CC BY
29
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
113
ин-та / Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Исследования океанов и морей. — 2005. — № 209. — С. 107-128.
3. Каган Б.А. Взаимодействие океана и атмосферы: учеб. пособие. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. — 336 с.
4. Красножон Г.Ф., Филимонова М.К. О расчёте вет-
ровых нагонов //Труды VI конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей". — М.: 2004. — Режим доступа:
caspi.ru/HTML/05/Nagon-rus.html
5. Крюков Н. Д., Шматков В. А. Учёт течений, генерируемых ветром, при плавании судов. // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2015. -№3(31). - С. 23-29.
6. Море. Развитие идей и наблюдений, связанных с изучением море: пер. с англ. / отв. ред.: В. Тиманов; пер. с англ.: Б. Каган [и др.].— Л.: Гидрометеоиздат, 1965. — 464 с.
7. Океанские пути мира. — Л.: Главное управление навигации и океанологии, 1980. — 200 с.
8. Режим, диагноз и прогноз ветрового волнения в океанах и морях / под ред. Е. С. Нестерова. — М.: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (РОСГИДРОМЕТ),
2013. — 295 с.
9. Руководство по расчёту наивыгоднейших путей плавания судов на морях и океанах. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976. — 160 с.
10. Ekman V. W. On the Influence of the Earths Rotation on Ocean Currents // Arkiv for matematic, Asrtonomi, och Fysic. Band 2.— 1905. — T. 11. - С. 1-53.
11. Large W. G. и Pond S. Sensible and Latent Heat Flux Measurements over the Ocean // Journal of Physical Oceanography. - 1982. - 12. - C. 466-482.
12. Stewart R. Introduction to Physical Oceanography. -Texas.: Department of Oceanography Texas A&M University, 2008. - C. 353.
13. Ralph E. A., Niiler P. P., Wind-driven currents in the tropical // Journal of Physical Oceanography. — T. 29 (9). — 1999. — P. 2121-2129.
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
СВЯЗИ С АТМОСФЕРНЫМИ СЕГМЕНТАМИ
Кузяков Борис Алексеевич
Канд. физ.-матем. наук, доцент каф. Телекоммуникационных систем МИРЭА, г. Москва,
Сивецкий Вадим Ярославович студент МИРЭА, г. Москва, Тихонов Роман Валерьевич
аспирант МИРЭА, г. Москва
АННОТАЦИЯ
В работе рассматриваются вопросы оптимизации структуры комплексированной оптической системы связи (КОТС) с атмосферными сегментами. Для ослабления влияния турбулентности атмосферы применяются Бессель-Гауссо-вые пучки. В методе коррекции фазы сигналов используются орбитальные угловые моменты (ОАМ) фотонов. Применены селективные световоды, поддерживающие выбранные моды ОАМ. Проведен анализ нескольких структурных схем КОТС. В результате получена оптимальная структура по проекту КОТС с атмосферными сегментами. ABSTRACT
The work deals with the optimization of the structure interconnecting the optical communication system (COTS) with atmospheric segments. To reduce the effect of atmospheric turbulence are applied Bessel-Gauss beams. In a method ofphase correction signals use orbital angular momentum (OAM) ofphotons. Applied selective optical fibers that support selected mode OAM. The analysis of several structural schemes COTES. The result is the optimal structure for the project COTS with atmospheric segments.
Ключевые слова: оптические, системы связи, атмосферные сегменты, турбулентность, лазерные пучки, орбитальные угловые моменты, фотоны, селективные световоды
Keywords: optical, communication system, atmospheric segments, turbulence, laser beams, orbital angular momentum, photons, selective fibers.
В наше время для реализации телекоммуникационной связи [2, 4] между разнообразными объектами, в ряде случаев, необходимы комплексированные оптические (рис. 1) системы (КОТС). Они могут содержать несколько сегментов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и атмосферных открытых линий связи (АОЛС). В-послед-них, передача информации осуществляется в открытом пространстве лазерным лучом в условиях прямой видимости.
Ряд атмосферных лазерных систем, в диапазоне Х=1,55 мкм, (полный дуплекс) со скоростями 1 Гбит/с, с интерфейсом Gigabit Ethernet выпускаются малыми сериями. При этом, максимальная дальность связи, зависящая от дальности видимости М, при выбранном коэффициенте
доступности (иногда превышающем уровень 99,9), для большинства моделей - менее 1,5 км.
Для ряда применений эта величина оказывается недостаточной. При решении задачи повышения дальности и доступности канала нужен всесторонний анализ, оптимизация КОТС и применение дополнительных модификаций. Общая схема АОЛС включает: источник лазерного излучения с модулятором, на который поступает информационный сигнал; модуль передающей антенны; атмосферный канал повышенной дальности; модуль приёмной антенны; модуль фотоприёмного устройства на основе быстродействующего PIN фотодиода или APD с предусилителем и системой обработки сигнала. Доступность
114
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
АОЛС непосредственно связана с величиной поступающей лазерной мощности на приёмник Pr и отношением сигнал/шум SNp.
При значительной протяженности всей линии связи применяются волоконно-оптические усилители (ВОУ). В настоящее время ВОУ интенсивно совершенствуются, наряду с волоконными лазерами, имеющими очень широкий спектр применений, включая системы телекоммуникаций. Необходимая мощность выходного излучения
ВОУ достигается путем соответствующего выбора материала активного световода и параметров источника накачки.
Источники, инжектируемого в волокно излучения, имеют конечную полосу частот. Так светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры - 23 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности).
Известно, что на доступность АОЛС влияют параметры атмосферы. В наше время получены статистические данные атмосферных условий практически всех регионов планеты. Одним из методов ослабления влияния турбулентности атмосферы состоит в использовании Бес-сель-Гауссовых пучков. На рис. 2 приведены изменения профиля Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере в зависимости от длины трассы [10].
Из рис. 2 видно, что при прохождении Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере на расстоянии до L =400 м общий качественный вид пучка практически сохраняется. После прохождения такого пучка на расстоянии до L = 700 м, общий качественный вид пучка немного изменяется. При этом ширина пучка увеличивается и в центре пучка интенсивность становится отличной от нулевой. В частности, в сравнении с пучком, прошедшим расстояние
400 м, полная ширина пучка (по уровню 0,5 максимума) возрастает на 16%, а интенсивность пучка в центре при Х=0 возрастает менее, чем на 20%. Этот краткий анализ подтверждает перспективы использования Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере.
Вопросы воздействия атмосферной турбулентности на распространение лазерных пучков рассмотрены в
ряде работ. В частности, в недавно опубликованной работе [10], экспериментально показано, что в анизотропном пограничном слое, вблизи земной поверхности, турбулентность является локально слабоанизотропной и теория подобия Монина-Обухова выполняется локально. При известных характерных масштабах изменения температуры и скорости, средних для региона наблюдений, анизотропный пограничный слой можно заменить на изотропный, для которого уже разработаны оптические модели турбулентности.
На основе результатов численного моделирования с использованием параболического уравнения [1, 10] были рассчитаны дисперсия флуктуации интенсивности на оси сфокусированного гауссового пучка и его эффективный размер в турбулентной атмосфере в зависимости от безразмерного параметра
йЛ2а)=1ХУЦ2аУ5
(1)
где: L - длина трассы; a - начальный радиус пучка; k=2nA, - волновое число;
Cn2 - структурная характеристика показателя преломления турбулентной атмосферы.
Рисунок 2. Динамика профиля Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере в зависимости от длины трассы: P - мощность пучка, r - средний радиус пучка по уровню 0,5 максимума
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
115
Параметр Ds(2a) определяет структурную функцию фазы сферической волны в турбулентной атмосфере, вычисленную на размере начальной апертуры и им удобно характеризовать турбулентные условия распространения лазерных пучков. Выражение (1) показывает, что параметр Ds(2a) линейно зависит от L и почти квадратично -от а.
Выполненное в работе [10], сопоставление данных моделирования распространения лазерных пучков на основе параболического уравнения для комплексной амплитуды поля волны с имеющимися теоретическими и экспериментальными результатами показывает, что для количественной оценки во многих случаях требуется моделировать случайные фазовые экраны в более низкочастотной области спектра, чем это позволяет делать шаг дискретизации расчетной сетки.
Кроме того, анализ показывает необходимость введения в КОТС дополнительных устройств и/или методов компенсации воздействия турбулентности в данном регионе. Например, на базе использования модуляции излучения по состоянию углового момента (OAM) фотонов [2, 9]. Он определяется специфичной формой волнового фронта, закрученного вдоль оси распространения.
У закрутки электромагнитной волны может отличаться не только направление (против или по часовой
стрелке), но и степень перекрученности (соотношение между шагом спирали и длиной волны). Такая волна несет момент импульса, и если какое-то тело ее поглотит, то момент импульса передастся ему, и оно начнет вращаться. Регулируя этот параметр, в пространстве состояний OAM можно создавать, теоретически, большое число каналов, работающих на одной и той же частоте.
Для снижения влияния турбулентности на канал передачи информации в атмосфере применяются несколько методов. Наибольшее распространение получил метод коррекции волнового фронта Шарка - Гартмана (МТТТГ) и метод коррекции фазы (МКФ) для орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ состояний). В МТТТГ используется датчик волнового фронта Гартмана, сигналы которого поступают в модуль управления адаптивной оптикой для корректировки системы телекоммуникации. В МКФ используется поток фотонов (рис. 3) с определенной модой ОАМ, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОАМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации.
Для реализации методики с использованием мод ОАМ могут применяться несколько вариантов схем. Например, в работе [2] в схеме формирования лазерного пучка используются отражательные голограммы на входе и выходе оптической системы.
а)
б)
Рисунок 3. Примеры распределения потоков фотонов с модами ОАМ
На рис. 3 наглядно представлены варианты распределения мод ОМ, например, видно, что при 0 = 0,2, контраст между первыми ближайшими модами ОМ превышает 0,9. При 0 > 0,8, контраст между первыми 3-мя ближайшими модами ОМ оказывается менее 0,5
Для реализации методики с использованием мод ОАМ могут применяться несколько вариантов схем. Например, в работе [2, 9] в схеме формирования лазерного пучка используются отражательные голограммы на входе и выходе оптической системы.
В ряде работ рассматриваются варианты выбора ОАМ с использованием внутренней конической дифракции. Предложен так же электрический контроль ОАМ при фокусировке лазерного пучка на безосный кристалл. Известно применение магнито - оптического эффекта для настройки потока замедленных фотонов.
На основе проведенных расчетов и анализа цитируемых работ можно отметить, что использование МКФ приводит к улучшению коррекции системы телекоммуникации, в сравнении с МШГ во всем диапазоне вариаций уровней турбулентности атмосферы С-1: от 1Е-16 до 1Е-
12. Так, например, при L02 = 1, для С-1, соответствующей 1Е-12 (показана вертикальной штрих - пунктирной линией
на рис. 4), относительная устойчивость телекоммуникационного канала при МКФ возрастает до 0,52 в сравнении с 0,25 при МШГ и в сравнении с величиной 0,15 для системы без коррекции.
Резюмируя проведенный краткий анализ, можно отметить, что относительная устойчивость телекоммуникационного канала, связанная с дисперсией флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной атмосфере, возрастает при использовании методов коррекции. Причем, метод коррекции фазы с использованием состояний орбитального углового момента фотонов (МКФ) обладает существенным преимуществом в сравнении с другими рассмотренными методами.
Дальнейшее совершенствование системы КОТС связано с использованием селективных световодов. В нескольких работах текущего года показано, что при определенной конструкции световода он позволяет пропускать выбранные моды ОАМ с высокой эффективностью. В [8, 9] предлагается использовать волокно (IPGIF) с инверсным параболическим градиентным распределением показателя преломления n(r) по радиусу цилиндрического волокна г:
116
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Для анализа такого волокна удобно использовать несколько параметров: относительный контраст показателя преломления А = (n12 - n22) / 2n12, параметр кривизны N = (n1 - na) / (n1 - n2), где n1 - показатель прелом-(2) ления сердцевины волокна (г = 0 - a), n2 - показатель преломления оболочки (r > a), na - показатель преломления точно на границе сердцевины с оболочкой (r = a).
УстоГгчивстъ канала, отк.еа.
0.8
0.6 -
0.4 ‘
0.2 -
IE-16 1E-I5 1Е-14 IE-В IE-12 С-1
Рисунок 4. Сравнение относительной устойчивости телекоммуникационного канала при использовании ОАМ состояний фотонов в турбулентной атмосфере с применением коррекций МШГ и МКФ (С-1 - некоторый выбранный уровень турбулентной аберрации): 1 - без коррекции, 2 - с использованием МШГ, 3 - с МКФ
Реализация контраста показателя преломления А в волокне позволяет проводить селекцию мод УОМ с высокой эффективностью. В работе [9] приводятся разнообразные графические зависимости, включая зависимость минимального эффективного показателя сепарации n* от радиуса сердцевины r для группы ОАМ мод LP11, при a = 3 мкм, X = 1550 нм, n2 =1,4440. На рис. 5 приведена зависимость разности n** от радиуса сердцевины волокна г: n** = n* (Anmax =0,07) - n* ((Anmax =0,05).
Зависимость n** имеет ярко выраженный экстремум в диапазоне а = 1,8 -2,2 мкм. Эти величины а могут быть использованы при оптимизации сегмента ВОЛС (рис.1). Анализ работ по селективным световодам для ОАМ мод, включая работы [9-10], показывает, что они перспективны для использования в высокоскоростных КОТС. При этом следует отметить, что их применение
наиболее эффективно при относительно небольших длинах (100-300 м) сегментов ВОЛС. При значительных длинах сегментов ВОЛС (несколько км) селективное волокно (IPGIF) целесообразно использовать в качестве дополнительного фильтра ОАМ мод в КОТС. В любом из рассматриваемых вариантов, применение волокна IPGIF расширяет возможности выбора и построения новейших КОТС с параметрами близкими к оптимальным.
Другой вариант (№ 2) блок-схемы КОТС представлен на рис.6. В нем, в качестве источника излучения, для сегмента АОЛС используется торцевая часть многомодового световода или отрезка фотонно-кристаллического волокна. При этом удается избежать двойного преобразования оптического информационного сигнала и упростить общую систему КОТС.
Рисунок 5. Зависимость разности n** от радиуса сердцевины волокна
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
117
Рисунок 6. Вариант № 2 фрагмента КОТС
Таким образом, проведен краткий анализ методов передачи информации, структурных схем и функциональных особенностей базовых модулей и блоков КОТС. Вариант № 2, при длине 950 м входного сегмента ВОЛС, с использованием ОАМ мод, обладает определенными преимуществами в сравнении с другими рассмотренными структурами КОТС. При этом получена оптимальная структура по проекту оптической комплексированной системы связи с атмосферными сегментами.
Список литературы
1. Банах В.А., Белов В.В., Землянов А.А. Распространение оптических волн в неоднородных, случайных, нелинейных средах. Томск, ИОА СО РАН, 2012. - 402 с.
2. Gibson G., Courtial J., Padgett M. et al. Free-space information transfer using light beams carring orbital angular momentum // Optics Express. - 2004.- v. 12.-Is. 22.- p. 5448 - 5456.
3. Кузяков Б.А., Кириллова Ю.А. Оценки дисперсии флуктуации интенсив ности лазерных пучков в турбулентной атмосфере. II Всероссийская конфе рен-ция по фотонике и информаци онной оптике. Сборник научных трудов. МИФИ, М.- 2013. - с. 211 -212.
4. Милютин Е.Р. Атмосферные оптические линии связи в России // Вестник связи. - 2008. - №2 - с. 89-90.
5. Б.А. Кузяков, Субботин Р. В., А.А. Харчевский. Особенности оценки дисперсии флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной
атмосфере. М. - 2012.- 61 н.т.к. МИРЭА.- Ч. 2.- с. 49 - 54.
6. Кузяков Б.А., М.А. Карпов, Е.В. Егорова, Тихонов Р.В., Муад Х.М. и др. Повышение доступности оптической телекоммуникационной системы с атмосферными сегментами. // Электромагнитные волны и Электронные системы. - 2013.- т. 18.- № 12.- с. 38
- 43.
7. Sanchez D.J., Oesch D.W. Localization of angular momentum in optical waves propagating through turbulence // Optics Express. - 2011.- v. 19.- Is. 25.- p. 25388-25396.
8. Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. К проблеме повышения доступности оптической телекоммуникационной системы с атмосферными сегментами // Труды IIIй Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. - 2014.-c. 23 - 24.
9. S.M. Zhao, J. Leach, L. Y. Gong, J. Ding, and B. Y. Zheng. Aberration correc tions for free-space optical communications in atmosphere turbulence using orbital angular momentum states. //Optics Express.- 2012.-Vol. 20.- Is. 1.- p. 452-461.
10. K. Zhu, S. Li, Y. Tang, Y. Yu, H. Tang. Study on the propagation parameters of Bessel-Gaussian beams carring optical vortices through atmospheric turbulence. // J. Opt. Soc. Am. A. - 2012. - Vol. 29.- Is.
- р. 251 - 257.
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ВУЗА
Кучерюк Виктор Иванович
Канд. техн. наук, профессор кафедры прикладной механики, г. 'Тюмень Кривчун Наталья Аркадьевна, Уманская Ольга Леонидовна
Канд. техн. наук, доценты кафедры прикладной механики, г.Тюмень
АННОТАЦИЯ
В предыдущих статьях авторов изложена сущность приложения методов системного анализа, оптимизации и математического моделирования к учебному процессу в ВУЗе. В структуре ВУЗа важным элементом всей системы является преподаватель-студент. В данной статье рассматривается преподаватель, как одна из ключевых фигур в системе высшего образования. Он выполняет учебную, методическую, научно-исследовательскую и производственную работы. В статье мы отмечали общий подход к рациональному распределению времени преподавателя на базе системного анализа и математического моделирования.
ABSTRACT
The idea of using methods of system analysis, optimization, and mathematical modeling to curriculum in universities was presented in the previous authors ’ articles. The important element of the whole system is teacher-student. A teacher is considered as one of the key figure in the system of higher education in this article. He or she does educational, methodical, research and
