CC BY
153
УДК 535: 621.375.826.004.14
А.В. Бритвин, Б.В. Поллер, А.В. Алексеев
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
О СВОЙСТВАХ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
A.V. Britvin, B.V. Poller, A.V. Alexeev
ABOUT BACKSCATTERING PROPERTIES OF ULTRAFIOLET SIGNALS FOR MOBILE OBJECTS CONTROL
This paper is devoted to some abilities of non line-of-sight optical communication systems.
Известны методы управления подвижными объектами при использовании оптического атмосферного канала, как для передачи информации, так и для дальнометрии и навигации [1, 2, 3]. Однако использование атмосферных оптических каналов ограничено требованием прямой видимости между объектами. В случае возникновения препятствия между объектами произойдет нарушение управления и передачи информации. Поэтому актуально исследование оптического канала связи с рассеянием в атмосфере, обеспечивающего управление и передачу информации без прямой видимости.
Теоретические зависимости уровня принимаемого сигнала от расстояния между приемником и передатчиком и углами подъема приемника и передатчика представлены в работах [4, 5, 6]. Однако в этих работах не рассматриваются характеристики канала для больших углов рассеяния в УФ-диапазоне. В работах агентства DARPA используются передатчики с большим углом расхождения излучения и приемники с большим углом поля зрения [7, 8].
Целью работы является исследование характеристик уровня принимаемого сигнала за препятствием и в удалении от него для одностороннего и двухстороннего канала.
Для канала с рассеянием наиболее целесообразно использовать ультрафиолетовый (УФ) диапазон спектра. В УФ-диапазоне коэффициент рассеяния значительно выше, чем в инфракрасном (ИК) диапазоне. Рассеяние в атмосфере разделяется на аэрозольное и молекулярное (релеевское). В ИК-диапазоне доминирующую роль играет аэрозольное рассеяние и молекулярным рассеянием можно пренебречь. В аэрозоле доминирует водяной пар, содержание которого сильно зависит от температуры воздуха [9]. Так при идентичной влажности количество аэрозоля при температуре +30 °С в 135 раз превышает количество водяных паров при температуре -35 °С. Молекулярное рассеяние задает минимальный рассеянный сигнал и позволяет организовывать оптический канал УФ-связи с рассеянием в атмосфере с малым содержанием аэрозоля (в данном случае сложно
построить канал с рассеянием в ИК-диапазоне). Следует отметить, что увеличение аэрозоля (приводящего к замутнению среды) в канале с рассеянием приводит к увеличению сигнала в отличие от канала с прямой видимостью [10]. В работе [2] рассматривается возможность определения координат объекта в условиях отсутствия прямой видимости по атмосферному оптическому каналу с рассеянием.
В случае использования лазерных источников с малым углом расхождения сечение луча на расстоянии несколько километров практически не изменяется и в сравнении с геометрией трассы мало, поэтому можно им пренебречь. Луч проходит от излучателя до точки рассеяния расстояние Ьі. Пусть в поле зрения приемника попадает участок луча от Іі до 12 протяженностью А1 (рис. 1). Предположим, что на данном участке за счет молекулярного рассеяния (по закону Бугера) будет рассеяна мощность і-ехр(-ат А1). Где ат коэффициент молекулярного рассеяния. Принимаемая мощность зависит также от расстояния от точки рассеяния до приемника Ь2, от угла рассеяния излучения у:
р. = р0 } -Атт О <Я (1}
,, %х-Ь2
где Р0 - излучаемая мощность, Р— принимаемая мощность, Aпр -площадь приемника, Jm - индикатриса молекулярного рассеяния, Ja -индикатриса аэрозольного рассеяния [8], оС - коэффициент аэрозольного рассеяния, от - коэффициент молекулярного рассеяния, а - общий коэффициент ослабления (поглощение газами плюс рассеяние).
Рис. 1. Схема для расчета оптического канала с рассеянием
На рис. 2 представлена расчетная зависимость уровня принимаемого сигнала от угла подъема приемника при различных углах подъема передатчика. Как видно из рис. 2 при углах подъема более 90° (приемник направлен в противоположном направлении от излучателя) уровень принимаемого сигнала возрастает. Это вызвано формой индикатрисы
молекулярного рассеяния. Таким образом, находясь непосредственно за препятствием наибольший сигнал можно получить при направлении приемника в противоположную от передатчика сторону.
Н
га
0^
Ч
03
К
и
8
о
л
К
и
со
О '
а -
1 10
40 60 80 100 120
угол подъема приемника, градусы
140
0 20
---- 10 градусов
---- 20 градусов
— 30 градусов
Рис. 2. Зависимость уровня принимаемого сигнала от угла подъема
приемника
160
Данные зависимости не дают полного представления о характеристиках принимаемого сигнала при появлении препятствия и удалении приемника от оси направления передатчика.
Для оценки этих характеристик рассмотрим следующую задачу. На расстоянии L от передатчика расположено вертикальное протяженное препятствие высотой ^ параллельно оси Y (рис. 3). Излучатель расположен в начале координат и направлен вдоль оси Х под наименьшим возможным углом ^. (т.е. непосредственно над препятствием).
Рис. 3. Схема для расчета зоны связи
Приемник располагается в точке С с координатами (Х,У). Угол поля зрения приемника направлен непосредственно над препятствием. Оси излучателя и приемника пересекаются. Путем несложных математических операций находим эквивалентные углы подъема излучателя и приемника (¥\ ¥*г) для треугольника АВС:
r AB 2 + AC 2 - BC 2Л
arccos
2 • AB • AC
BC 2 + AC2 ~ AB2 ^
2-BC - AC
(3)
где AB = yjb2 +
h2 , AC
ylx2+Y2
BC -L^ + Y2 +h2
Форма индикатрисы молекулярного рассеяния не зависит от длины волны. Форма индикатрисы аэрозольного рассеяния зависит не только от длины волны излучения, но также и от характеристик аэрозоля. Так как нет характерных различий для аэрозольной индикатрисы от длины волны в УФ диапазоне, расчет производился не для конкретной длины волны, а для соотношения между коэффициентами молекулярного и аэрозольного рассеяния. Расчет производился для «солнечно-слепого» диапазона где можно не учитывать характеристики помех от солнца.
Расчет проводился для двух вариантов. В первом расчет проводится для минимально возможных углов подъема приемника и передатчика. При втором варианте находятся наилучшие параметры канала связи. Расчет производится для углов приемника от минимального возможного до максимального возможного и выбирается наилучший результат по уровню сигнала.
На рис. 4 представлены результаты расчета для препятствия высотой 15 метров на удалении 150 метров от передатчика. Отношение коэффициента аэрозольного рассеяния к молекулярному равно 1. Сплошными линиями показан уровень сигнала. Пунктирными - угол подъема подвижного
г
приемника или передатчика. По оси абсцисс отложено расстояние от стационарного объекта. По оси ординат удаление от оси направления стационарного объекта.
В первом столбце представлены результаты по первому варианту расчета. Во втором столбце по второму варианту. На рисунке 4а представлены результаты расчета для стационарного передатчика и подвижного приемника. На рис. 4б представлены результаты расчета для стационарного приемника и подвижного передатчика. На рис. 4в представлены зоны связи для двухстороннего канала при жестком совмещении осей приемника и передатчика на стационарном и подвижном объекте.
Расчет зоны связи для двухстороннего канала производился путем перемножения коэффициентов передачи односторонних каналов.
Рис. 4. Уровень принимаемого сигнала в зависимости от удаления от
препятствия для трех случаев:
а) односторонний канал со стационарным передатчиком; б) односторонний канал со стационарным приемником; в) двусторонний канал (оси приемника и передатчика совмещены.
Из результатов выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
- Сравнение результатов расчета по варианту 1 и 2 показывает, что непосредственно за препятствием для управления и обмена информацией наиболее целесообразно использовать обратное рассеяние.
- Наименьший сигнал наблюдается при приеме излучения под углом рассеяния 90°. Это объясняется индикатрисой.
- Использование молекулярного обратного рассеяния УФ-сигналов в атмосфере позволяет реализовать оптический канал управления и связи без прямой видимости между объектами в близи препятствия.
На рис. 5 представлены теоретические и экспериментальные результаты по приему обратно рассеянного сигнала на расстоянии 75 м при различных углах подъема передатчика, полученные для области длин волн 0,25 - 0,35 мкм. Эксперимент достаточно хорошо подтверждает теоретические расчеты о возможности создания атмосферного канала связи с обратным рассеянием.
200 ------------------------------------------------------------------
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Угол подъеиа привиника, градус ЕЗ '□ У шп ш дьема rape датчика = 1 градус эксперимент Угол пэдьема гаредатчика =3градус эксперимент 0-0 Утл гюдьема гаредатчика =10 градус эксперимент .
— ■ Угол пэдьема гаредатчика =1 градус расчет
---- Угол пэдьема гаредатчика =3градус расчет
--- У шп пэдьема гаредатчика = 10 градус расчет
Рис. 5. Экспериментальные и теоретические результаты эксперимента по приему обратно рассеянного сигнала на расстоянии 75 м
1. Пратт, Вильям К. Лазерные системы связи / Вильям К. Пратт; пер. с англ. под. ред. А.Г. Шереметьева. - М.; Связь, 1972. - 232 с.
2. Поллер, Б.В. О применении ультрафиолетовых лазерных систем для определения координат объектов вне прямой видимости / Б.В. Поллер, А.В. Бритвин, С.И. Коняев, Ю.И. Щетинин, Е.В. Удальцов // Сб. матер. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2005» - Новосибирск, СГГА, 2005. - Т. 6.- C. 130-133.
3. О построении локальных систем координатно-временного обеспечения на базе ультрафиолетовых лазеров и оптических часов. "Фундаментальное и прикладное координатновременное и навигационное обеспечение" (КВНО-2007) / С.Н. Багаев, В.М. Клементьев, Б.В. Поллер, А.В. Бритвин, С.И. Коняев, Е.В. Удальцов, Б.С. Могильницкий, Ю.И. Щетинин. - СПб., 2007.
4. Кеннеди, Р.С. Введение в теорию передачи сообщений по оптическим каналам с рассеянием / Р.С. Кеннеди.- ТИИЭР, 1970. - Т. 58, №10.- С. 264-278.
5. Хинрикус, Х.В. Шумы в лазерных информационных системах / Х.В. Хинрикус.- М.: Радио и связь, 1987. - 108 с.
6. Пожидаев, В. Н. Выбор длины волны для систем загоризонтной связи / В.Н. Пожидаев // Радиотехника и электроника.- 1977. - № 11. - С. 2265-2271.
7. Shaw G.A., Nischan M.L., Iyengar M., Kaushik S., and Griffin M.K. NLOS UV Communication
for Distributed Sensor Systems / Proceedings SPIE. - 2000. - V. 4126. - P. 83.
8. Shaw G.A., Nischan M.L. Short-Range NLOS Ultraviolet Communication Test Bed and Measurements / Proceedings SPIE. - 2001. - V. 4396. - P. 16-20.
9. Хромов, С.П. Метеорологический словарь 3-е изд. / С.П. Хромов, Л.И. Мамонтова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 568 с.
10. Mooradian G.C., Geller M., Levine P. H. et all. Over-the-horizon optical propagation in a
maritime environment. - Appl. Opt., 1980. - V. 19, № 1. - P. 11-30.
© А.В. Бритвин, Б.В. Поллер, А.В. Алексеев, 2008
