Лабораторна робота № 4

Лабораторна робота № 4

Розрахунок атмосферного каналу зв’язку

Мета роботи: вивчити механізми втрат оптичного випромінювання у атмосфері та оволодіти навиками розрахунків характеристик втрат у відкритих оптичних каналах зв’язку.

4.1 Основні теоретичні відомості

Розглянемо основні механізми спотворення оптичного випромінювання у атмосфері, що впливають на ефективність передавання сигналів у атмосферних каналах зв’язку.

4.1.1 Вплив турбулентності

Світлова хвиля, що розповсюджується у земній атмосфері, разом з енергетичними втратами зазнає флуктуацій амплітуди і фази, які зумовлені випадковим просторово-часовим розподілом показника заломлення повітря. Це викликано турбулентними рухами у атмосфері, які створюють випадкову зміну температури й відповідно показника заломлення.

Принциповий фізичний результат теорії розповсюдження хвиль у турбулентній атмосфері полягає в тому, що енергетичні втрати випромінювання виявляються незначними у порівнянні з втратами за рахунок молекулярного розсіювання, в той час як параметри оптичної хвилі зазнають суттєвих випадкових флуктуацій. Флуктуації амплітуди і фази хвилі у оптичному пучку призводять до виникнення завад, які пов’язані зі зміною структури оптичних пучків (розширення пучка, флуктуацій напрямку розповсюдження і його розщеплення).

Так, розширення пучка турбулентною атмосферою робить неможливим фокусування світла на великих відстанях. Зі збільшенням діаметра джерела дифракційна пляма у фокусі зменшується в турбулентній атмосфері не як у однорідному середовищі, а до деякого характерного розміру (розміру насичення).

Флуктуації напрямку оптичного пучка виявляються у зміщенні центра пучка відносно точки спостереження.

Розщеплення оптичного пучка на невеликих відстанях проявляється у вигляді складної структури плями, що спостерігається. Зі збільшенням відстані глибина просторової модуляції зростає. На великих відстанях (в області сильних флуктуацій) оптичний пучок виявляється розщепленим на тонкі нитки, що мають в перерізі вигляд круглих і серповидних плям. Форма плям змінюється від серповидної та круглої при боковому вітрі до комірчастої при повздовжньому [3,4].

Розсіювання оптичних хвиль на випадкових неоднорідностях показника заломлення повітря призводить до значних флуктуацій інтенсивності оптичного випромінювання у атмосфері. Експериментальне вимірювання флуктуацій інтенсивності оптичного сигналу показало, що спектр флуктуацій знаходиться в діапазоні від 0 до 5000 Гц, збільшення діаметра приймача призводить до зменшення високочастотної складової (за рахунок усереднення прийнятого випромінювання). При діаметрі приймача 100 мм основний спектр флуктуацій знаходиться у межах від 0 до 2800 Гц.

4.1.2 Нелінійні ефекти розповсюдження

При розповсюдженні в атмосфері оптичного випромінювання дуже великої потужності виникає ряд нелінійних ефектів – багатофотонні ефекти (багатофотонна іонізація та дисоціація, які призводять до пробою шару повітря), спектроскопічний ефект насичення (викликає часткове просвітлення поглинаючого шару газу), ефект самоусунення променя (внаслідок нелінійної залежності показника заломлення середовища при опроміненні потужним радіаційним потоком), ефект випаровування частинок аерозолів (під дією імпульсних і неперервних джерел випромінювання великої потужності).

Розповсюдження потужного лазерного випромінювання у середовищі може привести до зміни величини показника заломлення в каналі променю. Різниця між значеннями показника заломлення середовища всередині пучка променя і поза ним може бути такою, при якій усувається розходження променя (ефект самофокусування променя лазера).

Опромінення частинок атмосферних аерозолів потужним направленим випромінюванням супроводжується рядом ефектів, які призводять до зміни умов розповсюдження радіації в середовищі. Найбільший практичний інтерес має випаровування частинок за рахунок поглинання енергії поля. Зміна розмірів частинок обумовлює відповідну зміну об’ємних полідисперсних коефіцієнтів ослаблення. Таким чином прозорість шару розсіювального середовища залежить від інтенсивності вхідного випромінювання.

При дії на водний аерозоль світлових імпульсів великої потужності і малої тривалості частинки, аерозолі набувають направленого руху, викликаного їх нерівномірним нагріванням. В результаті такого направленого руху може відбуватися коагуляція частинок.

4.1.3 Фонові завади від сторонніх джерел

До фонових завад від сторонніх джерел в атмосфері відносять такі, що не пов’язані з передаванням оптичного сигналу та існують незалежно від наявності цього сигналу в зовнішньому (атмосферному) каналі. Розглянемо загальну характеристику фонових завад різного походження.

Серед природних сторонніх джерел, взаємодія оптичного випромінювання яких з атмосферою призводить до появи помітних фонових завад, Сонце є найпотужнішим. Не тільки пряме, але і розсіяне та відбите сонячне випромінювання в багатьох випадках є основним джерелом фонових завад в атмосфері. Але визначальним для рівня фонів при роботі конкретних оптоелектронних систем є спектральний діапазон.

В інфрачервоній області спектра помітним є вклад енергії теплового випромінювання атмосфери і земної поверхні. Співвідношення вкладів теплового випромінювання і сонячного розсіяного та відбитого випромінювання фонових завад залежить від багатьох факторів (стану атмосфери, умов спостереження, положення Сонця і т.д). Проте наближено можна вважати, що в області l > 4 мкм домінує теплове випромінювання атмосфери і земної поверхні з максимумом в спектрі випромінювання біля 10 мкм. В спектральній області l < 3 мкм переважає роль фонових завад, обумовлених сонячним випромінюванням з максимумом видимої області спектра. В інтервалі довжини хвиль 3-4 мкм має місце мінімум рівня завад, обумовлених сонячним та тепловим випромінюванням атмосфери й земної поверхні. В табл. 4.1 наведені дані максимальної яскравості фону для завад різної природи.

Таблиця 4.1 – Максимальна яскравість фону для завад різної природи

Крім теплового рівноважного випромінювання в атмосфері завжди є нерівноважне випромінювання, яке викликане рядом фізичних і хімічних процесів, що мають місце при взаємодії оптичної і жорсткої сонячної радіації з атмосферою. Результатом таких процесів є легка люмінесценція атмосфери. Нетеплове оптичне випромінювання називають світінням атмосфери. Характерним для цього нерівноважного світіння атмосфери є значна спектральна селективність. У видимій області спектра світіння є лінійним, а у інфрачервоній області емісійні лінії мають дещо більшу спектральну ширину. При роботі оптико-електронних систем в нічний час світіння атмосфери являється суттєвою завадою.

4.2 Методика розрахунку атмосферного каналу

Методика розрахунку характеристик атмосферного каналу призначена для аналізу малих та середніх (до 1000 м) трас.

Введемо ряд припущень:

розрахунок ведеться для систем передавання інформації по атмосферному каналу на світловипромінювальних діодах (СВД);
релеївським розсіюванням та нелінійним ефектами розповсюдження можна знехтувати;
згасання сигналу на похилій трасі для висот до 10 км є меншим, ніж на горизонтальній трасі тієї ж протяжності на висоті 0 км над рівнем землі;
спектр флуктуацій інтенсивності сигналу знаходиться в діапазоні від 0 до 5000 Гц;
максимальне відхилення променя внаслідок турбулентності атмосфери – 1 мрад;
у вибраному вікні прозорості відсутні сильні смуги молекулярного поглинання.

Виходячи з відомостей про молекулярне поглинання світла у атмосфері можна виділити такі “вікна прозорості”, які підходять для передавання оптичного сигналу:

400÷1330 нм (за виключенням 1200 нм);
1520÷1560 нм;
1590÷2200 нм;
3000÷3300 нм;
4100÷4700 нм.

Найбільший практичний інтерес пов’язують із першим “вікном”. Існує велика кількість джерел випромінювання із робочою довжиною хвилі у видимому та ближньому ІЧ діапазонах. Наприклад як випромінювач можна використати СВД на основі AlGaAs із спектром випромінювання 870±25 нм.

4.2.1 Дальність оптичної локації в атмосфері

У випадку однорідного оптичного середовища для направленого монохроматичного світлового пучка (наприклад, лазерного) справедливий закон Бугера

, (4.1)

де – інтенсивності монохроматичного випромінювання на вході та виході із середовища, Вт/ср, – коефіцієнт ослаблення потоку монохроматичного випромінювання, км^-1; – довжина траси, км.

Спектральний коефіцієнт прозорості середовища довжиною 1 км (питоме пропускання) .

Залежність коефіцієнта пропускання атмосфери від довжини хвилі випромінювання має селективний характер із відповідними вікнами прозорості.

Очевидно, що у випадку активної оптичної локації має місце дворазове проходження траси, тобто загальна довжина шляху визначається як .

При цьому потужність оптичного сигналу на вході приймача системи прямо пропорційна квадрату спектрального коефіцієнта одностороннього пропускання атмосфери

, (4.2)

де – потужність відбитого оптичного сигналу на вході приймача.

Отже в інтервалі малих дальностей (при роботі по протяжній цілі), максимальна дальність дії оптичної локації в атмосфері

. (4.3)

де .

В інтервалі великих дальностей (при роботі з точковою ціллю), дальність дії оптичної (в т.ч. лазерної) локації в атмосфері

. (4.4)

де .

Таким чином, ослаблення потужності лазерного зондувального та відбитого оптичних сигналів атмосферою призводить до зменшення відношення сигнал/шум на вході приймача системи. Це, у свою чергу, знижує дальність виявлення цілі.

На практиці для визначення коефіцієнта , при роботі у «вікнах прозорості» атмосфери використовують емпіричну формулу

де – товщина розсіювального шару атмосфери; (у видимому діапазоні хвиль ).

Метеорологічну дальність видимості (МДВ) визначають за формулою

(4.5)

де = 0,02 – гранична контрастна чутливість ока спостерігача (l = 0,5мкм).

МДВ є граничною дальністю видимості темних предметів з кутовим розміром 0,5° стандартним спостерігачем (= 0,02) у денний час на фоні неба.

Таблиця 4.2 – Питоме пропускання та дальність видимості атмосфери

У таблиці 4.2 наведено типові значення питомого пропускання та метеорологічної дальності видимості в залежності від стану атмосфери (l = 500 нм).

Графіки залежності спектрального коефіцієнта загасання світлового потоку від МДВ для різних довжин хвиль наведені на рис. 4.1.

4.2.2 Розрахунок впливу фонового випромінювання

Загальний шум на фотоприймачі складається з шумів, зумовлених атмосферними оптичними завадами, дробових шумів та власних шумів фотоелементів і підсилювачів.

За властивостями і фізичною природою атмосферні оптичні завади поділяють на дві групи:

фонові перешкоди, викликані власним випромінюванням атмосфери і Землі, а також розсіюванням світла від сторонніх джерел (Сонця, Місяця та ін.);
завади за рахунок викривлень оптичного сигналу, які зумовлені взаємодією сигналу з атмосферою.

Перша група являє собою адитивні перешкоди, які додаються до корисного сигналу і складаються з постійної в часі та випадкової (швидко змінної) складових. Обидві складові зменшують динамічний діапазон приймача й відповідно зменшують ефективність усієї системи передавання інформації.

Рисунок 4.1 – Залежність коефіцієнта згасання від МДВ

Друга група являє собою як адитивні, так і мультиплікативні атмосферні завади. Цей вид завад знижує ефективність інформаційної системи, змінюючи як величину, так і форму самого передавального сигналу. Збільшення потужності оптичного сигналу при цьому не веде до лінійного зростання відношення сигнал/шум. До мультиплікаційних завад відноситься одно- багатократне пряме розсіювання оптичного сигналу.

Дробові шуми зумовлені зміною інтенсивності за рахунок флуктуацій кількості прийнятих квантів оптичного сигналу.

Власні шуми фотоелементу характеризують шумові властивості фотоелементів і першого підсилювального каскаду вхідного підсилювача. Власні шуми залежать від типу фотоприймача, схеми його вмикання, типу підсилювального елементу вхідного підсилювача й ін.

Для розрахунку приймаємо, що у діапазоні довжин хвиль 800-950 нм фонові завади вдень не перевищують значення 10^-2 Вт/(см²·ср·мкм), а вночі – не більше 10^-6 Вт/(см²·ср·мкм). В такому випадку основний шум вноситься фоновим випромінюванням (іншими шумами можна знехтувати).

Таким чином, оптична потужність сигналу

, (4.6)

де S_p– площа приймача (см²), α – кут зору приймача (срад), Dλ – робочий діапазон довжин хвиль фотоприймача.

Залежно від способу модуляції оптичного сигналу змінюється й мінімально допустиме відношення сигнал/шум. Таким чином мінімальна потужність оптичного сигналу буде

, (4.7)

де – мінімальне відношення сигнал/шум для вибраного виду модуляції оптичного сигналу.

4.2.3 Розрахунок впливу відхилення променя від нормалі

Вважаємо, що максимальний кут відхилення променя від нормалі q_max £ 1 мрад. Приймаємо мінімальний кут розходження променя q_min = 2,5 мрад. Тоді при точному націлюванні оптичного передавача на приймач відхилення променя на 1 мрад не викликає зникнення сигналу в приймачі. Найбільший вплив на розходження променя здійснюють добові коливання несучих конструкцій, будівель, зсув ґрунтів та тиск вітру.

4.2.4 Розрахунок параметрів оптичної системи

Оптичні системи дозволяють перерозподіляти світловий потік із збільшенням його концентрації за окремими напрямками.

Діаметр апертури приймальної антени при цьому менший діаметра світлової плями джерела оптичного сигналу. Для оцінювання втрат потужності використовуємо вираз

, (4.8)

де L_λ – кут розходження променя, рад.; l – відстань до приймача; D – діаметр приймача.

Необхідно врахувати, що оптична система також вносить втрати. Приймаємо коефіцієнт пропускання елементів оптичної системи 0,95, відповідно потужність сигналу необхідно додатково збільшити на 0,5 дБ.

4.3 Приклад розрахунку атмосферного каналу зв'язку

Вхідні дані:

довжина хвилі – 870 нм;
робочий діапазон довжин хвиль фотоприймача – 850-900 нм;
розходження променя – 4 мрад;
довжина траси – 1000м;
дальність дії – 150 м;
радіус апертури приймача – 4 см;
площа приймального елементу – 1 см²;
кут зору приймача – 0,17 рад;
згасання у каналі – до 60 дБ/км;
модуляція – АМ;
мінімальне відношення сигнал/шум – 3 дБ.
потужність оптичних шумів

Розрахована потужність оптичних шумів складає 85 мкВт.

Розрахуємо максимальні втрати каналу за рахунок погодних умов

Втрати оптичного сигналу за рахунок розходження променя

==17,5дБ.

Знайдемо величину мінімального відношення сигнал/шум, враховуючи при цьому всі наявні типи втрат

Таким чином, розрахункове відношення сигнал/шум каналу 30 дБ.

Мінімальна потужність оптичного сигналу при цьому становить

Таким чином, потужність CВД становить ? 85 мВт.

МДВ

Спектральний коефіцієнт пропускання

Максимальна дальність дії оптичного локатора в заданих погодних умовах

4.4 Завдання та хід виконання роботи

1. Вивчити теоретичні питання.

2. Зібрати та від’юстувати установку згідно зі схемою на рис. 4.2.

3. Визначити граничну частоту роботи оптичного каналу зв’язку на відстані 3м.

4. Внести у оптичний канал розсіювальні елементи 6 із відомими коефіцієнтами втрат. Визначити граничну частоту оптичного каналу із розсіювальними елементами.

5. Визначити параметри роботи системи на максимально можливій (в лабораторних умовах) відстані траси.

6. За наведеним прикладом згідно з варіантом індивідуального завдання (таблиця 4.3) виконати розрахунок характеристик атмосферного каналу зв’язку.

7. Побудувати графічні залежності f_гран(σ_l), σ_l(L_l), R_max(R_M) для даної схеми та індивідуального завдання.