Лабораторна робота № 2

Розрахунок адаптивних оптичних систем атмосферного каналу зв’язку

Мета роботи: вивчити схеми та принципи роботи адаптивних оптичних систем у відкритих атмосферних лініях зв’язку та оволодіти навиками розрахунків параметрів інформаційних оптичних каналів зв’язку.

2.1 Основні теоретичні відомості

Динаміка систем адаптивної оптики значною мірою визначається діями, характер яких спочатку не є точно невизначеним (діями випадкової природи). Найбільш надійним джерелом інформації про статистичну динаміку адаптивних оптичних систем є натурний експеримент. Але можливості такого способу вивчення динамічних властивостей по суті є дуже обмеженими, причому не тільки в зв'язку з витратами часу та неминучою значною ціною багаторазово повторюваних випробувань (для забезпечення достатньої статистичної достовірності в умовах, максимально наближених до реальних) [3].

Метод прямого експериментального дослідження даних засобів в природних умовах має і інші (принципові) обмеження. Насамперед його неможливо використовувати не тільки на етапі проектування, але й при опрацюванні та доведенні відповідних засобів. Далі, як вказано вище, вплив на оптичні засоби є суттєво нестаціонарним внаслідок відносного переміщення об'єкта спостереження, зміни стану атмосфери та рівня освітленості тощо. Багаторазово відтворити всі такі змінні умови з достатньою точністю, як цього вимагає статистичний експеримент, як правило, є просто неможливо на сучасному рівні розвитку засобів спостереження і досить обмежених можливостях цілеспрямованої дії на зовнішнє середовище, наприклад, на атмосферні умови.

Гостронаправлені світлові пучки когерентного випромінювання все частіше використовуються у промисловості, науці, техніці, медицині.

Розглянемо особливості використання адаптивної оптики у активних системах оптичної локації та зв’язку. При розгляді адаптивних оптичних систем, що працюють на відбитому від цілі випромінювані, як правило, відбитий сигнал вважають достатньо сильним, нехтуючи наявними в ньому власними шумами. Однак у оптичній локації корисний сигнал найчастіше всього спотворюється як зовнішніми, так і внутрішніми шумами. Для зниження їхнього впливу в оптичній локації і зв’язку використання алгоритмів фазового спряження потребує попередньої просторово-часової фільтрації приймального сигналу. Іншою особливістю роботи адаптивних систем є існування деякої оптимальної кількості субапертур (кількості ступенів свободи) адаптивного дзеркала, яка залежить від співвідношення сигнал-шум. Оскільки точність вимірювання фазових збурень зменшується із зростанням шуму, подрібнення приймально-передавальних субапертур (та відповідне зростання їх кількості) при супутньому зменшенні точності вимірювань хвильового фронту негативно впливає на компенсацію цих збурень. Зокрема, якщо умовно оцінювати ступінь “зрізаності” хвильового фронту кількістю “плям когерентності” N_n, які укладаються на апертурі, то залежність числа Штреля від кількості субапертур К матиме вигляд, поданий у табл. 2.1 [4].

Таблиця 2.1 – Залежність числа Штреля від кількості субапертур адаптивного дзеркала

З таблиці 2.1 видно, що збільшення кількості субапертур із врахуванням кінцевого відношення сигнал-шум не завжди дає зростання точності компенсації збурень адаптивним дзеркалом. Аналогічна картина спостерігається і для дзеркала з суцільною поверхнею. В наведеному прикладі оптимальна кількість субапертур при N_n = 10 дорівнює К = 13 (відношення сигнал-шум 10) і К = 33 (відношення сигнал-шум 10²).

Для пасивних систем оптичної локації задача компенсації ставиться аналогічно розглянутій у додатках до оптичної астрономії [4]. Отримання на приймачі зображення цілі, що обмежене лише дифракцією, дозволяє з максимальною ефективністю виділити корисний сигнал на фоні паразитного засвічування.

Зменшення розбіжності пучка шляхом застосування адаптивної оптики дозволяє здійснити більш високу концентрацію світла і, поряд з покращенням енергетичних характеристик світлового пучка, може бути з успіхом використаним у технологіях при різанні та зварюванні, виготовленні мікросхем, свердлінні отворів і т.д.

Досить корисною може виявитись компенсація викривлень, наприклад, при проведенні оптичного зварювання у вакуумі або у камері з інертним газом через прозору стінку.

При здійсненні великих проектів (систем передавання енергії на далекі відстані, оптичних телескопів) виправданою є розроблення великих адаптивних систем, які мають множину каналів керування зі складною розгалуженою структурою, використанням швидкодіючих ЕОМ та відповідним штатом співробітників для обслуговування.

В звичайних умовах, наприклад, у технологічних установках, доцільно обмежитись більш простими системами адаптивної оптики, до яких відносять системи компенсації викривлень низьких мод – нахилів хвильового фронту, кривизни поля, астигматизму.

Розвиток і вдосконалення адаптивної оптики в перспективі повинен привести до створення простих та недорогих пристроїв, застосування яких дозволить практично повністю усунути виникаючі фазові збурення. З цієї точки зору найбільшу користь може становити створення стандартизованого адаптивного оптичного модуля, який підходить для використання в установках різного профілю. Такий модуль міг би включати невелике монолітне п’єзоелектричне дзеркало, дифракційний розгалужувач, приймач випромінювання та блок керування [8].

2.2 Приклад розрахунку адаптивної оптичної системи

Нехай необхідно створити відкритий оптичний канал зв’язку на робочій довжині хвилі l = 0,6 мкм. Приймаючий пристрій віддалений на відстань L = 10 км і має розміри приймальної антени 2r = 0,1 м. Умовно вважаємо, що за допомогою адаптивної оптики ми повністю наближаємо систему до ідеальної.

     1. Знаходимо розмір D апертури передавальної антени. Для цього скористаємось формулою для розміру дифракційної плями ідеальної системи

     ,      (2.1)

звідки D » 0,15 м.

     2. Оцінимо радіус когерентності атмосфери

     , (2.2)

для сильної турбулентності із отримуємо r₀ » 5см.

     3. Для розрахунку дисперсії фазових збурень в атмосфері скористаємось формулою Д. Фріда

     . (2.3)

З урахуванням розрахованих вище значень .

     4. Середнє число Штреля, яке характеризує потужність сигналу на приймальній апертурі, пов'язують із усередненою інтенсивністю приймача

     , (2.4)

Нехай ефективність системи за Штрелем становить < І*> = 0,8, тоді маємо N » 14. Таким чином, можна скласти на адаптивному дзеркалі квадратну сітку приводів 4ґ4 або гексагональну N=19 (із певним запасом).

     5. Діапазон переміщення приводів знаходимо виходячи з середньоквадратичного значення фазових збурень s_S » 0,8p. Якщо відстань між приводами на дзеркалі становитиме 3 см, амплітуда збурень складатиме 3s_S, а відповідний діапазон переміщень |x| < 0,36 мкм.

     6. Смуга пропускання частот адаптивної системи повинна складати не менше

     . (2.5)

Звідси при швидкості поперечного вітру V = 10 м/с отримаємо частотну смугу f_c = w_с/2p » 250 Гц.

7. Для системи зв’язку необхідно використовувати відносно просту й недорогу одноканальну систему апертурного зондування з частотами модуляції f_mod > 10f_c (наприклад, 5...23 кГц для N = 19 каналів). Прогнозована швидкодія такої системи 3...4 мс. Отримання зворотного сигналу можливе за рахунок організації радіоканалу, кабельного з’єднання приймача з передавачем, багатократного відбиття оптичного сигналу (при запасі потужності) і т.д. Необхідно лише, щоб частотна смуга пропускання каналу обміну була щонайменше 23 кГц.

Таким чином, в результаті роботи адаптивної системи інформаційного каналу зв’язку потужність прийнятого сигналу збільшується приблизно у 10³ раз. З урахуванням того, гранична потужність приймача складає близько 10^-10 Вт у смузі частот 50...100 МГц, то джерело когерентного випромінювання у 50 мВт може здійснювати передавання навіть у випадку сильної задимленості в атмосфері.

Наведений приклад має ілюстративний характер. Розробник системи може надати перевагу більш потужному джерелу або іншій робочій довжині світлової хвилі, однак коли вичерпано традиційні методи підвищення ефективності системи, необхідно звертатись до компенсації викривлень світла на повітряній трасі, тобто до методів адаптивної оптики.

Таблиця 2.2 – Індивідуальні варіанти завдань

2.3  Завдання та хід виконання роботи

1. Вивчити теоретичні питання, пов’язані з роботою адаптивних оптичних систем у відкритих інформаційних каналах зв’язку.

2. За наведеним прикладом згідно з варіантом індивідуального завдання (табл. 2.2) виконати розрахунок адаптивної системи відкритого інформаційного каналу зв'язку.

3. Побудувати графічні залежності ,,, .

4. Cкласти звіт.

Контрольні запитання

1. Субапертура оптичної системи. Секціонування адаптивних дзеркал.

2. Радіус когерентності атмосфери.

3. Що характеризує структурна стала флуктуації С_n² ?

4. Вплив числа Штреля на характеристики інформаційного каналу зв’язку.

5. Як визначити середньоквадратичне відхилення фази?