Волоконно-оптические преобразователи перемещений с кодирующими устройствами на основе интерференционных светофильтров

Леонович Георгий Иванович; Матюнин Сергей Александрович; Ивков Сергей Валериевич; Акбаров Руслан Рустамович; Ливочкина Наталья Александровна

УДК. 621.389; 681.2

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С КОДИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СВЕТОФИЛЬТРОВ

1 Секция прикладных проблем при Президиуме РАН 2 Самарский государственный аэрокосмический университет 3 ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс»

Поступила в редакцию 25.03.2012

Совершенствование бортовых систем управления космическими аппаратами направлено на расширение функциональных возможностей при уменьшении массогабаритных показателей, увеличении надежности и снижении энергопотребления. Применение волоконно-оптических преобразователей перемещения со спектральными кодирующими устройствами на основе многокомпонентных интерференционных фильтров позволяет создать компактную многоточечную сенсорную сеть для сбора и последующей обработки данных о контролируемых параметрах с использованием ограниченного числа волоконно-оптических каналов передачи данных.

Ключевые слова: бортовая волоконно-оптическая приборная сеть, волоконно-оптический преобразователь перемещения, спектральное кодирование, интерференционный светофильтр

Требования, предъявляемые к бортовому оборудованию космических комплексов на современном этапе сводятся, главным образом, к уменьшению массогабаритных показателей и энергопотребления, повышению надежности и устойчивости к дестабилизирующим факторам при одновременном увеличении объемов решаемых задач. В этой связи на борту космических аппаратов (КА) все шире используются волоконно-оптические сети сбора и передачи информации (ВОССПИ), в основу которых положены IG-и PBG-световоды, устойчивые к ионизирующему излучению [1, 2]. Это позволяет на порядок и более уменьшить вес кабелей и кабельного оборудования бортовой сети, использовать новые типы датчиков с волоконно-оптическим интерфейсом, к которым в частности, относятся волоконно-оптические преобразователи перемещений (ВОПП) со спектрально кодирующими устройствами (СКУ) на основе светофильтров из многокомпонентных интерференционных покрытий (МИП) с управляемыми слоями [3, 4]. Суть алгоритмов управления заключается во взаимном смещении спектральных характеристик МИП, направленном, в первую очередь, на достижение заданных параметров точности и стабильности

Леонович Георгий Иванович, доктор технических наук, начальник отделения. E-mail: [email protected] Матюнин Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электронные системы и устройства»

Ивков Сергей Валериевич, аспирант. E-mail:

sergeyivkov@virtualsoccer. ru

Акбаров Руслан Рустамович, аспирант

Ливочкина Наталья Александровна, аспирантка. E-mail:

Livochkina@gmail. com

преобразования, т.е. адаптивно компенсировать либо осуществлять внешнее управление воздействием тепловых, электрических, магнитных и акустических полей, управляющих оптических сигналов. На рис. 1 представлена условная классификация СКУ на МИП, на рис. 2 приведена обобщенная структурная схема ВОПП с СКУ, включенного в волоконно-оптический канал бортовой сети.

Рис. 1. Классификация СКУ на МИП

Световой поток Ф0 от источника излучения ИИ, находящегося в удаленном блоке формирования светового потока и обработки сигналов (БФСПОС), через подводящее оптическое волокно и оптическую систему ОС1 ВОПП подается на формирователь светового потока ФСП. ОС1 совместно с ФСП выполняет функции преобразования входного потока, к которым относятся коллимация, распределение по спектру, пространству и энергии (по одному или нескольким перечисленным параметрам), профилирование светового пятна. Сформированные субпотоки (по

числу информационных каналов) направляются на спектрально кодирующую шкалу (СКШ). СКШ совместно со считывающей системой (СчС), состоящей от одного до N оптических считывающих элементов (СчЭ), формирует модулированные по спектру оптические сигналы Ф^ (]'=!, 2,..., функционально привязанные к перемещению а Далее посредством выходной

оптической системы (ОС2) световые лучи преобразуются к виду, позволяющему направить собрать и направить оптические сигналы через ВОЛС в БФСПОС, в котором из них получаются электрические сигналы, привязанные к измеряемому перемещению. Эти сигналы преобразуются в позиционный цифровой код, соответствующий требуемому протоколу бортовой сети.

Фо

Фс1, Фс2,-, ФсМ W2

Фс (а)

ОВ1

Рис. 2. Обобщенная структурная схема ВОПП с СКУ

Световой поток от /-го СчЭ, является функцией нескольких основных аргументов, которую можно принять за обобщенную математическую модель одиночного канала ВОПП:

Фф (а) = Ф0 Н

о" jk

(ntnSj) Л)),ЛЛ]А,ЛЛ

х www

(1)

где Ф0 - смодулированный световой поток от ИИ; Н]к(*) - функция преобразования в элементе

СКУ из ]-го СчЭ и k-го кванта СКШ; а - перемещение объекта; £2k - геометрическая область k-го кванта СКШ; Sj,- геометрическая область ]-го СчЭ; Л(а), ЛЛ] - центральная длина волны и ширина спектра пропускания ]-го СчЭ; Ák, ЛЛk -центральная длина волны и ширина спектра полосы пропускания k-го кванта СКШ; w], w2] - коэффициенты передачи автономных или общих участков волокна ОВ1 и ОВ2 с учетом потерь на соединениях, w3 - коэффициент передачи ФСП.

а)

ЛЛнс i а Лнс

Х)0 1 2 3 4 5 6 7 b 8 9 10 11 12 13 14

ЛЛнс1 0-1/8

ЛЛнс2 1/8-2/8

ЛЛнс3 2/8-3/8

ЛЛнс4 3/8-4/8

ЛЛнс5 4/8-5/8

ЛЛнс6 5/8-6/8

ЛЛнс7 6/8-7/8

ЛЛнс8 7/8 -1

б)

&Х1

ах,

ах3

ах4

ах5

АХ6

ах7

ах8

АХ

АХь

Х

АХнс0

Х7н

О в) Щ

Рис. 3. Составная СКШ из широкополосных светофильтров: а) - структура шкалы в координатах Х и а; б) - вариант сочетания фильтров для устойчивой к ВДФ СКШ; в) - вариант чередования полос

пропускания ПП/ при п=3

Каждый из сомножителей в выражении (1) является функцией множества аргументов и для конкретного типа ВОПП рассчитывается отдельно. Кроме того, количество СчЭ (значение Ы) может варьироваться от одного до нескольких десятков, в зависимости от метода кодирования перемещения и потребной разрешающей способности преобразователя [3-4]. Излучение, поступающее в ВОПП, может быть узко- или широкополосным по спектру. Распределение света по кодирующим каналам осуществляется равномерно (по спектру, энергии, геометрическим параметрам сечения светового луча) или в соответствии с определенным алгоритмом. Характеристика оптического сигнала с учетом внешнего управления параметрами спектрально регулируемых элементов определяется из выражения для спектральной составляющей коэффициента передачи [3]:

Wx(Х, о = ^х(Х, 0^2х(Х, ()Ы.Х, 0 = {Ф (Х, о • Пф* (Х, 0} > х{Т(Х, I) ПК '¡, игШХ, 0 Пк, 0}

¡е

(2)

где ф (Х 0, ТП

'(Х, I), Г(Х, I) - спектральные характеристики излучения ИИ, пропускания ВОПП и чувствительности приемника излучения, соответственно; ¡, к - номера компонент покрытий; Х - длина волны излучения; ^ - температура.

Существует большое многообразие СКШ, топология которых определяется способом получения информации о перемещении. Вариант топологии СКШ для цифрового ВОПП с открытым оптическим каналом представлен на рис. 3.

СКШ выполняются из периодически нанесенных групп из N=2" (п=2, 3, 4,...) широкополосных светофильтров Ф. Геометрическая ширина каждого фильтра равна ширине СчЭ

аФ =ам =ас = ао/2. Фильтры смещены вдоль

шкал а и Х на /Аан=/а0/Ы и 1АХн =/АХн0/Ы, где Хн0 - часть диапазона спектра, предназначенная для кодирования перемещения, /,/=1,2,3... N. При этом полоса пропускания (ПП) каждого фильтра АХ >>АХн0 Коэффициент пропускания комбинации фильтров Т{гАан ) = ПТ(А ) , I е Ц ,

ц

соответствует одной из N комбинаций. Перемещение шкалы на величину /Аа приводит к изменению спектра суммарного сигнала, соответствующему одной из N=8 комбинаций, представленных на рис. 3б, в. На рис. 4 представлен аналоговый ВОПП с закрытым оптическим каналом, особенностью которого является использование эффекта зависимости длины волны максимума пропускания встроенного фильтра от угла у падения на него светового луча.

Рис. 4. Упрощенная структурная схема аналогового ВОПП с встроенным оптическим фильтром

При перемещении объекта измерения ОИ осуществляется изгиб сопряженного с ним ОВ, что вызывает изменение угла у. Длину волны максимума пропускания фильтра можно описать посредством нормированной функции пропускания (7^=1) как [3]

ф

к -

B ■ c ■ cos\jp± )J

arccos

1 - H D

(3)

где Н, В, В - конструктивные параметры спек-троформирующих элементов фильтра, определяющие характеристики пропускания (макси- 2. мальный коэффициент пропускания при у=0, ширина полосы, крутизна спектральной характеристики); с - скорость света; ф - начальный угол 3. преломления излучения в резонансном слое МИП; ±Дф(у) - изменение угла преломления от угла у падения (расхождения) светового луча. При малом диапазоне расхождений углов Ду и Дф можно считать, что Дф=у. Полученная зависимость в ограниченном диапазоне изменения 4. угла носит характер косинусоиды.

Вывод: представленные варианты построения ВОПП с СКУ на интерференционных светофильтрах показывают возможность создания пассивной бортовой волоконно-оптической сети со спектральным разделением каналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Капранов, Ю.С. Применение волоконно-оптических кабелей на основе микроструктурированных волокон на борту космических аппаратов нового поколения / Ю. С. Капранов, Ю. Т. Ларин, С.В. Перминов // Кабели и провода. 2010. №4 (323). С. 6-9.

Majeed, Y. Design Optimization of Fiber Optic Sensors / Y. Majeed, M. Al-Bassiyouni, A. Dasgupta // Optical Society of America, 2009. P. 456-463. Леонович, Г.И. Спектральное и спектрально-модовое кодирование сигналов в оптоэлектрон-ных преобразователях перемещения с волоконно-оптическими каналами передачи информации / Г.И. Леонович, С.А. Матюнин, П.Л. Токмак, Э. С. Луганский // Известия Самарского научного центра РАН. 2007. Т. 9, №3. С. 739-748. Леонович, Г.И. Мультисенсорные волоконно-оптические преобразователи транспортных систем / Г.И. Леонович, В.М. Гречишников, А.С. Лукин, Н.А. Ливочкина // Известия Самарского научного центра РАН, «Перспективы и направления развития транспортной системы». - Самара, 2007. С. 125-130.

FIBER-OPTICAL DISPLACEMENT CONVERTERS WITH CODERS ON THE BASIS OF INTERFERENTIAL OPTICAL FILTERS

1 Section of Applied Problems at Presidium of RAS 2 Samara State Aerospace University 3 Federal State Unitary Enterprise State Scientific Production Rocker Space Center «TsSCB - Progress»

Perfecting of spacecrafts onboard control systems is directed on expansion of functionality at decrease the mass dimension indexes, increase in reliability and decrease in power consumption. Use of fiber-optical displacement converters with spectral coders on the basis of multicomponent interferential filters allows to create a compact multipoint touch network for collecting and aftertreatment the data on controllable parameters with use of restricted number of fiber-optical data links.

Key words: onboard fiber-optical instrument network, fiber-optical displacement converter, spectral coding, interferential optical filter

Georgiy Leonovich, Doctor of Technical Sciences, Chief of the Section. E-mail: [email protected]

Sergey Matyunin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Electronic Systems and Devices "

Sergey Ivkov, Post-graduate Student. E-mail: [email protected] Ruslan Akbarov, Post-graduate Student

Nataliya Livochkina, Post-graduate Student. E-mail: Livochkina@gmail. com

FIBER-OPTICAL DISPLACEMENT CONVERTERS WITH CODERS ON THE BASIS OF INTERFERENTIAL OPTICAL FILTERS

Текст научной работы на тему «Волоконно-оптические преобразователи перемещений с кодирующими устройствами на основе интерференционных светофильтров»