ ∧ Δ<Т_B(λ_i); Δ<Т_ПЛ ∧ Δ<T_M(λ_i,χ).

Затухание контролируемого оптического канала определялось по формулам (3) и (4)

A_ПЛ1(λ_i)=10 lg[T_BK(λ_i)/Т_В(λ_i)], А_ПЛ2(λ_i, χ)=10 lg[T_BK(λ_i)/T_M(λ_i, χ)],

где A_ПЛ1(λ_i) и А_ПЛ2(λ_i, χ) - затухание контролируемого оптического канала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через слой воздушной плазмы 8 и через поглощающий слой плазмы 11 на расстоянии χ от выгорающей мишени 9, соответственно.

Способ реализуется следующим образом.

Способ включает измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения 1 до фоточувствительной площадки приемника оптического излучения 16. Источник оптического излучения 1, являющийся квантовым генератором, преобразует электроэнергию от соединенного с ним источника энергии (на фиг. 1 не показан) в электромагнитную энергию лазерного излучения заданной мощности и длины волны λ_i. Интенсивность источника оптического излучения 1, работающего в непрерывном режиме, поддерживают стабильной в течение всего времени проведения измерений.

Приемник оптического излучения 16 преобразует электромагнитную энергию лазерного излучения заданной мощности и длины волны λ_i в электроэнергию. Он имеет фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего конуса излучения, при этом чувствительность приемника оптического излучения 16 однородна по всей фоточувствительной площадке, а преобразовательная характеристика - линейная или известная.

Регистрирующее устройство 19 обеспечивает регистрацию сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения 16.

При этом контроль характеристик выполняют для лазерного оптического канала связи, где от источника оптического излучения 1 через оптическую связь 2 электромагнитную энергию передают коллиматору 3, где формируют параллельный узконаправленный открытый круговой лазерный пучок 4.

Определение характеристик оптического канала передачи информационного сигнала включает предварительную регистрацию значений сигналов T_BK(λ_i), соответствующих уровням мощности лазерного излучения, прошедшего через входной иллюминатор 12 и выходной иллюминатор 13 вакуумной камеры 6 при неработающем плазматроне 7. Далее лазерный пучок 4 проходит через оптический конденсор 14 и диафрагму 15 и падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16, далее сигнал направляют в регистрирующее устройство 19. Причем, оптический конденсор 14, диафрагма 15 и приемник оптического излучения 16 последовательно установлены друг за другом и оптически связаны.

Далее все последующие измерения проводят с работающим плазматроном 7, помещенным в вакуумную камеру 6. С помощью плазматрона 7, мощность которого может регулироваться, создают поток воздушной плазмы 8 толщиной h_B с заданной плотностью мощности в плазменном слое. Причем, лазерный пучок 4 направляют перпендикулярно потоку воздушной плазмы 8, как показано на фиг. 1.

Затем проводят регистрацию значений сигналов T_B(λ_i), соответствующих уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через входной иллюминатор 12, слой воздушной плазмы 8, выходной иллюминатор 13, оптический конденсор 14 и диафрагму 15. При этом лазерный пучок 4 падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16, откуда сигнал направляют в регистрирующее устройство 19.

Затем в поток воздушной плазмы 8 помещают выгорающую мишень 9 в держателе 10. Выгорающая мишень 9 представляет образец теплозащитного покрытия для создания при выгорании поглощающего слоя плазмы 11, аналогичного по составу с тем, что создается вокруг возвращаемого КА при прохождении атмосферы. Причем выгорающую мишень 9 устанавливают так, чтобы поток воздушной плазмы 8 нормально падал на ее лобовую поверхность. Причем выгорающую мишень 9 размещают так, чтобы ее лобовая поверхность отстояла на определенном расстоянии χ от оси лазерного пучка 4. В процессе работы плазматрона 7 осуществляют откачку вакуумной камеры 6 и удаление продуктов взаимодействия плазменной струи с ТЗП, как показано на фиг. 1. В качестве выгорающего материала 9 используют ТЗП на основе абляционных материалов. В процессе работы плазматрона 7 в плазменной струе плазматрона 7 происходит процесс уноса вещества с лобовой поверхности выгорающей мишени 9 потоком горячего газа. В результате материал ТЗП претерпевает оплавление, испарение, разложение и химическую эрозию, что и обуславливает теплозащитное действие абляционных материалов (Политехнический словарь. 3-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000, с. 9).

Далее фиксируют расстояние χ от оси лазерного пучка 4 до выгорающего материала 9 и проводят регистрацию значений сигналов T_M(λ_i, χ), соответствующих уровню мощности лазерного излучения, прошедшего поглощающий слой плазмы 11 выгорающей мишени 9 с характерным размером лобовой поверхности h_M<h_B и размещенной на расстоянии χ от оси лазерного пучка 4. Причем расстояние χ изменяют в процессе эксперимента перемещением на линейном трансляторе 5 коллиматора 3 согласованно с линейным перемещением приемника оптического излучения 16 и оптически связанного с ним оптического конденсора 14 и диафрагмы 15. Проходя через поглощающий слой плазмы 11, на расстоянии χ от лобовой поверхности выгорающей мишени 9, лазерное излучение претерпевает затухание (ослабление) мощности излучения. Причем поглощающие характеристики исследуемого поглощающего слоя плазмы 11 определяются, например, химическим составом теплозащитного покрытия, взаимодействующего с набегающим потоком воздушной плазмы 8, а также длиной волны λ_i лазерного излучения, для которой исследуемый поглощающий слой плазмы 11 прозрачен. Далее лазерный пучок 4 выходит из вакуумной камеры 7 через выходной иллюминатор 13, проходит через оптический конденсор 14 и диафрагму 15 и падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16. Причем оптический конденсор 14, диафрагма 15 и приемник оптического излучения 16 последовательно установлены друг за другом и оптически связаны. При этом расстояние 8 между фоточувствительной площадкой приемника оптического излучения 16 и диафрагмой 15, находящейся в фокальной плоскости оптического конденсора 14, удовлетворяет соотношению:

δ=bF/D_K,

где b - диаметр фоточувствительной площадки приемника оптического излучения 16;

D_K - диаметр линзы оптического конденсора 14;

F - фокусное расстояние оптического конденсора 14, равное расстоянию от линзы оптического конденсора 14 до центра отверстия диафрагмы 15.

Лазерный пучок 4, вышедший из вакуумной камеры 6, облучает оптический конденсор 14. Электромагнитная энергия лазерного пучка 4, собранная оптическим конденсором 14, направляется через отверстие диафрагмы 17 на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения 16, подключенного в фотодиодном режиме через токовый шунт 17 к источнику питания 18. В приемнике оптического излучения 16 оптическую энергию лазерного пучка 4 преобразуют в электрический сигнал, который снимают в виде напряжения с токового шунта 17 и который далее направляют в регистрирующее устройство 19.

Причем, во всех вышеупомянутых измерениях осуществлялась модуляция непрерывного лазерного излучения при помощи прерывателя 23, установленного на выходе лазерного пучка 4 из коллиматора 3, на участке оптического канала между коллиматором 3 и входным иллюминатором 12. С помощью прерывателя 23 осуществляют прерывание лазерного пучка 4 с заданной частотой ν и длительностью пропускания лазерного излучения τ.

Регистрирующее устройство 19, включающее усилитель сигнала (УС) 20, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21 и устройство для визуального отображения информации - дисплей 22, обеспечивает регистрацию электрического сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения 16. Электрический сигнал в виде напряжения, снимаемого с токового шунта 17, усиливают в УС 20, количественно оценивают (оцифровывают) в АЦП 21 и далее информацию выводят на дисплей 22. Причем, в момент прерывания лазерного излучения регистрирующее устройство 19 обеспечивало регистрацию сигнала Т_ПЛ, поступающего с приемника оптического излучения 16, соответствующего определенному уровню мощности от излучения плазмы, а в момент пропускания лазерного излучения регистрировалось значение сигнала T_B(λ_i) или T_M (λ_i, χ). При этом основным параметром являлся период модуляции τ_МОД = 1/ν, удовлетворяющий соотношению (1) τ < τ_МОД << τ_ВЫГ, где τ_ВЫГ - характерное время выгорания выгорающей мишени 9 до заданной величины. При этом величина зоны нечувствительности Δ регистрирующего устройства 19 и значения регистрируемых сигналов T_BK(λ_i), Т_ПЛ, Т_В(λ_i) и T_M(λ_i, χ) удовлетворяют соотношениям (2):

Δ<T_BK(λ_i); Δ<T_ПЛ ∧ Δ<Т_B(λ_i); Δ<Т_ПЛ ∧ Δ<T_M(λ_i,χ).

После чего затухание контролируемого оптического канала определялось по формулам (3) и (4)

A_ПЛ1(λ_i)=10 lg[T_BK(λ_i)/Т_В(λ_i)], А_ПЛ2(λ_i, χ)=10 lg[T_BK(λ_i)/T_M(λ_i, χ)],

где A_ПЛ1(λ_i) и А_ПЛ2(λ_i, χ) - затухание контролируемого оптического канала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через слой воздушной плазмы 8 и через поглощающий слой плазмы 11 на расстоянии χ от выгорающей мишени 9, соответственно.

Приведем пример реализации способа определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала и установки, поясняющий предложенный способ.

Для реализации способа используем ВЧ-плазматрон (газодинамическую установку У-13ВЧП), который дает более чистую плазму по сравнению, например, с дуговым плазматроном (Политехнический словарь. 3-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000, с. 382). Рабочий газ, в качестве которого используем воздух, ионизуется в безэлектродном высокочастотном разряде ВЧ-плазматрона. ВЧ-плазматрон устанавливаем в вакуумную камеру. В процессе работы ВЧ-плазмотрона осуществляем откачку вакуумной камеры и удаление продуктов взаимодействия плазменной струи с ТЗП. С помощью ВЧ-плазматрона создаем поток воздушной плазмы, в который помещаем выгорающую мишень - образец ТЗП возвращаемого КА для создания слоя плазмы, аналогичного по составу с тем, что создается вокруг возвращаемого КА при прохождении им атмосферы. Для проведения экспериментальных исследований используем экспериментальную установку, характеризуемую следующими параметрами: мощность установки - 200 кВт, давление в вакуумной камере - 200 мбар, толщина слоя воздушной плазмы (диаметр плазменного потока) h_B=180 мм, скорость потока - дозвуковая, температура воздушной плазмы вблизи ТЗП - от 4000 до 6000 K.

В качестве материала мишени образца ТЗП в струю воздушной плазмы помещаем теплозащиту на основе абляционных материалов. Например, положим, что конструктивно ТЗП выполнено в виде квадратной плитки с характерным размером лобовой поверхности h_M=100 мм и толщиной 20 мм и состоит из обугливающейся пластмассы на основе фенолформальдегидных смол с наполнителем из диоксида кремния (Политехнический словарь. 3-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000, с. 9). Принимаем, что толщина поглощающего слоя плазмы исследуемого выгорающего материала соответствует характерному размеру лобовой поверхности ТЗП.

При исследовании области частот лазерного излучения, для которых моделируемый плазменный слой прозрачен, на экспериментальной установке проводим измерения затухания для различных типов источника оптического излучения (лазера) путем их замены. В установке, например, используем три типа лазеров с различной длиной волны излучения: оптоволоконный лазер с λ_i=1,064 мкм, твердотельный с λ_i=0,532 мкм и диодный с оптоволоконным выводом, как, например полупроводниковый лазер с λ_i=0,805 мкм и с активной средой AlGaAs (Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1983, с. 338). Положим, используем лазер, работающий в непрерывном режиме излучения с длиной волны λ_i=0,532 мкм и максимальной оптической мощностью порядка 0,1 Вт. Источник оптического излучения соединен через оптическую связь (например, через оптоволокно) с коллиматором формирующим узконаправленный открытый лазерный луч. Положим диаметр лазерного пучка, выходящего из коллиматора, составляет 5 мм, а расходимость пучка - 0,008°. Причем интенсивность источника оптического излучения стабильна в течение всего времени проведения измерений.

Причем во всех измерениях осуществляем модуляцию непрерывного лазерного излучения при помощи прерывателя, установленного на выходе лазерного пучка из коллиматора. Прерыватель осуществляет прерывание с заданной частотой ν и длительностью τ пропускания лазерного излучения. В данном примере используем механический прерыватель с частотой модуляции прямоугольных импульсов лазерного излучения ν=20 Гц и длительностью пропускания лазерного излучения τ=2,5⋅10^-2 c.

Измерение затухания информационного сигнала при прохождении лазерного излучения через моделируемый плазменный слой (т.е. слой воздушной плазмы плазматрона или поглощающий слой плазмы выгорающей мишени) выполняют следующим образом.

Контроль характеристик оптического канала связи включал предварительное измерение значений регистрируемых сигналов T_BK(λ_i), соответствующих уровням мощности лазерного излучения прошедшего через входной и выходной иллюминаторы вакуумной камеры при неработающем плазматроне. После выходного иллюминатора лазерный пучок проходит оптический конденсор, диафрагму и падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения. Приемник оптического излучения выполнен на основе полупроводникового фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Используем в качестве ФЭП например гетеропереходные фотоэлементы со структурой pAl_xGa_1-xAs-pGaAs-nGaAs (В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 110). Причем оптический конденсор, диафрагма и фоточувствительная площадка приемника оптического излучения установлены последовательно друг за другом и оптически связаны. Лазерный пучок, вышедший из вакуумной камеры, облучает оптический конденсор. Электромагнитная энергия лазерного пучка, собранная оптическим конденсором, направляется через отверстие диафрагмы, формирующей угол зрения приемника оптического излучения, что обеспечивает снижение плотности электромагнитного потока, падающего на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения, без снижения величины электромагнитной мощности указанного потока. Оптическая энергия лазерного пучка падает на фоточувствительную площадку приемника оптического излучения, подключенного в фотодиодном режиме через токовый шунт к лабораторному источнику питания. В приемнике оптического излучения оптическая энергия лазерного пучка преобразуется в электрический сигнал, который снимается в виде напряжения с токового шунта и поступает в регистрирующее устройство. Регистрирующее устройство, включающее усилитель сигнала (УС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и устройство для визуального отображения информации - дисплей, обеспечивает регистрацию электрического сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения. Электрический сигнал, в виде напряжения, снимаемого с токового шунта, усиливается в УС, количественно оценивается (оцифровывается) в АЦП и далее информацию выводят на дисплей. Положим, в результате предварительного измерения получили значение регистрируемого сигнала в момент пропускания лазерного излучения с длиной волны λ_i=0,532 мкм через механический прерыватель T_BK(λ_i)=970 мВ, соответствующего уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через входной и выходной иллюминаторы вакуумной камеры при неработающем плазматроне.

Далее все последующие измерения проводят с работающим плазматроном.

Проводят регистрацию значений сигналов T_B(λ_i), соответствующих уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через слой толщиной h_B воздушной плазмы плазматрона. Устанавливают в потоке воздушной плазмы выгорающую мишень и регистрируют значения сигналов T_M(λ_i, χ), соответствующих уровню мощности лазерного излучения, прошедшего слой плазмы выгорающей мишени с характерным размером лобовой поверхности h_M<h_B и размещенной на расстоянии χ от оси лазерного пучка, где толщина h_M поглощающего слоя плазмы принималась равной характерному размеру лобовой поверхности выгорающей мишени.

Причем расстояние χ изменяют в процессе эксперимента перемещением на линейном трансляторе коллиматора согласованно с линейным перемещением приемника оптического излучения и оптически связанных с ним оптического конденсора и диафрагмы.

Положим, что регистрация сигнала, соответствующего уровню мощности лазерного излучения с длиной волны λ_i=0,532 мкм, прошедшего через слой толщиной h_B=180 мм воздушной плазмы плазматрона, показала в момент пропускания лазерного излучения T_B(λ_i)=850 мВ. Фиксируют расстояние χ, например χ=6 мм, от оси лазерного пучка до выгорающего материала. После чего регистрация сигнала, соответствующего уровню мощности лазерного излучения с длиной волны λ_i=0,532 мкм, прошедшего поглощающий слой плазмы на расстоянии χ=6 мм от лобовой поверхности выгорающей мишени, показала в момент пропускания лазерного луча T_M(λ_i, χ)=630 мВ.

Причем, в момент прерывания лазерного излучения регистрирующее устройство обеспечивает регистрацию сигнала Т_ПЛ, поступающего с приемника оптического излучения, соответствующего определенному уровню мощности от излучения плазмы. Положим, что при проведении эксперимента, в момент прерывания лазерного излучения, был зафиксирован сигнал Т_ПЛ=150 мВ. В момент пропускания лазерного пучка был зафиксирован сигнал, как отмечено выше, T_B(λ_i)=850 мВ и T_M(λ_i, χ)=630 мВ. При этом, основным параметром являлся период модуляции τ_МОД=1/ν=1/20=0,05 с, удовлетворяющий при τ=2,5⋅10^-2 с требуемому соотношению (1) τ < τ_МОД << Т_ВЫГ, где τ_ВЫГ - характерное время выгорания выгорающей мишени до требуемой величины, которое, предположим для выбранного материала и размера плитки ТЗП, равно 900 с. При этом, величина зоны нечувствительности Δ регистрирующего устройства (положим Δ=50 мВ) и значения регистрируемых сигналов T_BK(λ_i), Т_ПЛ, T_B(λ_i) и T_M(λ_i, χ) удовлетворяют требуемым соотношениям (2):

Δ<T_BK(λ_i); Δ<T_ПЛ ∧ Δ<Т_B(λ_i); Δ<Т_ПЛ ∧ Δ<T_M(λ_i,χ).

Откуда определяем затухание контролируемого оптического канала по выше приведенным формулам (3) и (4).

Для A_ПЛ1(λ_i) определяем затухание контролируемого оптического канала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через слой толщиной h_B=180 мм воздушной плазмы плазматрона

A_ПЛ1(λ_i)=10 lg[T_BK(λ_i)/T_B(λ_i)]=10 lg[970/850]=0,57 дБ.

Для A_ПЛ2(λ_i, χ) определяем затухание контролируемого оптического канала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через поглощающий слой плазмы толщиной h_M=100 мм на расстоянии χ от выгорающей мишени

А_ПЛ2(λ_i, χ)=10 lg[T_BK(λ_i)/Т_М(λ_i, χ)]=10 lg[970/630]=1,87 дБ.

Соотношения (1) и (2) достаточно очевидны при оцифровке результатов эксперимента при постоянно меняющихся условиях в плазменном слое выгорающей мишени.

Приведем вывод соотношений (3) и (4), используя в качестве примера установку, поясняющую предложенный способ.

Затухание регистрируемого сигнала при прохождении лазерного излучения через слой плазмы определяем по формуле аналогичной при измерении оптического кабеля (см. ГОСТ 26814-86 Кабели оптические. Методы измерения параметров, с. 5)

где - T₁(λ_i), t₂(λ_i) значение сигналов, соответствующих уровням мощности лазерного излучения на входе и выходе исследуемого плазменного слоя;

λ_i - длина волны, на которой проведены измерения, мкм.

Рассмотрим ситуацию, когда плазматрон не работает, т.е. при отсутствии воздушной плазмы в вакуумной камере. Предположим, регистрируем сигналы: T₀, соответствующий уровню мощности лазерного излучения перед входом в вакуумную камеру; T₁, соответствующий уровню мощности лазерного излучения после прохождения входного иллюминатора; T_BK(λ_i), соответствующий уровню мощности лазерного излучения после прохождения выходного иллюминатора и выходу из вакуумной камеры. При этом лазерное излучение ослабевает при прохождении входного иллюминатора, с коэффициентом ослабления k₁=T₁/T₀, и затем выходного иллюминатора, с коэффициентом ослабления k₂=T_BK(λ_i)/T₁. Откуда ослабление сигнала при прохождении лазерного излучения через вакуумную камеру

Рассмотрим ситуацию, когда плазматрон работает, т.е. при присутствии воздушной плазмы в вакуумной камере. При этом лазерное излучение суммарно ослабевает при прохождении иллюминаторов и заданного слоя воздушной плазмы с коэффициентом ослабления

где k_ПЛ - коэффициент ослабления лазерного излучения при прохождении заданного слоя воздушной плазмы.

Подставляя произведение k₁⋅k₂ из (6) в выражение (7) находим

Используем соотношения (5) и (8) и определяем затухание регистрируемого сигнала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через заданный слой воздушной плазмы А_ПЛ1(λ_i)=10 lg[T_BK(λ_i)/T_B(λ_i)], т.е. получаем соотношение (3).

Аналогично получаем выражение (4) для А_ПЛ2(λ_i, χ), определяющее затухание регистрируемого сигнала при прохождении лазерного луча с длиной волны λ_i через поглощающий слой плазмы на расстоянии χ от выгорающей мишени А_ПЛ2(λ_i, χ)=10 lg[T_BK(λ_i)/Т_М(λ_i, χ)].

Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала включает в себя измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения до приемника оптического излучения. При этом производят перемещение лазерного пучка согласованно с линейным перемещением приемника, фиксируют расстояние от оси лазерного пучка до выгорающего материала. На фиксированной длине волны источника оптического излучения предварительно регистрируют значение сигнала, соответствующее уровню мощности лазерного излучения при отсутствии потока воздушной плазмы, далее регистрируют значения сигналов в присутствии плазмы, которое соответствует уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через слой толщиной воздушной плазмы и при фиксированном расстоянии, и регистрируют значение сигнала, соответствующее уровню мощности лазерного излучения, прошедшего поглощающий слой плазмы исследуемого выгорающего материала. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения затухания оптического канала и определения области частот лазерного излучения, для которых поглощающий слой плазмы прозрачен, а также обеспечении возможности выбора оптимального типа лазера на основании величины затухания оптического канала. 1 ил.

Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала, включающий измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения - квантового генератора до фоточувствительной площадки приемника оптического излучения, который преобразует электромагнитную энергию лазерного излучения заданной мощности и длины волны λ_i в электроэнергию, при этом интенсивность источника оптического излучения, работающего в непрерывном режиме, поддерживают стабильной в течение всего времени проведения измерений, а регистрацию сигнала производят во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника оптического излучения, отличающийся тем, что формируют поток воздушной плазмы толщиной h_В с заданной плотностью мощности и нормально падающий на него параллельный узконаправленный открытый круговой лазерный пучок, который прерывают с заданной частотой ν и длительностью пропускания τ и направляют его через поглощающий слой плазмы, образованный исследуемым выгорающим материалом под действием сформированного потока воздушной плазмы, причем в процессе определения характеристик производят перемещение лазерного пучка согласованно с линейным перемещением приемника оптического излучения, при этом фиксируют расстояние χ от оси лазерного пучка до выгорающего материала, причем на фиксированной длине волны источника оптического излучения λ_i предварительно регистрируют значение сигнала Т_ВК(λ_i), соответствующее уровню мощности лазерного излучения при отсутствии потока воздушной плазмы, далее регистрируют значения сигналов в присутствии сформированного потока воздушной плазмы, а именно значение сигнала Т_ВК(λ_i), соответствующее уровню мощности лазерного излучения, прошедшего через слой толщиной h_B воздушной плазмы, и при фиксированном расстоянии χ регистрируют значение сигнала T_M(λ_i, χ), соответствующее уровню мощности лазерного излучения, прошедшего поглощающий слой плазмы исследуемого выгорающего материала с характерным размером его лобовой поверхности h_M<h_В, причем в момент пропускания лазерного излучения регистрируют значения сигналов Т_ВК(λ_i), Т_В(λ_i) и T_M(λ_i, χ) с периодом модуляции τ_МОД=1/ν, удовлетворяющим соотношению τ<τ_МОД<<τ_ВЫГ, где τ_ВЫГ - характерное время выгорания исследуемого выгорающего материала до заданной величины, а в момент прерывания лазерного излучения и в присутствии потока воздушной плазмы регистрируют значение сигнала Т_ПЛ, поступающее с приемника оптического излучения и соответствующее уровню мощности от излучения воздушной плазмы, при этом величина зоны нечувствительности регистрирующего устройства Δ и значения регистрируемых сигналов Т_ВК(λ_i), T_ПЛ, Т_В(λ_i) и T_M(λ_i, χ) должны удовлетворять следующим соотношениям:

,

а затухание контролируемого оптического канала определяют по формулам:

,

где A_ПЛ1(λ_i) и А_ПЛ2(λ_i, χ) - затухание контролируемого оптического канала при прохождении лазерного излучения с длиной волны λ_i через слой воздушной плазмы и через поглощающий слой плазмы исследуемого выгорающего материала соответственно.