CC BY
186
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
7. H. Tanaka, S. Uejima, K. Asai. Linear regression analysis with fuzzy model // IEEE. Systems, Trans. Systems Man Cybernet. - SMC-2. - Pp. 903-907, 1982.
8. Y-H.O. Chang, B.M. Ayyub. Fuzzy regression methods - a comparative assessment // Fuzzy Sets and Systems. - 2001. - Vol. 119. - Pp. 187-203.
9. VG. Domrachev, O.M. Poleshuk. A regression model for fuzzy initial data // Automation and Remote Control. - 2003. - Vol. 64. - № 11. - Pp. 1715 - 1724.
10. O. M. Poleshuk, E. G. Komarov Multiple hybrid regression for fuzzy observed data // Proceedings
of the 27th International Conference of the North American Fuzzy Information Processing Society.
- NAFIPS’2008.
11. O. M. Poleshuk, E. G. Komarov A nonlinear hybrid fuzzy least-squares regression model // Proceedings of the 30th International Conference of the North American Fuzzy Information Processing Society.
- NAFIPS’2011.
12. O.Poleshchuk, E.Komarov Hybrid fuzzy least-squares regression model for qualitative characteristics // Advances in Intelligent and Soft Computing. -Springer-Verlag. 2010. - Vol. 68. - Pp. 187-196.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
B. Д. БУРКОВ, проф. каф ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,
C. В. ПЕРМИНОВ, соискатель каф. ИИС и ТП МГУЛ,
Ю.С. КАПРАНОВ, начальник отдела волоконно-оптических систем НТК СПП
Расширение объемов задач, решаемых современными космическими средствами при одновременном увеличении срока активного существования (САС) космических аппаратов (КА), потребовало от разработчиков космических комплексов новых подходов к организации бортовых систем информационного обмена. Такие требования, как САС порядка 10-15 лет, минимизация массо-габаритных характеристик бортовой кабельной сети (БКС) и стойкость к негативным воздействиям факторов космического пространства (ФКП), определили общее направление развития бортовых систем информационного обмена [1, 2].
По современным представлениям, масса бортовой кабельной сети составляет от 6 % до 10 % массы всего КА (без учета запаса топлива для двигателей ориентации и стабилизации), что является существенной величиной при выведении аппарата на орбиту [3]. Снижение массы БКС может быть достигнуто путем широкого применения волоконнооптических систем передачи информации (ВОСПИ). Средой передачи сигнала в этих системах служат волоконно-оптические кабели. ВОСПИ на борту КА находят все более широкое применение благодаря своим явным преимуществам перед прочими проводными системами связи:
av60017@comtv. ru
- полная невосприимчивость к электромагнитным помехам;
- отсутствие проблем, связанных с контурами заземления и с напряжениями смещения в местах соединения разнородных проводников;
- отсутствие собственных (побочных) электромагнитных излучений;
- отсутствие перекрестных помех между каналами;
- существенно меньшая электрическая опасность;
- химическая инертность.
Помимо прочего, ВОСПИ позволяют организовать чрезвычайно широкополосные каналы информационного обмена, что снимает ряд проблем, связанных с управлением КА и обработкой первичных информационных массивов непосредственно на борту. Все это существенно упростит процедуры управления КА со стороны наземного центра управления полетом (ЦУП) и снимет дополнительную нагрузку с радиоканала связи «борт КА - Земля (ЦУП)».
К сожалению, широкому внедрению ВОСПИ на борту КА мешает уязвимость бортовых ВОСПИ к воздействию негативных факторов космического полета. В процессе эксплуатации бортовых ВОСПИ отдельные элементы системы передачи информации,
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
157
J(CM'!Cp*c)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 1. Потоки электронов и протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора. Л-расстояние от центра Земли, выраженное в радиусах Земли
Рис. 2. Данные о потоках электронов и протонов на части высокоэллиптической орбиты КА (L < 8) при движении с севера на юг
158
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
а также волоконно-оптический тракт подвержены деградации под действием тех или иных факторов космического пространства.
По современным представлениям основную роль в снижении качества передачи информации по ВОСПИ в условиях космического пространства играют радиационные эффекты за счет воздействия на элементы ВОСПИ протонов космических лучей и электронов, входящих в состав корпускулярного излучения Солнца и захваченных магнитным полем Земли.
Факторы, определяющие воздействие заряженных частиц и излучений солнечного ветра на те или иные элементы бортовой аппаратуры, к настоящему моменту изучены достаточно хорошо. Следует отметить, что КА обращаются вокруг Земли по типовым орбитам (достаточно вспомнить проблемы, связанные с размещением на стационарной орбите спутников связи и телевизионного вещания, принадлежащих различным государствам). Для каждой из таких орбит уже был проведен мониторинг радиационных полей и определены средние потоки заряженных частиц [4]. По данным многолетнего мониторинга околоземного космического пространства составлены карты распределения частиц [5,6]. Картина распределения протонов и электронов в плоскости геомагнитного экватора (по А. Гальперу [7]) представлена на рис. 1. Наблюдения за динамикой потоков частиц в области земной магнитосферы ведутся начиная с 1958 г. За эти годы накоплен громадный статистический материал, тем не менее, процессам, определяющим уровни потоков заряженных частиц в магнитосфере Земли, по-прежнему уделяется повышенное внимание. Картина распределения захваченных частиц, представленная на рис. 1, соответствует усредненному состоянию солнечной активности. В зависимости от геомагнитной обстановки, солнечной активности, уровня Галактических космических лучей и общего состояния магнитосферы Земли частица, обладавшая импульсом р, может быть захвачена той или иной L-оболочкой. В зависимости от величины магнитного поля B, импульса частицы р и пинч-угла в момент попадания
частицы на L-оболочку она может перейти в стационарное состояние захвата (время жизни захваченных протонов на оболочках L = 2-5 может доходить до 100 лет!) или перейти в зону неустойчивой радиации в состоянии квазизахвата. В режиме квазизахвата частица совершает менее одного оборота вокруг той или иной L-оболочки и, дрейфуя в область хвоста, покидает магнитосферу Земли.
Орбиты космических аппаратов различного назначения пересекают практически все основные зоны верхней ионосферы, включая радиационные пояса планеты. Указанные типы космических аппаратов имеют срок активного существования более пяти лет, что позволяет проводить длительные однородные измерения [1, 2, 4]. Наиболее неблагоприятными, с точки зрения радиационной опасности, являются эллиптические высокоапогейные орбиты (для КА серии «Молния» HA ~ 39,6 тыс. км, перигей ~ 500 км с наклонением 65°). Эти орбиты пересекают все основные структурные области внутренней магнитосферы: центр внутреннего радиационного пояса в районе геомагнитного экватора (L=1,5), весь внешний радиационный пояс (L = 3-7) на средних геомагнитных широтах (30° - 50°), авроральную зону (65°-70°) и область полярного каспа (>70°). Рис. 2 иллюстрирует эту картину.
Исходя из существующей модели радиационных поясов Земли и зная энергетический спектр заряженных частиц, захваченных геомагнитным полем, можно оценить усредненные показатели экспозиционных и поглощенных доз облучения. В работе С.В. Перми-нова [8] приведена сводная таблица, в которой указаны значения поглощенных доз для КА, находящихся на тех или иных орбитах в зависимости от срока активного существования КА. Эти данные говорят о том, что в наиболее жестких условиях, с точки зрения суммарной эквивалентной поглощенной дозы ионизирующих излучений, находятся КА, функционирующие на высокоапогейных эллиптических орбитах.
Сравнение рис. 1 и рис. 2 показывает, что при движении по сильно вытянутой эллиптической орбите КА значительную часть
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
159
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 3. Обобщенная структурная схема ВОСПИ типа «от точки к точке»
времени пролета одного витка находится в весьма сложных условиях с точки зрения радиационных воздействий на его бортовую аппаратуру. Это сравнение только подтверждает высказанный ранее тезис.
Для случая эллиптической орбиты возможно оценить суммарную экспозиционную дозу поглощенного излучения по формуле
D^sumo^^t^D^ + D^E^l (1)
L=i
где t.R — время пребывания КА на i— ом участке орбиты;
D(Ee) — поглощенная доза излучения, обусловленная потоком электронов;
D(Ep) — поглощенная доза излучения, определяемая потоком протонов.
Для практических целей удобнее пользоваться табличными величинами поглощенных доз ионизирующего излучения, которые приведены в работах [4, 8]. В случае высо-коапогейной эллиптической орбиты суммарная доза поглощенного излучения от потока протонов и электронов за один год составит 3-105 Р [2]. Такая поглощенная доза будет регистрироваться вне пределов КА, то есть на внешней обшивке аппарата. Стенки, элементы конструкции КА и экранно-вакуумная термоизоляция будут ослаблять эту величину, но следует отметить, что для ослабления поглощенной дозы в 50 раз требуется защитный слой из алюминия или его сплавов толщиной около 6 мм. К тому же часть коммуникаций, в том числе и те, которые используют волоконно-оптические кабели (ОК), будут проклады-
ваться по обшивке КА, вне защитных стенок корпуса. Следовательно, рассматривая самый неблагоприятный сценарий, следует исходить из того факта, что в течение 10 лет на элементы ВОСПИ будет воздействовать ионизирующее излучение космического пространства с суммарной эквивалентной поглощенной дозой 106 — 107 Р
В настоящее время существует несколько основных схем построения ВОСПИ. Традиционной схемой построения является линия связи «от точки к точке» (point-to-point), изображенная на рис. 3. Подробное описание такой схемы построения, включая устройства электрической модуляции и электронного уплотнения сигнала, приведено в работе В.Д. Буркова и Г. А. Иванова [9]. Применительно к бортовым информационным каналам, с учетом расположения аппаратуры связи в различных отсеках КА, в состав бортовой ВОСПИ необходимо включить и проходные оптические соединители, обеспечивающие прохождение оптического информационного сигнала через стенку гермоконтейнера (отсека).
Краткое описание работы данной ВОСПИ. Электрический сигнал в виде, удобном для передачи по оптическому каналу, поступает на вход оптического передатчика. Оптический передатчик осуществляет модуляцию оптического излучения электрическим информационным сигналом. Генерация оптического излучения осуществляется излучателем на основе лазерного или свето-
160
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
излучающего диода со встроенной схемой управления и стабилизации оптической мощности. Это излучение вводится в оптическое волокно (ОВ) волоконно-оптического тракта передачи (ВОТ). ВОТ служит для передачи оптического сигнала источника к удаленному приемнику. Пришедший сигнал поступает на фотоприемное устройство (ФПУ), которое обычно включает фотодетектор (p-i-n диод или лавинный фотодиод), каскад предварительного усиления и пороговое устройство (компаратор). Далее уже электрический сигнал поступает либо на вход декодирующего устройства, либо непосредственно на тот или иной оконечный исполнительный узел.
В условиях космического полета каждый из структурных элементов бортовой ВОСПИ подвергается воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП). Как уже было сказано выше, в условиях длительного космического полета поглощенные дозы излучения могут достигать весьма значительных величин - десятков и даже сотен миллионов рад. Такие поглощенные дозы представляют крайнюю опасность не только для электронного оборудования КА, но и для конструкционных материалов. Применительно к элементам ВОСПИ это означает, что будет происходить деградация p-n перехода в излучателе оптического передатчика, что приведет к снижению уровня излучаемой оптической мощности, а затем и к полному фатальному разрушению за счет тепловых процессов. Для собственно ОК, точнее ВОТ, воздействие ионизирующих излучений (ИИ) приведет к увеличению потерь, связанных с радиационно-наведенным поглощением света на центрах окраски, обусловленных возбуждением атомов примесей и образованием экситонов Винье-Мотта [9, 10]. Что касается воздействия ИИ КП на фотоприемные устройства, то в этом случае ожидается падение чувствительности собственно фотодетектора ФПУ и сбои в работе последующих каскадов усиления. Ожидается резкое возрастание уровня собственных шумов фотодетектора за счет генерации неосновных носителей заряда в обедненной области, стимулированной излучением.
С целью уточнения стойкости бортовых ВОСПИ к воздействию ИИ КП нами был проведен ряд экспериментов на моделирующих установках.
Огромное число переменных параметров, влияющих на реакцию материалов, отдельных приборов и систем на воздействие ионизирующих излучений, как правило, не позволяет прогнозировать их радиационную стойкость без проведения испытаний. Наиболее достоверными испытаниями такого рода, безусловно, являются натурные, то есть исследования работоспособности систем и объектов в требуемых режимах в условиях реальной радиационной обстановки, что или практически невозможно, или требует больших расходов. В полной мере это относится к испытаниям на радиационную стойкость аппаратуры, предназначенной для работы при длительном низкоинтенсивном излучении в вакууме космического пространства.
Исходя из соображений о минимизации проведения времени испытаний при сохранении высокой информативности результатов, был сделан выбор моделирующих установок. В качестве моделирующей установки при исследовании реакции экспериментальной ВОСПИ и отдельных ее элементов на воздействие ИИ использовался импульсный реактор БАРС-4. БАРС-4 - импульсный твердотопливный ядерный реактор на быстрых нейтронах. Импульсный двухзонный ядерный реактор БАРС-4 предназначен для моделирования воздействия гамма-нейтронного импульса при исследовании радиационной стойкости элементов РЭА и ЭРИ [11]. Параметры моделирующей установки подробно даны в работе (Васильев А.В. 2008) [11].
Эксперимент проводился следующим образом. Была собрана экспериментальная волоконно-оптическая линия передачи информации (ВОСПИ). Экспериментальная ВОСПИ состояла из передающего блока, содержащего тактовый генератор с частотой импульсов 2,4 МГц и скважностью Q = 2 и лазерного передающего модуля типа КЭМ-8 ПД. Лазерный передающий модуль КЭМ-8 ПД работал в импульсном режиме при длине волны оптического излучения X = 0,85-0,87 мкм.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
161
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 4. Реакция волоконно-оптического кабеля на воздействие гамма-нейтронного импульса. Время восстановления порядка 1000 мкс
Начальная мощность излучения передающего модуля КЭМ-8 ПД составила 0,9 мВт. Волоконно-оптический тракт был создан на базе многомодового оптического волокна с характеристическим сечением 50/125 мкм. Необходимое начальное затухание в оптическом тракте создавалось при помощи оптического соединителя-аттенюатора (по а.с. СССР № 1780076 [169]).
В качестве приемного устройства использовался стандартный квантово-оптический приемный модуль КЭМ-8 ПР. В начальный момент на входе приемного модуля при помощи такого же оптического соединителя выставлялась оптическая мощность, которая позволяла обеспечить линейный режим работы приемного модуля КЭМ-8 ПР.
В зоне воздействия ионизирующих излучений поочередно размещались передающий модуль, приемный модуль, волоконно-оптический тракт. Реакция системы на воздействие импульсного ионизирующего излучения фиксировалась на фотопленке и на экране осциллографа в запоминающем режиме. Синхронизация запуска обеспечивалась сигналом внешней синхронизации, который формировался аппаратурой моделирующей установки. Уровень дозовой нагрузки задавался геометрическим размещением элементов экспериментальной ВОСПИ относительно центра мишени или относительно центрального канала (для импульсного реактора БАРС-4).
При исследовании реакции ОК на воздействие импульсного ИИ эксперимент строился следующим образом. В процессе эксперимента собственно ОК размещался в активной рабочей зоне. Длина ОК, подвергаемого воздействию ИИ, фиксировалась с точностью ±1 м. Оптический передатчик и ФПУ размещались на периферии активной зоны реактора за защитой (свинец, толщина 50 мм). Реакция волоконно-оптического кабеля на воздействие импульсного гамма-нейтронного излучения приведена на рис. 4.
Рис. 4 представляет собой фотографию процесса, регистрируемого приемным модулем. Развертка по горизонтальной оси (времени) - 100 мкс/дел. Начальная амплитуда сигнала - 4,5 В. Длительность воздействия ИИ на исследуемый образец - 60±5 мкс при воздействии импульсной дозы излучения —5 • 103 Р на отрезок волоконно-оптического кабеля длиной 100 м даже в момент максимума воздействия частично сохраняется пропускание света. При уровне экспозиционной дозы ионизирующего излучения, полученной в проведенном эксперименте, радиационно-наведенные потери исчезают за время порядка 1000 мкс. Остаточное радиационно-наведенное поглощение сохранялось около года. Мгновенное радиационно-наведенное поглощение (РНП) вычислялось по формуле (2)
аМГН = -10lgP / P ) [дБ]. (2)
МГН £имп. начальна L J v '
162
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 5. Реакция передающего (вверху) и приемного (внизу) модулей типа КЭМ-8 на воздействие импульсного ионизирующего излучения (цена деления - 100 мкс/дел)
Радиационно-наведенное поглощение [дБ/км] оптического кабеля рассчитывалось по формуле 5.2
РНП = (1 / /ок)-аМгн [дБ/км]. (3)
Скорость восстановления пропускания оптического кабеля на линейном участке определялась исходя из выражения 4
^ВОССТ = аМГН / (^ВОССТ /ок) [дБ/км с]. (4)
В эксперименте было получено значение скорости восстановления пропускания сигнала около 2,4-104 ± 600 дБ/км-с. Остаточное затухание, то есть РНП после завершения быстропротекающих процессов, составило величину 400 ± 60 дБ/км. Эти данные хорошо согласуются с данными Ю.Т. Ларина [13], полученные для ОК с различным легированием ОВ.
В экспериментах по воздействию импульсного гамма-нейтронного излучения на работоспособность элементов экспериментальной ВОСПИ был проведен отдельный эксперимент, который выявлял реакцию собственно передающих и приемных оптических модулей на облучение. В этом случае волоконно-оптический тракт полностью выводился из зоны воздействия ионизирующих
излучений. Сигнал на выходе передающего модуля регистрировался индивидуальным фотоприемным устройством, размещенным вне действия импульсного ионизирующего излучения.
Сигнал на выходе фотоприемного оптического модуля, входящего в состав облучаемой части ВОСПИ, регистрировался одновременно с сигналом оптического передающего модуля.
Результат эксперимента представлен на рис. 5.
Рис. 5 представляет собой фотографию с экрана двухлучевого осциллографа (использовался осциллограф С1-75). Горизонтальная развертка - 100 мкс/дел. Вертикальная развертка - 2 В/дел. При регистрации процесса использовался «закрытый» вход осциллографа для того, чтобы отфильтровать постоянную составляющую на выходе фотоприемного устройства. Осциллограмма в верхней части фотографии рис. 5 представляет собой реакцию передающего модуля, нижняя часть фотографии рис. 5 - реакция фотоприемного модуля.
В данном эксперименте уровень воздействия на передающий и приемный моду-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
163
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ли экспериментальной ВОСПИ составлял ~Ообщ = 1-104 Р. Мощность дозы ионизирующего излучения в эксперименте составляла примерно ~ 1,7-108 Р/с.
Потери излучаемой оптической мощности после воздействия импульса ионизирующего излучения вычислялись по формуле 5
аПД = ^^ИиХ (5)
где Р - изначальная мощность излучения передающего модуля;
РИИ - регистрируемая мощность излучения передающего модуля после воздействия импульсного ионизирующего излучения.
Так как амплитуда электрического сигнала на выходе измерительного фотоприемного устройства пропорциональна мощности оптического сигнала на его входе, то, измеряя амплитуду сигнала, мы определим мощность оптического сигнала до и после воздействия.
Подставляя измеренные значения амплитуд, получаем измеренный уровень потерь аПД(изм) = 10/g(2,2/0,9) = 10/g2,44 = 3,9 дБ.
На рис. 5 хорошо видно, что получившийся уровень излучаемой оптической мощности после воздействия ионизирующего излучения не восстанавливается, т.е. дефекты излучателя, возникшие после облучения, являются необратимыми. Восстановления уровня выходной оптической мощности передающего модуля не произошло и спустя примерно полтора года после проведения эксперимента.
Падение выходной мощности передающего оптического модуля объясняется следующими причинами. В полупроводниках излучательные переходы носителей заряда происходят между двумя энергетическими зонами - зоной проводимости и валентной зоной. Эти энергетические зоны разделены запрещенной энергетической зоной шириной Eg . Вероятность заселения уровня с энергией E в состоянии термодинамического равновесия составит
РЕ = [1 + exp((E - Ef) / kT)]-1, (6)
где k - постоянная Больцмана;
T - температура, °K;
EF - уровень Ферми.
В чистом (беспримесном) полупроводнике уровень Ферми расположен точно посередине запрещенной зоны, и заселенность зоны стремится к нулю. Донорные и акцепторные примеси смещают уровень Ферми таким образом, что создается неравновесное распределение электронов по энергиям. При этом существует вероятность того, что равновесное распределение восстановится путем спонтанных переходов электронов с излучением фотонов. Легче всего реализуются переходы по краям энергетических зон, т.е. излучение происходит в основном по следующему пути:
hv = Е , тогда Хп = ch / Е ,
g ~ 0 g’
где с - скорость света в вакууме; h - постоянная Планка.
Дальнейшее излучение происходит либо в отсутствие резонатора Фабри-Перо, и тогда мы получаем светоизлучающий диод, либо при сформированном резонаторе. При превышении порогового тока p-n переход в присутствии резонатора начинает работать в режиме лазерного диода. Выражение для величины порогового тока известно (7)
J.
8лл2 AvD
а + — • ln
L
1
R
(7)
где nq - квантовая эффективность (типовое значение 0,5-0,7);
n - коэффициент преломления материала;
Av - ширина полосы спонтанного излучения;
D - диаметр тела свечения;
а - суммарные потери света в лазере;
L - длина активной области (p-n перехода);
R - коэффициент отражения полупрозрачного (выходного) зеркала.
При воздействии ионизирующих излучений на активную область полупроводникового лазера происходят следующие процессы. В первый момент, т.е. в момент воздействия ИИ, за счет возбуждения электронов, находящихся вблизи краев энергетических зон, происходит уширение полосы спонтанного излучения Av, что сопровождается увеличением тела свечения D и увеличением значения тока
164
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
через p-n переход. После окончания воздействия ИИ за счет явлений, происходящих в диэлектриках и полупроводниках под воздействием ИИ, происходит увеличение суммарных потерь а и изменение коэффициента отражения R в выходном зеркале, поскольку в оптических материалах под воздействием ИИ увеличиваются собственные потери. Вследствие этого значение плотности порогового тока Jвозрастает. Рост плотности тока до определенного момента компенсируется цепями обратной связи, которые удерживают выходную оптическую мощность ЛД в заданных границах. После того, как значение тока ЛД превысит некоторую величину (определяется границами регулировки), схема управления ЛД по току через p-n переход уже не сможет компенсировать потерю оптической мощности. Далее, поскольку ток через ЛД в процессе работы будет иметь максимально допустимое значение, начнется интенсивная тепловая деградация p-n перехода, которая в конечном итоге приведет к выходу из строя всего устройства. На рис. 5 (вверху) видно начало этого процесса.
Реакция приемного модуля на воздействие ионизирующих излучений в корне отличается от реакции оптического тракта и реакции передающего модуля.
После воздействия излучения дозой ~ 1-104 Р наблюдается полное пропадание электрического сигнала на выходе фотоприемного модуля. Время, в течение которого выходной сигнал полностью отсутствует, составляет ~ 100-150 мкс и практически не зависит от экспозиционной дозы излучения. Время «пропадания» сигнала на выходе приемного модуля зависит главным образом от мощности дозы излучения. После окончания периода «пропадания» сигнала на выходе фотоприемного модуля появляется электрический сигнал в виде хаотических шумовых выбросов. Спустя еще ~ 10 мс сигнал на выходе фотоприемного модуля восстанавливается полностью.
Наблюдаемый эффект можно объяснить тем, что в момент воздействия ионизирующего излучения в базе фотодетектора (в данном случае - обратно смещенного p-n перехода) образуется большое число нескомпен-
сированных неосновных носителей заряда. Базовая цепь фотодетектора входит в режим насыщения. До тех пор, пока индуцированные ионизирующим излучением неосновные носители заряда не покинут базовую область, фотодетектор невосприимчив к входному оптическому излучению. Время разряда базовой цепи определяется параметрами самого приемного модуля, в первую очередь значением емкости обратно смещенного p-n перехода и входным сопротивлением первого каскада усиления модуля. Таким образом можно объяснить эффект «независимости» времени запирания приемного модуля от суммарной экспозиционной дозы ионизирующего излучения. В целом реакция передающего и приемного модулей соответствует современным знаниям о взаимодействии ИИ с диэлектриками и полупроводниками.
После того, как были проведены экспериментальные исследования отдельных компонентов ВОСПИ, был поставлен интегральный эксперимент. В объеме активной зоны размещались все составляющие ВОС-ПИ, т.е. и передающий и приемный модули вместе с ВОК длиной 100±5 м размещались внутри активной зоны реактора. Типичная реакция ВОСПИ на импульс ионизирующего излучения приведена на рис. 6.
Рис. 6 представляет собой фотографию процесса с экрана осциллографа. Верхний луч показывает огибающую импульса ИИ. Сигнал, повторяющий мгновенное значение мощности экспозиционной дозы ИИ, выдает потребителю центральная аппаратная с пульта управления реактором. Нижний луч осциллограммы рис. 6 показывает реакцию ВОСПИ в целом на воздействие импульсного ИИ.
В данном эксперименте в качестве измерительного фотоприемного устройства использовался приемный модуль ВОСПИ, подвергнутой воздействию импульсного ИИ. Размещение ВОСПИ в активной зоне производилось таким образом, чтобы все составляющие ВОСПИ подвергались примерно одинаковому воздействию ионизирующего излучения. Реакция экспериментальной ВОСПИ показана в нижней части рис. 6.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
165
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 6. Реакция ВОСПИ на импульсное воздействие ионизирующего излучения
В верхней части рис. 6 показана огибающая гамма-нейтронного импульса. Масштаб горизонтальной развертки по оси времени на рис. 6 равен 100 мкс/дел.
Как видно из рис. 6, интегральная реакция экспериментальной ВОСПИ в целом повторяет отклик приемного модуля на импульсное излучение. Реакция системы на воздействие является линейной суперпозицией откликов ее отдельных частей. Поскольку при воздействии ионизирующего излучения на передающий модуль мощность излучения последнего уменьшается на величину порядка 3-4 дБ, такое падение оптической мощности полностью компенсируется схемой АРУ приемной части ВОСПИ.
Восстановление пропускания оптического тракта в эксперименте происходит за время порядка 10-4 - 10-3 с. В течение этого промежутка времени уровень оптического сигнала на выходе передающего модуля падает на 3-4 дБ. Дальнейший сценарий развивается по схеме отклика приемного модуля.
Сигнал на выходе приемного оптического модуля прерывается на время порядка 10-4 с за счет насыщения базовой области
фотодетектора. Затем, в течение времени порядка 10-3 - 10-2 с, продолжается шумоподобный процесс рекомбинации носителей заряда, индуцированных ионизирующим излучением. Через интервал времени 10-2 - 10-1 с «быстрые» переходные процессы в системе ВОСПИ заканчиваются. Система восстанавливает работоспособность. Суммарная экспозиционная доза излучения, при которой экспериментальная ВОСПИ сохраняла свою работоспособность (при этом не измерялось отношение сигнал/шум и не производилась оценка вероятности ошибки в процессе передачи сигнала), достигала величин 5-104 Р.
Исходя из оценки поглощенных доз космической радиации, сделанных в работах [1, 2, 14], которым подвергаются КА, работающие на различных орбитах, и результатов эксперимента, можно сделать первый неутешительный вывод. Для КА, работающих на некоторых орбитах, например на орбитах КА типа «Молния», аппаратов «ГЛОНАСС» и КА на круговых орбитах Н ~ 1500 - 2000 км, экспозиционная доза облучения за САС свыше 10 лет приведет к отказу элементов бортовых ВОСПИ.
166
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
На других орбитах, например на орбитах пилотируемых КА, на стационарной орбите и на орбитах, пролегающих в «зазоре» между внутренним и внешним радиационными поясами Земли, возможно применение бортовых ВОСПИ с кабелями на одномодовых и градиентных оптических световодах. При этом дополнительная экранная защита требуется только для обеспечения штатной работы приемных и передающих оптических модулей. С учетом стенок корпуса КА (эквивалентная защита около 1 г/см2) дополнительное экранирование оптических модулей не приведет к излишнему увеличению массы КА. В качестве дополнительных элементов защиты будут выступать и отдельные элементы конструкции КА, между которыми происходит информационный обмен по волоконнооптическим каналам.
Что касается «опасных», с точки зрения радиации, орбит, то в этом случае применение на борту световодов, использующих принцип полного внутреннего отражения, мало пригоден. Поскольку за 10 лет суммарная экспозиционная доза облучения составит величину 106 - 107 Р на поверхности КА, а, с учетом экранирующего действия корпуса, внутри КА эта доза составит 105 - 106 Р, то существующие в настоящий момент ОВ не способны обеспечить нормальное функционирование бортовых ВОСПИ. Следовательно, проблема радиационной стойкости сложных современных систем с применением кварцевых оптических световодов, к сожалению, не может быть решена путем вариативных свойств легирующих материалов, используемых в современных оптических световодах. Устойчивость оптических волноводов, реализованных на базе волноводных структур с различным показателем преломления в сердцевине и оболочке, к воздействию ионизирующих излучений ограничена свойствами вещества самих световодов и особенностями образования в нем квазистабильных квантовых псевдочастиц типа экситонов Ванье-Мотта (центров окраски) и экситонов Френеля (стабильные центры поглощения).
Решение этой почти неразрешимой проблемы, как полагают авторы, может ле-
жать в совершенно другой области. Начиная с 1996 г. активно исследуется новый тип волоконных световодов - микроструктурные оптические волокна [1, 2]. Данный тип оптического волокна представляет собой двумерный набор полых оптических световодов. В случае периодического расположения отверстий оболочка дырчатых световодов имеет структуру двумерного фотонного кристалла (ФК), т.е. представляет собой периодический набор плотно упакованных полых стеклянных волокон. Благодаря периодическому расположению воздушных отверстий в стекле спектр пропускания подобной структуры для определенных направлений характеризуется наличием фотонных запрещенных зон - областей частот, на которых излучение не может проникать в оболочку световода. Сердцевина подобного волновода может содержать искусственно введенный дефект - либо в виде отсутствия отверстия, либо в виде отверстия, которое по диаметру превышает отверстия в оболочке. Подобные волноводы со структурой «фотонного кристалла» представляют значительный интерес и с точки зрения широкополосной передачи информации.
С физической точки зрения фотонные кристаллы или структуры с фотонными запрещенными зонами представляют собой новый тип искусственных структурно-организованных сред с пространственной периодичностью оптических характеристик, в которых элементарные кристаллические ячейки имеют размеры порядка оптической длины волны. Вследствие периодической модуляции их оптических свойств фотонные кристаллы характеризуются особыми режимами распространения световых волн в определенных интервалах длин волн и волновых векторов. В частности, фотонный кристалл с введенным протяженным дефектом может быть эффективной направляющей структурой. Дефект кристалла в этом случае играет роль отражающей границы и «запирает» свет в области дефекта.
Если в качестве дефекта выступает отсутствие отверстия, то подобные световоды назвают /G-волоконами (Index-guiding photonic crystal fiber) или микроструктури-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2011
167
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 7. Поперечное сечение ОВ со структурой фотонного кристалла: а - МОВ со структурой /G-волокна; б - МОВ со структурой PBG-волокна
рованными волокнами с модифицированным профилем показателя преломления.
Если в качестве протяженного дефекта используется отверстие большего диаметра, то микроструктурное оптическое волокно данного типа представляет собой фотонный кристалл, в котором свет распространяется вдоль искусственно введенного дефекта вида «отверстие большого диаметра». Распространение света вдоль решетки фотонного кристалла происходит за счет наличия фотонной запрещенной зоны, т.е. за счет многолучевой интерференции вытекающих мод [15]. Подобного рода ОВ в англоязычной литературе носят название PBG-волокон (Photonic band gap fiber). Внешний вид таких микроструктурированных оптических волноводов показан на рис. 7.
Остановимся подробнее на свойствах PBG-световодов. Оболочка в виде периодической структуры с показателями преломления п1 и n2 (газ, заполняющий поры оболочки и стекло) образует фотонный кристалл.
Свойства собственных мод полых PBG-световодов определяются их геометрическими параметрами и коэффициентом отражения от структурированной оболочки.
Для таких световодов коэффициент затухания собственных мод волновода при условии многослойности оболочки (M>>1) может быть записан в виде
а„
PBG
1
2(«22 - П)
м
t4 n
■ exp[-2(M -1)K'Л], (8)
где Л - параметр фотонного кристалла, определяемый отношением диаметра отверстия в оболочке, к расстоянию между отверстиями.
Увеличение числа слоев в периодической структуре приводит к быстрому уменьшению волноводных потерь в оболочке. В центре фотонной запрещенной зоны в условиях, когда оптическая связь волноводных мод сердцевины и оболочки осуществляется путем туннелирования светового поля через протяженную структуру оболочки, потери волновода убывают экспоненциально с ростом числа слоев в оболочке. Как видно из выражения 8, доля вносимых потерь, определяемая собственно веществом PBG-волокна (значение n;) при числе слоев оболочки M>>1 пренебрежимо мала. Из рис. 7б хорошо видно, что PBG-волокна по сути представляют из себя не вещественную, а «волноводную» структуру.
Следовательно, микроструктурированные световоды с полой сердцевиной наиболее предпочтительны для реализации бортовых ВОСПИ, которые работают в условиях больших экспозиционных доз радиации. Основные потери в полых микроструктурированных PBG-световодах определяются гео-
168
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
метрическими параметрами и длиной волны излучения. Доля материальных потерь, вносимых в общее затухание, крайне незначительна, поэтому стойкость /бС-волокон и оптических кабелей на их основе к воздействию ионизирующих излучений значительно выше, чем у оптических волокон, в которых распространение света происходит за счет формирования профиля показателя преломления в веществе.
Заключение и выводы
Авторы разделяют мнение, что волоконно-оптические приборы и системы связи - ключевое направление развития информационных систем. Это мнение справедливо и для аппаратуры космического базирования. Применение волоконных световодов в качестве среды передачи не только снизит массово-габаритные характеристики бортовых систем, но и позволит существенно повысить скорость обработки информации. Появится возможность обработки первичной информации в реальном масштабе времени. За счет такой обработки первичного информационного потока удастся существенно снизить нагрузку на канал связи «орбита КА-Земля», что приведет к повышению эффективности всего космического комплекса в целом.
Радиационно-наведенное поглощение в оптических волокнах по современным представлениям обусловлено возникновением «центров поглощения» или «центров окраски», которые образуются на ионах легирующих примесей при облучении оптических волокон с распределенным по сечению профилем показателя преломления. Радиацион-но- возбужденное состояние таких центров окраски может сохраняться годами, за счет возникновения потенциальных «ловушек» в структуре световода. Меняя химический состав легирующих примесей, возможно несколько повысить радиационную стойкость световодов. Тем не менее, кардинальным образом разрешить возникшую проблему для световодов с распределенным по сечению показателем преломления не удалось.
Решение возникшей проблемы может быть найдено, если мы сможем создать
принципиально новую среду передачи оптического сигнала, свободную от недостатков, органически присущих «классическим» системам на базе оптических волокон с распределенным профилем показателя преломления. Такая среда передачи оптического сигнала была «найдена», а точнее, создана, на основе новых физических принципов.
Мы вправе ожидать значительного уменьшения РНП в ббС-волокнах. Снижение РНП в бортовом волоконно-оптическом тракте по крайней мере в пределах одного-двух порядков позволит существенно повысить стойкость бортовых ВОСПИ к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Даже такая величина позволит довести время сохранения работоспособности ОВ на борту КА до 15-20 лет на «неблагоприятных» с точки зрения радиации орбитах.
Библиографический список
1. Бурков, В.Д. Перспективы применения микроструктурных световодов для создания бортовых высокоинформативных систем передачи данных / В.Д. Бурков, С.В. Перминов, Н.А. Харитонов // Вестник МГУЛ
- Лесной вестник. - 2007. - № 2(51). - С. 23-28.
2. Бурков, В.Д. Применение современных оптических волокон для построения волоконно-оптических сетей в перспективных космических аппаратах / В.Д. Бурков, Ю.С. Капранов, С.В. Перминов и др. // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2009.
- № 6. - С. 95-101.
3. Гущин, В.Н. Основы устройства космических аппаратов: учебник для вузов / В.Н. Гущин. - М.: Машиностроение, 2003. - 272 с.
4. Власова, Н.А. Система мониторинга радиационных условий в магнитосфере Земли на российских космических аппаратах связи, навигации и телевидения / Н.А. Власова, В.И. Верхотуров, О.С. Графодатский и др. // Космические исследования.
- 1999. - Т 37. - № 3. - С. 245-255.
5. ГОСТ 25645.138-86 Пояса Земли радиационные естественные. Модель пространственно-энергетического распределения плотности потока протонов.
6. ГОСТ 25645.139-86 Пояса Земли радиационные естественные. Модель пространственно-энергетического распределения плотности потока электронов.
7. Воронов, С.А. Пространственные распределения электронов и позитронов высоких энергий под радиационным поясом Земли / С.А. Воронов, А.М. Гальпер, С.В. Колдашев и др. // Космические исследования. - 1992. - Т. 30. - № 1. - С. 140-142.
8. Перминов, С.В. Анализ влияния ионизирующих излучений космического пространства на работо-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
169
