| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Сети аэрокосмических фотоприемных устройств
[c]
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет
МИФИ [/с]
[c]Отчет по Домашнему Заданию №1[/с]
[c]
по курсу “Сети компьютеров”[/с]
[c]
на тему:[/с]
[c]
Сети аэрокосмических фотоприемных устройств [/с]
[c] [/с]
Подготовил студент группы А9-09
Смолянов И.С.
Проверил доцент кафедры №27
Лапшинский В.А.
[c]
[/с]
[c]
Москва, 2014[/с]
[c]
Реферат[/с]
Этот отчет посвящен сетевым технологиям аэрокосмических фотоприемных устройств. Каким образом происходит передача информации.
Число страниц 16
Рисунков 6
Источников в списке литературы 8
[c]
Оглавление[/с]
Список определений, обозначений и сокращений
Классификация фотоприемных устройств......................................................................6
Принцип действия фотоприемного устройства……………………………………………………………9
Влияние облучения на фотодетекторы на примере HgCdTe соединения………………..10
Сетевая база фоточувствительных элементов..............................................................11
Фотоприемное устройство в аппаратуре космического комплекса………………………….12
Заключение…………………………………………………………………………………………………………………..15
Литература…………………………………………………………………………………………………………………….16
[c]
Список определений, обозначений и сокращений[/с]
ФПУ- фотоприемное устройство
ФУ - фотоустройство
ВОЛС- волоконо- оптическая линия связи
МБР - межконтинентальная баллистическая ракета
ООГ - опорный оптический генератор
ФЭУ - фотоэлектронное устройство
СВЧ системы - сверхвысокочастотные системы
ЛФД- лавинный фотодиод
ВОСПИ - оптическая система передачи информации
ФчЭ- фоточувствительный элемент
ИК- излучение - инфракрасное излучение
КРТ - кадмий теллур ртутное полупроводниковое соединение ( HgCdTe)
[c]
Введение[/с]
В повседневной жизни люди часто сталкиваются с самыми различными излучениями. Солнечный свет, теплота, радиоволны или рентгеновское излучение при своих различиях глубоко связаны по природе. Все они представляют собой электромагнитное излучение. Распространяются они со скоростью света, для всех имеет место отражение, преломление, дифракция и поляризация.
Создание любого прибора или системы, в которых оптическое излучение является носителем какой-либо информации, требует наличия не только источников излучения, но и специальных устройств, способных это излучение воспринимать и извлекать из него необходимую информацию. В данной работе будут рассматриваться такие системы, которые предназначены для обнаружения и формирования изображений от слабых источников излучения при большой дальности. Указанные приемники предназначены для:
. тепловых головок самонаведения ракет и навигационных систем
крылатых ракет;[/с] . систем типа FLIR (Forward Looking Infrared) самолетов;
. систем обнаружения стартов МБР и их разделяющихся частей;
Аэрокосмическое базирование этих систем предъявляет
повышенные требования к ним по стойкости к внешним воздействиям: механическим, климатическим и специальным (это факторы ядерного взрыва, солнечных корпускулярных излучений)[1].
[c]
Классификация фотоприемных устройств[/с]
[c]
Работа любого вида аппаратуры, использующей инфракрасное излучение основана на регистрации этого излучения специальным приемником, являющимся обязательным и основным элементом оптико-электронных приборов и других ИК-систем.
Этот приемник, по - существу, является преобразователем энергии излучения в какую-либо другую, удобную для регистрации форму, например, в электрический ток, изменение проводимости или емкости, или иных свойств приемника. Например, почернение фотографической эмульсии и т.п.
Приемники излучения условно разделяются на две группы: дающие изображение и точечные приемники.[/с] Приемники излучения, преобразующее невидимое глазом инфракрасное излучение в видимое , называются преобразователями изображения.
Подобная классификация удобна при рассмотрении систем приема изображения. Например, такой приемник (преобразователь) изображения, как фотопленка, непосредственно передает полное изображение кадра, а при использовании одноэлементного приемника для создания изображения необходим поэлементный обзор кадра и последовательная развертка картины. Одноэлементный точечный приемник излучения, помещенный в плоскости изображения, реагирует на среднюю облученность изображения в пределах участка, занимаемого чувствительной поверхностью приемника.
Приемник, воспроизводящий изображение, может быть представлен состоящим из очень большого числа точечных приемников, каждый из которых реагирует на излучение отдельной точки изображения.
Таким образом, основное различие между этими двумя группами приемников состоит во времени, требуемом для наблюдения (воспроизведения) картины теплового поля.
Приемники изображения (преобразователи) воспринимают все изображение в целом, а точечные последовательного точкам. Заметим, что один и тот же приемник может относиться и к той, и к другой группам. Так точечные приемники, сгруппированные в двумерную мозаику и матрицу, образуют приемник изображения.
Приемник излучения является важнейшим элементом любой ИК-системы, устройства или прибора. Именно приемник излучения, в подавляющем большинстве случаев, определяет такие основные параметры ИК-систем, как дальность действия, чувствительность, спектральную область применения, помехоустойчивость, разрешающую способность, динамический диапазон аппаратуры и др. характеристики.
По принципу приемники и преобразователи ИК-излучения условно разделяются на три основные группы: тепловые, фотохимические и фотонные.
Тепловые приемники и преобразователи излучения являются неселективными приборами, т.е.они имеют одинаковую спектральную характеристику в широком диапазоне электромагнитного спектра (до сотен микрометров). Работа тепловых приемников излучения основана на преобразовании энергии излучения сначала в тепловую, а затем в электрическую. К тепловым приемникам относятся: термоэлементы, терморезисторы, болометры, пироэлектрические приемники и т.п.
К фотохимическим преобразователям излучения относятся приемники, изменяющие свои химические свойства под действием излучения. Это фотопластины, фотопленки, фотобумаги и т.п. Эти преобразователи относятся к селективному типу приемников обладающих чувствительностью только на определенном участке спектра излучения
Основную, по широте использования, группу составляют, так называемые фотонные или квантовые приемники излучения. В приемниках этого типа фотоны излучения взаимодействуют с электронами материала, из которого изготовлен чувствительный элемент приемника. Чувствительность фотонного приемника пропорциональна числу поглощенных фотонов. Такой приемник селективен, т.е. он реагирует только на кванты излучения с определенной частотой (длиной волны).
В свою очередь, фотонные приемники излучения подразделяются на приемники с внешним фотоэффектом (фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и т.п.) и приемники с внутренним фотоэффектом - (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.п.)
В современных инфракрасных системах наиболее широкое распространение получили приемники излучения с внутренним фотоэффектом. Эти приемники получили название фотоприемников или фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения (ФЭГШ).
В приемниках с внутренним фотоэффектом используются три основных физических явления, вызываемых действием излучения на полупроводник: явление фотопроводимости, фотогальванический и фотоэлектрический эффекты .
В общем случае, простейший фотоприемник представляет собой бескорпусной фоточувствительный элемент (ФчЭ), или ФчЭ, размещенный в герметичном защитном корпусе, имеющем входное окно из материала прозрачного для излучения.
В качестве фоточувствительного элемента, в большинстве случаев, используются фоторезисторные, фотодиодные, фототранзисторные, и фототиристорные структуры, изготовленные из полупроводникового материала, чувствительного к излучению в рабочей (для данного прибора) области спектра.
Структурная схема, классифицирующая приемники излучения приведена на рис.1 [6].
[c] [/с]
[c]Рисунок 1. Классификация приемников излучения[/с]
[c]
Принцип действия ФПУ[/с]
[c] [/с]
ФПУ- приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область света в электрический заряд за счёт процессов в p-n переходе.
Принцип работы.[/с]
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток ФУ определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие ФУ определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода .[2][4].
Рассматривая структурную схему с использованием ФПУ, можно выделить два случая преобразования оптического сигнала в электрический: прямое фотодетектирование и фотодетектирование с преобразованием. При прямом фотодетектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал:
[c] [/с]
Электросигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока, который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом. При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал:
[c] [/с]
[c]
Влияние облучения на фотодетекторы на примере HgCdTe соединения[/с]
[c] [/с]
В первых одноэлементных ИК детекторах пассивирующие покрытия применялись для сохранения характеристик прибора, но не включали диэлектрик в качестве неотъемлемой части активного элемента. В этом случае долговременная деградация определялась дефектами решетки. Установлено, что в фоторезисторах дефекты решетки влияют, в основном, на концентрацию электронов. Радиационно-индуцированные доноры увеличивают концентрацию электронов, что приводит к деградации фоточувствительности. Так, введение концентрации радиационных доноров 1·10^15 см-3 уменьшает фотоотклик в 2 раза.
При рассмотрении воздействия гамма - квантов предполагалось, что взаимодействие облучения с полупроводниковыми кристаллами складывается из следующих основных процессов: фотоэффект; когерентное или томсон - рэлеевское рассеивание; некогерентное или комптоновское рассеяние; рождение пар электрон-позитрон в поле ядра и в поле атомных электронов. Из расчета следует, что для энергий менее 1 МэВ в основном характерен фотоэффект, более 1 МэВ превалирующим механизмом поглощения является эффект комптоновского рассеяния, а для энергий свыше 5 МэВ основной вклад вносит эффект образования пар. Расчет возможности введения электрически активных примесей путем облучения узкозонного полупроводникового твердого раствора КРТ тепловыми нейтронами показал, что элементный состав КРТ может изменяется довольно значительно, однако эффективности ядерных реакций в КРТ невелики. Необходимо отметить, что, несмотря на большой накопленный экспериментальный материал, до сих пор нет однозначных моделей радиационного дефектообразования в КРТ. Большинство исследователей считают, что наблюдаемые изменения электрофизических параметров облученного материала, можно объяснить преимущественным образованием радиационных дефектов в металлической подрешетке HgTe.[7].
[c]
Сетевая база фоточувствительных элементов[/с]
Передающие оптические модули выпускаются на основе импортных MQW фотодиодов, интегрированных со схемой управления с дифференциальным PECL - входом. Модули имеют TTL – вход включения лазерного излучения и выход аварийного состояния фотодиода (открытый коллектор). Предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2..155 Мбит/с. При передаче на большие расстояния, когда отношение сигнал/шум на выходе приемника становится недостаточным, в тракт включают ретрансляторы. Для передачи сигнала обычно используют световые импульсы. При этом применяют два вида модуляции: аналоговые, при которой информация передается изменением амплитуды, ширины или положения импульсов; и цифровая – с кодированием информации комбинацией группы импульсов. При аналоговой передаче, информационный сигнал модулирует поднесущую частоту, как правило, СВЧ диапазона, которая в свою очередь управляет мощностью излучателя. Прием во всех случаях осуществляется с помощью фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, преобразующих энергию колебаний оптического диапазона в электрическую энергию. Электрический сигнал усиливается до необходимого уровня усилителем низкой частоты. Фотоприемные модули серий PD-1375-ip/ir для спектрального диапазона 1100..1650 нм, изготавливаются на основе импортных InGaAs pin фотодиодов. Выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в корпусе типа “оптическая розетка” (рис. 4). Фотоприемные модули предназначены для стыковки с одномодовым и монгомодовым оптическим волокном, оконцованным разъемом “FC/PC”. Модули имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую спектральную чувствительность и низкие теновые токи. [1][8].
[c] [/с]
[c]
ФПУ в аппаратуре космического комплекса[/с]
Во второй половине 90-х годов правительством России было принято решение о создании новейшего космического ракетного комплекса Ангара, который в перспективе должен был заменить знаменитые КРК Протон, Рокот и др. Разработка КРК Ангара была поручена ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Разработчики комплекса с самого начала стремились воплотить в изделии последние достижения науки и техники. Ведущими специалистами ГКНПЦ им. М.В. Хруничева М.Б. Соколовым, М.П. Ананьевым и С.В. Чихляевым была выдвинута идея замены большого количества бортовых и наземных электрических кабелей на волоконно-оптические линии, что давало несомненный выигрыш в весе бортовой аппаратуры, ее стоимости и помехозащищенности, а также пропускной способности каналов передачи данных.<br /> После анализа накопленного в подразделении фотоприемников опыта по разработке компонентов для ВОСПИ, а также обработке и передаче данных, было принято революционное решение о проведении работы по созданию первого в истории отечественной космонавтики волоконно-оптического комплекса сбора, передачи, обработки и представления информации датчиков системы наземных измерений КРК Ангара (ВОКСНИ-АНГАРА). Работа началась в конце 90-х годов и продолжалась более 10 лет. Сказались как рваное финансирование работы в первой половине 2000-х годов, частое изменение требований к комплексу со стороны Заказчика, так и чрезвычайная сложность нахождения комплексных решений задачи (большая точность обработки сигналов датчиков в условиях высокого уровня помех и в широком диапазоне внешних воздействий, высокая надежность при большом количестве компонентов).[/с] Во второй половине 2000-х годов было заключено соглашение между правительствами России и Республики Корея об оказании корейской стороне помощи по созданию национального космодрома NARO и первого корейского космического ракетного комплекса KSLV-1. Поскольку первая ступень ракеты-носителя, которую должен был изготовить ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, представляла собой фактически легкую модификацию соответствующей части ракеты-носителя Ангара, было решено разработать и оснастить KSLV-1 волоконно-оптическим комплексом сбора, передачи и обработки информации датчиков системы наземных измерений ВОКСНИ-КСЛВ (упрощенный вариант ВОКСНИ-АНГАРА с ограниченными функциональными возможностями). Появившаяся возможность отработать конструкторские и технологические решения, а также программное обеспечение на более простом изделии сыграли большую положительную роль при дальнейшей разработке ВОКСНИ-АНГАРА. В 2009 г. прошли первые натурные испытания в Республике Корея комплекса ВОКСНИ-КСЛВ. Несмотря на неудачные первые два пуска ракеты-носителяKSLV-1 по вине корейской стороны, испытания ВОКСНИ-КСЛВ, особенно во время второго пуска, оказались удачными. Полученный при разработке и натурных испытаниях ВОКСНИ-КСЛВ опыт позволил в кратчайшие сроки в 2010 г. завершить изготовление и провести с положительным результатом предварительные испытания опытного образца комплекса ВОКСНИАНГАРА. Комплекс позволял опрашивать до 960 бортовых датчиков различного типа, преобразовывать поступившую информацию с высокой точностью в цифровой код и передавать его по волоконно-оптической линии с борта ракеты в Центр управления полетами (ЦУП), расположенный на расстоянии до 5 км. На командном пункте осуществлялась обработка оптического сигнала, его декодирование и представление поступившей информации в различном формате на экране монитора оператора. ВОКСНИ-АНГАРА состоял из комплекта аппаратуры бортовой части (КАБЧ) и комплекта аппаратуры наземной части (КАНЧ). Основу КАБЧ составлял комплект из 30 уникальных оптоэлектронных блоков — преобразователей сигналов датчиков (ПСД) нескольких модификаций, в которых осуществлялись преобразование и обработка сигналов датчиков на борту ракеты-носителя. К каждому ПСД могло подключаться до 32 датчиков различного типа. ПСД с помощью многочисленных волоконно-оптических кабелей объединялись в единую информационную структуру, которая через специальный оптоэлектронный блок — оптический коммутатор (ОК) — по волоконно-оптической линии обменивалась информацией с наземной аппаратурой. Корпуса ПСД и ОК полностью изготавливались из титана, что позволило обеспечить небольшой вес аппаратуры при высокой механической прочности, а также отказаться от специальных защитных покрытий.
[c] [/с]
[c]
Рисунок 5. Комплект аппаратуры бортовой части ВОКСНИ-АНГАРА на испытательном стенде[/с]
Для соединения волоконно-оптических кабелей между разделяющимися ступенями ракеты-носителя впервые в ракетно-космической технике был разработан оригинальный разрывной волоконно-оптический соединитель с нормированным усилием разрыва.
[c] [/с]
[c]
Рисунок 6. Разрывной волоконно- оптический соединитель ВОКСНИ -АНГАРА[/с]
В состав аппаратуры наземной части ВОКСНИ-АНГАРА вошли три аппаратурные стойки, одна из которых устанавливалась непосредственно на стартовом комплексе, а две (основная и резервная) с рабочим местом оператора — в ЦУПе, а также комплект специальных волоконно-оптических и электрических кабелей, обеспечивающих объединение всей аппаратуры комплекса в единый информационный канал. Разработка, изготовление и испытания таких сложных комплексных изделий как ВОКСНИ-КСЛВ и ВОКСНИ-АНГАРА явились результатом упорного многолетнего труда большого коллектива специалистов [3][5].
[c]
Заключение[/с]
В этом отчете отражено история развития ФПУ, а также их роль в аэрокосмической аппаратуре. Также можно сделать вывод, что в настоящее время отдел оптоэлектроники является одним из самых перспективных и динамично развивающихся подразделений, так как принадлежит огромному спектру применений.[/с]
[c]
Литература[/с]
1. Микроэлектроника для космоса и военных URL: http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showforum=170
2. Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах: Уч. пособие. - СПб.: СПбГУАП, 2002.
3. Микроэлектроника для космоса URL: <a href="http://habrahabr.ru/post/156049/">http://habrahabr.ru/post/156049/</a>
4. Наноэлектроника и ФУ URL: <a href="http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2249">http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2249</a>
5. Семейство ракет- носителей Ангара URL: <a href="http://www.khrunichev.ru/main.php?id=44">http://www.khrunichev.ru/main.php?id=44</a>
6. Элементная база ФПУ URL: <a href="http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_867_444.pdf">http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_867_444.pdf</a>
7. Влияние облучения на характеристики HgCdTe ИК фотодетекторов (Материалы Международной научно-технической конференции, 14 – 17 ноября 2011 г.) URL: <a href="http://conf.mirea.ru/CD2011/pdf/p1/32.pdf" target="_blank">http://conf.mirea.ru/CD2011/pdf/p1/32.pdf</a>
8. Бараночников М.Л. Приемники инфракрасного излучения. Состояние разработок и промышленного выпуска, перспективы развития и прогнозы. Аналитический обзор.
Источник: http://Сайт : http://www.valinfo.ru/ |
Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: Smolyanov (30.11.2014)
| Автор: SmolyanovIgor 
|
| Просмотров: 1005
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
