МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

АННОТАЦИЯ

Оптическая связь в свободном пространстве является незаменимым решением передачи информации на очень высоких скоростях для прямой связи. В последнее время этот тип связи используется в качестве дополнения к традиционным радиочастотным или микроволновым каналам связи и в качестве альтернативы узким интервалам подключения. Оптическая связь в свободном пространстве получила широкое распространение в силу ряда причин, включая нелицензируемый спектр и узкую ширину света, а также стала решением проблем, возникающих в беспроводных системах, использующих оптическую связь. Это связано с тем, что для передачи информации между двумя точками или областями используется лазерный свет. С помощью лазера по оптическому волокну транспортируется видео, аудио и текстовая информация. В данной статье произведен расчет основных характеристик и основных параметров оптической связи в открытом пространстве, в том числе мощность излучения, дальность связи, диаметр приемной оптики.

ABSTRACT

Optical communication in free space is an indispensable solution for transmitting information at very high speeds for direct communication. Recently, this type of communication is used as an addition to traditional radio frequency or microwave communication channels and as an alternative for narrow connection intervals. Optical communication in free space has been widely used for several reasons, including the narrow width of the non-lincalized spectrum and light, and has also become a solution to problems that arise in wireless systems that use optical communication. Because laser light is used to transfer information between two points or regions. Here, with the help of a laser, video, audio and written information is transmitted along the optical fiber. In this thesis, the calculation of the main characteristics and main parameters of optical communication in free space, including radiation power, contact range, and diameter of receiving optics, was carried out.

Ключевые слова: Оптическая связь в свободном пространстве, беспроводная связь, лучевая оптика, атмосферное рассеяние, линза.

Keywords: optical communication in free space, wireless communication, beam optics, atmospheric scattering, lens.

Сегодня трудно представить свою жизнь без интернета, главного источника обмена информацией и образования.  Интернет позволяет удаленно запускать программу обучения, делать покупки со смартфона, делиться информацией о своем местоположении с другими и записываться на прием к врачу. И это лишь малая часть возможностей беспроводной связи. Этот тип связи, который предоставляет возможность удаленной работы, также оказал положительное влияние во время пандемии COVID-19 [1].

Рисунок 1. Схема передачи данных по технологии оптической связи в свободном пространстве между двумя точками

Поскольку для большинства радиоканалов требуются выделенные каналы и лицензия, связь в свободном пространстве не лицензируется. Кроме того, соединение обеспечивает полный дуплекс, т. е. одновременный прием сообщений между пользователями с обеих сторон при телефонной, телеграфной или радиосвязи. При передаче сообщения на большие расстояния возникают препятствия на пути беспроводной или проводной связи. Барьеры также включают климатические условия, и беспроводная связь обладает высокой устойчивостью к этим препятствиям [1]. Высокая устойчивость к помехам, соответственно, приводит к меньшему количеству ошибок в широковещательном сообщении.

Много времени было затрачено на выявление физических явлений, связанных с оптическим рассеянием, распространением и излучением на поверхности Земли. Отмечается, что результаты всех исследований обусловлены атмосферными атомами и молекулами, а также естественными или искусственными преградами, такими как дождь, дым, пыль. На самом деле дождь и снег влияют на оптическую связь в открытом пространстве, но туман и водяной пар в тропиках значительно снижают возможность передачи данных. Присутствие молекул воды в воздухе указывает на то, что фотоны (частицы света) могут поглощаться за счет рассеяния, преломления или поглощения. То есть плотность принимаемого сигнала низкая, что приводит к потерям. Это приводит к полной потере сигнала, как, например, при воздействии радиочастот на беспроводные сети во время дождя. Оптическая связь в открытом пространстве может быть временно заблокирована птицами, беспилотными летательными аппаратами или воздушными объектами, такими как самолеты. Кроме того, высокие здания и деревья могут быть причинами длительной блокировки [2].

Поскольку изменить атмосферные условия невозможно, соответствующим образом выбирается длина волны лазера, используемого для оптической связи в свободном пространстве [2]. В настоящее время используются полосы с диной волны около 0,8 мкм и 1,5 мкм. При выборе элементной базы ВОС в первую очередь необходимо учитывать пропускание ОВ на рабочей длине волны или в рабочем диапазоне длин волн. Потери серийно выпускаемых оптических волокон на длине волны 0.85 мкм обычно не превышают 2–3 дБ/км [3].

Таблица 1.

Типичные параметры атмосферного рассеяния

В свободном пространстве возникают потери при расширении луча в оптическом поле, излучаемом канальным передатчиком. Параметр производительности определяется мощностью.

                          (1)

Где, P_R [Вт] – полученная мощность сигнала, P_τ [Вт] – мощность передачи,  – распределение,усиление приемной антенны, G_R – потери на расстоянии, А – системная сеть-потери, зависящие от системы.

Когда зазор передатчика заполнен, усиление передающей антенны в гауссовом свете равно  :

                                                                  (2)

Где  [рад] – полное угловое расстояние прошедшего луча.

G_R потери зазора в диапазоне G R определяются в зависимости от разрыва распределения линии L:

                                                             (3)

Кроме того, усиление приемной антенны с телескопической апертурой определяется с помощью диаметра антенны D и рассчитывается по следующей формуле:

                                                             (4)

 показывает потери, зависящие от остальной системы. К ним относятся потери в телескопе, потери из-за несоответствия сети и рассеивание света в системах мониторинга [5].

В связи с отсутствием атмосферных воздействий запас сети [Дб] выражается следующим образом:

                                                               (5)

Где,  [дБм - децибел-милливатт] полученная мощность должна быть выражена в логарифмическом выражении.  [дБм] чувствительность приемника – это мощность, которая позволяет приемнику достичь ожидаемых характеристик.

Известно, что атмосферные эффекты оказывают существенное влияние на движение частиц света лазера. Лазерный свет не может быть передан в условиях тумана. Это связано с тем, что иногда в сильных туманах ослабление составляет несколько десятков дБ/км [2]. На открытом воздухе он ослабляется действием аэрозолей и молекул воздуха.

Обычно невозможно передавать лазерный луч через облака или густой туман или дымку, так как затухание превышает несколько десятков дБ/км. На открытом воздухе сигнал ослабевает из-за ослабления молекул воздуха и аэрозолей.

Коэффициент пропускания лазерного излучения на расстоянии L выражается законом Бера. Закон Бера основан на расчете, что при параллельном пропускании лазера через несколько светопоглощающих монохроматических поверхностей он постепенно ослабевает и исчезает.

                                              (6)

Положительный эффект экстинкции () описывает уровень затухания в окружающей среде. Экстинкция – ослабление света за счет рассеяния или поглощения в окружающей среде.  Атомарные микрогазы образуют сплошные и широкие полосы, каждая из которых состоит из множества тонких полос поглощения. На основе спектрального распределения в полосах, оценивая спектр в интервале от 0,3 мкм до 1,4 мкм, можно вычислить значение атмосферного пропускного окна при низких потерях направленного пучка.

Важно отметить, что при рассеивании лазерного света помимо поглощения происходит рассеяние. Его можно выразить с помощью коэфицента релейного рассеяния. По мере увеличения высоты и длины волны эффект рассеяния уменьшается. Флуктуации показателя преломления (флуктуация - термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение) приводит к отражению света распространяющегося вдоль волокна в узком диапазоне длин волн: λ - длины волны света в вакууме, и  - это эффективный показатель преломления света в волокне [7].

Потери на пути передачи в свободном пространстве представляют собой явление затухания мощности сигнала в свободном пространстве при отсутствии препятствий и отражений. Обычно воздух считается свободным пространством. Возникновение этих потерь происходит из-за неполноценности оборудования, низкой усилительной мощности антенн.

Уравнение потерь на пути в пустом пространстве (FSPL) и влияние длины канала приведены ниже :

                                                          (7)

Оптическая связь в открытом пространстве состоит из простой схемы, обеспечивающей полнодуплексное соединение между передатчиком и приемником. И передатчик, и приемник подключаются напрямую к компьютеру или телекоммуникационной сети. Эта технология связана одномодовыми и многомодовыми оптоволоконными кабелями или коаксиальными кабелями.

Наличие лучевого зазора приводит к увеличению диаметра луча за счет увеличения расстояния. Распределение плотности энергии определяется распределением Гаусса в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. Он создает освещенную площадь в плоскости приемника, превышающую эффективную площадь приема излучения. Под влиянием плоскостей ослабевает лучистая энергия. Кроме того, условия окружающей среды и атмосферы вызывают потери энергии из-за поглощения или рассеяния излучения.

Мощность излучения, достигнутого приемника, выражается по формуле:

                            (8)

Где, – мощность излучения передатчика,  – диаметр  оптики приемника,  – расстояние между приемником и передатчиком,  – угол распространения излучения,  – атмосферная проводимость [4].

В системе используется фотодиодный детектор для регулировки фокусировки луча в плоскости. Сигналы очень высокой интенсивности используются для большой площади, охватываемой оптической системой. В оптических системах большой площади использование малой площади более эффективно за счет уменьшения фотодиодов и яркости (мигания). При наличии зазоров в приемной системе происходит «усреднение апертуры» под действием потока фотонов. Если диафрагма достаточно большая, блик падает на верхнюю поверхность линзы. Следовательно, диапазон соединения соответствует следующей формуле:

                                                       (9)

Эта формула указывает, что диаметр линзы должен соответствовать планируемому контактному диапазону на длине волны. Поэтому длина волны линии на 1 км должна быть λ = 10 мкм, а диаметр приемной линзы должен быть меньше 10 см. Соответственно возрастут вес и стоимость передатчиков и приемников оптической связи на больших площадях с использованием больших диаметров. Это означает, что такое беспроводное оптическое соединение не позволяет добиться высоких скоростей в вещании.

Поскольку диапазон выбранных длин волн находится в пределах 1310-1550 нм, длина волны выбирается из этого интервала.  Максимальный диапазон связи между передатчиком и приемником должен составлять около 1600 м для 850 нм, 1900 м для 1000 нм и 2500 м для 1550 нм. Благодаря очень низкому затуханию и качественным компонентам передатчика и детектора, длина волны 1550 нм соответствует исследованию оптической связи в свободном пространстве. Таким образом, если принять, что длина волны равна λ = 1550 нм (), то, как уже упоминалось, расстояние между передатчиком и приемником  Это означает, что диапазон связи будет равен следующему значению:

        (10)

По аналогичной методике рассчитываются значения коэффициентов эффективности полосы пропускания каналов связи и полосы пропускания новых каналов для всех возможных вариантов реконструкции на основе изменения топологии сети и внедрения WDM-каналов [6].

Источник излучения определенного диаметра, проходя через оптическую линзу, генерирует оптический сигнал. Угол распространения луча равен интервалу от 2 до 10 миллирадианов [мрад]. Малоугловые лучи можно использовать только в том случае, если они оборудованы системами наведения и стабилизации оптической связи [6]. В простых системах используются лучи с большими углами распространения. Эти опции помогают системе работать как при атмосферной рефракции, так и при колебаниях опорной конструкции. Это снижает стоимость установки и обслуживания беспроводного оптического соединения.

 Таблица 2.

Таблица зависимости угла распространения луча от диапазона распространения

Для вычисления значений миллирадиана в градусах используется значение . Так как угол распространения луча начинается с 2 миллирадиана [мрад], то выбирается это значение и рассчитывается его градус. Если , то при расчете по пропорции . А пропускная способность атмосферы () равна скорости системы. Учитывая, что система оптической связи в выбранном свободном пространстве соединяет локальную сеть (LAN-LAN) между офисными зданиями на скорости Fast Ethernet, то пропускная способность атмосферы соответствует скорости Fast Ethernet ( ).

Таблица 3.

График зависимости оптической мощности, излучаемой от передатчика, от скорости сигнала.

В соответствии с таблицей 2, согласно скорости Fast Ethernet (), мощность передатчиа равна  Так как числовое значение всех неизвестных элементов при определении мощности приемника  найдено:

                            (11)

                          (12)

   (13)

Мы видим, что мощность сигнала, выходящего из передатчика, немного тухнет до достижения приемника, то есть значение мощности уменьшается [2].

Для работы лазерного излучения в свободном пространстве с частотой погрешности по битам предельного размера мощность приемника  –должна быть выше мощности шума. Когда мощность приема соответствует минимальному уровню , диапазон связи определяется по формуле:

                                   (14)

                   (15)

Затем промодулированный и сформированный оптический сигнал проходит через оптический фильтр, линзу, фотодиод с системой охлаждения и питания, малошумящие сигналы через усилитель и поступает в приемник. В приемник оптической системы связи в свободном пространстве помимо света полезного сигнального лазера поступают и фоновые огни, усиливающие помехи. В результате отношение мощности сигнала к мощности шума уменьшается. Мощность фонового излучения, достигающего приемника оптической системы, зависит от светосилы объектива и его светосилы. Приемник оснащен оптическим фильтром для улучшения отношения мощности сигнала к мощности помех. Этот фильтр уменьшает спектральный диапазон полосы ∆λ, которая охватывает путь передаваемого сигнала. Изоляция источников помех — еще один способ уменьшить помехи. Например, решением проблемы может стать установка оптического соединения в тени свободного пространства как способ защиты от помех, вызванных солнечным светом в ближнем инфракрасном диапазоне.

В схеме обработки сигнала принятый сигнал усиливается и демодулируется, а затем передается на интерфейс.

Поскольку оптическая связь в свободном пространстве основана на передаче сообщений между двумя точками по узкому лазеру, мы изучаем явление простого распространения лазера в разделе Ray Optics (COMSOL Multiphysics). Использование лучевой оптики имеет свои преимущества в собственном высокочастотном электромагнитном моделировании, низком эффекте дифракции, внедрении волнового моделирования с модулем волновой оптики.

Лазерный резонатор с тонким лучом состоит из линзы между двумя гранями. Его расстояние от линзы f = 0,5 [м], а угол падения луча  градусов. Создание 3D модели лучевой оптики в программном комплексе Comsol осуществляется путем выбора сечения оптики из всех сечений и визуализации лучевой оптики через геометрическую оптику. Затем из уровня чтения выбирается радиационный контроль для изучения оптической системы, контролирующей взаимодействие излучения с поверхностями. Мы можем включить некоторые необходимые параметры в глобальные определения:

Таблица 4.

Параметры изображения лучевой оптики

Рисунок 2. Процесс создания лазерного резонатора

Из дополнительной библиотеки выбираются две сферы с геометрического уровня и сферическая равновыпуклая линза 3D-модели. Задаем радиус двух цилиндров D/2 и высоту 10 мм. Положение первого цилиндра в плоскости — [0,0, -10], второго — [0,0, 2*L]. Если параметры изображения оптического изображения не указаны, программа выдает ошибку проектирования модели. В геометрической оптике реализуется монохроматическое распределение луча по длине волны, причем максимальное число второго луча равно 0. Так как если поставить другие цифры, то количество лучей увеличится. Из таблицы видно, что индекс материала, из которого изготовлена ​​средняя линза, равен 1.5. Индекс или показатель преломления 1.5, 1.6, 1.74 указывает на толщину линзы. Чем выше коэффициент, тем тоньше линза. Как и в нашем случае, объектив с индексом 1.5 называется штатным объективом. Индекс 1.6 – тонкие и легкие линзы.

Вакуумная длина волны . На уровне геометрической оптики на внутренние поверхности двух цилиндров устанавливают зеркала. Только со стороны, используемой в интерфейсе физики, получается физически управляемое сетчатое изображение модели. Для построения сетки при моделировании геометрической оптики выбирают плоские поверхности 2D или 3D модели. 3D имеет более высокий риск ошибок по сравнению с элементами, расположенными вдали от крайних слоев элементов, расположенных близко к периферийным частям модели. Существует возможность уменьшения погрешности дискретизации путем выбора выхода и распределения лучей (Ray Release and Propagation) из раздела физического интерфейса. Однако, если геометрия подвергается воздействию тепла или других форм деформации, функция излучения и распространения лучей не поможет повысить точность модели.

Основная часть следующего учебного раздела – лучевой контроль. Точки, появляющиеся в секции сетки, можно использовать для управления лучами, испускаемыми из первого цилиндра. В частности, он объединяет траектории результирующего лазерного луча. Во время построения сетки компоненты поля рассчитываются и объединяются в точки сетки. Если программе нужно поле, она будет искать ближайшую сетку и интерполировать. Это означает нахождение неизвестных промежуточных значений некоторой функции определенным образом по имеющемуся дискретному набору ее значений. Если программа не может определить требуемое значение, модель вычисляет новую точку сетки и сохраняет информацию.

Рисунок 3. Пример создания сетки (Mesh)

Рисунок 4. График зависимости числа шагов от времени

БЛАГОДАРНОСТЬ

Это исследование было профинансировано Комитетом по науке Министерства образования и науки Республики Казахстан (AP08052850 “Разработка конструкций и технологий создания малогабаритных оптоволоконных совмещенных датчиков давления и температуры для космической инфраструктуры”)

Список литературы:

1. Agnieszka Pregowska: Free-Space Optical Communication / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://encyclopedia.pub/item/revision/e6408f4734f81d95fa84effc346c1f04 (дата обращения: 11.04.2022).
2. Hemani Kaushal. Free Space Optical Communication. California Springer, 2017. P. 44-47
3. Mikhailov  P. Multifunctional fiber optic sensors for space infrastructure // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies.  2021. Vol.5. № 5. P.5 – 6.
4. M.Sc. Vladimir Fadeev. Optical inter-satellite link in comparison with RF case in cubesat system //  Journal of radio electronics. 2017. №10. P. 6-10.
5. S. Babani. Free Space Optical Communication: The Main Challenges and Its Possible Solution // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2014. Vol. 5. №7. P.37-40.
6. А.М. Базарбай. Методы моделирования и построения широкополосных волоконно-оптических линий передач // Deutsche Internationale Zeitschrift für zeitgenössische Wissenschaft. 2021. №8-1. C. 28.
7. Жунисов К.Х. Моделирование волоконно-оптических сенсоров температуры на основе брэгговской решетки. // Велес. 2016.  №4-2. C.71 – 76.