РАЗНЕСЕНИЕ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ В АТМОСФЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ ПРИ ПРИЕМЕ В УСЛОВИЯХ ТУМАНА

Атмосферные оптические линии связи (АОЛС) весьма чувствительны к воздействиям погодных условий. Современные стандарты связи требуют поддержания коэффициента готовности на уровне «пяти девяток», т.е. 99.999% [1]. Воздействие атмосферных эффектов снижает этот показатель, затрудняя применение атмосферной оптики в качестве технологии широкополосного доступа на «последней миле».

Для повышения качества связи в коммерческих образцах АОЛС используют разнесенный прием, увеличение мощности оптических передатчиков или резервные радиоканалы. Мощность передающих модулей, однако, ограничена стандартами лазерной безопасности и не может быть значительно увеличена, в то время как в условиях слабой видимости (например, туман, снегопад) ослабление оптического сигнала может достигать 120 дБ/км и выше [2]. Организация радиоканала хотя и позволяет в значительной степени снизить воздействие атмосферных эффектов, резко снижает пропускную способность. Поэтому наиболее перспективными представляются технологии разнесения – пространственного и/или частотного (в оптическом диапазоне – по длине волны).

Негативное воздействие атмосферного канала можно свести к трем основным типам: затухание сигнала в условиях слабой видимости (главным образом в тумане), блуждание пучка и сцинтилляция при наличии турбулентности. Сцинтилляция может быть ослаблена применением апертурного усреднения. Влияние блуждания в данном случае также снижается. Кроме того, могут быть использованы разнообразные варианты систем трекинга, например, на основе квадрантных фотодетекторов [3].

В качестве излучателей оптических передатчиков используются полупроводниковые лазерные диоды, работающие в ближнем ИК-диапазоне. Затухание в тумане преодолевается переходом в более низкочастотную область – радио- либо средний ИК-диапазон. Недостатки радиодапазона перечислены выше. Поэтому наиболее целесообразным представляется применение углекислотных или квантово-каскадных лазеров, работающих на длине волны в окрестностях 10 мкм [4].

При распространении в открытом атмосферном канале оптический сигнал ослабляется в силу поглощения и рассеяния энергии. Эти процессы описываются законом Бира-Ламберта

,                                            (1)

где I_R, I₀ – интенсивность светового сигнала на приемной стороне в точке х и на выходе оптического передатчика соответственно,  g — коэффициент затухания (экстинкции), равный сумме коэффициентов поглощения и рассеяния.

Атмосферное поглощение в окнах прозрачности на коротких трассах мало и может быть исключено из дальнейшего анализа.

Явление рассеяния является доминирующим среди причин атмосферного затухания и относится в основном к Ми-рассеянию. Ослабление сигнала в значительной степени зависит от метеорологической дальности видимости (МДВ).

Следуя за [4], будем далее опираться на оригинальное выражение для вычисления Ми-рассеяния:

                                           (2)

где Q( ) – эффективность рассеяния, r – радиус частиц аэрозоля, n_r – концентрация частиц радиуса r, l – рабочая длина волны.

Различные виды тумана отличаются в основном концентрацией n_r, оцениваемой величиной МДВ, которая измеряется обычно на длине волны 550 нм (для которой человеческий глаз наиболее чувствителен). b_m(l) в этом случае может быть получен из простого эмпирического выражения [4]:

.                                            (4)

Следуя [5], будем подразделять туманы на два класса: селективные, воздействующие различным образом на излучение с разными длинами волн и неселективные (стабильные), ослабляющие большинство применяемых длин волн сходным образом с небольшим снижением затухания в окрестности 10 мкм.

В дымках с МДВ более 1 км затухание резко снижается с ростом длины волны.

Для селективных туманов в рамках представленной модели было получено, что при МДВ, лежащих в пределах от 500 до 900 м затухание изменяется от 25 до 10 дБ/км на длине волны 1.5 мкм в то время как на l = 10 мкм оно не превышает 4 дБ/км. При снижении МДВ затухание резко увеличивается, однако его рост на коротких длинах волн выше, чем для более длинноволнового излучения. Например, при МДВ, равной 100 м, затухание на длине волны 1.5 мкм составляет 225 дБ/км в то время как на длине волны 10 мкм оно составит 109 дБ/км.

Для неселективного тумана при МДВ, равной 150 м, на длине волны 1.5 мкм ослабление составляет 110 дБ/км, а на l = 10 мкм оно снижается до величины 90 дБ/км. При росте МДВ до 300 м ослабление уменьшается до 50 дБ/км и 30 дБ/км для длин волн 1.5 мкм и 10 мкм соответственно.

В оптическом приемнике сигналы из каналов с некоррелированными замираниями объединяются в общий сигнал, подлежащий детектированию. Наиболее просто реализуются следующие методы.

Если используется селективное объединение, оптическое излучение на апертуре, где фиксируется сигнал с наибольшим отношением сигнал/шум, передается на выход системы. Метод линейного сложения сигналов предполагает объединение оптических канальных сигналов с равным весом. Селективное объединение позволяет достигать более высокого качества связи в условиях сильной турбулентности.

Применение комбинации углекислотного (квантово-каскадного) и полупроводникового излучателей при оптимальном выборе метода объединения приводит к существенному повышению надежности линии связи.

 

Список литературы:

1. Wainright, E. Wavelength diversity in free-space optics to alleviate fog effects / E. Wainright, H. H. Refai, J. J. Jr. Sluss // Proceedings of the SPIE, Volume 5712, 2005. – P. 110-118.
2. Majumadar, Arun R. Optical and fiber communication reports. Free-Space Laser Communication / Arun R. Majumadar, Jennifer C. Ricklin. – New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2008. – 417 p.
3. Willebrand, H. Free space optics: enabling optical connectivity in today’s networks / H. Willebrand, B. S. Ghuman. – Indianapolis.: SAMS, 2002. – 259 p.
4. Achour, M. Free-space optics wavelength selection: 10 µm versus shorter wavelengths / M. Achour // Journal of Optical Networking, Vol. 2, Issue 6, 2003. – P. 127-143
5. Arnulf, A. Transmission by Haze and Fog in the Spectral Region 0.35 to 10 Microns / A. Arnulf, J. Bricard, E. Cure, C. Veret // JOSA, Vol. 47, Issue 6, 1957. – P. 491-497[schema type=»book» name=»РАЗНЕСЕНИЕ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ В АТМОСФЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ ПРИ ПРИЕМЕ В УСЛОВИЯХ ТУМАНА» author=»Краснов Роман Петрович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]