ИНФРАКРАСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ: НАДЁЖНЫЙ МОСТ МЕЖДУ НЕПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Конференция: LXXXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Оптика

LXXXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
ИНФРАКРАСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ: НАДЁЖНЫЙ МОСТ МЕЖДУ НЕПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
INFRARED OPTICAL COMMUNICATION SYSTEMS: A RELIABLE BRIDGE BETWEEN STATIONARY OBJECTS
Timofey Yasenkov
Candidate of Technical Sciences, Docent, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov, Russia, Tver
Alexander Kovalenko
Candidate of Technical Sciences, Docent, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov, Russia, Tver
Nikita Grigorov
Cadet, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov, Russia, Tver
Аннотация. Статья посвящена разработке интеллектуальных алгоритмов автоматического управления для беспилотных воздушных судов (БВС). Рассматривается переход от простого следования по маршруту к комплексным системам, включающим модули восприятия среды, адаптивного планирования траектории и координации в группе. Особое внимание уделяется практическим выгодам внедрения таких алгоритмов: повышению операционной эффективности, снижению затрат и увеличению безопасности. Также обозначены ключевые вызовы, такие как вычислительная сложность и нормативное регулирование.
Abstract. The article focuses on the development of intelligent automatic control algorithms for unmanned aerial vehicles (UAVs). It explores the transition from simple route following to complex systems that include modules for environment perception, adaptive trajectory planning, and group coordination. The article emphasizes the practical benefits of implementing such algorithms, including improved operational efficiency, reduced costs, and enhanced safety. It also highlights key challenges, such as computational complexity and regulatory considerations.
Ключевые слова: инфракрасные системы, оптические системы, модуль, диапазон, применение.
Keywords: infrared systems, optical systems, module, range, application.
Во время повсеместного использования радиоволн и Wi-Fi инфракрасные (ИК) оптические системы связи могут показаться анахронизмом. Однако у этой технологии есть ниша, где она демонстрирует непревзойдённые преимущества — организация высокоскоростной и защищённой связи между двумя неподвижными объектами.
Что такое ИК оптическая связь?
Инфракрасная оптическая связь — это метод передачи информации с помощью электромагнитного излучения инфракрасного диапазона (длины волн от 780 нм до 1 мм). [2] В основе системы лежит принцип модуляции интенсивности света: электрический сигнал данных преобразуется в последовательность световых импульсов, которые передаются через пространство и затем детектируются приёмником, преобразуясь обратно в электрический сигнал.
Рисунок 1. Инфракрасная оптическая связь
Ключевые компоненты системы.
Для организации канала связи между двумя стационарными точками (например, двумя зданиями, стационарным постом и центром обработки данных, разными помещениями в одном здании) необходимы:
- Передающий модуль (Трансмиттер):
Источник ИК-излучения: Светоизлучающий диод (LED) или лазерный диод (LD). Лазерные диоды обеспечивают более узкий луч, большую дальность и скорость, но требуют более точного наведения.
Модулятор: Преобразует цифровой сигнал в изменения интенсивности светового потока.
Оптическая система (объектив): Формирует и коллимирует (создаёт параллельный пучок) световой поток для минимизации рассеивания.
- Приёмный модуль (Ресивер):
Оптическая система (объектив): Собирает приходящее ИК-излучение и фокусирует его на фотодетектор.
Фотодетектор: Фотодиод или лавинный фотодиод (APD), который преобразует световые импульсы обратно в электрический ток.
Демодулятор: Извлекает из электрического сигнала исходные цифровые данные.
- Система точного наведения и удержания (для систем дальней связи): Так как объекты неподвижны, основная задача — первоначальная юстировка и компенсация незначительных колебаний (например, из-за ветра или термического расширения конструкций).
Преимущества ИК-связи для стационарных объектов.
- Высокая безопасность и защищённость от прослушивания:
ИК-луч является узконаправленным и не проникает через стены. Перехватить сигнал, не находясь непосредственно на линии его распространения, практически невозможно. Это делает технологию идеальной для передачи конфиденциальных данных между зданиями в пределах прямой видимости.
- Отсутствие электромагнитных помех и лицензирования:
ИК-связь не создаёт помех радиооборудованию и сама не подвержена им. Это критически важно для установки в научных лабораториях, медицинских учреждениях или на промышленных объектах с «шумным» электромагнитным фоном. Для использования ИК-диапазона не требуется получать государственную лицензию, в отличие от многих радиодиапазонов.
- Высокая пропускная способность:
Оптические системы способны поддерживать скорости передачи данных от сотен мегабит до нескольких гигабит в секунду, что сопоставимо с оптоволоконными каналами.
- Быстрота развёртывания и низкая стоимость:
По сравнению с прокладкой оптоволоконного кабеля между зданиями, установка ИК-системы занимает часы, а не дни, и требует значительно меньших капиталовложений.
Ограничения и challenges (проблемы).
- Обязательное условие прямой видимости (Line-of-Sight). Любое препятствие (птица, падающий лист, строительный кран) нарушит связь.
- Влияние атмосферных условий. Сильный туман, дождь, снегопад или смог могут значительно ослабить сигнал или полностью прервать соединение из-за рассеивания света на частицах воды и пыли.
- Требовательность к точности настройки. Для обеспечения стабильного канала необходима точная юстировка приёмопередающих модулей, которая может нарушаться со временем из-за микросдвигов в конструкциях зданий.
Области применения.
- Связь между зданиями в пределах кампуса: Объединение сетей офисных центров, университетов, больниц без прокладки кабеля.
- Резервные каналы связи: Используются как дублирующий канал для радиосвязи или оптоволокна.
- Защищённые правительственные и военные коммуникации: Для передачи данных, требующих максимального уровня конфиденциальности.
- Промышленная автоматизация: Связь между неподвижными роботизированными комплексами и системой управления.
- Преодоление физических барьеров: Организация связи через улицу, железнодорожные пути или реки, где прокладка кабеля невозможна или экономически нецелесообразна.
Инфракрасные оптические системы связи для неподвижных объектов — это не устаревшая технология, а высокоэффективное и специализированное решение. Оно идеально подходит для задач, где на первый план выходят безопасность данных, высокая скорость, отсутствие помех и необходимость быстрого развёртывания. Несмотря на зависимость от погодных условий и необходимость прямой видимости, их уникальные преимущества обеспечивают им прочные позиции в арсенале современных телекоммуникационных решений.