Моделирование атмосферных трасс для линий оптической связи без прямой видимости для обеспечения геодезических и геологических работ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396 Д.Ф. Скляров

ИЛФ СО РАН, Новосибирск

МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ТРАСС ДЛЯ ЛИНИЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ БЕЗ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ И ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ

Системы передачи оптического сигнала в условиях отсутствия прямой видимости между приемником и передатчиком могут применяться в различных областях науки и техники, в частности для организации линий связи при геодезических и геологических работах.

Для реализации возможности передачи данных в оптическом диапазоне в условиях отсутствия прямой видимости, как правило, используется принцип рассеяния светового потока. Обычно элементарными рассеивателями являются молекулы воздуха - явление молекулярного или Рэлеевского рассеяния, которое несложно наблюдать для нижней границы видимого и УФ диапазонов длин волн в чистой незамутненной атмосфере. В сложных метеорологических условиях доминирует явление «аэрозольного» рассеяния, или рассеяния Ми. В этом случае рассеивателями являются многочисленные частицы воды, либо ее паров, а также различные пылевые частицы, содержащиеся в атмосфере. Коэффициент аэрозольного рассеяния, как правило, на порядок превышает коэффициент молекулярного, что позволяет уменьшать чувствительность приемников рассеянного оптического сигнала, однако сильная пространственная и временная неоднородность аэрозолей в атмосфере не позволяет реализовать стабильный оптический канал связи без прямой видимости.

Таким образом, можно выделить следующие основные моменты, которые необходимо учитывать при построении модели оптической трассы без прямой видимости:

- Длина волны излучателя - основная характеристика, влияющая на коэффициенты рассеяния в атмосфере, изменение коэффициента рэлеевского рассеяния в зависимости от длины волны изображено на рис. 1;

- Метеорологические условия - характеристика, описывающая явление аэрозольного рассеяния;

- Диаграммы направленности приемника и излучателя.

074 отношение интегральной

_—: 45.179 мощное™ рассеяния

О .if между волнами с

длиной 270 и 700 нм

1

4

q

q

Рис. 1. Качественная зависимость коэффициента рассеяния от длины волны

Мною была написана программа в программной среде MathCad, описывающая величину оптического сигнала для произвольных длин волн в различных пространственных координатах, относительно оптической оси излучателя. За основу расчета взята модель подробно изложенная в [1].

Проведенное аналитическое исследование влияния Рэлеевского рассеяния на дистанцию устойчивого приема рассеянного сигнала, совместно с экспериментами Лаборатории Лазерных Информационных Систем Института Лазерной Физики СО РАН [2] показало, что на больших расстояниях наблюдается существенное ослабление сигнала, вызванное главным образом атмосферным поглощением света УФ диапазона (рис. 2). При расчетах принимались следующие начальные данные:

Длина волны X = 380 нм

Интенсивность светового потока I = 1 Вт

Коэффициент затухания атмосферы к = 0.002 1/см

Оптическая трасса имеет следующие характеристики:

- Горизонтальное расстояние между приемником и передатчиком составляет X = 1000 м

- Начальное положение приемника У = 1 м в направлении

перпендикулярном лучу передатчика

- Диаметр пучка О = 1 м

- Апертура приемника ё = 10 см

При этом стоит отметить, что непосредственный вклад молекулярного рассеяния в затухание сигнала не вносит существенных изменений в картину, т. к. даже для дальнего УФ диапазона коэффициент Рэлеевского рассеяния значительно меньше коэффициента атмосферного поглощения света. Использование когерентных источников УФ излучения, позволяет существенно увеличить передаваемую мощность и соответственно улучшить дальность и помехоустойчивость канала связи [7].

Исходя из теории молекулярного рассеяния, очевидно, что само молекулярное рассеяние является достаточно малой величиной, накладывающей жесткие требования к чувствительности приемной системы, что особенно остро проявляется на значительных расстояниях. В решении данной проблемы особую роль играют оптические антенны приемников, формирующие диаграмму направленности.

Рис. 2. Зависимость уровня принимаемого сигнала от ширины диаграммы

направленности приемника

С точки зрения геометрической оптики в условиях чистой незамутненной атмосферы вне зависимости от угла расходимости передатчика, при условии захвата всего сечения оптического потока антенной приемника, интенсивность светового потока, захватываемая приемником, будет величиной постоянной. Это позволяет существенно упростить модель, рассматривая световой поток передатчика, как бесконечно тонкий не расходящийся луч, распространяющийся вдоль оси абсцисс геометрической системы координат.

Из чего следует, что увеличения величины непрерывного рассеянного сигнала на приемном модуле достаточно расширить угол захвата приемной оптической антенны.

На рис. 2 приведена итоговая зависимость величины непрерывного рассеянного сигнала от угла захвата приемной антенны, в условиях ортогональной направленности приемника и излучателя. Расчет производился по формуле:

(1)

Однако учет индикатрисы молекулярного рассеяния [2] показывает, что величина захватываемого приемником рассеянного светового потока, существенно зависит также и от угла наклона приемника относительно перпендикуляра к оси передатчика. Данная зависимость изображена на рис. 3 совместно с индикатрисой Рэлеевсого рассеяния.

5 10

4.213836

0

410

80

80

310

80

210

80

1*10

80

13

5.208364-10

30

Рис. 3. Индикатриса молекулярного рассеяния и изменение уровня принимаемого

рассеянного сигнала при поворотах приемника вдоль оптической оси

Таким образом, наибольшая интенсивность принимаемого светового потока соответствует направлению приемника вдоль оптической оси при приеме прямого и обратного рассеяния.

Ситуация значительно изменяется в условиях приема импульсного, либо амплитудно-модулированного сигнала [5]. В связи с тем, что любой оптический импульс обладает конечной длительностью во временной области и распространяется в пространстве со скоростью света, его можно также охарактеризовать и «пространственной длиной»:

1 = ^ * с,

где с = 3*1010 см/с - скорость света в вакууме;

^ - длительность импульса.

Конечная длительность импульса в свою очередь создает эффект искажения фронта и затягивания импульса, что приводит к искажению импульса в целом.

Распространение рассеянного сигнала в пространстве происходит по следующему закону [1, 6]:

2 2

,2

91 ' |П*-М (ц.со8(, )2)^ (2)

1(1 ) ------- ------ Л1 + сов(] )

2Ш2!4\п2 + 2 I 81

С учетом изменения функции угла от времени по закону:

(1) -аХащ—^—] (3)

^0- *0/

интегрируя (2) по всем значениям 1 можно записать искажение формы импульса во времени.

На рис. 4 изображено искажение формы импульса для импульсных сигналов различной длительности 1 = 0.1 мкс и 1 = 0.01 мкс, значения оптической мощности рассеянного сигнала приведены в ближней зоне на расстоянии 3 метра между приемником и передатчиком. При удалении приемника от передатчика происходит экспоненциальное уменьшение принимаемого сигнала, обусловленное атмосферным поглощением.

9.6-10

4.8-10

4-Ю

2-Ю

•10

Рис. 4. Деформация формы прямоугольных импульсов длительности 0,1 мкс

и 0,01 мкс за счет рассеяния

13

1 -10

2.4-10

3

4

1.92-10

8-Ю

3

4

1.44-10

6-Ю

4

4

4

4

0

0

0 4.42-10 8.84-10 1.33-10 1.77-10 2.21

7

— о —о —о —о —о

0 1-Ю 2-Ю 3-Ю 4-Ю 5-Ю

Таким образом, можно наблюдать, что при увеличении частоты импульсных последовательностей наблюдается перекрытие соседних импульсов, что может привести к нарушению стабильности системы.

Решением данной проблемы может являться ограничение диаграммы направленности приемника пространственной длиной импульса в горизонтальной плоскости луча передатчика, что не позволит приемнику принимать одновременно более одного импульса, однако при этом существенно падает интенсивность принимаемого сигнала, что приводит к ужесточению требований по чувствительности приемного модуля.

Заключение: На основании всех вышеизложенных аспектов рассеяния оптического сигнала была написана программа в ПК МаШСаё, позволяющая строить аналитические модели произвольных оптических трасс для лазерных линий связи без прямой видимости, работающих в произвольном диапазоне длин волн. Аналитическая модель в достаточной степени соответствует экспериментально полученным данным по рассеянию оптического излучения в атмосфере, что позволяет использовать ее для определения основных параметров приемников и передатчиков оптической линии связи.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Д.В. Сивухин, Оптика, М., Наука, 1980 (1-е изд.) - Общий курс физики в 5-ти томах, т. 4.

2. Поллер Б.В., Щетинин Ю.И., Коняев С.И. и др. Характеристики атмосферного канала связи с рассеянием. VIII МНТК «Радиолокация, навигация, связь», стр. 735-745, Воронеж, 2002.

3. Poller B.V., Bagaev S.N., Belyakov. Problem of Building Laser Information of New Generation // Proc. Of Intern. Symp. On Modern Problems of Laser Physics, Novosibirsk 1995, p. 27.

4. А. Исимару Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - Москва: Мир, 1981. - 598 с.

5. Поллер Б.В., Щетинин Ю.И., Федоров Б.В. Об эффективности передачи

сообщений в атмосферных оптических каналах связи с рассеянием. IX МНТК «Радиолокация, навигация, связь», стр. 397-402, Воронеж, 2003.

6. А.Н. Матвеев Оптика // М.: Высшая школа, 1985.

7. Г.С. Ландсберг, Общий курс физики, Оптика, М. «Наука», 1976.

© Д.Ф. Скляров, 2006