CN108028717B - 容错光学设备 - Google Patents

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Abstract

一种容错光学设备，其抵御弹道冲击伤害、能够实现分布式处理和联网且使用聚合物膜的分光光度透射特性。本发明涉及应用于具有固定机翼或旋转机翼的飞行器的光学透射的技术领域，而不管这些机翼是否被引导。

Description

容错光学设备
技术领域
本发明的目标为一种容错光学设备，其使得能够通过互连多个电子系统而进行分布式处理、能够提供高速数据通信、多个联网和分布式处理且抵御弹道伤害和EMP攻击。所述光学设备包括部署在整个车辆中的实现光传播的光学透明聚合物膜，且能够在连接到例如(但不限于)航空电子装备和飞行控制系统等子系统的多个光学收发器接口之间提供光学通信。所述光学设备能够使得多个相异且相互隔离的网络能够共享相同的传输媒体。所揭示的光学设备的目的是能够提供在当今战场上操作所必需的弹道冲击回弹性以及EMP(电磁脉冲)和ESD(静电放电)抵抗性。
本发明涉及优选地应用于具有固定机翼或旋转机翼的飞行器的光学透射和联网的技术领域，而不管这些机翼是否被引导。然而，本发明还可应用于例如陆上或海上车辆等其它领域，或甚至应用于地面通信或在网络中工作的工业系统。
背景技术
数十年来，基于铜和/或铝的布线织机已经用于互连并提供集成在飞行器和其它类型车辆中的子系统之间的信息传送。由机械、电化学和热应力引起的布线织机老化是系统故障的已知来源。这种众所周知的弱点被证明是多起撞击的原因(例如TWA 800)。此外，军用飞行器需要弹道冲击回弹性，从而外加冗余电缆、遵循不同的路径、由此增加重量而牺牲有效载荷，且使维护操作复杂化。从航空观点看，布线故障是不定期维护的经常性原因，从而限制飞行器的可用性和利润率。因此，需要改进车辆的容错性和弹道冲击回弹性，且减少车辆的生产时间和成本。
随着基于馈给虚拟阴极振荡器(virtual cathode oscillator，或称vircator)的通量压缩产生器的EMP(电磁脉冲)武器在现代战场上越来越普遍，RF硬化成为军用车辆和装备的标志。核弹头的高空爆炸是军用系统必须防护的EMP的另一来源。然而，使用金属屏蔽、耗散性EMP保护和滤波使得EMP硬化电缆显著重于常规布线。数据线最容易受到EMP攻击和静电放电(ESD)影响，因为它们携载小信号且连接到最敏感和易损的组件。在某种程度上，任何常规布线都是辐射发射和辐射易感性两个观点上固有的电磁弱点的原因。业界对此问题的常见解决方案是使用物理上较重的屏蔽电缆来实现电磁保护。鉴于此情境，本发明的另一目标是显著减少车辆对EMP攻击的脆弱性。
对于现代电动或混合电动传动系，在集成到飞行器上时，基于铜和/或铝的布线是已知的弱点。电动传动系现在正以小发电厂形式集成在许多UAV和载人飞行器上。然而，那些推进系统通常是围绕标准的现用组件而开发。通常的分体配置包含由一或多个单独的控制器供电的一或多个电动机，所述一或多个单独的控制器完全由外部控制单元管理。那些电力推进系统的主要限制之一在于其与周围环境的不良电磁兼容性：电机控制器中常用来最小化功率损失的快速切换功率电路(例如IGBT和/或MOSFET)是电磁兼容性问题的一个原因。此类电路会产生高阶谐波，因此会对周围的航空电子装备和机载电子系统造成严重干扰。干扰由控制器单元以两种形式产生：辐射发射(RE)和/或传导发射(CE)。前者是指电磁无线电波的自由空间传播，而后者是指沿着电力线和数据电缆传播的电磁信号，其可能会干扰飞行器的系统的操作。辐射发射抑制通常需要在控制器电路周围安装重金属屏蔽件，而传导发射可通过使用在控制器的DC电力端口中插入的本质上重的在线滤波器结合屏蔽电缆来减少。此外，外围航空电子装备和电子件的RF硬化需要在电厂附近操作的每一航空电子系统的输入/输出端口(电力供应线和数据线)上安装多个在线滤波器。如果那些在某种程度上重大的修正可减轻传导发射的有害影响，然则它们会对系统的重量产生负面影响。鉴于此情境，本发明的另一目标是降低车辆的重量，同时保持RE和CE干扰受到控制。
谈及军用系统，业界对电磁脉冲(EMP)和静电放电(ESD)回弹性的常见解决方案是通过使用代替常规铜/铝电缆而部署的携载数据通信的多条光纤。然而，光纤及其相关联连接器传统上非常脆弱，需要大弯曲半径，且在机械加强以在战斗伤害下存活时可能会变重。光纤的另一限制是连接器对灰尘进入的固有敏感性，从而导致难以在战区进行维护。考虑到一些军用飞行器上存在的高振动环境，通过具有多个常规光纤的网络将星形和正齿拓扑的许多子系统连接到飞行器的飞行计算机大大增加了连接器和光学接口的数目，且并非推荐选项，因为生产成本高且在统计上可靠性降低。此外，那些系统仍然存在明显的弹道伤害脆弱性，因为星形和正齿拓扑是单点故障(Single Point Of Failure)的固有来源。因此，冗余路线是必要的(以与铜布线相同的方式)，这对重量预算产生负面影响。本发明的另一目标是为那些当前的限制提出合适的解决方案。
在另一领域中，主要考虑多个冗余集中式计算机的常规电传操纵架构已成为实现与航空公司标准兼容的故障率的常见做法(展现低至每飞行小时1.10-9的计算出的故障率)。然而，那些固有的复杂且重的系统是昂贵的，且难以转移到在战场上操作的UAV。此外，其主要考虑固有的集中式计算机单元，从而具有固有的弹道冲击弱点。在需要时物理地分配处理能力(即，接近于被管理的子系统)是一种提供更好的弹道冲击回弹性的解决方案，但需要更多联网容量。此类解决方案主要考虑分配给特定领域(飞行控制、引擎管理、燃料系统、导航、ECM、ECCM、ISTAR系统)的若干隔离的高速网络。然而，常规布线遭受固有的带宽限制，因此遭受有限的数据速度能力。由于分布式处理的上下文中需要高容量联网，因此对高速数据发射的需要正在将基于铜的布线织机的数据携载能力扩展到其极限。常规布线的带宽限制对于用来互连子系统的回程架构具有直接影响：传统上，星形和正齿拓扑为优选选项，因为它们提供更好的容量，但牺牲了故障保护能力。相比之下，环形拓扑提供卓越的故障保护。然而，由于其固有的带宽限制，它们在分布式处理的上下文中难以实施。因此，需要改进分布式智能和数据携载能力，但不能削弱弹道回弹性。
专利文献US20040114854(OUCHI)、US20030179978(IWASAKI)、US20100098430(CHUI)、US20020196502(PERNER)教示我们可使用聚合物膜来以与光波导相同的方式携载光信号。确切地说，US20040114854(OUCHI)教示我们可使用特定的光学装置来将光信号的发射角度缩窄到例如90度，以便仅将光信号透射到光波导的特定区域。那些专利涉及通过聚合物膜透射光信号；然而，其都没有提供对网络隔离、分布式处理和弹道冲击回弹性的解决方案。确切地说，由US20040114854(OUCHI)揭示的方向性解决方案增大了对弹道伤害影响的脆弱性。
大体来说，需要具有解决以上缺点中的至少一些以及可能的其它问题的容错光学设备。
发明内容
所提出的解决方案因此为一种容错光学设备，其包括：
-透明聚合物膜波导，其用于以全向方式透射光信号，
-多个收发器单元，其各自包括光学收发器接口、控制器单元和数据接口，所述多个收发器单元经由所述波导互连，以便将光信号注入到所述波导且从所述波导接收光信号，所述多个收发器单元形成至少两个隔离的网状网络，
○专用波长分配给每一网状网络，以使得属于网状网络的所述收发器单元仅处理具有分配给所述网络的所述专用波长的光信号，
-多个电子装备，其各自连接至收发器单元，且通过收发器单元管理，
-嵌入于每一收发器单元中的所述控制器单元编程有实现以下操作的指令：实现根据由嵌入于所述收发器单元中的所述光学收发器接口接收的所述光信号对连接到所述收发器单元的所述电子装备的所述管理，
-嵌入于每一收发器单元中的所述控制器单元还编程有实现以下操作的指令：
○实现对属于为同一网状网络的部分的另一收发器单元的至少另一个控制器单元的监督，
○在所述至少另一个控制器单元发生故障的情况下实现对连接到所述另一收发器单元的所述电子装备的所述管理。
本发明意欲解决与先前技术相关的问题。此外，透明聚合物膜波导可部署且可能黏合或紧固到机身(或车辆)的内部部分上。光信号以与多模光纤相同的方式在此透明膜波导的光学层内传播，但在X和Y方向两者上以全向方式(不管由膜的制造过程产生的各向异性特性)传播。利用在所述聚合物内的全向传播，可创建网状网络，从而实现多个收发器单元之间的互连。通过使用例如波分复用和适当的聚合物调配物，采取若干步骤来创建呈现高度隔离的隔离网状网络，从而导致在各种波长的独特透射和吸收窗口。所述光学收发器接口充当连接到所述透明膜波导的光学拾取器。
光纤不会遭受弹道伤害且不会损害数据通信。相比之下，本发明利用能够以使得光信号能够围绕所述弹道伤害而行进的方式增强材料内的光漫射和散射的适当聚合物波导。以光学为基础，此解决方案显著改善带宽，因此改善数据携载能力，且引起对EMP攻击的固有的回弹性。此外，所述透明聚合物膜波导在集成到复合机身中时特别有利，在复合机身中，其可紧密跟随内部形状，从而导致无缝集成。所述透明聚合物膜波导还可与复合织物(布)层相同的方式集成到复合机身中。
因此，飞行器中剩余的唯一铜或铝布线是为电子装备携载AC或DC供应的电力电缆。此基于铜或铝的电力电缆比常规布线织机简单得多，且可容易地针对故障多样性进行复制。消除信号电缆导致的一些重量节省可有利地用来在关键装备旁边安装离域供电系统(例如，电池组、超级电容器和/或太阳能电池)，从而导致改进的系统可靠性和对弹道伤害的抵抗性。主要考虑分布式处理的系统可耐受更大伤害，且因此确保飞行器比常规集中式处理器的更好存活率。
优选地，所述聚合物膜包括能够增强在所述材料中的光漫射和散射的大分子和掺杂元素。
可在所述透明聚合物膜波导中创建光学不连续性以便提供光取样。
优选地，每一控制器单元包括一或多个微控制器和/或现场可编程门阵列，其编程有实现联网、数据存取、数据成帧、位插入和前向错误校正功能的指令。
嵌入到收发器单元中的至少一个控制器单元可编程有使得所述收发器单元能够充当有源中继器以便转送且再生由其自身的光学收发器接口接收的所述光信号的指令，所述光学收发器接口装配有光学滤波器。
通信协议可用来互连不同控制器单元，所述协议是基于乙太网或传输控制协议或因特网协议程序组或CAN。
根据本发明的实施例，每一网状网络个别地能够建立属于所述网状网络的多个收发器单元之间的数据通信，且所述不同收发器单元之间的数据通信可使用以下数据存取模式中的一或多个：分时多重存取；码分多重存取(直接序列展频)；正交频分复用；和/或多个副载波的频移键控和/或相移键控。
嵌入于每一收发器单元中的所述控制器单元可编程有实现以下操作的指令：在相关联光学收发器接口发生故障的情况下和/或在光信号发生损失(例如，有缺陷的主单元)的情况下，根据预编程的指令序列实现对连接到所述收发器单元的所述电子装备的管理。
属于给定网状网络的每一收发器单元的所述光学收发器接口可配备有调谐到分配给所述网状网络的波长的光学滤波器。
本发明的另一方面是一种具有容错光学设备的飞行器，其包括：
-透明聚合物膜波导，其用于以全向方式透射光信号，
-多个收发器单元，其各自包括光学收发器接口、控制器单元和数据接口，所述多个收发器单元经由所述波导互连，以便将光信号注入到所述波导且从所述波导接收光信号，所述多个收发器单元形成至少两个隔离的网状网络，
○专用波长分配给每一网状网络，以使得属于网状网络的所述收发器单元仅处理所述专用波长处的光信号，
-多个电子装备，其各自连接至收发器单元，且通过收发器单元管理，
-嵌入于每一收发器单元中的所述控制器单元编程有实现以下操作的指令：实现根据由嵌入于所述收发器单元中的所述光学收发器接口接收的所述光信号对连接到所述收发器单元的所述电子装备的所述管理，
-嵌入于每一收发器单元中的所述控制器单元还编程有实现以下操作的指令：
○实现对属于为同一网状网络的部分的另一收发器单元的至少另一个控制器单元的监督，
○在所述至少另一个控制器单元发生故障的情况下实现对连接到所述另一收发器单元的所述电子装备的所述管理。
此飞行器可包括机身，其中所述光学设备约束或黏合到所述机身上。
此飞行器可包括：
-主控单元，
-所述聚合物膜波导实现所述主控单元与为给定网状网络的部分的多个收发器单元之间的通信，
-所述多个收发器单元能够相互通信和自主处理而不需要来自所述主控单元的干预。
所述控制单元可经编程以操作以便在主控单元发生故障的情况下自主地提供维持安全飞行条件所需的处理。
附图说明
在结合下图考虑时，可通过参考详细说明书和权利要求得出对本发明的实施例的更完全理解，其中相同参考数字贯穿各图指代类似元件。提供各图以促进理解本发明，而不限制本发明的广度、范围、规模或适用性。为清晰起见，图式不一定是按比例绘制：
-图1描绘根据本发明的聚合物膜波导的区段的三维视图，其中不连续性实现光取样(蚀刻和冲孔)。
-图2是根据本发明的聚合物膜波导的区段，多个收发器单元在所述区段上连接。图2描绘通过聚合物波导(组件为了清楚起见而未按比例)的光传播。
-图3是图2中描绘的布置的点线细节的放大。
-图4详述典型聚合物的分光光度透射，其中可看到各种光吸收率和透射率窗口(最大衰减和最大透射的波长)。
-图5是展示两个光学收发器接口的光学前端的框图。
-图6是根据本发明的理论光学设备的框图，其包括主控单元、收发器单元和其相关联装备，以及实现网状联网(描绘为圆)的光学膜。
-图7描绘展示管理重叠的3个收发器单元的区域性覆盖区域。
-图8是根据本发明的收发器单元的框图。
-图9描绘实现属于同一网状网络的三个收发器单元的样本之间的容错性的相互管理。
具体实施方式
以下详述的说明书在性质上为示范性的，且并不意欲限制本发明或本发明的实施例的应用和使用。特定实施例、技术及应用的描述仅是作为实例提供。如所属领域的一般技术人员在读取本说明书之后将显而易见，以下内容为本发明的实例和实施例，且不限于根据这些实例进行操作。在不脱离本发明的示范性实施例的范围的情况下可使用其它实施例，且可作出结构改变。
本发明的实施例可在本文中在功能和/或逻辑块组件和各种处理步骤方面加以描述。应了解，此类框组件可通过经配置以执行指定功能的任何数目个硬件、软件和/或固件组件来实现。出于简洁起见，本文中可能并不详细地描述具体构成控制器单元、数据发射接口和主控单元的常规技术和组件，本说明书限于系统层级。此外，所属领域的技术人员应了解，本发明的实施例可结合多种结构主体加以实践，且本文中所描述的实施例仅为本发明的实例实施例。
弹道抵御性光学设备主要能够替代传统上用来携载信号的常规布线来提供数据信息联网、子联网和飞行器电子装备之间的分布式处理。通信媒体是基于约束或黏合到机身中的聚合物膜波导OPF，从而实现通过其层厚度的光学传播。
图1、图2和图3中详述的波导OPF包括透明聚合物膜，光信号透射在其内部是可能的，方式类似于多模光纤。
图1描绘波导OPF的区段的三维视图。光信号可以全向方式或准全向方式在X和Y方向上传播，然而，其在Z平面中在膜的顶部和底部边界上反弹。由此，聚合物层作为多模光波导而操作，在波导OPF的X和Y方向两者上传播。描绘两个光学拾取器均值：蚀刻E和直通S冲孔。对膜进行蚀刻、冲孔或夹捏是创建光学不连续性以便提供光取样(耦合)的解决方案中的一些。构成膜的聚合物材料与能够增强材料中的光漫射和散射的大分子和掺杂元件适当配制。此类聚合物当前由工业生产且可按需要与不同的分子链和掺杂元素以如下方式调配：增强不同波长处的光漫射、透光率和光吸收率。图3展示光信号传播到聚合物膜波导OPF的放大区段中的方向D。构成聚合物膜的大分子的大小、其化学组成、掺杂元素的使用以及例如挤出或轧制等制造工艺是影响此传输媒体的光学性质的因素中的一些。可调整那些参数以增强光的漫射和散射，以便规避弹道伤害后的不连续性。此外，可有利地利用最佳透射率和最高吸收的窗口的波长来改进网络间隔离。作为一实例，图4描绘理论光学聚合物膜的分光光度透射，其中可看到各种光吸收率和透射率窗口(最大吸收率波长和最佳透射率波长)。
连接到飞行器的主控单元MCU的发光单元用来在光波导OPF中发射和接收光信号。发光单元可使用在从红外线到紫外线的范围内或若干离散波长的组合的光谱信号。然而，当需要低透射损失以在很大的距离上实现通信时，对应于最佳透射率的波长应是优选的。相反，对应于波导OPF中的吸收峰值的波长可用于短距离发射，例如当需要局部联网时：在特定波长处的高吸收率可有利地用于增强网络间隔离。因此，可通过有利地将不同波长指派给不同的网状网络来获得网络分隔，并通过利用透射窗口和吸收窗口中的传播特性来增强网络分离。作为一实例，第一专用波长被分配给第一网状网络，且与第一波长不同的第二专用波长被分配给第二网状网络。属于第一网状网络的收发器单元仅处理第一波长处的光信号，而拒绝第二波长处的光信号。且属于第二网状网络的收发器单元仅处理第二波长处的光信号，而拒绝第一波长处的光信号。拒绝过程是三种方法中的一种或若干种的组合：
-传感器的天然选择性(其中以如下方式选择光电二极管或其它光传感器：其波长响应自然地拒绝来自其它网络的不合需要的信号)。
-滤波：其中带通\高通或低通光学滤波器安装到光电二极管或光传感器上以便拒绝不合需要的波长。
-光学膜相对于其它膜使特定波长衰减的分光光度特性。
参考图2，传入到多个电子装备EQ1到EQ5的多个收发器单元TU1到TU5光学连接到聚合物波导OPF且部署在整个飞行器或车辆中。那些电子装备可为：起落架致动器、尾桨致动器、引擎管理系统、发射系统、襟翼控制致动器、航空电子装备、飞行控制致动器、环境控制...或任何需要连接到网络的装备。
系统部署如下：在给定电子装备需要连接到网络且数据通信是必要的任何地方，聚合物膜波导OPF被夹捏、冲孔或蚀刻，且安装收发器单元TU。由聚合物膜波导OPF的夹捏、冲孔或蚀刻产生的光学不连续性使得能够通过例如棱镜/透镜等光学拾取装置或属于收发器单元的光学收发器接口OT(光学前端)的漫射器组合件部分将在所述膜内部传播的光与收发器单元TU进行一些耦合。相反，飞行器的主控单元前端和光学接口主要考虑相同的架构。
因此，多个光学收发器单元TU1到TU5光学连接到聚合物膜OPF以向/从所述聚合物膜注入和接收光信号。由此，聚合物膜OPF作为在膜的X和Y方向两者上传播的多模光波导而操作，如图1所示。作为一实例，收发器单元TU1到TU3属于第一网状网络，且收发器单元TU4到TU5属于第二网状网络，如上所述。
图8展示每一收发器单元TU包括光学收发器接口OT和控制器单元CU以及连接到被管理的装备的数据接口DT(收发器单元TU的电后端连接)。收发器单元的电力供应器可在本地(例如，电池组、超级电容器或太阳能电池板...)，或可来自飞行器的主电源总线，或来自收发器单元连接到的电子装备。
光学收发器接口OT经配置以向/从聚合物膜波导OPF注入和接收光信号。光学收发器接口OT的发射器区段由一个或若干个激光二极管(或LED)d组成，所述激光二极管通过例如光学滤波器(如果需要)、抗反射涂层、棱镜/透镜或漫射器界面等优化膜界面处的透射系数的光学组件将光信号注入到聚合物膜波导OPF中。相反，光学收发器接口OT的接收器区段由一或多个光电二极管p组成，其匹配适当的滤波器、棱镜/透镜或漫射器组合件，接收来自聚合物膜波导OPF的蚀刻区域的光学信号。
光学收发器接口OT包括编码/解码有用信息并驱动激光二极管(或LED)d以及光电二极管2所必需的前端电路(例如图5中所描绘)。光学收发器接口OT、控制器单元CU和数据发射接口DT包括一或多个编程有实现联网、数据存取、数据成帧、位插入和前向错误校正功能的指令的微控制器和/或FPGA。数据发射接口DT使得能够与由收发器单元TU监督的电子装备EQ或子系统连接。数据发射接口DT还包括可在不丢失信息的情况下实现数据交换的无中断开关。当发现控制器单元CU有故障时，此无中断开关用于绕过控制器单元CU并建立光学收发器接口OT与数据接口DT之间的直接数据连接(在框图图8中由控制器单元CU下方的下部箭头描绘，其连接数据接口DT与光学收发器接口OT)。那些微控制器还可仿真标准的航空数据通信协议，例如ARINC 429、629或甚至CAN，以便促进与标准航空电子装备的集成。此外，光学收发器接口OT、控制器单元CU和数据发射接口DT可编程有实现其所连接的电子装备EQ的自主控制的指令。
收发器单元TU的明显特征是其可执行本地和区域性管理。收发器单元TU的另一个明显特征是其能够通过将多个收发器单元TUi(具有次序“i”的收发器单元)互连的聚合物膜OPF提供的网状网络实现分布式处理。通过直接在被管理的子系统附近现场分配微控制器和随后的处理能力，对传统集中式处理的需要大幅减少(甚至消除)。通过消除在子系统(例如，伺服襟翼致动器)和中央处理单元之间来回传递信息的需要，这种分布式智能减少了数据业务且规避了传输延迟。通过使用嵌入在每一收发器单元TU中的控制器单元CU和相关联的传感器且能够进行处理以便进行本地和区域性决策来实现此功能。
-本地决策过程由嵌入在每一收发器单元TU中的控制器单元CU个别阐述，以管理其电连接到的装备。所得命令通过数据接口DT被施加到物理连接到所述收发器单元TU的电子装备EQ。
-相比之下，区域性决策过程适用于位于所述控制器单元的给定物理距离内的若干电子装备及其相关联控制器单元中的一个。举例来说，此距离可高达几米。换句话说，且参考区域性管理，每一收发器单元不仅能够管理其自己的本地电子装备，而且能够管理在下文中被定义为区域性管理区域的周围电子装备。
图7描绘三个收发器单元TU1、TU2和TU3的示范性覆盖区域，其展示了区域性重叠，使得若干收发器单元能够在提供完整性监视和容错方面彼此监视。除了管理其专用本地装备EQ1之外，收发器单元TU1持续地(通过光学接口)接收传入到收发器单元TU2和TU3操作的信息。同样，收发器单元TU2连续地从收发器单元TU1和TU3接收信息，且收发器单元TU3连续地从收发器单元TU1和TU2接收信息。这是可能的，因为所有收发器单元连续地(例如通过专用时隙)向在相同区域中操作的其它收发器单元广播其健康状态以及其输入和输出信号的一些内容。通过重叠若干区域性管理区域的覆盖范围持续执行相互完整性监视，故障多样性成为可能。在此配置中，给定的有效收发器单元可监督位于相同重叠覆盖区域内的一或多个故障收发器单元。此功能性可在系统功能退化的情况下，例如与飞行器主控单元的通信丢失或后者的操作降级的情况下，通过应用预编程的指令和算法来维持系统操作并保持飞行器安全。
图9描绘属于同一网状网络的三个示范性收发器单元TU1、TU2和TU3。除了安装任务所需的多个传感器(例如压力、温度、位置等)之外，控制器单元CU1还编程有实现以下操作的指令：实现根据通过光学收发器接口OT1接收到的光信号对经由数据接口DT1连接到收发器单元TU1的电子装备EQ1的管理，以及其它电子装备EQ2和EQ3的管理。同样，控制器单元CU2编程有实现以下操作的指令：实现根据通过光学收发器接口OT2接收到的光信号对经由数据接口DT2连接到收发器单元TU2的电子装备EQ2的管理，以及对其它电子装备EQ1和EQ3的管理。且控制器单元CU3编程有实现以下操作的指令：实现根据通过光学收发器接口OT3接收到的光信号对经由数据接口DT3连接到收发器单元TU3的电子装备EQ3的管理，以及对其它电子装备EQ1和EQ2的管理。
举例来说，假设收发器单元TU2的控制器单元CU2有故障。则，属于收发器单元TU1和TU3的控制器单元CU1、CU3将通过比较收发器单元TU2的实际输出与其输入信号和预测输出来检测完整性故障。警示信号将随后由控制器单元CU1和CU3产生。结果，控制器单元CU2将被收发器单元TU1和TU3远程关闭，且数据接口DT2可以如下方式远程配置：绕过控制器单元CU2且直接连接到光学前端接口OT2，因此EQ2现在可由控制器单元CU1或CU3远程管理。在此新情境下，收发器单元TU2变成受控器，且收发器单元TU1或TU3成为主控器。此操作使得能够在不使用硬件冗余的情况下维持对由收发器单元TU2正常管理的装备EQ2的控制。驱动控制器单元CU1或CU3中的哪一个应为主控器的决策标准可基于控制器单元CU1和CU3的信号强度和CPU负载。结果，驱动连接到收发器单元TU2的组件所需的指令现在由收发器单元TU1和/或TU3产生。实际上，这意味着每一控制器单元必须以能够处理至少两个收发器单元的处理负载的方式设计，考虑到现今的微控制器处理能力和其低成本，这是一个易于实现的特性。除了提供处理器故障保护之外，当需要时，通过组合每一收发器单元TU1、TU2和TU3中存在的处理能力，可有利地利用分布式处理来提供强大的实时处理。通过融合和处理来自各个收发器单元及其相关联传感器的信息，在执行实时情境感知时可有利地使用此特征。此外，可在控制器单元CU1、CU2和CU3中以如下方式编程基本紧急行为：如果与网络的其余部分的所有连接都丢失(例如，光学前端接口OT故障或主控单元MCU故障)，则驻留在每一收发器单元TU1、TU2、TU3中的预编程的指令序列将实现根据由连接到收发器单元的传感器收集的信息和计划序列对设备EQ1、EQ2、EQ3的管理，从而实现情境的安全恢复。另外，收发器单元之间的横向(或相互)通信能够实现自主处理，在紧急情况下保护飞行器的安全，例如在主控单元失效的情况下。举例来说，管理副翼的控制器单元可在所有连接丢失时将所述副翼定位在中立角度，随后使用剩余的有效副翼中剩下的空气动力学权限来安全地恢复飞行器。对于使用集中式计算和“哑”致动器(无处理能力或飞行管理能力的致动器)的常规FBW系统，此功能目前是不可能的。这种分布式智能和自我修复能力能够在高水平决策方面胜过常规飞行器架构，因为它提供了卓越的容错能力以及弹道冲击回弹性。
简言之，控制器单元CU1、CU2、CU3以如下方式进行尺寸设定和编程：处理对若干外围装备EQ1、EQ2、EQ3的管理以及对FBW架构中部署的集中式飞行计算机进行正常决策。因此，有效的控制器单元可管理一个或若干个故障外围组件。在此拓扑中，考虑到提供编程错误多样性，可使用不同的代码来编程不同的控制器单元。重叠的区域性管理区域减少(或消除)对通常在常规电传操纵系统中部署的多个冗余中央处理单元的需要。举例来说，空中客车A320电传操纵系统主要考虑完全集中的五重冗余计算机系统，其中五个计算机单元并行操作，每一计算机单元由两个信道组成：一个用于处理，另一个用于完整性监视；两个信道都由不同的团队开发，试图实现两种故障多样性。通过将所有处理能力集中在一个位置，此类架构容易受到弹道伤害，且固有地重(当整个系统功能完全时，只有一台计算机正在处理处理工作荷载，而其余四台计算机充当备份且并不有效地为任务作出贡献，但对重量预算产生负面影响)。相比之下，所揭示的发明呈现出显著的重量和成本节省，这在UAV中是特别重要的优点。控制器单元CU可全部主要考虑相同的硬件(但编程有不同的代码)，从而实现低成本大规模生产。因此，主控单元负责的工作量可减少到仅解释飞行员的输入(或来自遥控接口和自动驾驶系统的飞行输入)，而大部分处理工作量现在由多个收发器单元执行，且它们内置在控制器单元CU中。
当需要高冗余时，可将若干空间分布的收发器单元连接到同一电子装备，从而改善MTBF。当需要高弹道冲击回弹性时，此特征也是合乎需要的。
图6中详述的一般框图展示，聚合物膜波导OPF可实现垂直通信(经由其相关联的收发器单元，在飞行器的主控单元MCU和各个电子装备EQ1到EQn之间)，以及各个电子装备EQ1到EQn之间(通过其相关联的收发器单元)的横向(或相互)通信，而不必需要主控单元MCU(区域性管理)的干预。在区域性管理的情况下和/或当主控单元MCU需要一些自主权时，后者可能是合乎需要的。在主控单元MCU发生故障或无法正常通信的情况下，此功能对于维持飞行器关键功能的操作可能是有用的。在每一收发器单元TU1到TUn(次序“n”的收发器单元)中，在中央处理器故障的情况下重新路由信号和作出自主决策所需的指令被编程到控制器单元中，从而驱动数据接口。此分布式智能和自我修复能力能够超越任何传统的基于电缆的系统，且通过使用能够建立一或多个隔离网状网络的聚合物膜OPF而成为可能。
通信协议：
每一网状网络能够在多个收发器单元之间建立数据通信，而不管它们在飞行器内的物理位置。此外，每一收发器单元能够进行分组路由、联网和通信协议管理。在本发明的优选实施例中，用于互连不同收发器单元的通信协议是基于以太网/TCP/IP程序组(传输控制协议/互联网协议)。
数据存取：
可有利地使用不同的数据存取方案来适应不同的拓扑：
i-TDMA(时分多重存取)：在此顺序存取模式中，由每一收发器单元TU产生的数据流在时域中被复用。每一收发器单元TU被分配允许其发射数据的唯一时隙。每一收发器单元TU仅在其分配的时隙中发射且在其余时间期间接收。当涉及少量收发器单元TU时，这种简单存取模式是优选解决方案。收发器单元TU之间的相互同步确保相邻时隙之间不存在时序重叠。
ii-CDMA(码分多重存取)：在此存取模式中，需要在网状网络上传输的有效载荷(有用信息)与唯一的PRN码相乘(伪随机噪声是类似于噪声的信号，其满足以下一项或多项用于统计随机性的标准测试)，且有用信息(存在于扩展信号的主瓣中)由电滤波器BPF(图5)滤波。将有效载荷乘以高码片速率PRN码导致频谱扩展，其中所得频谱可能是信息的频谱(直接序列展频)的10倍(或更多)宽。所得数据流用于调制激光二极管(或LED)。图5描绘包括使用CDMA存取且属于两个光学收发器接口OT1、OT2的两个光学前端的框图的光学链路。在光学前端的接收器侧上，光学信号由光电二极管p1、p2检测，且有用信息通过所接收展频信号与发射器使用的相同PRN序列的同步乘法M重新产生。通过向调制每一光学收发器接口OT1、OT1的激光二极管(或LED)d1、d2的每一发射器分配唯一的PRN码，可在相同媒体(聚合物膜波导OPF)上同时传输，而不会遭受相互干扰。在接收器侧，光学收发器接口OT1(连接到光电二极管p1)能够在任何时间通过将所接收信号乘以专门分配给需要接收的每一光学收发器接口的PRN码来解扰由任何其它光学收发器接口OT2发射的数据流。通过执行PRN码的循环旋转，任何给定的光学收发器接口能够顺序地提取由光学收发器接口OT1、OT2和/或连接到聚合物膜波导OPF的飞行器的主控单元发射的数据流。另一解决方案是在同一个光学收发器接口中并联若干个接收器，每一接收器专用于特定的信道。直接序列信号扩展的另一优点是固有的处理增益(与PRN码片速率成比例，除以有效载荷的数据速率)。此处理增益有利地补偿了在聚合物膜波导OPF中发生的非常高的透射损失，且在大系统上特别有效。当涉及大量收发器单元时，CDMA是优选的存取解决方案。
iii-OFDM：此存取模式利用多载波调制，特别是正交频分复用(OFDM)。与CDMA一样，此存取模式对相互干扰非常稳健，且在涉及大量收发器单元时也是一种解决方案。
iv-FSK：在本发明的又一不同实施例中，也可使用分配给每一收发器单元的多个副载波的频移键控(FSK)。
多网络和业务隔离：
相同的聚合物膜波导OPF可同时传达与飞行控制管理有关的数据通信，以及飞行器的引擎管理或任何其它关键功能。
为防止关键功能之间的意外干扰(或交叉耦合)，可能需要信息隔离，例如以防止有故障的不受控制的收发器单元干扰共享相同传输媒体的另一收发器单元。TDMA存取特别容易受到时序干扰和意外时隙重叠的影响，而CDMA和OFM对代码干扰有很好的抵御性。
在本发明的一个实施例中，创建隔离的网状网络，以便将关键功能从彼此中隔离出来。举例来说，一个网状网络可能专用于飞行控制，而另一个网状网络专用于引擎管理。网状网络之间的业务隔离可通过不同的方式实现，例如但不限于：
-为每一网状网络指派唯一的存取模式(例如，一个网状网络使用TDMA存取，而另一个网状网络使用CDMA或OFDM存取)。
-为每一网状网络指派唯一的译码；例如使用两个网格网络(正交码使得它们的卷积等于0)之间的正交码。正交码提供的隔离度可高达20dB。
-当使用OFDM存取和/或FSK时，将明显不同的副载波频率指派给网状网络。
-在本发明的优选实施例中，通过使用波分复用(WDM)来实现更好的网络间隔离，其中将一个专用波长(颜色)分配给每一网状网络。WDM需要为属于给定网状网络的每一收发器单元的每一光学收发器接口OT1、OT2配备光学滤波器OF，从而允许传输分配给所述网络的光波长(或频率)且拒绝属于其它网络的其它光学收发器接口使用的波长(或频率)。此光学滤波器OF可为低通滤波器(例如，拒绝紫外线)或高通滤波器(例如，拒绝红外线)或带通滤波器(例如，调谐到特定频率/波长且拒绝所有其它频率/波长)。举例来说，通过将一个网络的所有收发器的光学接口与低通滤波器配合，并使用以低频(长波长)发射的LED或激光二极管，而第二网络的所有光学接口配备有高通滤波器，且将使用以高频(短波长)发射的LED或激光二极管，可容易地实现仅两个网络的彼此光学隔离。当网络数目多于两个时，使用专门调谐到分配给每一网络的频率的带通滤波器成为必需。
在WDM环境中，所有光电二极管(接收器)都必须配有光学滤波器，因为光电二极管通常可接收广的光谱。相比之下，发射器侧使用的激光或LED二极管固有地是窄带装置，且通常产生窄的谱线；然而，为了安全起见，在单元的发射器接口上也可使用光学滤波器，以便阻止由激光或LED二极管产生的不必要的谐波，或可能意外地阻塞其它网络的不稳定的波长偏移。
总结：光学滤波器OF的中心波长被调谐到分配给网状网络的波长，它是使用相同光学传输媒体的其它网状网络的一部分且拒绝使用相同光学传输媒体的其它网状网络所利用的不需要的波长。光学滤波器OF直接安装在光学收发器接口OT1、OT2上，即，至少在光电二极管p1、p2上且另外在激光(或LED)二极管d1、d2上。举例来说，与飞行控制相关的二极管/光电二极管阵列将配备专用于一个波长的其专用光学滤波器，而专用于引擎控制的二极管/光电二极管阵列将配备调谐于不同波长的光学滤波器。当多个关键功能共享相同的光学媒体时，此基于硬件的滤波是优选解决方案。因此，使用与普通传输媒体相同的聚合物膜波导OPF，各自以不同波长操作的若干网状网络可同时操作。
另外，通过根据光学媒体的透射率有目的地分配波长，可进一步增强网络间隔离。举例来说，图4展示理论聚合物的透射率，其在400nm与800nm之间的波长处展现低传输损失，且在1700nm区域中具有传输损失峰值。波长分配可根据网络的物理大小(即收发器单元距彼此的物理距离)来选择。举例来说，覆盖小区域的小的大小的网状网络将优选地使用聚合物提供高吸收率的波长，从而限制网络间干扰。相对于聚合物膜波导OPF的光学透射或吸收窗口，通过适当选择分配给每一网状网络的光学波长可实现增强的网络间隔离。举例来说，一些长距离网状网络可在最佳光学透射率(在我们的实例中为400nm到800nm)的波导窗口中分配一个波长，而局部小的大小的网格网络可有利地使用最大吸收光学窗口中的波长(在我们的实例中为1700nm)。除了通过光学滤波已经提供的功能之外，通过增加额外的拒绝功能，此解决方案在防止在物理邻近区域中操作但属于不同网状网络的光学收发器接口饱和方面特别有效。
光在聚合物膜OPF内的全向和多模传播结合用于实现弹道冲击回弹性的聚合物调配物类型固有的光漫射和散射导致收发器单元TU之间固有的高传输损失。因此，当需要长距离传播时，可能需要增加激光二极管(或LED)1的功率，并且利用展频技术(CDMA)以及由得自直接序列展频的处理增益带来的传输改善。
在本发明的又一实施例中，控制器单元CU可编程有实现以下操作的指令：使得能够充当有源中继器以便转送和再生光信号，从而使得能够长距离传输信号。每一光学收发器接口OT由此配备有若干激光二极管(或LED)和若干光电二极管。可能需要转码来防止相互干扰且将上行链路(输入信号)与下行链路(重复信号)去耦。可使用若干方法或以下方法的组合：
-在TDMA存取的情况下为上行链路与下行链路分配不同的时隙(牺牲数据携载能力)。
-在CDMA存取模式的情况下改变代码(上行链路与下行链路可能使用不同的PRN码)。
-改变波长(为上行链路与下行链路分配不同的波长)。
参考所揭示的架构，唯一剩下的铜或铝电缆是馈给不同系统的AC或DC电力供应线。为了防止SPOF，可使用路线多样性，以及局部能量存储(例如超级电容器或电池组)来在本地供应关键子系统。
虽然已经结合有限数目个实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，鉴于前述描述，许多替代、修改和变化是可能的。因此，本发明希望涵盖落入所揭示的本发明的精神和范围内的所有此类替代、修改和变化。此外，在本发明中，术语“包括(comprise、comprising)”、“包含(include或including)”不排除其它元件或步骤，术语“一”或“一个”不排除复数，且术语“和/或”表示其中之一或两者。
本申请案可用作关于一或多个未来申请案的基础或优先权，且任何此类未来申请案的权利要求可针对本申请案中描述的任何一个特征或特征组合。任何此类未来申请案可包含所附权利要求中的一或多个权利要求，这些权利要求以实例方式给出且对于任何未来申请案中可要求保护的内容是非限制性的。
本发明特此以引用的方式并入其要求权利或优先权的任何专利或申请案的完整揭示内容。
词汇表
ARINC 航空无线电公司
CAN 控制器区域网络(CAN总线)
CDMA 码分多重存取
CPU 中央处理单元
DC 直流电
DME 距离测量装备
ECCM 电磁反制措施
ECM 电磁对抗措施
EMI/EMC 电磁干扰/电磁兼容性
EMP 电磁脉冲
ESD 静电放电
FBW 电传操纵
FEC 前向错误校正
FPGA 现场可编程门阵列
HF 高频(3到30MHz)
IGBT 绝缘栅双极型晶体管
IP 因特网协议
ISTAR 智能、监视、目标获取和侦察
LASER 通过受激辐射发射发光
LED 发光二极管
MOSFET 金属氧化物半导体场效应晶体管
MTBF 故障前平均时间
OFDM 正交频分复用
PRN 伪随机噪声
RF 射频
RFI 射频干扰
SPOF 单点故障
TDM 时分复用
TDMA 时分多重存取
UAV 无人驾驶飞行器车辆
VHF 甚高频(30到300MHz)
WDM 波长数字复用

Claims (13)

1.一种容错光学设备，其包括：
透明聚合物膜波导OPF，其用于以全向方式透射光信号，
多个收发器单元TU，其各自包括光学收发器接口OT、控制器单元CU和数据接口DT，所述多个收发器单元经由所述波导互连，以便将光信号注入到所述波导且从所述波导接收光信号，所述多个收发器单元形成至少两个隔离的网状网络，
专用波长分配给每一网状网络，以使得属于网状网络的所述收发器单元TU仅处理具有分配给所述网络的所述专用波长的光信号，
多个电子装备EQ，其各自连接到收发器单元TU且通过所述收发器单元TU来管理，
嵌入于每一收发器单元TU中的所述控制器单元UC编程有实现以下操作的指令：实现根据由嵌入于所述收发器单元中的所述光学收发器接口OT接收的所述光信号对连接到所述收发器单元的所述电子装备EQ的所述管理，
嵌入于每一收发器单元TU中的所述控制器单元CU还编程有实现以下操作的指令：
实现对属于为同一网状网络的部分的另一收发器单元的至少另一个控制器单元的监督，
在所述至少另一个控制器单元发生故障的情况下实现对连接到所述另一收发器单元的所述电子装备的所述管理。
2.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中所述聚合物膜包括能够增强材料中的光漫射和散射的大分子和掺杂元素。
3.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中光学不连续性在所述透明聚合物膜波导OPF中创建以便提供光取样。
4.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中每一控制器单元CU包括编程有实现联网、数据存取、数据成帧、位插入和前向错误校正功能的指令的一或多个微控制器和/或现场可编程门阵列。
5.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中嵌入到收发器单元TU中的至少一个控制器单元CU编程有使得所述收发器单元能够充当有源中继器以便转送且再生由其自身的光学收发器接口OT接收的所述光信号的指令，所述光学收发器接口装配有光学滤波器OF。
6.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中通信协议用来互连不同控制器单元CU，
所述协议是基于乙太网或传输控制协议或因特网协议程序组或CAN。
7.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中每一网状网络个别地能够建立属于所述网状网络的多个收发器单元TU之间的数据通信，其中不同收发器单元TU之间的数据通信使用以下数据存取模式中的一或多个：时分多重存取；码分多重存取；正交频分复用；和/或多个副载波的频移键控和/或相移键控。
8.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中属于给定网状网络的每一收发器单元TU的所述光学收发器接口OT配备有调谐到分配给所述网状网络的所述波长的光学滤波器。
9.根据权利要求1所述的容错光学设备，其中嵌入于每一收发器单元TU中的所述控制器单元UC编程有实现以下操作的指令：在相关联光学收发器接口OT发生故障的情况下和/或在光信号发生损失的情况下，根据预编程的指令序列实现对连接到所述收发器单元的所述电子装备EQ的自主管理。
10.一种具有容错光学设备的飞行器，其包括：
透明聚合物膜波导OPF，其用于以全向方式透射光信号，
多个收发器单元TU，其各自包括光学收发器接口OT、控制器单元CU和数据接口DT，所述多个收发器单元经由所述波导互连，以便将光信号注入到所述波导且从所述波导接收光信号，所述多个收发器单元形成至少两个隔离的网状网络，
专用波长分配给每一网状网络，以使得属于网状网络的所述收发器单元TU仅处理所述专用波长处的光信号，
多个电子装备EQ，其各自连接到收发器单元TU且通过所述收发器单元TU来管理，
嵌入于每一收发器单元TU中的所述控制器单元UC编程有实现以下操作的指令：实现根据由嵌入于所述收发器单元中的所述光学收发器接口OT接收的所述光信号对连接到所述收发器单元的所述电子装备EQ的所述管理，
嵌入于每一收发器单元TU中的所述控制器单元CU还编程有实现以下操作的指令：
实现对属于为同一网状网络的部分的另一收发器单元的至少另一个控制器单元的监督，
在所述至少另一个控制器单元发生故障的情况下实现对连接到所述另一收发器单元的所述电子装备的所述管理。
11.根据权利要求10所述的具有容错光学设备的飞行器，其包括机身，其中所述光学设备约束或黏合到所述机身上。
12.根据权利要求10所述的具有容错光学设备的飞行器，其包括：
主控单元MCU，
所述聚合物膜波导实现所述主控单元与为给定网状网络的部分的多个收发器单元之间的通信，
所述多个收发器单元能够相互通信和自主处理而不需要来自所述主控单元的干预。
13.根据权利要求10所述的具有容错光学设备的飞行器，其中所述控制单元CU经编程以操作以便在主控单元发生故障的情况下自主地提供维持安全飞行条件所需的处理。
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