CC BY
46
2. Buj C. [и др.]. Speckle-based holographic detection for non-contact Pho-toacoustic Tomography // Proc. Biomed. Tech. - 2014. - (59). - C. 844-7.
3. Horstmann J., Brinkmann R. Optical full-field holographic detection system for non-contact photoacoustic tomography / Под ред. A.A. Oraevsky, L.V Wang. -2014. - 89431L с.
4. Jacquot P. Speckle interferometry: a review of the principal methods in use for experimental mechanics applications // Strain. - 2008. - № 1 (44). - C. 57-69.
5. Roumeliotis M. Real-time Three-dimensional Photoacoustic Imaging 2011.
6. Star W.M. Light dosimetry in vivo // Physics in medicine and biology. -1997. - № 5 (42). - C. 763.
7. Ultrasonic measurement methods / Под ред. R.N. Thurston. - Boston: Acad. Press, 1990. - 353 c.
УРОВНИ УСТОЙЧИВОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ
© Кузяков Б.А.*
Московский государственный технический университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МГТУ МИРЭА), г. Москва
В работе анализируется влияние турбулентных эффектов в атмосфере на оптические каналы связи. Приведены примеры динамики профиля Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере. Показано, что использование методов коррекции позволяет значительно повысить уровень устойчивости оптического телекоммуникационного канала.
Ключевые слова: оптический, канал связи, турбулентность атмосферы, лазерный луч, колебания, уменьшение влияния, методы коррекции.
В наше время интенсивно разрабатываются и широко применяются атмосферные беспроводные оптические линии и разветвленные сети телекоммуникации [1-2]. В них передача информации осуществляется в открытом пространстве остронаправленным лазерным лучом в условиях прямой видимости. В ряде случаев для реализации телекоммуникационной связи между разнообразными объектами необходимы комбинированные системы (КТС). Ряд атмосферных лазерных систем, в диапазоне X = 1,55 мкм, выпускаются малыми сериями, базовые параметры нескольких АОЛТ (полный дуплекс) со скоростями 1 Гбит/с, с интерфейсом Gigabit Ethernet приведены в табл. 1.
* Доцент кафедры Телекоммуникационных систем, кандидат физико-математических наук.
Таблица 1
Базовые параметры действующих моделей АОЛТ
Фирма-производитель «Оптические Телесистемы» «Мостком»
Наименование модели 1000М-АС2 ML GE-5
*Рекомендуемая дальность связи, км 0,7-1,5 0,4
Длина волны излучения, мкм 780 785
Мощность излучения, дБм + 18 + 7
Ширина диаграм. направлен., мрад 5 2
Примечание: * Рекомендуемая дальность связи приведена при коэффициенте доступности, превышающим уровень 99,9.
Из табл. 1 видно, что максимальная дальность связи, зависящая от дальности видимости М, при указанном коэффициенте доступности, для всех перечисленных моделей не превышает 1,5 км. Для ряда применений эти величины оказываются недостаточными.
При решении задач повышения доступности и устойчивости атмосферного канала был проведен анализ, в котором выделены основные направления оптимизации системы КТС [3-4]. 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 предусили-телем и системой обработки сигнала. Доступность АОЛС непосредственно связана с величиной поступающей лазерной мощности на приёмник Pr и отношением сигнал / шум SNp. Величину Pr можно оценить по следующему выражению:
r- (а (• (1)
здесь, а - коэффициент пропускания атмосферы, Pt - мощность передатчика, Tt - потери мощности в передатчике, тг - потери мощности в приёмнике, R -расстояние между передатчиком и приёмником, Gt = (nDt / Я)2, Gr = (nDr / Я)2, Dt - диаметр антенны передатчика, Dr - диаметр антенны приёмника.
В формулу (1) входит коэффициент а, определяющий величину ослабления (затухания) лазерного излучения в атмосфере Земли и зависящий от ряда её факторов. Такими факторами являются селективное молекулярное поглощение и рассеяние, а также селективное рассеяние на частицах (аэрозолях). Атмосферные газы аэрозоль вызывают преимущественно энергетическое ослабление лазерного излучения. Их влияние достаточно хорошо изучено и широко описаны в обширной литературе. Однако часто возникают флуктуации показателя преломления воздуха, которые, вызывая искаже-
ние пространственного распределения амплитуды и фазы распространяющейся волны, приводят к случайному перераспределению энергии в оптических лучах. Флуктуации показателя преломления возникают вследствие турбулентного перемешивания микрообъемов воздуха в термически расслоенной атмосфере. Турбулентное движение воздуха [3, 5, 6], вызывается несколькими атмосферными процессами: а) трение воздушного потока о поверхность Земли и образование вследствие этого профиля скорости ветра с большими вертикальными градиентами; б) термическая конвекция, связанная с неодинаковым нагреванием различных участков подстилающей поверхности; в) изменение поля температуры и скорости ветра в результате облакообразования и т.п.
Эти процессы приводят к возникновению крупномасштабных вихрей, с характерным размером Ь0, называемом внешним размером турбулентности. Если разница в скоростях на расстоянии Ь0 велика, то такие вихри становятся неустойчивыми и распадаются на более мелкие вихри, передав им свою энергию. Процесс дробления продолжается до состояния, когда их размер приблизится к значению 10, называемому внутренним размером турбулентности. Интервал масштабов между Ь0 и 10 называется инерционным. В соответствии с гипотезами Колмогорова-Обухова, турбулентные флуктуации показателя преломления воздуха в атмосфере характеризуются структурной функцией [5-6], в которую входит структурная характеристика Сп2 показателя преломления. Типичный диапазон изменения Сп2 в ясный летний день на высоте 2,5 м от земной поверхности, задается неравенством
здесь к!, к2 - целые числа, близкие к 1.
Отклонения от степенного спектра Колмогорова - Обухова в интервале диссипации и энергетическом интервале учитываются в (1) путем введения дополнительных функций.
Для оценки влияния турбулентных эффектов на распространение лазерных пучков можно использовать следующее выражение:
здесь, в(г) - коэффициент смещения центра пучка от центра антенны приёмника.
Коэффициент р(г) зависит от уровня турбулентности атмосферы. Данная формула позволяет оценивать основные параметры АОЛС и проводить моделирование.
Спектр флуктуаций показателя преломления, зависящий от уровня турбулентности, можно представить в следующем виде:
к1 • 10-16 < Сп2 < к2 • 10-12,
(2)
Рг = Рг Р(Г),
(3)
-7/12
(4)
11/6
х ехр
% + К +
Ь0 .
1
ь2
здесь, к1 =3,3 / 10, к1 (1 = х, у) - волновое число в 1 направлении.
На основе результатов численного моделирования с использованием параболического уравнения [1] были рассчитаны дисперсия флуктуации интенсивности на оси сфокусированного гауссового пучка и его эффективный размер в турбулентной атмосфере в зависимости от безразмерного параметра
здесь, Ь - длина трассы; а - начальный радиус пучка; к = 2п / X - волновое число.
Для повышения уровня устойчивости системы передачи информации в атмосфере могут применяться несколько методов.
Один из методов состоит в использовании бесселеподобных пучков (рис. 1). Нужно заметить, что на нем приведены только первые главные максимумы пучка, а не полное точное решение непараксиального уравнения Гельмгольца, более подробно рассмотренное в работе [2].
Щ2а) = 1,1Сп2к2Ь(2а)5/3,
(5)
Р
1:0
0,5
0
/
- 0.08 - 0.04
0
0.04
0.08 Х,м
Рис. 1. Динамика профиля Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере: 1 - С1 = 400 м; 2 - С2 = 700 м; 3 - С3 = 1000 м
Из рис. 1 видно, что при прохождении Бессель-Гауссового пучка в турбулентной атмосфере на расстоянии до С1 = 400 м общий качественный вид пучка практически сохраняется. После прохождении такого пучка на расстоянии до С2 = 700 м, общий качественный вид пучка немного изменяется. При этом, ширина пучка несколько увеличивается и в центре пучка интенсивность становится отличной от нулевой. С одной стороны, профиль пучка 2 существенно отличается от фундаментального Бесселевого пучка, но в то же время его количественные параметры не сильно изменяются при распространении на расстояние С2. В частности, в сравнении с пучком, прошедшим расстояние С1, полная ширина пучка (по уровню 0,5 максимума) возрастает на 16 %, а интенсивность пучка в центре при Х = 0 возрастает менее, чем на 20 %. В связи с тем, что профиль пучка входит в выражение для флуктуации фазы [5-6], при изменении профиля пучка при прохождении в турбулентной атмосфере, могут изменяться и его фазовые параметры. Однако, как показывают качественные оценки изменения величин флуктуаций фазы при прохождении трассы в турбулентной атмосфере до дистанций С1, С2 они не превышают 20 %, это подтверждает оценки, приводимые в работах [5-6]. При большей протяженности системы связи, например С3, профиль бесселеподобного пучка 3 изменяется в большей мере (рис. 1), поэтому необходимы более строгие расчеты с учетом изменения профиля пучка при его прохождении в турбулентной атмосфере.
Наряду с этим, для повышения уровня устойчивости системы передачи информации в атмосфере могут применяться несколько других методов. Наибольшее распространение получил метод коррекции волнового фронта Шарка - Гартмана (МШГ) и метод коррекции фазы (МКФ), использующий состояния орбитального углового момента (ОАМ) фотонов [1-3]. В МШГ используется датчик волнового фронта Гартмана, сигналы которого поступают в модуль управления адаптивной оптикой для корректировки системы телекоммуникации. В МКФ используется поток фотонов с определенной модой ОМ, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации.
На основе проведенных расчетов и анализа работ [2-4] можно отметить, что использование МКФ приводит к улучшению коррекции системы телекоммуникации, в сравнении с МШГ во всем диапазоне вариаций С-1: от 1Е-16 до 1Е-12. Так, например, при Ь02 = 1, для С-1, соответствующей 1Е-12 (показана вертикальной штрих - пунктирной линией на рис. 2), 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.
При этом можно отметить, что относительную устойчивость телекоммуникационного канала, связанную с дисперсией флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной атмосфере, можно повысить при
использовании методов коррекции. Причем, МКФ обладает существенным преимуществом в сравнении с другими рассмотренными методами.
Усгойчивсгь канала, огн.ед.
\ 4 \
\ \ 2 \
\
1 \ \ \
\ \ \
\ \ \
V. -V. J
\ \ \
\ \ \
\ \
к
1 I I
1Е-16 1Е-15 1Е-14 1Е-13 1Е-12 С-1
Рис. 2. Сравнение относительной устойчивости
телекоммуникационного канала при использовании ОАМ состояний фотонов в турбулентной атмосфере с применением коррекций МШГ и МКФ (С-1 - показатель турбулентности Сп2): 1 - без коррекции, 2 - с использованием МШГ 3 - с МКФ
Список литературы:
1. Милютин Е.Р. Атмосферные оптические линии связи в России // Вестник связи. - 2008. - № 2. - C. 89-90.
2. Zhu K., Zhou G, Li X., Zheng X., Tang H. Propagation of Bessel-Gaussian beams with optical vortices in turbulent atmosphere // Opt. Express. - 2008. - V 16, N. 26. - P. 21315-21320.
3. Кузяков Б.А., Кириллова Ю.А. Оценки дисперсии флуктуации интенсивности лазерных пучков в турбулентной атмосфере // II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов / МИФИ. - М., 2013. - С. 211-212.
4. Засовин Э.А., Кузяков Б.А., Тихонов Р.В., Шмелёв В.А. Повышение доступности оптической телекоммуникационной системы с атмосферными сегментами // Научный журнал «Ученые записки РГСУ». - 2014. - № 4, Т. 1. -С. 175-181.
5. Зуев Е.В., Банах В.А., Покасов В.В. Оптика турбулентной атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 270 с.
6. Аксенов В.П., Банах В.А., Валуев В.В., Зуев Е.В. и др. Мощные лазерные пучки в случайно-неоднородной атмосфере. - Новосибирск: СО РАН, 1998. - 341 с.
НОРМИРОВАНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДОВ, ПЕРЕВОЗЯЩИХ СПГ
© Никонов Н.С.*
Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, г. Санкт-Петербург
В статье представлен исторический обзор разработки и развития требований к остойчивости грузовых судов. Рассмотрены требования Российского морского регистра пароходства и Международного кодекса остойчивости судов в неповрежденном состоянии, разработанного организацией ИМО. Проанализированы требования, предъявляемые к судам, перевозящим сжиженный природный газ (СПГ) наливом.
Ключевые слова контроль остойчивости; остойчивость; танкер; СПГ газовоз; требования к остойчивости.
Введение
Безопасность эксплуатации судна во многом зависит от характеристик его остойчивости. Остойчивость - мореходное качество судна, благодаря которому оно не переворачивается при воздействии на него внешних факторов, таких как ветер, волнение и др. и внутренних процессов: смещение груза, влияние свободной поверхности жидкостей в танках. Аварии из-за потери остойчивости происходят по сей день и имеют особо опасный характер, так как в наихудшем случае опрокидывание судна может занимать всего несколько секунд. Важен строгий постоянный контроль характеристик остойчивости судна в процессе его эксплуатации, так как именно недостаточная остойчивость чаще всего приводит к авариям, связанным с человеческими жертвами. Эту проблему невозможно решить только рациональным проектированием судов, так как во многом безопасность судна, находящегося в сложных погодных условиях или в процессе погрузочно-разгрузочных операций зависит от действий судоводителя и грузового помощника капитана. Важно иметь постоянный контроль остойчивости судна во время управления, маневрирования и всего процесса погрузки или выгрузки.
* Аспирант кафедры Маневрирования и управления судном.
