Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ

.1 Технология лазерных сетей связи

.2 Преимущества систем лазерной связи

.3 История создания и развития лазерной технологии

.4 Основные результаты

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ СВЯЗЕЙ

.1 Принцип работы лазеров

.2 Работа систем АЛС

.3 Промышленные системы АЛС

.4 Применение лазеров

.5 Космические системы связи

.6 Применение лазеров в космических системах связи

.7 Влияние атмосферы

.8 Основные результаты

ГЛАВА 3. FSO-СИСТЕМЫ

.1 Структура локальной вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи

.2 Структура системы передачи данных с открытым атмосферным каналом

.3 Анализ возникающих проблем при использовании систем с открытым атмосферным каналом передачи данных для удаленного доступа

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОАНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ СИСТЕМЫ

.1 Основные результаты

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

.1 Резюме

.2 Анализ положения дел в отрасли

.3 Суть разрабатываемого проекта

.3.1 Назначение

.3.2Форма реализации

.4 Производственный план

.5 Организационный план

5.6 Финансовый план

.7 Вывод

ГЛАВА 6. БЕЗОПАСНОСТЬ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ

.1 Микроклимат рабочего помещения

.1.1. Расчет микроклимата в холодный период года

.1.2 Расчет систем воздушного отопления

.1.3 Расчет водяного отопления

.1.4 Расчет и оптимизация системы кондиционирования в теплый период года

.3 Расчет и анализ опасности поражения электрическим током

.4 Режим труда и отдыха при работе с ПЭВМ

.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.

Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети будет исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями - это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.

Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда - даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.

 

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ

В данной главе рассматривается технология лазерной сети связи, а так же её преимущества, такие как экономичность; низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи, а так же быстрое развертывание и изменение конфигурации сети.

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера, в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Оптический диапазон имеет много характерных особенностей и за счет малой длины волны позволяет достичь высокой направленности излучения, существенно уменьшить размеры антенных систем, сформировать чрезвычайно узкие лазерные пучки и получить высокую концентрацию электромагнитного излучения в пространстве.

При передаче информации модулированными электромагнитными колебаниями необходимо, чтобы частота модуляции была в 10…100 раз меньше несущей частоты. Кроме того, частоты модуляции занимают некоторую полосу частот, и ширина ее определяется объемом передаваемой в единицу времени информации. Например, для передачи телеграфного текста требуется полоса частот 10 Гц, а для телевизионного изображения - полоса частот 107 Гц и несущая частота не менее 108 Гц. Радиодиапазон занимает полосу частот 104…108 Гц и полностью освоен. Информационная емкость канала связи в СВЧ-диапазоне (109..1012 Гц) выше, но в силу особенностей распространения СВЧ-излучения в атмосфере связь между станциями СВЧ-диапазона возможна только на расстоянии прямой видимости. В оптическом диапазоне только видимая область занимает полосу частот от 4×1014 до 1015 Гц. С помощью лазерного луча теоретически можно обеспечить передачу 1015/107 = 108 телевизионных каналов, что на несколько порядков превышает современные потребности, или 1013 телефонных разговоров. Таким образом, одним из преимуществ оптических линий связи является возможность передачи больших объемов информации, обусловленная сверхширокой полосой частот. Освоение оптического диапазона: создание лазерных источников света, чувствительных полупроводниковых приемников оптического излучения и разработка волоконных светодиодов с малыми потерями, - открывает новые возможности для создания систем связи.

Оптический диапазон открывает возможности создания информационных и управляющих систем с характеристиками, которые принципиально не достижимы в радиодиапазоне. К настоящему времени разработаны разнообразные наземные, авиационные и космические системы оптической связи, лазерной локации, лазерные системы аэрокосмического мониторинга природной среды, системы воздушной разведки, системы предупреждения столкновений подвижных объектов, лазерные системы стыковки космических аппаратов, системы лазерного наведения и лазерного управления оружием.

Потенциальные возможности лазерных информационных систем, как и в целом оптических методов передачи и обработки информации, весьма велики. Во многих задачах предельно достижимые характеристики ограничиваются лишь квантовыми эффектами. Однако в действительности потенциальные возможности оптического диапазона далеко не всегда удается эффективно реализовать на практике. Существует множество тому причин.

Огромное влияние на рабочие характеристики реальных лазерных систем оказывают неизбежные флюктуации в источниках лазерного излучения, случайные изменения параметров информационных процессов, воздействия различных помех, вероятностный характер операции фото детектирования. Многие информационные системы оптического диапазона строятся с использованием открытого (чаще всего атмосферного) канала. Для лазерного излучения атмосферный канал представляет собой канал со случайно-неоднородной средой распространения. Эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, молекулярное и аэрозольное рассеяние, искажения пространственно-временной структуры и нарушение когерентности лазерного излучения - все это оказывает заметное влияние на энергетический потенциал, принципы обработки информационных сигналов и дальность действия создаваемых систем. Все перечисленные особенности показывают, что анализ лазерных информационных систем, оценка их потенциальных и реально достижимых характеристик не может проводиться без вероятностного исследования структуры информационных сигналов и помех.

На сегодняшний момент накоплены многочисленные результаты по вероятностному анализу различных лазерных систем. Однако большинство таких результатов представляются весьма разрозненными, они не базируются на едином подходе и их достаточно сложно использовать в практических задачах. Необходимость дополнительных детальных исследований вероятностной структуры сигналов, помех и в целом информационных процессов в радиооптике связана с необходимостью совершенствования математических моделей, решением задач оптимизации структуры сигналов и систем, разработкой новых перспективных алгоритмов передачи, приема, преобразования и обработки информации в оптических информационных системах.

Лазерная связь является альтернативой радио, кабельной и волоконно-оптической связи. Лазерные системы позволяют создать канал связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1,2 км друг от друга, и передавать по нему телефонный трафик (скорость от 2 до 34 Мбит/с), данные (скорость до 155 Мбит/с) или их комбинацию. В отличие от беспроводных радиосистем лазерные системы связи обеспечивают высокие помехозащищенность и секретность передачи, так как получить несанкционированный доступ к информации можно только непосредственно от приемопередатчика.

Компания, которая воспользуется лазерной связью для создания основного (резервного) канала ближней связи, избавится не только от необходимости прокладывать новые проводные коммуникации, но также и от необходимости получать разрешение на право пользования радиочастотой. Кроме того, невысокий уровень затрат на организацию высокопроизводительного канала связи, а также небольшое время его ввода в эксплуатацию обеспечат быструю окупаемость вложенных средств. Таким образом, широкий спектр возможностей и несомненные преимущества лазерного оборудования делают его использование лучшим решением проблемы организации надежного канала связи между двумя зданиями.

.1 Технология лазерных сетей связи

Лазерные сети связи широко применяются для преодоления сложных участков сети; экономии времени и средств на проектных работах и установке канала; конкурируют со стационарным радиорелейным и кабельным оборудованием при организации высокоскоростного доступа. Также сотовые операторы часто используют лазерные каналы для быстрого подключения неосвоенных районов, пока не протянут оптоволокно. Операторы сотовой и прочей беспроводной связи используют лазерные каналы связи для подключения базовых станций, область применения этой технологии распространяется на беспроводные телефонные сети.

Малые сроки инсталляции и независимость от традиционной проводной инфраструктуры позволяют использовать атмосферные линии для всевозможных временных мероприятий - выставок, фестивалей - и даже просто при необходимости временно расширить подключение к сети - например при проведении разовой рекламной компании. При этом скорость такого временного канала может превышать 1 Гбит/с - хватит и на потоковое видео, и на серверную комнату.

В последнее время все большую популярность приобретает применение лазерных каналов при создании охранных периметров и в системах обеспечения безопасности благодаря скрытности канала и возможности передачи качественной видеоинформации от камер наблюдения в режиме реального времени. Основными применениями технологии в настоящее время остаются: доступ на последней миле, преодоление преград, а также связь локальных сетей.

Лазерная связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн инфракрасного диапазона спектра. Механизмы поглощения света в прозрачной атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В результате, в атмосфере свет распространяется в тех же окнах прозрачности - 850, 1310 и 1550 нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу, применяемую в оптоволоконной технике, и заимствовать заметную часть наработок и технологий: микролинзы, оптические усилители, голографическая оптика и методы спектрального уплотнения каналов.

Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых напротив друг друга в пределах прямой видимости. Построение всех станций практически одинаково: интерфейсный модуль передатчика, модулятор, лазер, оптическая система передатчика и приемника, демодулятор и интерфейсный модуль приемника. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода. Приемник в большинстве случаев имеет в своей основе скоростной pin-фотодиод или лавинный фотодиод. Передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Модулированные импульсы от источников инфракрасных волн передаются через атмосферу примерно так же, как сигнал по оптическому кабелю от применяемых в волоконно-оптических системах лазеров. Излучение полупроводникового лазера поступает на передающий объектив, а на принимающей стороне нерассеянная часть энергии лазерного луча через объектив попадает на фотоприемник, где оптические импульсы преобразуются в электрический информационный сигнал. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя.

Рис.1. Система спутниковой связи

Аналогичным образом в дуплексном режиме одновременно и независимо идет встречный поток данных. Системы лазерной связи - двунаправленные, они способны одновременно как принимать, так и передавать сигнал. По существу, атмосферные оптические линии элементарны оптоволоконным: этот тезис только подтверждают пассивные атмосферные оптические линии, не содержащие во внешних антеннах никаких активных элементов. На вход такой атмосферной линии поступает оптический сигнал из специализированного световода. Принятый сигнал усиливается оптической системой и по специальному многомодовому оптоволокну с малой дисперсией поступает на вход конвертера. Отсутствие активных элементов позволяет не заботиться о подаче электропитания (проблемы с выпадением росы решаются с помощью специальных покрытий) и минимизировать стоимость выносного блока. Применение пассивной оптической антенны минимизирует ущерб от вандализма и обеспечивает повышенную защиту данных. Простейшая и наиболее часто встречающаяся архитектура, на базе которой создаются все прочие топологии, - "точка-точка".

1.2 Преимущества систем лазерной связи

Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (так как не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий - железных дорог, рек, гор и т. д.

Безопасность, для радиосистем, где перехват проблемы не составляет, единственная возможность защитить передаваемые данные - зашифровать их. У "оптики" даже сам перехват и выделение информации представляет собой очень сложную задачу. В самом деле, далеко не всегда можно внедрить в канал связи полупрозрачное зеркало незаметно от владельца. А ведь полученные сведения нужно еще и расшифровать.

Конечно, абсолютной защиты от несанкционированного доступа не существует в принципе - теоретически можно перехватить и "вскрыть" информацию, переданную любым из известных на сегодняшний день способом. Однако все упирается в целесообразность - расходы порой значительно превышают ожидаемые "дивиденды". Поэтому атмосферные оптические системы уже сейчас используют банки и Министерство обороны.

При монтаже, радиосистемы и АОЛС отличаются мало - и те, и другие могут быть установлены и запущены за считанные часы. Ни траншеи не надо рыть, ни столбы устанавливать; соответственно и расходы на монтаж несопоставимы с протяжкой оптоволокна или кабеля.

1.3 История создания и развития лазерной технологии

Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917г., когда Альберт Эйнштейн, впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А.Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой ) заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями. Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его "молекулярным генератором" (предполагалось использовать пучок молекул аммиака).

В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова).

Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин лазер в результате замены буквы "М" буквой " Ь ". В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А. М. Прохоров сказал: " Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Здесь были две трудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая - не были предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне.

Упомянутые А. М. Прохоровым шесть лет действительно были заполнены теми исследованиями, которые позволили, в конечном счете, перейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г . Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения.

В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г. Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина, Ю. М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали:

"Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн". Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера, В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого "оптического мазера" - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого, имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.

Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Так начинается новый, "лазерный" период оптики. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые.

1.4 Основные результаты

В данной главе были рассмотрены принципы построения систем лазерной связи, а так же некоторые преимущества, такие как экономичность, безопасность. Ещё была приведена подробная история зарождения лазерной системы, её развитие и проникновение на рынки массового обслуживания и новейшие передовые технологии.

 

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ СВЯЗЕЙ

В данной главе будет рассмотрена схема работы лазера, его применение в различных областях науки и техники, такие как космические системы связи, где уникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс, или привели к совершенно новым научным техническим решениям. Формирование и общее развитие радиооптики во многом определяется информационными задачами - задачами наблюдения и измерения, задачами передачи, приема и обработки больших массивов информации при обеспечении высокого быстродействия. Класс информационных радиооптических систем объединяет разнообразные и многочисленные лазерные системы, особенностью которых является использование оптического излучения в качестве носителя информации. При рассмотрении таких систем обычно можно выделить источник информации, передатчик информации, приемник и канал связи между передатчиком и приемником информации. Примерами подобных систем являются системы лазерной локации и навигации, системы оптической связи, лазерной дальнометрии, лазерного зондирования, лазерные измерительные системы и сенсорные системы, лазерные системы видения, системы лазерного наведения, прицеливания и управления оружием, системы лазерной и волоконно-оптической гироскопии, лазерной интерферометрии, лазерной спектроскопии, лазерной голографии и многие другие.

Общий принцип построения лазерных информационных систем и принцип радиооптической обработки информации условно можно представить в виде некоторой обобщенной модели. Исследование таких моделей позволяет выделить наиболее важные, характерные для радиооптики особенности преобразования процессов и анализа систем (рис.2)[2].

Рис.2. Обобщенная модель основных преобразований в лазерных информационных системах [2].

Основные операции и преобразования, показанные на этой модели, согласуются с типовыми моделями лазерных информационных систем. Помимо основных преобразований на обобщенной модели указаны и некоторые случайные факторы, характерные для радиооптики. Рассмотрение обобщенной модели лазерных информационных систем показывает, что построение и развитие статистической радиооптики должно проходить по двум основным направлениям - направлению вероятностного анализа и направлению статистического синтеза.

2.1 Принцип работы лазеров

Принципиальная схема лазера крайне проста: активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерацию лазерного излучения, необходимо "накачать" активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы). В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть "цепная реакция" размножения одинаковых фотонов, "летящих" абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии. Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.. Если число возбужденных атомов велико, и существует инверсная населенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет нарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения при одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо "снимать" инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный - усилитель света. Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды, же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга продольной оси среды, с инверсной населенностью обратная связь может, оказаться на столько эффективной, что излучение"вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используется в большинстве существующих лазеров.

2.2 Работа систем АЛС

Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых напротив друг друга в пределах прямой видимости - на крышах или стенах домов или на других высоких подставках. При установке станций для успешной работы необходимо учитывать следующие рекомендации:

на пути луча не должно быть препятствий, причем с учетом сезонных изменений (провисания проводов в теплое время года или при обледенении, появления на деревьях лиственного покрова, рост деревьев, снежные заносы зимой и т. д.);

не следует устанавливать блоки АЛС на лифтовых шахтах, около вытяжных вентиляторов, обслуживающих здания машин, колебания которых могут вызывать отклонение луча;

не следует монтировать блоки АЛС на консольных конструкциях, металлических надстройках и других сооружениях, которые могут изгибаться под действием тепловых и ветровых нагрузок;

не следует располагать блоки АЛС вблизи локальных источников тепла, находящихся в створе проложенной линии (вентиляционных выходов, систем кондиционирования воздуха, труб промышленных предприятий и т. п.);

при ориентации системы по направлению запад - восток необходимо учитывать возможные нарушения в работе АЛС в результате засветки приемника при восходе или заходе солнца;

следует избегать установки систем АЛС в непосредственной близости от мест скопления птиц, которые также могут создавать помехи для связи;

необходимо учитывать сильное влияние тумана на надежность АЛС и прокладывать линию на возможно большей высоте, где густота тумана меньше.

Построение всех станций АЛС практически одинаково: интерфейсный модуль, модулятор, лазер, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор и интерфейсный модуль приемника. Передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Затем сигнал преобразуется высокоэффективным инжекционным лазером в оптическое излучение ближнего ИК-диапазона (0,81-0,86 мкм), оптикой формируется в узкий пучок (2-4 мрад) и передается через атмосферу к приемнику. На противоположном пункте принимаемое оптическое излучение фокусируется приемным объективом на площадку высокочувствительного быстродействующего фотоприемника (лавинные или pin-фотодиоды), где детектируется. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя. Аналогичным образом в дуплексном режиме одновременно и независимо идет встречный поток данных. Кроме указанных основных узлов станция АЛС может быть снабжена монокуляром - целеуказателем и устройством автоматизированной юстировки. Наряду с этим могут быть предусмотрены системы термостабилизации, самодиагностики, индикации рабочих параметров и др. Нарушения в работе систем АЛС, как отмечалось выше, могут быть связаны с неблагоприятными погодными условиями (сильный туман или снегопад) и сильной турбулентностью атмосферы (замирания). Радует, что эти два фактора не совпадают по времени: замирания отсутствуют при тумане и снегопаде, однако характерны для ясной, cолнечной погоды. Поэтому, оценивая надежность связи, не нужно складывать ослабления сигнала из-за этих двух факторов. К атмосферным потерям следует добавить еще так называемые геометрические потери сигнала, зависящие от протяженности линии и угловой расходимости излучения. Например, при расходимости луча в 4 мрад, расстоянии 250 м и диаметре объектива приемника 10 см геометрические потери составляют 20 дБ, то есть улавливается всего 1% мощности лазера. С увеличением расстояния в два раза потеря мощности сигнала на фотоприемнике увеличивается в 4 раза. Если же начать уменьшать угловую расходимость, это может привести к росту потерь на турбулентность атмосферы.

2.3 Промышленные системы АЛС

Системы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору рынка. Внешний вид некоторых образцов выпускаемых в России терминалов АЛС представлен на первой обложке предыдущего номера настоящего журнала. Приведенные ниже параметры аппаратуры взяты из рекламных материалов фирм или получены непосредственно от изготовителей. Среди российских производителей аппаратуры для АЛС отметим прежде всего ФГУП НИИ "ПОЛЮС" (Москва), предлагающий свои лазерные передающие системы ЛПС-2 - ЛПС-100. Устройства предназначены для организации односторонней и дуплексной цифровой связи между объектами, находящимися на расстояниях от 0,2 до 3 км, со скоростью от 0,1 до 155 Мбит/с. В состав системы входят приемный и передающий модули, размещенные в герметичных кожухах с подогревом и имеющие окна для ввода и вывода излучения, а также разъемы электрического и волоконно-оптического кабелей. Диапазон рабочих температур от -50 до +50 oС, габариты приемопередатчика 179х172х351 мм, наработка на отказ не менее 10000 ч. В передающем модуле предусмотрена схема стабилизации и контроля работы лазера. Возможна установка дублирующего излучателя. ФГУП НИИ прецизионного приборостроения (Москва) совместно с АО "ТЕЛЕКОМ" создал серию аппаратуры атмосферных оптических линий связи типа АОЛТ, предназначенную для дуплексной передачи данных, голоса и видеосигнала в инфракрасном диапазоне. Ряд уникальных технических решений позволил получить значения допустимого ослабления мощности сигнала в атмосфере, приведенного к дистанции 1 км, в 54 дБ для АОЛТ 2-1М и 66 дБ для АОЛТ 1-1У. Наличие нескольких одновременно работающих и пространственно разнесенных передатчиков (до 8 штук) и много апертурная приемная антенна существенно повысили доступность канала связи и сделали его полностью устойчивым в условиях турбулентности атмосферы. В серии АОЛТ-У используется не имеющая аналогов система автоматического наведения. Оборудование выпускается с различными вариантами интерфейсов. Система телеметрии обеспечивает контроль всех необходимых параметров оборудования и линии в целом. Оборудование имеет сертификат соответствия Госкомсвязи России. Источник питания - 48В или другой по согласованию, рабочий диапазон температур от -40 до +50̊ С, габариты 410х410х580 мм, масса 21 кг, время наработки на отказ не менее 100000 ч., вероятность ошибки не более 10-9. Информационно-технологический центр (Новосибирск) предлагает разработанные беспроводные средства связи Орtolan - лазерные атмосферные линии (ЛАЛ) четырех модулей: ЛАЛ2+500, ЛАЛ2+1000, ЛАЛ2+2000 и ЛАЛ2+5000 (последнее число обозначает рабочую дальность в метрах). Последняя модификация может использоваться на расстояниях до 5 км в пределах прямой видимости. На расстояниях до 3 км дождь и снег не способны нарушить работу системы. Туман может ограничить дальность связи до 1,5 МДВ, однако установка системы на возвышенностях позволяет существенно снизить вероятность перерыва связи из-за туманов. Вероятность ошибок за счет турбулентности атмосферы представлена на рис. 4. Для защиты от помех и несанкционированного доступа передаваемая информация кодируется. Аппаратура имеет встроенную систему диагностики и контроля ошибок, обеспечивает автоматизированное наведение и мониторинг в реальном режиме времени. Встроенный контроллер обеспечивает отображение информации о работе системы и о состоянии оптического канала связи. Предусмотрен также обогрев (антиобледенитель) стекла. Наработка на отказ составляет 100 000 ч. Диапазон рабочих температур от -40 до +65 oС. Питание осуществляется от сети 220 В 50 Гц, габариты не более 285х245х405 мм. Государственный Рязанский приборный завод выпускает многоцелевую оптическую систему для телекоммуникаций МОСТ 100/500, имеющую скорость передачи от 2,048 до 100 Мбит/с. Максимально допустимая угловая нестабильность места установки должна быть не более 1 угловой минуты, а погрешность установки направления связи не более 30 угловых секунд. Рабочий интервал температур составляет от -40 до +40 С. Питание от сети 220 В 50 Гц. Научно-производственная компания "Катарсис" (Санкт-Петербург) поставляет беспроводные оптические каналы связи (БОКС) типа БОКС-10 МПД сетей Интернета со скоростью передачи 10 Мбит/с и 100 Мбит/с и для каналов Е1, Т1, ИКМ-30. Рабочая дистанция от 250 до 1000 м. Отличительной особенностью аппаратуры БОКС является использование в передатчике светодиодов на длину волны 850-890 мкм с выходной оптической мощностью 50-300 мВт и расходимостью луча 8 мрад. Питание приемопередатчика осуществляется от сети 220 В 50 Гц. Наработка на отказ не менее 100000 ч., рабочий диапазон температур от -40 до +50 oС, размеры модуля 505х142х250 мм, масса не более 8 кг. На российском рынке также имеется продукция зарубежной техники АЛС. Так, фирма Великобритании PAV DataSystemsLtd продает через фирму MicroMaxComputerIntelligence, Inc. (Москва) несколько систем АЛС серии SkyNET. Серия SkyNET-Ethernet работает с частотой 10 Мбит/сна расстояниях от 0,2 до 6 км, а SkyNETFastEthernet имеет скорость передачи данных 100 Мбит/с при дальностях от 0,25 до 4 км. Размеры приемопередатчика во всех сериях одинаковы и составляют 340х180х550 мм, масса 13 и 18 кг соответственно. В связи с молодостью лазерной связи еще не выработалась единая терминология. Отсюда разные названия одинаковых по назначению систем АЛС разных фирм: ЛПС, АОЛТ, ЛАЛ, МОСТ, БОКС и др. Госстандарту РФ следовало бы стандартизировать терминологию в данной области.

2.4 Применение лазеров

Появление лазеров сразу оказало и продолжает оказывать влияние на различные области науки и техники, где стало возможным применение лазеров для решения конкретных научных и технических задач. Проведенные исследования подтвердили возможность значительного улучшения многих оптических приборов и систем при использовании в качестве источника света лазеров и привели к созданию принципиально новых устройств (усилители яркости, квантовые гирометры, быстродействующие оптические схемы и др.). На глазах одного поколения произошло формирование новых научных и технических направлений - голографии, нелинейной и интегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики. Уникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс или привели к совершенно новым научным и техническим решениям. Высокая монохроматичность и когерентность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, инициировании химических реакций, в разделении изотопов, в системах измерения линейных и угловых скоростей, во всех приложениях, основанных на использовании интерференции, в системах связи и светолокации. Особо следует, очевидно, выделить применение лазеров в голографии. Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и размерная обработка различных деталей. Эти же свойства и направленность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной технике. Направленность лазерного излучения, его малая расходимость применяются при провешивании направлений (в строительстве, геодезии, картографии), для целенаведения и целеуказания, в локации, в том числе и для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, в космических системах связи.

2.5 Космические системы связи

В космосе широко используются системы связи самого различного назначения: для передачи информации, для передачи сигналов команд и управления космическим аппаратом, для проведения траекторных измерений. Без систем космической связи не может обойтись ни один космический аппарат. Более широко используется радиосвязь, но в ряде случаев применяется и оптическая связь.

Системы космической связи можно разделить по направлению связи на три вида:

) между земными пунктами связи и ИСЗ или другими КЛА;

) между двумя или, - несколькими земными пунктами связи через какие-либо аппараты или искусственные средства, расположенные в космосе;

) между КЛА.

Рис.3. Принцип действия спутниковой системы связи

В зависимости от назначения линии связи, типа и назначения КЛА скорости передачи информации и применяемые средства могут быть резко различны. Например, значительно различаются линии связи земной пункт - ИСЗ на низкой орбите и земной пункт - дальний межпланетный КЛА. Для связи с ИСЗ характерны: большая скорость изменения направления связи, весьма малое время взаимной видимости, относительно небольшие дальности и соответственно достаточно большие уровни сигналов; для связи с дальними КЛА - крайне малые уровни принимаемых сигналов, но значительно большее время взаимной видимости, поскольку изменение направления земной пункт -дальний КЛА определяется в основном скоростью суточного вращения Земли.

Основные особенности космических систем связи, отличающие их от наземных систем связи: непрерывное (часто весьма быстрое) изменение положения КЛА; необходимость знания текущих координат КЛА и наведения приемных и передающих антенн земного пункта связи на заданный КЛА; непрерывное изменение частоты принимаемых сигналов за счет Доплера эффекта; ограниченные и изменяющиеся во времени зоны взаимной видимости земного пункта и КЛА; ограниченная мощность бортовых передатчиков КЛА; большие дальности и вследствие этого работа с весьма малыми уровнями принимаемых сигналов. Все эти особенности вынуждают создавать спец. комплексы аппаратуры, включающие: наводящиеся антенны больших размеров; приемные устройства с малым уровнем шумов; высокоэффективные системы обнаружения, выделения и регистрации сигналов. Необходимость знания текущего положения КЛА требует периодического измерения его координат и вычисления параметров его траектории. Таким образом, система может существовать только при совместном действии измерительных средств (система траекторных измерений), вычислительного центра и комплекса управления КЛА. Для каналов в зависимости от их направления и назначения применяются различные диапазоны частот. Распределение частот и порядок их использования определяется регламентом радиосвязи.

Связь между земным пунктом и КЛА предназначается для обеспечения двухсторонней передачи всех видов необходимой информации. Линии Земля - борт КЛА (3 - Б) и борт КЛА - Земля (Б - 3) несут разную информационную нагрузку и имеют различный энергетический потенциал. Линия 3 - Б обеспечивает передачу на КЛА сигналов команд управления, сигналов траекторных измерений, при обитаемых КК - связь (телефон, телеграф, телевидение) с космонавтами. Линия Б - 3 осуществляет: контроль управления, траекторные измерения, передачу телеметрических измерений и целевой информации (например, метеорологической, научной, навигации или др., в зависимости от назначения КЛА), а также связь экипажа с Землей в обитаемых КК. Линия Б - 3, как правило, имеет значительно более низкий энергетический потенциал, т. к. мощность передатчика КЛА ниже мощности передатчика земной станции в линии 3 - Б (обычные мощности на КЛА единицы - десятки вт, на земной станции единицы - десятки кет). Однако основной поток информации идет именно но линии Б - 3. Это вынуждает применять на земных пунктах для приема информации с КЛА антенны с весьма большой эффективной площадью (десятки м), а в случае приема информации с межпланетных КЛА, поскольку мощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния, необходимы эффективные площади в сотни и тысячи м2. Эффективные площади 2-5 тыс. м2 достигаются только В уникальных дорогостоящих антенных системах. При этом может быть обеспечена телефонная связь на расстояния до Венеры и Марса.

Связь через ИСЗ обычно на большие расстояния обеспечивается по радиорелейным линиям прямой видимости, состоящим из двух оконечных и ряда промежуточных пунктов - ретрансляторов. Расстояние между промежуточными пунктами определяется пределами прямой видимости. На Земле это обычно не более 50-70 км. При установке одного промежуточного ретранслятора на борту ИСЗ с высокой орбитой обеспечивается связь между двумя пунктами, удаленными на тысячи км. Связные ИСЗ могут применяться как в отдельных линиях связи, так и в сетях радиорелейных линий для передачи телевизионных программ, многоканальной телефонии и телеграфии и др. видов информации. Для связи могут использоваться ИСЗ, обращающиеся по различным орбитам и на разных высотах. Основные варианты орбит для связных ИСЗ: круговая стационарная, сильно вытянутая эллиптическая синхронная средневысокая круговая, низкая круговая.

ИСЗ на стационарной орбите постоянно находится над выбранной точкой экватора и обеспечивает круглосуточную связь между земными станциями на широтах меньше 75° в радиусе до 8000 км от точки, над которой расположен спутник. Три таких ИСЗ, находящихся на равном удалении вдоль экватора, осуществляют связь любых земных станций в пределах указа широт. Весьма удобны сильно вытянутые эллиптические синхронные орбиты с апогеем над центром обслуживаемой линии связи и с периодом обращения в половину или целые сутки. При надлежащем выборе угла наклонения и места расположения апогея орбиты спутник будет большую часть времени суток находиться в пределах видимости из заданного района. Для районов, расположенных на широтах выше 70° - 75°, этот вариант орбит оказывается наиболее выгодным.

Для работы с ИСЗ на стационарной или эллиптической синхронной орбите приходится использовать на земных пунктах связи антенны большого размера, т. к. расстояние ИСЗ - земной пункт превышает 30 000 км и мощность принимаемых сигналов мала. ИСЗ на средне-высоких и низких круговых орбитах обеспечивают значительно большие мощности принимаемых сигналов.

Однако уменьшение высоты полета сокращает время взаимной видимости спутника и земного пункта связи, уменьшает возможные расстояния и приводит в конечном счете к значит, увеличению количества спутников, требуемых для непрерывной связи. Кроме того, усложняется система слежения и наведения антенн земных станций. При малой высоте полета непосредственная связь между удаленными пунктами невозможна и приходится применять систему радиолиний с задержанной ретрансляцией.

Однако уровни принимаемых сигналов достаточно велики и не нужны большие и дорогостоящие антенные системы, благодаря чему связь с низкими ИСЗ может проводиться даже небольшими подвижными пунктами. ИСЗ связи для ретрансляции сигналов может быть оснащен ретранслятором активным, обеспечивающим усиление ретранслируемых сигналов, или ретранслятором пассивным, т. е. отражателем. Пассивный ретранслятор может обслуживать радиосеть, состоящую из большого числа линий с различными частотами радиосигналов, т. к. отражатель отражает или рассеивает энергию многих одновременно приходящих радиосигналов, без взаимных помех. Активный ретранслятор может обслуживать сеть связи только с ограниченным числом линий, причем для устранения взаимных помех необходимо применять частотное, временное или кодовое разделение линий, поддерживать необходимый уровень сигналов и не допускать перегрузок ретранслятора. Кроме ИСЗ с пассивным ретранслятором в виде отражателя, были предложены и испытаны линии связи с рассеянными отражателями в виде пояса иголок и ионизированных частиц облака.

При работе с пассивными ретрансляторами для обеспечения необходимого уровня принимаемого сигнала приходится резко увеличивать мощность передатчиков земных станций или сужать полосу пропускания частот линий и понижать скорость передачи сообщений. Для экономичности связи применяют многоканальные линии радиосвязи и повышают скорость передачи сообщений, что приводит к необходимости увеличения полосы пропускания частот линией. Широкая полоса требуется также для ретрансляции телевидения. С расширением полосы пропускания растет опасность искажения сообщений помехами радиоприему, поскольку принимаемые радиосигналы слабы. Поэтому прием сообщений с допустимыми искажениями - важнейшая задача, решаемая увеличением мощности радиосигналов, выбором частот связи, уменьшением уровня шумов радиоприемников, применением эффективного кодирования, выбором типа модуляции, способа приема и обработки радиосигналов при малом отношении сигнал/помеха и др. Напр., частоты радиосигналов выбирают в пределах от 1 до 10 Ггц, т. к. на меньших частотах резко растут помехи от шумов космоса, а на больших - от шумов атмосферы; в первых каскадах усилителей радиоприемников земных станций используют малошумящие квантовые усилители и параметрические усилители, охлаждаемые жидким гелием.

Мощность радиосигналов на входе радиоприемника земной станции повышается с увеличением размеров ее антенны, мощности передатчика и размеров антенны активного ретранслятора, В линии связи с пассивным ретранслятором для этой цели увеличивают мощность передатчика и размеры антенны земной станции, размеры отражателя ретранслятора или переходят к ретрансляторам с направленным рассеянием энергии на земную станцию. Перечисленные меры имеют свои пределы, т. к. увеличивают стоимость оборудования линии связи и ее эксплуатации.

Связь между КЛА может осуществляться для обмена информацией между экипажами двух или нескольких КК, одновременно находящихся в космосе. Сюда же относится и связь между экипажами КК и космонавтами, находящимися в свободном космосе. Кроме того, может осуществляться связь между двумя автоматическими КЛА с целью ретрансляции сигналов, измерения положения, навигации, управления движением и сближения.

Особенности связи между КЛА следующие. Как правило, связь обеспечивается между взаимодействующими КЛА, т. е. на сравнительно небольших расстояниях. Из-за трудности взаимной ориентации антенн КЛА предпочтительна ненаправленная связь. Нет воздействия атмосферы, а при высоких орбитах - и ионосферы, что обеспечивает более свободный выбор диапазона частот. При выборе диапазона частот и организации связи между ИСЗ необходимо учитывать возможность помех от мощных наземных станций.

Системы могут усложниться в дальнейшем при высадке космической экспедиции на Луну или др. небесные тела, так как потребуется поддерживать связь с КК, остающимся на планетоцентрической орбите, и с Землей. В недалеком будущем будут созданы системы передачи телевизионных программ через спец. ИСЗ непосредственно на бытовые телевизионные приемники; при этом открываются возможности полной телефикации и обеспечения передачи центральных программ в любое место. С изобретением квантовых оптических генераторов когерентных колебаний (лазеров) становится перспективной оптическая связь, т. к. на оптических волнах можно передать на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) одновременно тысячи, десятки тысяч сообщений узким лучом (с расхождением не более единиц секунд) при относительно малых размерах излучателей и потребляемой мощности. Но узконаправленное излучение и прием оптических воли требует тщательной стабилизации устройств, ориентации оптических систем на КЛЛ, сложного вхождения в связь и поддержания ее. Наиболее выгодны оптические линии связи между КЛА, находящимися за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптических волн.

Сегодня самый удаленный космический объект, с которым поддерживается радиоконтакт, - это американская автоматическая межпланетная станция "Вояджер-1", запущенная 5 сентября 1977 года. В августе прошлого года она преодолела рубеж 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров) и вплотную подошла к границе Солнечной системы. Радиосигнал с такого расстояния идет около 14 часов. Информация с "Вояджера" на Землю передает жестко скрепленная с корпусом параболическая антенна диаметром 3,65 метра, которая должна быть сориентирована точно на родную планету. Через нее на частотах 2295 МГц и 8418 МГц шлют сигналы два радиопередатчика мощностью по 23 Ватта. Для надежности каждый из них дублирован. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с - это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема. Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи КА8А, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. По мере удаления станции ее сигнал слабеет, но еще важнее то, что постепенно снижается мощность радиоизотопных генераторов, которые питают передатчики. Ожидается, что станция сможет передавать научные данные еще по крайней мере 10 лет, после чего связь с ней прекратится.

Уже из этого описания видно, что космическая радиосвязь зависит от множества различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров бортовой и наземной антенн, длины волны, качества приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения космического аппарата. Принцип действия радиосвязи состоит в том, что колебания тока и антенне передатчика создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые, двигаясь со скоростью света, достигают антенны приемника и возбуждают в ней переменный электрический ток. Этот наведенный ток очень слаб, но если настроить приемник томно в резонанс с частотой радиоволны, то даже слабое ее воздействие может раскачать в антенне вполне заметные колебания. Затем их усиливают, анализируют и извлекают переданную информацию. Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров. За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10-30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне. Приемник не улавливает радиоволны, если они слабее его порога чувствительности.

Между тем энергия электромагнитных волн падает как квадрат пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, переданный с Луны, а с Плутона - еще в тысячу раз слабее. У инженеров есть несколько способов удержать радиосигнал выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный - увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать - антенны системы дальней космической связи NASA излучают в космос до полмегаватта энергии. А вот на космическом аппарате бюджет энергии жестко ограничен. Не вырабатывают либо солнечные батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения большей мощности надо увеличивать их массу.

При этом растут также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена возможностями ракеты носителя, а увеличить же массу отдельной системы за счёт других чаще всего невозможно. Космические аппараты - это очень гармоничные технические комплексы, где все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно изменить одну систему, не повлияв на параметры других. Сегодня для спутников существует эмпирическая формула: "1 кг, 1 Вт, 1литр", которая означает, что объём спутника массой в 1 тонну составит около 1кубометра, а его система энергопитания способна достичь мощности 1 киловатт.

Если увеличить размер приемной антенны, то можно собрать больше энергии электромагнитной волны и поймать сигнал более слабого передатчика. В космосе размеры антенн обычно не превышают габаритов обтекателя ракеты-носителя, то есть несколько метров. Хотя в последнее время инженеры научились обходить это ограничение антенны. Все чаще делают разворачиваемыми. На Земле для дальней космической связи используются параболические антенны диаметром до 70 метров. Это уже близко к пределу - современные конструкционные материалы не позволяют создавать на поверхности Земли намного более крупные подвижные антенны, поскольку они деформируются под собственной тяжестью.

2.6 Применение лазеров в космических системах связи

С совершенствованием квантовых оптических генераторов (лазеров) становится перспективной оптическая связь, т. к. на оптических волнах можно передать сообщения на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) благодаря очень высокой направленности луча (расхождение луча не более долей сек) при относительно малых размерах излучателей и прием потребляемой мощности. Но узконаправленное излучение и приём оптических волн требуют тщательной стабилизации устройств, ориентации оптических систем, сложного вхождения в связь и поддержания её. Наиболее выгодны оптические линии связи, находящиеся за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптических волн. Применение для связи с космическим аппаратом лазеров обеспечит высокую направленность излучения при приемлемых габаритах оптических устройств (антенн). Кроме того, использование лазера позволит применить когерентный прием оптических сигналов.

С точки зрения уменьшения веса оптических систем целесообразного дифракцией раскрывание антенны равно:

 (1)

где λ - длина волны;

 - угловая ширина луча лазера.

Рис.4. Скорость передачи информации переносимой электромагнитной волной [7].

Однако наибольшая скорость передачи информации электромагнитной волной при некоторой полосе пропускания системы после детектора, при наличии некоррелированного (белого) аддитивного шума и при неограниченной средней мощности принимаемого сигнала  очень быстро уменьшается , если несущая частота v начинает превышать величину  , где  - постоянная Планка (рис.4)[7]. Поэтому частоту линии связи v= с/h, где с - скорость света, нельзя выбирать бесконечно большой без ухудшения характеристик системы.

Упомянутые выше средняя мощность принимаемого сигнала  и аддитивный шум рассматриваются на входе детектора. Чтобы получить на входе детектора сигнал мощностью  необходима средняя выходная мощность передатчика, равная

(2)

Где, -коэффициент пропускания оптической системы приемника;

-коэффициент пропускания оптической системы передатчика;

 - коэффициент пропускания атмосферы;

- угловая ширина луча оптической передающей антенны; К - дальность передачи;- дальность передачи;

 - диаметр раскрывания приемной антенны.

Рис.5. Зависимость коэффициента пропускания стандартной атмосферы от длины волны излучения [7].

Коэффициенты пропускания оптических систем приемника и передатчика можно считать постоянными; зависимость коэффициента пропускания для стандартной атмосферы от длины волны излучения известна и для удобства снова представлена на рис. 5[7].

Средняя мощность принимаемого сигнала  для данной постоянной скорости передачи информации I зависит от несущей частоты. Выбор частоты будет основываться на предположении, что схема модуляции может быть выбрана таким образом, чтобы использовалась некоторая определенная часть а информационной емкости канала (например, а=0,1). Зависимость способности различных приемников оптического диапазона извлекать информацию из снимаемого сигнала от длины волны при средней мощности принимаемого сигнала Вт, полосе пропускания приемника 109Гц и абсолютной температуре 290°К. Информационная емкость канала равна произведению способности детектора извлекать информацию у(Х) из информационной емкости  электромагнитной волны. С ростом длины волны, характеристики системы связи улучшаются, однако при этом увеличивается вес и возрастает сложность аппаратуры.

Для линий связи "земля-космос" необходим тщательный учет коэффициента пропускания атмосферы. Малая величина этого коэффициента определяет большое значение необходимой мощности излучения передатчика.

Однако увеличение мощности принимаемого сигнала с возрастанием частоты происходит значительно быстрее, чем уменьшение информационной емкости электромагнитной волны, связанное с ростом способности детектора извлекать информацию у (А).

Расчеты показывают, что квантовая эффективность идеального детектора равна единице (η = 1). Квантовая эффективность реальных детекторов, имеющих максимальную чувствительность на длинах волн больше 1 мк, близка к единице, но их недостатком является ограниченная полоса пропускания. Детекторы с приемлемой шириной полосы пропускания имеют более низкую квантовую эффективность, чем указывалось выше.

Более детальный анализ системы связи должен включать учет этого функционального соотношения, т. е. при выборе рабочей частоты необходимо учитывать и взаимозависимость полосы пропускания и квантовой эффективности. Наконец, при выборе частоты следует учитывать выходную мощность лазера. Последняя величина с учетом коэффициента полезного действия при оценке системы связи может быть переведена в эквивалентный вес источников питания и системы охлаждения.

Таким образом, при выборе рабочей частоты системы связи "земля -космос" необходимо учитывать следующие обстоятельства:

• При использовании когерентного режима необходимо работать на более длинных волнах. Для линий связи "земля - космос" этот вывод, однако, является не вполне обоснованным, поскольку турбулентность атмосферы нарушает стабильность фазового фронта.

• Существующие лазеры работают в основном на волнах короче 10 мк.

• Ограниченность полосы пропускания детекторов на более длинных волнах приводит к необходимости работать на частотах, близких к максимуму характеристики спектральной чувствительности фотоумножителя.

• С целью уменьшения размеров и веса антенны целесообразно работать на более высоких частотах, однако нецелесообразно увеличивать несущую частоту беспредельно, поскольку при очень узких лучах затрудняется их наведение на приемник и точное слежение за движущимся объектом. Кроме того, за счет флуктуации в атмосфере луч искривляется, что при очень малой ширине луча не позволит осуществить устойчивую связь.

• Свойства атмосферы благоприятствуют применению некогерентного излучения, поскольку при этом можно использовать антенны большего размера. Применение гетеродинного режима позволяет сузить полосу пропускания по промежуточной частоте, что важно с точки зрения фильтрации фона в дневное время и для режима работы, в котором ограничивающим фактором является фоновое излучение Марса.

Суммируя вышеизложенное, можно сказать, что с теоретической точки зрения предпочтительнее работать в нижней части оптического спектра частот с применением в приемном устройстве гетеродинного метода детектирования. Для эффективного использования потенциальных возможностей когерентных лазерных систем необходимо дальнейшее развитие как лазерной техники, так и техники детектирования оптических сигналов, применяемой в сочетании с когерентными устройствами. В области максимума квантовой эффективности фотокатода характеристики детектора практически постоянны, так что необходимо использовать лазер с рабочей частотой, по возможности наиболее близкой к указанной области. Следует отметить, что при установке приемного устройства на искусственном спутнике более выгодным может оказаться когерентное излучение в инфракрасном диапазоне.

2.7 Влияние атмосферы

Для успешного применения АЛС и передачи информации лазерным лучом необходимо учитывать зависимость пропускания оптического излучения от состояния воздушной среды. Поэтому были проведены комплексные исследования распространения лазерного излучения в атмосфере. Изложим лишь общие сведения, имеющие прямое отношение к эксплуатации линий АЛС, которые помогут пользователям оценить возможности этих линий в конкретных погодных условиях. Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Кратко остановимся на каждом из этих явлений. Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов определяется, прежде всего, молекулярным поглощением, крайне неравномерным по частоте. Оно максимально на резонансных частотах молекул воздуха, воды, углекислого газа, озона и других компонент атмосферы. На рисунке 1 приведен спектр поглощения солнечного излучения с малым спектральным разрешением. Каждая из изображенных здесь полос, как правило, является результатом наложения и перекрытия нескольких полос как одного и того же газа, так и различных газов. В других атмосферных условиях и других регионах подобные графики будут различаться из-за различного содержания водяных паров и других компонент воздуха. Имеются участки спектра, где поглощение незначительно. Они называются окнами прозрачности. Однако при большем разрешении и в окнах прозрачности существуют целые совокупности различных полос поглощения[1].

Рис. 6. Зависимость поглощения Т в атмосфере от длины волны солнечного излучения [1].

Вертикальные черточки - положения центров основных полос атмосферных газов. На рисунке 7 [1] в качестве примера приведен спектр атмосферы вблизи длины волны излучения рубинового лазера 0,69 мкм. Имеются количественные измерения коэффициента поглощения практически для любых участков спектра. Если длина волны лазера известна, то поглощение его излучения может быть заранее определено для любых реальных условий в атмосфере [1].

Рис. 7. Спектр поглощения атмосферы вблизи равен 0,69 мкм [1]

Если лазерное излучение попадает в центр сильной линии спектра, то оно поглощается атмосферой на 100% даже на небольшом расстоянии. Поэтому для АЛС следует брать лазеры с излучением, находящимся на участках спектра атмосферы, занятых широкими окнами прозрачности или в промежутках между слабыми линиями поглощения, в микроокнах прозрачности. При этом частота излучения должна быть стабилизирована с достаточно высокой точностью, особенно если она находится на близком расстоянии от линии поглощения газов. Помимо молекулярного поглощения распространению луча мешает молекулярное рассеяние лучистой энергии микросгустками молекул воздуха, обладающих различной плотностью и разными показателями преломления. Эти неоднородности в газовой среде весьма нестабильны и зависят от местных температурных условий, времени года и суток, а также от содержания примесей в каждой конкретной микрозоне атмосферы. Молекулярное рассеяние достаточно хорошо изучено. Составлены обширные таблицы коэффициентов рассеяния в видимой и инфракрасной областях спектра, обеспечивающие достаточно точный количественный расчет потерь энергии излучения на заданном расстоянии. Этот тип рассеяния не оказывает существенного вреда АЛС в отличие от аэрозольного рассеяния, которое будет рассмотрено ниже. Атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морозь и осадки - дождь или снег. В облаках и туманах наиболее вероятное значение радиуса частиц составляет 5-6 мкм, а в дымках на 1-2 порядка меньше. Поэтому ослабление микронного излучения в дымках ниже.

На рисунке 8 приведены кривые ослабления лазерного сигнала в различных аэрозолях по данным Информационно-технологического центра Новосибирска [1].

Рис. 8. Зависимость ослабления света в аэрозолях от расстояния при различных метеофакторах [1].

1 - снег средней плотности (МДВ = 1 км), 2 - сильный дождь (40 мм/час), 3 - снег небольшой плотности (МДВ = 1,5 км), 5 - дымка (МДВ = 2 км), 6 - граничный уровень, 60 дБ

На рис. 8 видно, что главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности. Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветре. Например, на рис. 9 показаны две крайние зависимости вероятности ошибок BER для системы АЛС Информационно-технологического центра (Новосибирск) от дальности связи при ясной погоде - одна в условиях сильной турбулентности атмосферы, другая в слабой. Обычные значения BER лежат между этими кривыми [1].

Рис. 9. Зависимость вероятности ошибок BER от расстояния при слабых замираниях в атмосфере [1]

На рис.9 [1] (кривая 1) и сильных замираниях (кривая 2) для АЛС ЛАЛ2+. Дождь, туман, снег, дымка отсутствуют.

Самым простым способом борьбы с замираниями является увеличение размера приемной оптической антенны или использование нескольких приемных антенн (до 8). При этом происходит усреднение флуктуаций излучения, принимаемого отдельными элементами, и выравнивание сигнала. При практическом использовании лазеров в системах атмосферной связи необходимо учитывать совокупное влияние взаимодействия излучения с атмосферой - одновременно поглощающей, рассеивающей и случайно неоднородной средой. Это влияние может изменяться в чрезвычайно широком диапазоне. Поэтому для обеспечения работоспособности АЛС на заданной дистанции с определенным уровнем надежности (или доступности канала) необходимо иметь достаточный динамический запас энергетического потенциала.

Распространение лазерного излучения в открытых ненаправленных каналах сопровождается более сложными эффектами. Средой распространения здесь может быть свободное космическое пространство (космические каналы), атмосфера (атмосферные каналы), водная среда (подводные каналы). Открытые оптические каналы связи используются при построении систем лазерной локации и навигации, лазерных систем дистанционного зондирования, систем лазерного наведения, прицеливания и целеуказания, систем мобильной лазерной связи.

Для оптического диапазона атмосферные каналы передачи представляют собой каналы распространения со случайно-неоднородными средами. Условия распространения лазерного излучения в таких каналах оказывают существенное влияние на дальность действия систем, эффективность передачи, приема и обработки информации.

Исследование открытых оптических каналов наиболее просто выполняется для лазерных систем, работающих в условиях свободного космического пространства. Энергетические потери в таких системах в основном связаны с расходимостью лазерного пучка и естественными потерями при распространении оптического излучения на расстояние .

При распространении лазерного излучения в условиях турбулентной атмосферы, помимо энергетических потерь, происходит случайное перераспределение энергии и проявляются дополнительные эффекты амплитудных и фазовых флюктуаций. Такие флюктуации порождаются случайными пространственно-временными изменениями показателя преломления среды вдоль всего пути распространения лазерного пучка.

Наиболее сложное и многофакторное воздействие атмосферы на распространение лазерных излучений наблюдается в открытых каналах при появлении в атмосфере частиц аэрозоля (облака, туманы, дымки, различные осадки, пыль, загрязнения). Среда распространения становится при этом рассеивающей и анализ оптических каналов существенно усложняется. Типичные примеры лазерных информационных систем, использующих открытые каналы с рассеянием, показаны на рис.10.

Рис.10. Примеры открытых каналов передачи информации с рассеянием.

При распространении лазерного пучка в атмосфере с рассеянием на характеристики оптического поля влияют эффекты расходимости пучка, эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, эффекты фазовых флюктуаций и амплитудных замираний, эффекты молекулярного и аэрозольного рассеяния. В лазерных информационных системах при решении задач передачи, приема и обработки информации особую роль играет явление аэрозольного рассеяния. Именно этим явлением в значительной степени ограничиваются предельные возможности открытых оптических каналов и именно эффектами аэрозольного рассеяния в наибольшей степени определяется влияние атмосферы на энергетические потери в лазерных информационных системах.

2.8 Основные результаты

В данной главе были рассмотрены принципы построения лазерных космических сетей связи, а так же сильное влияние атмосферы на излучение. Проеденное исследование показывает, что при тумане, дымке и осадкам - дожде и снеге происходит аэрозольное ослабление лазерного излучения. Так же турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка.

ГЛАВА 3. FSO-СИСТЕМЫ

В третьей главе будут рассмотрены структура вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи, система передачи информации и анализ возникающих проблем при использовании таких систем.

.1 Структура локальной вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи

Общая структура сети с применением FSO основывается на функциях FSO-устройств. Она включает такие элементы:

а) две подсети, которые необходимо соединить в единую сеть беспроводным двунаправленным каналом передачи данных;

б) внешний интерфейс, соединяющий систему беспроводной передачи данных с соответствующе подсетью;

в) интерфейсный модуль (ИМ), согласовывающий интерфейс соединяемых сетей с внутренним интерфейсом передачи данных системы. В ИМ может находиться шифратор-дешифратор в случае применения криптографической защиты;

г) приемо-передающего модуля FSO системы.

Рисунок 11. Структура сети с применением FSO

Рисунок 12. Структура сети с использованием технологии резервирования

Общая структура сети с применением FSO приведена на рисунке 12.

Система с использование резервирующего канала является экономически невыгодной для применения на массовом рынке конечных клиентов, так как модуль обработки информации не только усложняется за счет появления канального мультиплексора, но и исключает возможные упрощения в модуле за счет оптимизации его структуры, например, упразднением функции преобразования внешнего сетевого интерфейса во внутренний интерфейс передачи данных, невозможного с появлением второго внешнего интерфейса (радио-интерфейса), что видно на рисунке 18

Применение FSO систем несколько специфично, так как необходима прямая видимость между двумя приемо-передающими установками. И потому часто требуется "выносить" приемо-передатчики на противоположную внешнюю стену здания, или же на его крышу. Что позволяет часть оборудования в случае надобности располагать внутри в доступном или же наоборот защищенном от внешних воздействий месте, например, интерфейсный модуль (модуль обработки информации). Что в свою очередь повышает надежность функционирования, стойкость к физическому повреждению дорогостоящего оборудования, попыткам взломать шифрующий модуль и тем или иным способом получить доступ к передающейся информации.системы обладают повышенной секретностью передачи данных, так как канал передачи визуально просматривается, луч передатчика относительно легко сфокусировать исключительно на приемнике. При попытке физического перехвата возникающие сбои в передаче, позволят автоматически зафиксировать данный факт средствами видеонаблюдения с целью анализа и устранения возможности повторных попыток взлома. Широкий канал позволяет производить помехозащищенное кодирование с большим коэффициентом избыточности. Низкая охваченность рынка дешевых систем конечных клиентов позволяет поставить целью исследовать возможные варианты разработки и внедрения системы АОЛС, способной максимально удовлетворить потребность данного сектора рынка.

Требования к данной системе весьма широки, многие отталкиваются от низкой цены конечного изделия. Их можно приблизительно формализовать таким образом:

а) низкая стоимость порядка пятисот долларов;

б) отсутствие сложной системы позиционирования;

в) моноблочность конструкции;

г) наличие моделей без использования алгоритмов шифрования, а так же удешевленных моделей и без криптозащиты и без использования помехозащищенного кодирования;

д) аппаратная реализация обработки передающихся данных (помехозащищенного кодирования и шифрования);

е) нацеленность каждой модели аппаратуры только на одни из широко распространенных сетевых интерфейсов (например Fast Ethernet).

Предлагаемая к разработке система при условии соблюдения большинства выдвинутых требований имеет существенные преимущества, дающие возможность максимально охватить массовый рынок:

а) простота установки,

б) легкость обслуживания и использования;

в) дешевизна, и единоразовый характер затрат на инсталляцию канала;

г) прозрачность для программных средств, обеспечивающаяся аппаратной реализацией шифрования и кодирования;

д) платформенная независимость.

.2 Структура системы передачи данных с открытым атмосферным каналом

Терминальное устройство может быть единым физическим устройством, так и представлять из себя отдельные модули, соединяющиеся интерфейсами передачи данных. При этом необходимость инсталляции двух и более частей одной системы усложняют и удорожают ее установку, затрудняют первичную настройку. Общая схема FSO терминального устройства, допускающую наличие резервного канала, представлена на рисунке 19.

Рисунок 13. Общая схема FSO терминального устройства.

Структурно терминальное устройство может быть поделено на следующие модули, часть из которых может выноситься в отдельный физический модуль, так и физически совмещаться с другими структурными модулями, например, в пределах одной микросхемы:

а) интерфейсный модуль преобразует модулированный сигнал сетевого интерфейса в цифровой сигнал внутреннего интерфейса;

б) устройство управления, доступное для конфигурирования и контроля через сетевой интерфейс, и опционально - для контроля по внешним датчикам устройства;

в) модуль обработки производит все необходимые преобразования цифровых данных как перед модулированием и посылкой их в эфир, так и после демодулирования и посылкой в сетевой интерфейс;

г) модулятор и демодулятор;

д) приемник и передатчик;

е) возможно резервное устройство связи стороннего разработчика, тогда модуль обработки должен обеспечивать совместимость с ним, и переключать поток данных на него по сигналу управляющего модуля.

Данная структура является достаточно универсальной, что позволяет ее детализировать относительно предлагаемого к разработке FSO устройства для анализа вариантов решения тех или иных задач и разрешения проблем при передаче данных.

Функционально терминальное устройство состоит из модуля подключения к внешнему сетевому интерфейсу, опционального модуля подключения к резервному сетевому интерфейсу (радио-каналу), внешнего опционального модуля контроля состояния, модуля оптического приемо-передатчика, и модуля, координирующего работу четырех вышеперечисленных модулей и осуществляющего обработку информации при обмене данными между данными модулями.

3.3 Анализ возникающих проблем при использовании систем с открытым атмосферным каналом передачи данных для удаленного доступа

Устройства передачи данных могут быть охарактеризованы качественно и количественно по следующим критериям:

а) надежность передачи данных;

б) сокрытие данных от несанкционированного доступа к ним;

в) стойкость к внешним воздействиям (параметрам окружающей среды, физическому воздействию, попыткам прервать или перехватить передачу);

г) предсказуемость поведения в случае невозможности обеспечить на надлежащем уровне одно из вышеперечисленных требований.

Для обеспечения высокой надежности канала и стойкости к неблагоприятным условиям окружающей среды в современных системах применяется резервный канал (например, радиоканал), но его использование существенно увеличивает цену, и часто в такой избыточной надежности нет необходимости. В данном случае при разработке простой и массовой системы, можно отказаться от такого способа повышения надежности в пользу уменьшения цены системы.

Рисунок 14. Пример детализированной структуры терминального устройства

С другой стороны, для обеспечения большей надежности передачи FSO терминальное устройство может осуществлять помехоустойчивое кодирование с большим коэффициентом избыточности, что позволяет высокая предельная скорость передачи данных и, следовательно, большой запас пропускной способности. Данная функция приветствуется, хотя тоже необязательна, поскольку вполне можно полагаться на программные протоколы связи, однако это исключает аппаратное детектирование множественных ошибок связи, при этом кодер и декодер вырождаются в формирователь и усилитель импульсов.

При отсутствии жестких требований к защите отказ от использования криптозащиты данных сильно удешевит систему, при отсутствии высоких скоростей передачи возможно использование программное шифрование на уровне приложений.

Процессы криптографического преобразования и помехоустойчивого кодирования должны идти параллельно, поэтому возможна реализация соответствующих модулей в виде двух независимых устройств, или же наоборот, совмещение в одном.системы очень востребованы для оперативной организации удаленного доступа, решения задач "последней мили" в местах, где прокладка кабеля затруднительна, или дорога. К этим устройствам представляются гораздо менее жесткие требования касательно надежности связи, излишняя функциональность нежелательна по причине более низкой платежеспособности заказчика такого оборудования. Сложность продвижения в данной нише рынка обязывает производить максимально конкурентоспособный товар, легкий в установке, настройке и эксплуатации, не обремененный излишними, удорожающими продукт, функциями, совместимый с самым распространенным сетевым интерфейсом.

Если на корпоративном рынке и рынке операторов связи сам покупатель может инициировать создание и финансировать разработку нужного ему оборудования беспроводной передачи данных. То на рынке решений удаленного доступа наблюдается совершенно иная картина. Продукт должен обладать доступной ценой и иметь функциональность, способную удовлетворить основную массу покупателей. При этом FSO-система имеет шансы быть внедренной только тогда, когда она будет применяться не только в тех случаях, когда другие проводные или беспроводные системы неприменимы или малоэффективны, но и существенно облегчать задачу прокладки сети в случаях, когда у заказчика остается альтернатива использования классической прокладки кабеля.

При проектировании таких систем этапы предварительной оценки и исследования должны быть весьма разноплановыми, чтобы найти все приемлемые пути решения данной задачи, и выделить среди них наиболее эффективные.

Известно, что любые дополнительные соединения с другими сегментами порождают новые проблемы, в том числе и относящиеся к безопасности системы в целом. И даже если внутри двух соединяемых подсетей, используются методы ограничения физического и компьютерного доступа к каналам информации, все усилия могут быть напрасными, если не делать этого на беспроводном участке сети, служащим "мостом" между подсетями.

В целом средства обеспечения защиты информации в зависимости от способа реализации можно разделить на группы:

а) технические стредства;

б) программные средства;

в) организационные средства.

К организационным средствам можно отнести рекомендации по расположению оптических каналов передачи данных. Технические и программные средства должны обеспечить невозможность воспользоваться данными, даже если произошел физических перехват, или подмена данных в канале. Шифрование данных представляет собой совокупность программно-аппаратных средств защиты информации и имеет особое значение на практике как единственная надежная защита информации.

Существует большое количество симметричных и ассиметричных шифрующих алгоритмов. Их выбор зависит от требуемой стойкости алгоритма и доступной аппаратной базы, ориентация на последний фактор может значительно повысить максимальную скорость шифрования.

При реализации криптографического модуля на базе микропроцессора или микроконтроллера целесообразно применение программных шифров., т.е. таких систем шифрования, которые использую операции над компьютерными словами и учитывают специфику обработки данных в процессорной системе криптомодуля.

Существуют такие разновидности шифров, как блочные, поточные и комбинированные. Аддитивные поточные шифры являются малопригодными для данной решаемой задачи, так как такая криптосистема может быть использована только при дополнении ее специальной подсистемой генерации уникальных ключей шифрования для каждого отдельного блока данных по причине недопустимости повторного использования одинаковых участков ключевого потока.

В данной системе с целью оптимизации затрат на аппаратуру, и получение более высоких скоростей шифрования целесообразно использование так называемы скоростных шифров.

Наиболее подходящими для применения в компьютерных системах являются блочные шифры. На процесс синтеза алгоритмов блочного шифрования существенное влияние оказывают параметры скорости работы алгоритма и сложности реализации алгоритма. Решение проблемы выбора алгоритма должно стать результатом долгих и кропотливых исследований как стойкости, так и сложности реализации различных криптографических систем.

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОАНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ СИСТЕМЫ

По своему содержанию данная глава отражает общие результаты исследований лазерного излучения.

Нормальное распределение, также называемое распределением Гаусса - распределение вероятностей, которое в одномерном случае задается функцией плотности распределения:

(3)

где параметр μ - математическое ожидание, медиана и мода распределения, а параметр σ - стандартное отклонение(σ² - дисперсия) распределения.

Формула функции экспоненциального распределения :

(4)

Возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание μ =0, объем выборки равен 100000, а стандартное отклонение σ=2.

Рис.15. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание μ =0, объем выборки равен 100000, а стандартное отклонение σ=0.5.

Рис.16. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Построим гистограмму экспоненциальное распределение для функции  и определим параметр λ.

Рис.17. Гистограмма экспоненциального распределения

Проведем ещё одно моделирование. Возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание μ =1, объем выборки равен 10000, а стандартное отклонение σ=2.

Рис.18. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание μ =0, объем выборки равен 10000, а стандартное отклонение σ=0.5.

Рис.19. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Рис.20. Гистограмма экспоненциального распределения

Так же возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание μ =1, объем выборки равен 1000, а стандартное отклонение σ=2.

Рис.21. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание μ =0, объем выборки равен 1000, а стандартное отклонение σ=0.5.

Рис.22. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Рис.23. Гистограмма экспоненциального распределения

Возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание μ =1, объем выборки равен 500, а стандартное отклонение σ=2.

Рис.24. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения  с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание μ =0, объем выборки равен 500, а стандартное отклонение σ=0.5.

Рис.25. Гистограмма случайных значений  на интервале (-5;5)

Рис.26. Гистограмма экспоненциального распределения

4.1 Основные результаты

При исследовании были построены модели экспоненциального распределения. Так же построены разные гистограммы при разных объемах выборки. Из этих результатов видно, что объем выборки существенно влияет на сглаживание гистограммы. Так при маленьком объеме выборки гистограммы становятся изрезанными, и это говорит о том, что точность оценивания снижается при малых объемах выборки.

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Резюме

Целью дипломной работы является построение обобщенной модели для лазерных информационных систем. Данное исследование должно помочь в описании информационных процессов в лазерной связи.

Выполненные в дипломной работе исследования дают основу для оценки потенциальных возможностей и оптимизации существующих алгоритмов радиооптической обработки информации, для синтеза новых алгоритмов и разработки перспективных структур лазерных информационных систем. Полученные в работе результаты позволяют:

·  выполнять анализ работы лазерных информационных;

·        оценивать состояние канала передачи информации, повышать эффективность и помехоустойчивость лазерных систем;

·        разрабатывать более полные и удобные для практического применения вероятностные модели информационных процессов и систем.

В целом, выполненные в дипломной работе исследования формируют основу для рассмотрения многих разрозненных задач информационной радиооптики с единых позиций - с позиций системного анализа и общей статистической теории обработки информационных процессов.

В ходе разработки бизнес-плана были проведены необходимые маркетинговые исследования, такие как определение сегментов рынка, стратегия продвижения результатов исследования.

Также был разработан план исследования и определена его себестоимость. Поскольку целевой аудиторией являются исследовательские институты, программный продукт является свободно распространяемым и, следовательно, план маркетинга составлять не требуется.

5.2 Анализ положения дел в отрасли

В последнее время все большую популярность приобретает применение лазерных каналов при создании охранных периметров и в системах обеспечения безопасности благодаря скрытности канала и возможности передачи качественной видеоинформации от камер наблюдения в режиме реального времени.

Основными применениями технологии в настоящее время остаются: доступ на последней миле, преодоление преград, а также связь локальных сетей. Лазерная связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн инфракрасного диапазона спектра.

5.3 Суть разрабатываемого проекта

Суть данной работы заключается в описании областей применения, описании качественных характеристик и свойств системы лазерной связи. Моделей таких связей существует множество, следовательно, является необходимым описать качественные характеристики данных процессов.

5.3.1 Назначение

Полученные в работе результаты позволяют:

·  выполнять анализ работы лазерных информационных систем в условиях реальной помеховой обстановки;

·        оценивать состояние канала передачи информации, повышать эффективность и помехоустойчивость лазерных систем;

·        разрабатывать более полные и удобные для практического применения вероятностные модели информационных процессов и систем.

5.3.2 Форма реализации

Исследование будет происходить на ПК под ОС Windows 7.

5.4 Производственный план

Перечень технологических процессов:

·   Анализ технического задания

·   Изучение документации по данному заданию

·   Проведение экспериментов

·   Обработка результатов экспериментов

Трудоемкость выполнения работы носит вероятностный характер, так как зависит от множества трудно учитываемых факторов. Поэтому применяются методы минимально возможной трудоемкости работ A_i, максимально возможной трудоемкости работ В_i и наиболее вероятной трудоемкости отдельных видов работ М_i. По этим величинам оцениваются ожидаемые значения трудоемкости и их дисперсия.

_i = (А_i + 4M_i + B_i) / 6 (5)

где МО_i - ожидаемое значение трудоемкости (дни),

А_i - минимально возможная трудоемкость (дни),

B_i - максимально возможная трудоемкость (дни),_i - наиболее вероятная трудоемкость (дни).

_i = (B_i - A_i) / 6,(6)

где D_i - дисперсия.

Дисперсия характеризует степень неопределенности выполнения работы за ожидаемое время.

Итоговая оценка трудоемкости разработки программного обеспечения и стандартное отклонение от этой оценки составляют:

,(7)

,(8)

Разработка программного обеспечения производится частями, составляется план работ на определенный период, происходит анализ, разработка, тестирование и отладка, обновление и выпуск релиза.

Среднее время разработки отдельной части около 5 месяцев.

Упорядоченная последовательность действий и оценка их длительности, дн.

Таблица 1 - План работ, оценка их длительности

Действия	Ai	Mi	Bi	MOi	Di
1.Анализ технического задания	5	8	10	7,8	0,8
2.Библиографический анализ	15	18	20	0,8
3.Экономический анализ	2	4	6	4	0,7
4.Моделирование процессов	18	22	27	21	1,5
5.Лабораторные эксперименты	25	30	35	30	1,7
6. Исследование результатов моделирование	20	17	32	20	2
7. Исследование алгоритмов	17	20	23	20	0,5
8. Документирование	20	23	25	22,8	0,8
Итого:	122	142	153	140,5	5,2

Ниже представлена диаграмма Ганта. Начало первого действия может быть "привязано" к календарной дате. На диаграмме выделены действия, выполняемые с использованием ЭВМ, что позволяет определить общие затраты машинных ресурсов.

Диаграмма Ганта разработки программного комплекса распознавания речи; затрат труда программиста t_p= 140 чел./дн.; затрат машинного времени t_м = 112 дн.

.5 Организационный план

В исследовании системы лазерной связи принимает участие 1 человек. Зарплата сотрудника составляет 45 000 руб.

5.6 Финансовый план

Возможности организации исследований на основе ВТК в настоящее время еще не реализованы до конца и позволяют, повысить их эффективность. Основное внимание следует сосредоточить на вопросах финансирования, инновационного использования результатов исследований, а также кадрового обеспечения науки. В этой связи определенный интерес представляет информация о состоянии исследований в развитых зарубежных странах, демонстрирующих высокую эффективность научных исследований в самых различных областях деятельности.

Таблица 2 - Фазы и этапы планирования на предприятии

Этап	Исполнители	Деятельность бюджетного комитета
Фаза планирования
1. Постановка целей на бюджетный период	Администрация предприятия	Выбирает регламент своей работы на следующий бюджетный цикл
2. Сбор информации для разработки проекта бюджета	Маркетинговые, технологические и экономические службы предприятия	Утверждают форматы бюджетной документации, порядок её представления и критерии оценки выполнения бюджетов
3. Анализ и обобщение собранной информации, формирование проекта бюджета	Менеджеры предприятия, ответственные за функциональные бюджеты	Обеспечивают координацию работы бюджетных центров
4. Оценка проекта бюджета и при необходимости его корректировка	Бюджетный комитет предприятия	Рассматривает проект бюджета
5. Утверждение бюджета	Руководитель предприятия	Доводит информацию до лиц, ответственных за выполнение бюджета
Фаза выполнения
6. Исполнение бюджета и текущая корректировка его показателей	Руководители центров ответственности предприятия	Рассматривают текущие отчеты об исполнении бюджета
7. Текущий и итоговый анализ отклонений	Руководители центров ответственности предприятия	Вырабатывают меры по корректировке ситуации
Фаза завершения
8. Представление отчета о выполнении бюджета и анализ достижения мелей предприятия за отчетный период	Высшее руководство и бюджетный комитет предприятия	Готовит отчет о выполнении бюджета
9. Выработка рекомендаций для корректировки бюджета текущего периода и создания будущих бюджетов	Бюджетный комитет предприятия	Утверждает изменения к текущему бюджету и бюджет будущего периода

Затраты на создание программного продукта складываются из расходов по оплате труда работников и дополнительных расходов, связанных с оплатой аренды помещения для ведения исследования, закупки компьютерной техники и других факторов.

Расходы на оплату труда разработчика системы является фиксированная заработная плата с учетом выслуги и квалификации (с учётом коэффициента отчислений на социальные нужды).

Средняя заработная плата квалифицированного разработчика со стажем около 40 000 рублей.

Если учитывать, что проект разрабатывается в течение 5 месяцев одним человеком, то стоимость оплаты труда составит:

1 * 45 000 * 5 = 225 000 (рублей).

Затраты на оплату труда сотрудников состоят из зарплаты сотрудников и отчислений на социальные нужды. Отчисления на социальные нужды составляют 30%.

Для разработки программного продукта необходимо закупить программное и аппаратное обеспечение приведенное в таблице

Для проведения исследования необходимо закупить следующее аппаратное и программное обеспечение:

Таблица 3 - Аппаратное обеспечение необходимое для исследования

Тип оборудования	Наименование	Модель	К-во, шт.	Цена за 1 шт., руб.	Стоимость, руб.
Аппаратное обеспечение	Процессор	Intel ® CoreTM 2 Duo 3000	1	3500	3500
	Материнская плата	gigabyte ga-b75-d3v	1	3500	3500
	Жёсткий диск	Western Digital, Sata, 80 Гб	1	1500	1500
	Оперативная память	Samsung, DDR 400, 4Гб		1500	1500
	Принтер	HP MP240	1	4200	4200
Программное обеспечение	ОС	Windows 7 Professional	1	7200	7200
ИТОГО:					21400

Плановая себестоимость результатов исследования С определяется по формуле:

С = (3 + А + С_пр )(1+ К_Н) (9)

где

- заработная плата разработчика с начислениями на социальные нужды;

А - амортизация ПЭВМ и другого оборудования;

С_пр - прочие производственные затраты;

К_Н- коэффициент накладных затрат.

Заработная плата разработчика проекта рассчитывается по формуле:

З_i = З₀(1+0,3)/m * t_р, (10) где

З₀- среднемесячная заработная плата

,3(30%) - отчисления на социальные нужды

m - количество рабочих дней в месяце

t_р- длительность разработки

З = (45 000 * (1 +0,3) / 22) *160 =425454 руб.

Амортизационные отчисления составят:

A = t_ВТ*Н_А*Ц_вт/ 256(11)

_ВТ- длительность применения вычислительной техники (ВТ) для разработки

Н_А- годовая норма амортизации (12%)

Ц_в- балансовая стоимость вычислительной техники

А = 130 * 0,12 * 21400 / 256 = 1304,06

Прочие производственные затраты включают затраты на техническое обслуживание и ремонт вычислительной техники и вычисляются по формуле:

С_пр= t_{ВТ *} (Н_пр*Ц_вт/ 256) (12)

С_пр = 130* (0,04*21400)/ 256 = 434,68

Плановая себестоимость, при коэффициенте накладных затрат K_h= 0,2 составит:

С = (425454 + 1304,06+ 434,68) * (1+0,2) = 435 737 руб.

.7 Вывод

Для выполнения данного проекта необходимые затраты составят 435 737 рублей. Эта сумма получена на основании всех вышеперечисленных факторов и является минимально допустимой для условий выполнения проекта.

 

ГЛАВА 6. БЕЗОПАСНОСТЬ И САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРУДА НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ

Целью данной дипломной работы является построение обобщенной модели для лазерных информационных систем. Данное исследование должно помочь в описании информационных процессов в лазерной связи.

Задача данного раздела состоит в том, чтобы провести анализ условий и безопасности труда на рабочем месте пользователя. При проектировании безопасности на рабочем месте с ПЭВМ необходимо не только добиться высокого качества и надежности технического обеспечения, но и создать комфортные параметры окружающей среды для пользователей.

В отчете представлены нормированные значения и результаты анализа по следующим параметрам:

микроклимат;

шум и вибрация;

поражение электрическим током.

Безопасность труда и санитарно-гигиенические условия на рабочем месте разработчика программного обеспечения должны удовлетворять требованиям СанПиН 2.2.2./2.4 1340-03 "Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы", ГОСТ 12.1.005-88 "ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны", ГОСТ 12.1.038-88 "ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов", ГОСТ 12.1.030-81 "ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление" и ГОСТ 12.1.004-91 "ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования".

6.1 Микроклимат рабочего помещения

Работа оператора происходит в помещениях, предполагающих наличие вычислительной техники. Работа с ЭВМ производится сидя и не требует систематического напряжения или поднятия и переноски тяжестей, поэтому классифицируется как легкая первой категории с энергозатратами организма до 150ккал/час.

Микроклимат определяется температурой, относительной влажностью воздуха и скоростью его движения. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны" нормирование параметров микроклимата производиться в зависимости от времени года, категории работ по энергозатратам, избытка явного тепла.

Согласно СанПиН 2.2.2./2.4 1340-03 оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне помещения приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Нормы микроклимата.

Период года	Температура, ◦С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	21-23	40-60	0,1
Теплый	22-24	40-60	0,2

Проведенные исследования показывают, что высокая температура в сочетании с высокой влажностью воздуха оказывают большое влияние на работоспособность оператора, отсюда резко увеличивается время сенсомоторных реакций, нарушается координация движений, увеличивается количество ошибок.

Высокая температура отрицательно сказывается и на ряде психологических функций человека. Уменьшается объем запоминаемой информации, резко снижается способность к ассоциациям, ухудшается протекание ассоциативных и счетных операций, понижается внимание.

Относительная влажность в пределах 40 - 60% мало сказывается на состоянии человека. При влажности 99 - 100% практически выключается регулирующий механизм потоотделения и быстро наступает перегревание.

В помещениях предполагающих эксплуатацию системы требования к параметрам микроклимата в целом выполнены.

Для поддержания необходимой температуры и влажности помещение оснащено системами отопления и кондиционирования, обеспечивающими постоянный и равномерный нагрев, а также циркуляцию воздуха.

6.1.1 Расчет микроклимата в холодный период года

Улучшение микроклимата достигается применением теплоизолирующих материалов, уменьшением теплопроводности оконных проемов, что позволяет уменьшить теплопритоки в теплый период в помещение и теплопотери в холодный период года.

Для улучшения условий жизнедеятельности устанавливают системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления по виду теплоносителя делят на паровые, водяные, воздушные, электрические и топливные.отопление компенсирует потери теплоты Q_п (кДж/ч), которые складываются из теплоты, уходящей через ограждения и остекление помещений Q_огр (кДж/ч), и теплоты необходимой для нагрева холодного воздуха Q_хв (кДж/ч), поступающего в помещение:

Q_п=Q_огр+Q_хв; (13)_огр=F_огр*K_огр*(t_вн-t_нар); (14)_хв=L*c*ρ*(t_вн-t_нар), (15)

где F_огр - площадь ограждения или остекления, м²;_огр - коэффициент теплопередачи, кДж/(м²*град);- удельная теплоемкость наружного воздуха, кДж/(кГ*град);

ρ - плотность воздуха, кГ/м³;_вн-t_нар - температура внутреннего и наружного воздуха, град.

Значительными являются потери теплоты через оконные проемы помещения. Если теплопередача через стенки помещения значительна, то определяется сумма теплопотерь.

6.1.2 Расчет систем воздушного отопления

Исходные данные

Производительность системы вентиляции L, м3/ч	550
Удельная теплоёмкость воздуха C, кДж/(кг*град.)	1
Плотность воздухар, кг/м3	1,391
Площадь стекла или ограждения помещения Fогр, м2	7
Коэффициент теплопередачи K, кДж/(м2*град.)	25
Температура наружного воздуха tн, град.	-18
Температура приточного воздуха tпр, град.	24
Площадь сечения воздухораспределителя Fв, м2	0,16
Количество воздухораспределителей n	5
Относительная влажность W, %	50

Оценка микроклимата

Температура внутри помещения tвн, град.	16,2
Нормативная температура tнор., град.	23
Скорость движения воздуха V, м/с	0,19
Нормативная скорость движения воздуха Vн, м/с	0,1
Относительная влажность W, %	50
Нормативная относительная влажность Wнор, %	40-60

Корректировка количества воздухораспределителей

Необходимое количество воздухораспределителей n
при производительности Lн	10

6.1.3 Расчет водяного отопления

Необходимая теплопроизводительность системы
водяного отопления Qот ,кДж/ч	8610
Коэффициент теплопередачи панельного
радиатора К (30-38), кДж/(м2*град.)	32
Площадь поверхности нагрева радиатора F (0,6-3), м2	1,4
Средняя температура теплоносителя t (85-100), град.	86
Необходимое количество радиаторов n	3,05

.1.4 Расчет и оптимизация системы кондиционирования в теплый период года

В теплый период года используют системы вентиляции и кондиционирования воздуха(СКВ).

При искусственной вентиляции воздух перемещается посредством осевых и центробежных вентиляторов. Вентиляторы характеризуются производительностью L (м³/ч), давлением p(Па), мощностью N(кВт) и КПД. Осевые вентиляторы позволяю обеспечить подачу больше, чем центробежные, однако они развивают меньше давления. Производительность вентилятора определяется зависимостью:

L = 3600*F*v, (16)

где F - площадь сечения вентиляционного патрубка, м²;- скорость движения воздуха, м/с.

Теплоизбытки в помещении в теплый период года обусловлены:

тепловыделениями от людей, оборудования, освещения;

теплом от солнечной радиации;

теплом, приникающим через оконные проемы и стенки.

Количество воздуха L, которое надо подать системой вентиляции для поглощения избыточной теплоты Q_изб(кДж/ч), определяется зависимостью:

, (17)

Таким образом, система вентиляции дает возможность получить в помещении в теплый период года лишь определенный перепад между внутренней и наружной температурами, что во многих случаях не обеспечивает комфортных условий жизнедеятельности человека. Система кондиционирования воздуха обеспечивает комфортные значения температуры относительно влажности вне зависимости от внешних климатических факторов и внутренних условий в помещении. СКВ по виду обработки воздуха делят на зимние, летние, круглогодичные. Зимнее кондиционирование работает в режиме воздушного отопления. При нагревании исходного воздуха относительная влажность уменьшается, поэтому в кондиционере воздух при нагревании должен увлажняться, а при охлаждении - осушаться. Количество воздуха, которое надо подать в теплый и холодный периоды года, определяется по формулам:

; (18)

где Q_сум.т - суммарные теплопритоки в теплый период, кДж/ч;_сум.х - суммарные теплопритоки в холодный период года, кДж/ч;_пр - температура приточного воздуха, ⁰С.

Для избежания простудных заболеваний разность между температурой в помещении без СКВ и температурой приточного воздуха не должна превышать 16⁰С.

Исходные данные

Производительность вентилятора L, м3/ч	450
Избыточная теплота Qизб., кДж/ч	2600
Удельная теплоёмкость воздуха C, кДж/кг*град.	1
Плотность воздухар, кг/м3	1,173
Площадь стекла или ограждения помещения Fогр., м2	7
Коэффициент теплопередачи К, кДж/(м2*град.)	19
Наружная температура tн, град.	29
Площадь сечения воздухораспределителя Fв, м2	0,13
Количество воздухораспределителей n	5
Относительная влажность W, %	55
Оценка микроклимата
Температура внутри помещения без СКВ tвн., град.	32,9
Нормативная температура tнор.,град.(опт.при СКВ)	22
Скорость движения воздуха V, м/с	0,1923
Нормативная скорость движения воздуха Vнор., м/с	0,2
Относительная влажность W, %	55
Нормативная относительная влажность Wнор., %	40-60

Расчет характеристик СКВ

Необходимая температура приточного воздуха tпр.	15,3
Необходимое количество воздухораспределителей n	5
Температура внутри помещения при выполнении
СКВ с рассчитанными характеристиками	22
Подача охлаждённого воздуха в помещение
с температурой tпр.	15,3
Температура воздуха в помещении без СКВ	32,9
Разность между температурой воздуха в помещении
без СКВ и температурой подаваемого воздуха	17,6

В таблице 5. приведены значения производительности и разность температур воздуха в помещении без СКВ и температуры приточного воздуха.

Таблица 5 - Значения производительности и разность температур воздуха в помещении без СКВ

Разность температур	27,6	21	17,6	15,4	13,9	12,9	12,0	10,9	8,5
Производительность СКВ	200	300	400	500	600	700	800	1000	2000

На основании данных из Таблицы 5 построен график зависимости производительности СКВ от разности температур.

Рис.28. Зависимость производительности СКВ от разности температур.

6.2 Исследование комплекса мероприятий по защите от внешнего шума

Одной из задач охраны окружающей среды и обеспечения нормальных условий жизнедеятельности человека является уменьшение уровня внешнего шума, действующего в местах обитания людей.

Источниками внешнего шума являются:

транспортные потоки на дорогах;

самолёты и вертолёты военной и гражданской авиации;

железные дороги, станции, вокзалы;

объекты городского коммунального и складского хозяйства;

движущиеся суда, а также земснаряды и землесосы;

строительные площадки и др.

Шум транспортных потоков зависит от их состава, интенсивности и скорости движения транспорта.

Основными источниками внешнего шума от промышленных предприятий являются открытые площадки, здания цехов, пропускающие акустические колебания через оконные проёмы и ворота, а также компрессорные установки, вентиляторы, расположенные вне вентиляционных камер, установки очистки от пыли (циклоны), внутризаводской транспорт, пилорамы, циркульные пилы, пневматический инструмент и др.

В соответствии с законом об Охране атмосферного воздуха необходима разработка и выполнение градостроительных и технологических решений по защите атмосферы от воздействия шума.

Закон Вебера-Фехнера, связывающий уровень ощущения звука L (дБ) со звуковым давлением р (Па), записывается следующим образом:

L = 10 lgp²/p₀²(19)

где р - действующее среднеквадратичное звуковое давление, Па;

р₀ - 2*10⁵ - звуковое давление на пороге слышимости, Па.

Наиболее часто применяют две оценочные характеристики шума:

уровни звукового давления в октавных полосах частот, дБ;

уровень звука в дБА, т.е. общий уровень, откорректированный в соответствии с особенностью восприятия человеком звуков разных частот.

При расчётах внешнего шума используется оценочная характеристика - уровень звука в дБА.

В ходе работы рассматриваются четыре источника шума (Рис.5.2):

транспортный поток на автомагистрали;

проходящие суда;

цех промышленного предприятия;

блок вентиляторов.

План расположения зоны застройки

Рис.29. Расположение зоны застройки

В процессе выполнения работы определяются уровни звука на границе зоны застройки от каждого источника шума, суммарный уровень звука и, исходя из нормы внешнего шума для ночного и дневного времени суток, подбираются средства уменьшения уровней шума.

В качестве исходных данных для расчёта используются шумовые характеристики источников шума:

уровни звуковой мощности вентиляторов и цеха, дБА;

уровни звука от транспортного потока и от судов, дБА.

Расчет параметров оптимизации шума в дневное время.

Результаты расчетов параметров оптимизации шума в дневное время представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Результаты расчетов параметров оптимизации шума в дневное время

Общий уровень звука и его составляющие	Уровень звука, дБА
	Без средств	Норма	Превышение	Эффек. средств	С учётом средств
Общий уровень звука	63,52	55	8,8518		52,1
Уровень звука от транспорта	63,5	55	8,5	13	50,5
Уровень звука от судов	49,5	55	-5,5	3	46,5
Уровень звука от цеха	43,191	55	-11,81	10	33,2
Уровень звука от вентилятора	48,971	55	-6,029	17	32,0

Уровни звука в дневное время представлены на рисунке 30.

Рис.30. Уровень звука в дневное время

Расчет параметров оптимизации шума в ночное время.

Результаты расчетов параметров оптимизации шума в ночное время представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Результаты расчетов

Общий уровень звука и его составляющие	Без средств	Норма	Превышение	Эффективн. средств	С учётом средств
Общий уровень звука	57,705	45	12,705		45,0
Уровень звука от транспорта	56,5	45	11,5	13	43,5
Уровень звука от судов	39,5	45	-5,5	3	36,5
Уровень звука от цеха	43,872	45	-1,128	10	33,9
Уровень звука от вентилятора	50,397	45	5,3972	17	33,4

Уровни звука в ночное время представлены на рисунке 31.

Рис. 31. Уровни звука в ночное время

Таблица 8 - Результаты расчета уровней звука в зоне застройки, дБА

Величина	Дневное время	Ночное время
Нормативный уровень звука	55	45
Уровень звука без средств его уменьшения	63,852	57,705
Уровень звука в случае применения средств	52,1	45

Состав принятого комплекса средств:1, 4, 3D, 5, 6

- специальные защитные экраны, возводимые вдоль автомагистралей или железных дорого;

дополнительное остекление цехов;

трехрядные зеленые насаждения шириной полосы 30м;

боксы или кожухи для вентиляторов;

боксы для вентиляторов со звукопоглощающими материалами.

Суммарный ценовой балл комплекса 1250.

6.3 Расчет и анализ опасности поражения электрическим током

Рассматривается сеть трёхфазного переменного тока частотой 50 Гц с заземлённой нейтральной точкой трансформатора, которая в основном используется для электропитания промышленных и бытовых объектов. Сеть позволяет получать фазное напряжение (220В) и линейное напряжение (380В).

Рис.32. Четырехпроводная сеть с заземленной нейтральной точкой (ЗНТ)

Uф - фазное напряжение;л - линейное напряжение;

НТ - нейтральная точка трансформатора;о - рабочее заземление НТ;

- нулевой рабочий (защитный) проводник.

Если человек одновременно касается двух точек сети, и при этом, образуется замкнутая "Цепь поражения", то через тело человека проходит ток I_ч, величина которого зависит от сопротивления этой цепи:

I_ч =U / R; (20)

где U - приложенное напряжение, В;- суммарное сопротивление "Цепи поражения".

Напряжение прикосновение равно разности двух точек цепи, которых касается человек поверхностью кожи, или равно падению напряжения в теле человека.

U_пр = I_ч * R_ч (21)

Допустимые значения тока и напряжения зависят от времени его воздействия (табл. 5.6).

Таблица 9 - Допустимые значения тока Iчд(А) и напряжения прикосновения Uпрд(В)

Параметр	Предельно-допустимые значения при продолжительности воздействия t,c
	0,1	0,2	0,3	0,5	0,6	0,7	1	3и более
Iчд, А	0,5	0,25	0,165	0,1	0,085	0,07	0,05	0,006
Uпрд, В	500	250	165	100	85	70	50	36

Таблица 10 - Характер воздействия переменного тока на человека

Ток через		Характер				Название
человека, мА		воздействия				порогового тока
1 - 3		Начало ощущнеия тока - легкое				Ощутимый,
		дрожание пальцев рук				малоопасный
4 - 10		Судороги в руках; руки трудно, но				Отпускающий,
		ещё можно оторвать от проводника				умеренно-опасный
11 - 20		Паралич рук, оторвать их от проводника невозможно				Неотпускающий,
						опасный
21 - 50		Затруднение или остановка				Затрудняющий
		дыхания				дыхание, высоко-
						опасный
51 - 80		Остановка дыхания, начало				Чрезвычайно-
		фибрилляции сердца				опасный
81 - 100
		Фибрилляция сердца (при t , более 0,5с- летальный исход)				Фибрилляционный смертельно- опасный

Исходные данные для расчета тока, проходящего через человека и напряжения прикосновения:

Фазное напряжение Uф = 220 В;

Линейное напряжение Uл = 380 В;

Частота тока f = 50 Гц;

Время действия тока t = 5 с;

Допустимый ток через человека Iч.д. = 0,006 А;

Допустимое напряжение Uпр.д. = 36 В;

Дополнительные данные для задач 1а, 1б:

Сопротивление человека Rч = 20 000 Ом

Исходные данные для задачи 2:

Сопротивление рабочего заземления нейтральной точки (НТ) трансформатора Rо = 4 Ом;

Сопротивление обуви Rоб = 1 500 Ом;

Сопротивление человека Rч = 8 000 Ом;

Сопротивление пола Rп = 2 000 Ом.

Расчет параметров тока.

Двухфазное прикосновение человека

Задача №1а К двум фазам сети

Ток, проходящий через человека Iч = 0,019 А;

Допустимый ток Iчд = 0,006 А;

Напряжение прикосновение Uпр = 380 В;

Допустимое напряжение Uпрд = 36 В;

Задача №1б К фазе и к нулевому проводу

Ток, проходящий через человека Iч = 0,011 А;

Допустимый ток Iчд = 0,006 А;

Напряжение прикосновение Uпр = 36 В.

Однофазное прикосновение человека к фазе

Задача №2

Ток, проходящий через человека Iч = 0,019 А;

Допустимый ток Iчд = 0,006 А;

Напряжение прикосновение Uпр = 153 В;

Допустимое напряжение Uпрд = 36 В.

Таблица 11 - Результаты расчетов

Задача №1а			Задача №1б			Задача №2
Iчд -	0,006	, А	Iчд -	0,006	, А	Iчд -	0,006	, А
Iч -	0,019	, А	Iч -	0,011	, А	Iч -	0,019	, А
Uпрд -	36	, В	Uпрд -	36	, В	Uпрд -	36	, В
Uпр -	380	, В	Uпр -	220	, В	Uпр -	153	, В

Таблица 12 - Характер воздействия тока на человека

Задача №1а	Ток через человека, А	Характер воздействия	Название порогового тока
0,019 А	0,011 - 0,02	Паралич рук, оторвать их от проводника невозможно	Неотпускающий опасный
Задача №1б
0,011 А	0,011 - 0,02	Паралич рук, оторвать их от проводника невозможно	Неотпускающий опасный
Задача №2
0,019 А	0,011 - 0,02	Паралич рук, оторвать их от проводника невозможно	Неотпускающий опасный

6.4 Режим труда и отдыха при работе с ПЭВМ

Вопросы рабочего времени и времени отдыха работников регулируются законодательством Российской Федерации.

Нормальная продолжительность рабочего времени работников на предприятиях, в учреждениях, организациях не может превышать 40 часов в неделю. Для работников, занятых на работах с вредными условиями труда, устанавливается сокращенная продолжительность рабочего времени - не более 36 часов в неделю.

Для работников устанавливается пятидневная рабочая неделя с двумя выходными днями. При пятидневной рабочей неделе продолжительность ежедневной работы (смены) определяется правилами внутреннего трудового распорядка или графиками сменности, утверждаемыми администрацией по согласованию с соответствующим выборным профсоюзным органом организации с учетом специфики работы, мнения трудового коллектива и с соблюдением установленной продолжительности рабочей недели. Правилами внутреннего трудового распорядка устанавливается продолжительность ежедневной работы, время начала и окончания работы, перерывы в течение рабочего дня для отдыха и питания.

Работникам предоставляется перерыв для отдыха и питания продолжительностью не более двух часов и не менее 30 минут. Перерыв не включается в рабочее время. Работник использует перерыв по своему усмотрению. На это время ему предоставляется право отлучаться с места выполнения работы. Время начала и окончания перерыва определяется правилами внутреннего трудового распорядка.

Для обеспечения оптимальной работоспособности и сохранения здоровья работников на протяжении рабочей смены должны устанавливаться регламентированные перерывы. Время регламентированных перерывов в течение рабочей смены следует устанавливать в зависимости от ее продолжительности, вида и категории трудовой деятельности. Продолжительность непрерывной работы с ПЭВМ без регламентированного перерыва не должна превышать 2 часов, при работе в ночную смену (с 22 до 6 часов) независимо от категории и вида трудовой деятельности продолжительность регламентированных перерывов должна увеличиваться на 60 минут.

При 8-часовой рабочей смене и работе на ПЭВМ регламентированные перерывы следует устанавливать в следующем соответствии:

-       для I категории работ - через 2 часа от начала смены и через 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый;

-       для II категории работ - через 2 часа от начала рабочей смены и через 1,5 - 2,0 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый или продолжительностью 10 минут через каждый час работы;

-       для III категории работ - через 1,5 - 2,0 часа от начала рабочей смены и через 1,5 - 2,0 часа после обеденного перерыва продолжительностью 20 минут каждый или продолжительностью 15 минут через каждый час работы.

При 12-часовой рабочей смене регламентированные перерывы должны устанавливаться в первые 8 часов работы аналогично перерывам при 8-часовой рабочей смене, а в течение последних 4 часов работы независимо от категории и вида работ каждый час продолжительностью 15 минут.

В случаях возникновения у работающих с ПЭВМ зрительного дискомфорта и других неблагоприятных субъективных ощущений, несмотря на соблюдение санитарно-гигиенических, эргономических требований, режимов труда и отдыха, следует применять индивидуальный подход в ограничении времени работ с ПЭВМ коррекцию длительности перерывов для отдыха или проводить смену деятельности на другую, не связанную с использованием ПЭВМ.

6.5 Выводы

В результатах исследования выявлено, что безопасность труда и санитарно-гигиенические условия на рабочем месте разработчика программного обеспечения удовлетворяют общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны", ГОСТ 12.1.038-88 "ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов", ГОСТ 12.1.030-81 "ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление" и ГОСТ 12.1.004-91 "ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования".

Согласно СанПиН 2.2.2./2.4 1340-03 оптимальные нормы температуры, относительная влажность и скорость движения воздуха в рабочей зоне помещения полностью соответствуют нормам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всего двадцать лет назад беспроводные оптические линии рассматривались, скорее, как экзотика. Связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и наиболее просто и эффективно решает проблему "последней мили". Широкий выбор аппаратуры на российском рынке может удовлетворить любые требования потребителя и делает АЛС доступной. Наряду с малым временем инсталляции, принципиальным преимуществом лазерных линий связи является самодостаточность. Затраты на их установку единовременны. Любые другие средства передачи данных требуют постоянных отчислений - либо на аренду канала, провода или оптоволокна, либо на место в кабельной канализации, либо на использование радиочастот, то есть, как правило, привлечения сторонних организаций и существенного повышения и стоимости, и сроков исполнения проекта. Затраты на аренду канала или использование радиочастот могут составлять, в зависимости от требуемой скорости передачи данных, до нескольких сот или даже тысяч долларов в месяц. При таком уровне платежей оптическая линия может полностью окупиться за один-два года только на арендных платежах - не говоря уже об инсталляционных затратах.

Хорошо спроектированные лазерные системы связи обеспечивают 99.9% и лучшую доступность канала связи на расстояниях 500-5000 м для подавляющего большинства городов мира. Они безопасны для зрения и могут использоваться в течении расчетного срока эксплуатации при условии необходимого обслуживания. Автор данной дипломной работы надеется, что изложенные подходы будут использованы в качестве количественного метода определения производительности систем, поскольку долгосрочный успех и принятие этой мощной технологии зависят от непротиворечивой и точной оценки ее возможностей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

лазерный связь атмосферный имитационный

1.      Николаев А.Ю. Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи. Информост - Средства связи, 2001, № 4 (17), с. 26-27.

.        Хименко В.И. Статистическая радиооптика: особенности построения и развития // Вестник молодых ученых, № 6, 2004.

.        Журнал "Технологии и средства связи", № 6, 2010 г.

.        Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей.-М.:1996.

.        Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. Вестник связи, 2011, 4, с. 154-157.

.        Е. Н. Чепусов, С. Г. Шаронин Лазерная связь - еще один способ беспроводной связи.// "Сети/network world", № 09, 1996

.        Александр Клоков. Беспроводные ИК технологии - истинное качество последней мили.// "Технологии и средства связи" (номер 5, 1999 г.)

.        Кулик Т. К., Прохоров Д.В. Методика сравнительной оценки работоспособности лазерных линий связи.// Технология и средства связи, 2010, № 6, с. 8-18.

.        Кобзев В. В., Милинкис Б.М., Емельянов Р. Г. Применение оптических квантовых генераторов для целей связи. М., Связь, 2006, 120 с.

.        Пратт В. Лазерные системы связи. М., 1972.

.        Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу. М., 1985.

.        Гауэр Д. Оптические системы связи. М., 2009.

.        Сироклин И. Л. DECT - последняя миля + мобильность. Информост - Средства связи, 2001, № 2 (15), с. 24-27.

.        Алякишев С.А., Гордеев Д.В., Милинкис Б. М., Остапченко Е.П. Передача телевизионного изображения и звука с помощью лазера. Техника кино и телевидения, 1965, № 5, с. 45-49.

.        Аркадьев Д.И., Милинкис Б.М., Миндлин И. Г., Хайкин В. Л. Аппаратура для передачи телевидения с помощью лазера. Техника кино и телевидения, 2010, № 4, с. 60-62.

.        Серопегин В.И. Беспроводные системы передачи данных локального, городского и регионального масштабов. Технология и средства связи, 1999, № 4, с. 72-77.

.        Клоков А.В. Беспроводные ИК-технологии, истинное качество "последней мили". Технология и средства связи, 1999, № 5, с. 40-44.

.        Кулик Т. К., Прохоров Д.В. Методика сравнительной оценки работоспособности лазерных линий связи. Технология и средства связи, 2000, № 6, с. 8-18.

.        Кулик Т. К., Прохоров Д.В., Сумерин В. В., Хюппенен А. П. Особенности применения оптических линий связи. 2001, вып. 9-10 (216-217), с. 1-6.

.        Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. Вестник связи, 2011, № 4, с. 154-157.

.        Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М., Соврадио, 1970, 494 с.

.        Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М., Радио и связь, 1981, 288 с.

.        Розенберг Г.В., Горчаков Г.И., Георгиевский Ю. С., Любовцева Ю.С. Физика атмосферы и проблемы климата. М., Наука, 2010, 320 с.

.        Наталья Жилкина "Эквилибристика на красной волне", Журнал сетевых решений/ LAN, 07-08, 2003

.        Лазерная дальнометрия / Под ред. В.П. Васильева, Х.В. Хиирикус - М., Радио и связь, 2005 - 256 с.

.        . А.С. Батраков, М.М. Бутусов, Г.П. Гречка "Лазерные измерительные системы" - М., Радио и связь, 2011 - 456 с.

.        Основы импульсной лазерной локации: Учебное пособие / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов и др. - М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 - 512 с.

.        Принципы работы FSO - систем (перевод ООО "МОСТКОМ") June 2003 / Vol. 2, No. 6 / JOURNAL OF OPTICAL NETWORKING

30.    Системы спутниковой связи с подвижными объектами. Учебное пособие./ А.П. Дятлов 2007 -92 с.