Экспериментальные характеристики распространения ультрафиолетовых многолучевых сигналов на трассах обсерватории "Кайтанак" в Республике Алтай

Бритвин Александр Викторович; Месензова Ирина Сергеевна; Павлов Никита Алексеевич; Поважаев Арсений Викторович; Поллер Борис Викторович

УДК 535.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ СИГНАЛОВ НА ТРАССАХ ОБСЕРВАТОРИИ «КАЙТАНАК» В РЕСПУБЛИКЕ АЛТАЙ

Александр Викторович Бритвин

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, старший научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: jeepo@yandex.ru

Ирина Сергеевна Месензова

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, инженер, тел. (383)330-71-20, e-mail: mesenzova.i@yandex.ru

Никита Алексеевич Павлов

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, инженер, тел. (383)330-71-20, e-mail: pna1994@mail.ru

Арсений Викторович Поважаев

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, младший научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: powazhaev@yandex.ru

Борис Викторович Поллер

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-20, e-mail: lablis@mail.ru

Проведено исследование оптических характеристик многолучевой УФ излучателя на матрице 3 х 3 УФ светодиодов с углом расходимости луча 0,33 градуса и углом расходимости всех лучей 6 градусов в условиях высокогорной атмосферы. Распределение УФ импульсов при закрытой трассе показала их близость к логнормальному распределения. Эксперименты показали, что при увеличении высоты подъема трассы связи увеличивается уровень прямого УФ сигнала, а уровень рассеянного УФ сигнала уменьшается.

Ключевые слова: оптическая антенна, рассеяние, лазерная линия, светодиод, нормальное распределение, угол расходимости.

EXPERIMENTAL CHARACTERISTICS OF ULTRAVIOLET MULTILAYER SIGNALS DISTRIBUTION ON THE TRAILS OF KAITANAK OBSERVATORY IN THE REPUBLIC OF ALTAI

Alexander V. Britvin

Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-71-20, e-mail: jeepo@yandex.ru

Irina S. Mesenzova

Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer, phone: (383)330-71-20, e-mail: mesenzova.i@yandex.ru

Nikita A. Pavlov

Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer, phone: (383)330-71-20, e-mail: pna1994@mail.ru

Arseniy V. Povazhaev

Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Акаёеш1к Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)330-71-20, e-mail: powazhaev@yandex.ru

Boris V. Poller

Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Head of Laboratory, phone: (383)330-71-20, e-mail: lablis@mail.ru

The study of optical performance of a multipath UV emitter on a matrix of 3 x 3 UV LEDs with a beam divergence angle of 0.33 degrees and a divergence angle of all the rays of 6 degrees in a high-altitude atmosphere are investigated. The distribution of UV pulses with a closed track showed their proximity to the lognormal distribution. Experiments have shown that as the elevation of the communication track increases, the level of the direct UV signal increases, and the level of the dispersed UV signal decreases.

Key words: optical antenna, dispersion, laser line, LED, normal distribution, divergence angle.

Введение

Рост потребностей в увеличении объемов и скорости передачи информации в системах мониторинга наземных объектов, в системах управления производством, стимулирует интерес к новым беспроводным оптическим (инфракрасным (ИК) и ультрафиолетовым (УФ)) линиям связи и контроля. ИК линии уже широко применяются при прямой видимости между объектами, но в условиях отсутствия прямой видимости могут применяться уже УФ линии.

Ранее экспериментальные УФ линии на длинах волн 253 нм, 250-330 нм, 338 нм, 365 нм, 385 нм, 405 нм, 450 нм исследовались в работах [1-4].

На лазерной линии на 253 нм в 1998 г. ИЛФ СО РАН совместно с ИХКиГ СО РАН на трассах в Академгородке с превышением над прямым лучом около 100 м получены характеристики ослабления и флуктуации рассеянных сигналов на дальности до 1500 м. На широкополосной УФ линии в области 250-330 нм получена дальность прямой связи до 8 км при отношении сигнал шум более 10. Для этой УФ линии связи с рассеянием в 2002 г. в Академгородке была впервые осуществлена передача речевой информации на расстояние 1 км с хорошим качеством, передача частоты потока импульсов с погрешностью менее 4 %.

На импортных полупроводниковых излучателях 250 нм нами в 20042006 гг. получены характеристики ослабления и рассеяния сигналов на трассе до 100 м, на 365 нм прямая связь до 1 км, с рассеянием до 100 м.

Результаты экспериментов, выполненных сотрудниками ИОА СО РАН в 2011 - 2016 гг. по лазерным линиям УФ и видимого диапазонов с рассеянием в атмосфере приведены в публикациях [5-7].

Интенсивные исследования и применение УФ информационных систем проводятся за рубежом, разработаны специализированные излучатели и приемники для УФ диапазона [8-11].

В АО «НИИПП» (г. Томск) совместно с ИЛФ СО РАН и ЗАО «СКБ» созданы экспериментальные образцы УФ светодиодов, на которых был разработан многолучевой передатчик на 365 нм, испытанный на трассах в Академгородке и в Республике Алтай (обсерватория ИЛФ СО РАН «Кайтанак».)

В условиях трасс обсерватории «Кайтанак» на высотах от 1100 до 2100 м в 2012-2017 гг. выполнены исследования характеристик лазерных линий: 0,4; 0,55; 0,802; 1,55 мкм и миллиметровых радиолиний на 4,5 мм (75 ГГц), линий на УФ диодах 365 нм.

Отличие трасс «Кайтанака» от трасс Академгородка заключается в том, что они в 3-10 раз выше над уровнем моря, чем трассы Академгородка. Соответственно плотность атмосферы, аэрозольный состав воздуха, оптические фоны существенно иные, что влияет на характеристики линий.

Для определения характеристик распространения УФ сигналов производились измерения ослабления сигналов как на прямых трассах с прямой видимостью, так и на закрытых трассах, без прямой видимости между излучателем и приемником.

Методы и материалы

Для исследований использовались многолучевой УФ излучатель на матрице 3 х 3 УФ светодиодов с углом расходимости луча 0,33 градуса и углом расходимости всех лучей 6 градусов. Импульсная мощность на длине волны 365 нм от УФ СД около 4,5 Вт.

Также использовался однолучевой излучатель на длине волны 365 нм от УФ СД с импульсной мощностью 0,5 Вт и углом расходимости луча около 0,5°.

Для приема излучения использовались как фотодиодный приемник с чувствительностью не хуже 5 нВт на 365 нм с различными оптическими антеннами (линзы, телескоп ТАЛ-1), так и приемник на ФЭУ с чувствительностью не хуже десятков пВт на 365 нм с кварцевой линзой и фильтром УФС-5. Выходные сигналы регистрировались с помощью осциллографов На^екББО 1202В. Схема лучей на закрытой трассе и состав оборудования представлены на рис. 1.

Измерения на прямой трассе производились при метеорологической дальности видимости не менее 10 км. Измерения на закрытой трассе для снижения фоновых засветок производились в темное время суток, полученные зависимости от углов поворотов в основном соответствуют ранее полученным данным в условиях трасс Академгородка, за исключением уровней сигнала, так как измерения производились на высотах трасс в пять - шесть раз больше, чем в Академгородке. Осциллограмма сигнала с фотодиодного приемника с оптикой ТАЛ-1 от однолучевого излучателя на прямой трассе представлена на рис. 2.

Распределение амплитуд импульсов представлено на рис. 3, проверка гипотез о распределении показала близость к нормальному распределению.

Сечение луч

Поворотный стенд

Унакл

к

накл

Генератор Усилитель

Матрица излучателей Линза планарная Линза кварцевая Оптический фильтр Фотоэлектронный умножитель Усилитель

Поворотный стенд

Компьютер

Рис. 1. Схема лучей на закрытой трассе и состав оборудования

1

2

3

4

5

6

7

8

1

8

7

Рис. 2. Осциллограмма сигнала с фотодиодного приемника

с оптикой ТАЛ-1

Amplitude

20 40 60

100 120 140 160 180 200 Amplitude

Рис. 3. Гистограмма распределения амплитуд импульсов

Заключение

Распределение УФ импульсов при закрытой трассе показала их близость к логнормальному распределению.

Эксперименты показывают, что при увеличении высоты подъема трассы связи увеличивается уровень прямого УФ сигнала, а уровень рассеянного УФ сигнала уменьшается. Изменение конфигурации УФ пучка путем переключения лучей в матрице 3 х 3 позволяет реагировать на пространственную неоднородность атмосферы по трассе распространения и также создавать рассредоточенные зоны связи и мониторинга.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пожидаев В. Н. Выбор длины волны для систем загоризонтной связи / Радиотехника и электроника. - 1977. - № 11. - С. 2265-2271.

2. Поллер Б. В., Щетинин Ю. И., Коняев С. И. и др. Характеристики атмосферного оптического канала связи с рассеянием // 8-ая Междунар. научн.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь»: сб. докладов в 3 т. (Воронеж, 23-25 апреля 2002 г.). - Воронеж, Россия, 2002. Т. 1. - С. 735-745.

3. Поллер Б. В. Ультрафиолетовые лазерные информационные системы. Состояние и перспективы развития // ГЕО-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). - Новосибирск : СГГА, 2005. Т. 6. - С. 21-24.

4. Поллер Б. В., Щетинин Ю. И. Телекоммуникационные технологии на основе ультрафиолетового канала связи с рассеянием // Межд. научн.-практ. конф. ПФИС-2006:

сб. материалов конф. (Новосибирск, 31 июля - 3 августа 2006 г.). - Новосибирск : ИВМиМГ СО РАН, 2006. - С. 229-233.

5. Поллер Б. В., Бритвин А. В., Кусакина А. Е. Экспериментальные характеристики распространения лазерных сигналов на горизонтальной и наклонной трассах на горном Алтае // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 5. - С. 108-110.

6. Белов В. В., Абрамочкин В. Н., Гриднев Ю. В. и др. Бистатическая оптико-электронная связь в УФ-диапазоне длин волн. Полевые эксперименты в 2016 г. // Оптика атмосферы и океана. - 2017. - № 2. - С. 111-114.

7. Тарасенков М. В., Белов В. В., Познахарев Е. С. Моделирование процесса передачи информации по атмосферным каналам распространения рассеянного лазерного излучения // Оптика атмосферы и океана. - 2017. - № 5. - С. 10-15.

8. Shaw Gari A., Siegel Andrew M., Nischan Melissa L. Demonstration system and applications for compact wireless ultraviolet communications // Proc. SPIE. - 2003. - Vol. 5071. -P.241-252.

9. Haipeng D., Chen G., Arun K., Sadler B. M., Xu Z. Modeling of non-line-of-sight ultraviolet scattering channels for communication // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. -2009. - Vol. 27 (9). - P. 1535-1544.

10. Han D., Liu Y., Zhang K., Luo P., Zhang M. Theoretical and experimental research on diversity reception technology in NLOS UV communication system // Optics Express. - 2012. -Vol. 20 (14). - P. 15833-15842.

11. Elshimy M. A., Hranilovic S. Non-line-of-sight single-scatter propagation model for noncoplanar geometries // Journal of the Optical Society of America A. - 2011. - Vol. 28 (3). -P.420-428.

REFERENCES

1. Pozhidayev, V. N. (1977). The choice of wavelength for the systems of over-the-horizon communication. Radiotehnika i elektronika [Radio Engineering and Electronic Physics], 11, 22652271 [in Russian].

2. Poller, B. V., Shchetinin, Yu. I., Konyaev, S. I., et al. (2002). Characteristics of an atmospheric optical communication channel with dispersion. In Sbornik dokladov: 8-oy Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii "Radiolokaciya, navigaciya, svyaz" [Proceedings of 8th International Scientific and Technical Conference "Radiolocation, Navigation, Communication": Vol. 1] (pp. 735-745). Voronezh, Russia [in Russian].

3. Poller, B. V. (2005). Ultra-violet laser information systems. State and prospects of development. In Sbornik materialov Geo-Sibir'-2005: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 6 [Proceedings of GE0-Siberia-2005: International Scientific Conference: Vol. 6] (pp. 21-24). Novosibirsk: SSGA [in Russian].

4. Poller, B. V., & Shchetinin, Yu. I. (2006). Telecommunication technologies on the basis of an ultra-violet communication channel with dispersion. In Sbornik materialov konferentsii: Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii PFIS-2006 [Proceedings of International scientific and practical conference PFIS-2006] (pp. 229-233). Novosibirsk: ICM&MG SB RAS [in Russian].

5. Poller, B. V., Britvin, A. V., & Kusakina, A. E. (2013). Experimental characteristics of distribution of laser signals on horizontal and inclined routes in mountain Altai. In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir'-2013: IX Mezhdunarodnogo nauchnogo kongressa i vistavki: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 5(3). Sib0ptika-2013 [Proceedings of Intereхpo GEO-Siberia-2013: International Scientific Conference: Vol. 5(3) SibOptics-2013] (pp. 108-110). Novosibirsk: SSGA [in Russian].

6. Belov, V. V., Abramochkin, V. N., Gridnev, Yu. V., et al. (2017). Bistatic optical-electronic communication in the UF-range of lengths of waves. Field experiments in 2016. Optika atmosferi i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2, 111-114 [in Russian].

7. Tarasenkov, M. V., Belov, V. V., & Poznakharev, E. S. (2017). Modeling of process of information transfer through atmospheric channels of distribution of scattered laser radiation. Optika atmosferi i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 5, 10-15 [in Russian].

8. Shaw, G. A., Siegel, A. M., & Nischan, M. L. (2003). Demonstration system and applications for compact wireless ultraviolet communications. Proceedings of SPIE, 5071, 241-252.

9. Haipeng, D., Chen, G., Arun, K., Sadler, B. M., & Xu, Z. (2009). Modeling of non-line-of-sight ultraviolet scattering channels for communication. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 27(9), 1535-1544.

10. Han, D., Liu, Y., Zhang, K., Luo, P., & Zhang, M. (2012). Theoretical and experimental research on diversity reception technology in NLOS UV communication system. Optics Express, 20(14), 15833-15842.

11. Elshimy, M. A., & Hranilovic, S. (2011). Non-line-of-sight single-scatter propagation model for noncoplanar geometries. Journal of the Optical Society of America A, 28(3), 420-428.