Перспективные разработки по созданию оптического канала связи на трассе "летательный аппарат – атмосфера – толща океана"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова»

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ ПО СОЗДАНИЮ ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ НА ТРАССЕ «ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ - АТМОСФЕРА - ТОЛЩА ОКЕАНА»

В.А. Яковлев

А.Г. Журенков

Основным средством связи с погруженными подводными объектами (ПО) в настоящее время является радиосвязь на сверхнизких радиочастотах (СНЧ), требующая применения на ПО буксируемых протяженных кабельных антенн, что ограничивает маневрирование ПО, скрытность и т. п. Поэтому разработка технологии оптической лазерной связи на трассах «летательный аппарат - атмосфера - толща океана» не требующей использования буксируемых устройств является весьма актуальной задачей.

В нашей стране в 80-х годах разрабатывались средства связи с ПО. В 1982-89 г.г. была проведена ОКР «Эпоха» по созданию двусторонней линии связи «Самолет - ПО». В 1987 году Московским НИИ радиосвязи с участием ГОИ им. С.И. Вавилова проведен натурный эксперимент «Свет» (рисунок 1) по передаче оптических сигналов с космического аппарата на погруженный фотоприемник. В эксперименте использовались: космический аппарат «Прогресс-30», станция «Мир» и два надводных корабля с погружаемыми фотоприемниками (Центр. Атлантика, Тихий океан). На грузовом корабле «Прогресс-30» был размещен передающий лазерный комплекс с системой наведения. Прием осуществлялся ночью на глубинах до 80 м.

Рисунок 1 - Схема проведения эксперимента «Свет» (1987 год).

В настоящее время работоспособные и принятые в эксплуатацию аналоги предлагаемого оптического канала связи отсутствуют. Появление новых неизвестных технологий и альтернативных решений задачи связи на трассах «летательный аппарат - атмосфера - толща океана» возможно, но маловероятно по причине наличия фундаментальных физических ограничений на параметры подобных каналов связи.

Исследования предельных возможностей использования оптического лазерного канала связи «космический аппарат - подводный объект» (КА-ПО) проводились в ГОИ им. С.И. Вавилова в рамках НИР «НОКС» (2001-2003 гг.). оптический связь сигнал маневрирование

В последние десять лет теоретические и лабораторные исследования в этой области были продолжены авторами статьи частично за счет собственного научного энтузиазма, частично за счет средств федерального бюджета, полученных по контракту с Министерством образования и науки РФ на выполнение в 2011-2012 гг. НИР «Исследование принципов создания беспроводной оптической связи для дистанционного управления подводными роботизированными объектами», тематика которой имела много общего с рассматриваемой здесь проблемой.

Рисунок 2 - Зависимость мощности лазерного источника от ширины полосы пропускания светофильтра приемного устройства. Расчеты проведены при следующих параметрах: Солнце находится в зените; глубина приема = 100 м; отношение сигнал/шум = 10.

Как показано на рисунке 2, при использовании светофильтров мощность применяемых лазерных источников может быть снижена на несколько порядков при одной и той же пространственной конфигурации каналов связи.

Наиболее реальным для практического применения вариантом является использование оптических фильтров на основе атомарных сред, которые характеризуются высокой однородностью параметров по апертуре фильтра и независимостью длины волны пропускания от внешних условий, обусловленной стабильностью частоты атомных переходов. В силу всех этих уникальных качеств фильтры на атомарных средах являются наиболее оптимальными для селекции узкополосного рассеянного сигнала на фоне широкополосных оптических помех. В ГОИ им. С.И. Вавилова в 1986 году был создан и исследован фильтр на парах цезия работающий в голубой области спектра (455,5 нм), а также разработан твердотельный титан-сапфировый лазер для излучения в данной области.

Типичная для этих фильтров ширина полосы пропускания 0,001 нм. Они имеют высокую однородность оптических характеристик по апертуре фильтра, широкий угол зрения, обусловленный изотропностью атомных паров и гарантированную стабильность положения центральной частоты полосы пропускания. Последнее обстоятельство позволяет создавать матричные конструкции узкополосных фильтров, состоящих из большого количества одинаковых ячеек с атомными парами, которые имеют принципиально одинаковые характеристики.

На рисунке 3 приведены вероятности доведения сообщений на глубине 100 метров в дневное время, при мощности лазера 100 Вт и использовании атомно-резонансного цезиевого оптического фильтра в спектральной полосе ??????????нм ??0,0005 нм.

Рисунок 3 - Вероятность доведения сообщений на глубине 100 метров в дневное время, при мощности лазера 100 Вт в спектральной полосе Dl = 0,0005 нм (l = 455,5 нм).

Для практического решения рассмотренных в статье проблем предлагается постановка прикладной НИР в рамках которой будут выполнены исследования по:

1) Созданию мощного лазерного источника со специальным режимом генерации излучения, обладающим высокой надежностью и длительным рабочим ресурсом.

2) Оптимизации работы пары «лазерный излучатель - приемник» в задаче распространения света «космос-атмосфера-вода- приемник».

3) Стабилизации длины волны космического лазерного излучателя с высокой точностью (до ?????0,001нм) для согласования со спектром пропускания воды и фильтров, отсекающих солнечный свет.

4) Созданию нового поколения сверхузкополосных светофильтров, в том числе атомно-резонансных цезиевых фильтров и высокочувствительных малошумящих селективных приемников.

5) Разработке методики измерения светового поля под водой многоканальной фотоприемной системой при плавании подводного объекта в реальных условиях на различных глубинах, в различных акваториях океана и при различных гидрометеоусловиях.

6) Разработке программы и методики натурных экспериментальных исследований на макете оптического лазерного канала связи.

В результате выполнения предлагаемой НИР будет создан макет оптического лазерного канала связи ЛА-ПО обеспечивающий двухстороннюю связь при следующих параметрах:

- Высота носителя (самолет, вертолет, беспилотный летательный аппарат):

от 100 м до 20 км.

- Глубина доведения сообщений: 80 - 100 м в любое время суток.

- Скорость передачи информации: до 1000 кбит/сек.

Макет будет включать следующие основные узлы и элементы научно-технического сопровождения:

1) Фотоприёмную систему регистрации сигналов и фона в дневное и ночное время суток на ПО и ЛА, состоящая из однотипных модулей, содержащих:

- фотодетектор с фоточувствительной поверхностью;

- оптическую систему для формирования поля зрения;

- атомно-резонансные светофильтры.

2) Лазерные излучатели авиационного базирования с согласованными с фотоприемной системой рабочими спектральными диапазонами.

3) Блок управления и сопряжения на ЛА и ПО.

4) Программно-математическое обеспечение для обработки информации и алгоритмов принятия решений.

5) Имитационную статистическую модель оптического канала связи, базирующуюся на экспериментальных данных по прохождению светового поля через атмосферу, поверхность моря и водную толщу.

Необходимость и своевременность постановки комплекса работ в интересах ВМФ в который входит предлагаемая НИР подтверждены решением Экспертного совета ВМФ от 07.12.2012 г. и решениями НТС ВПК от 14.02.2013 г. и 09.04.2013 г.

Аннотация

В докладе рассматриваются научно-технические проблемы технологии оптического канала связи «летательный аппарат (ЛА) - подводный объект (ПО)» («ЛА-ПО») для передачи сигналов управления с ЛА на погруженные подводные объекты, с обеспечением приема формализованных сообщений на подводном объекте без ограничения его маневрирования по курсу и скорости.

Ключевые слова: оптическая связь, летательный аппарат, подводный объект

Размещено на Allbest.ru