Авторы Baksheesh Ghuman, Heinz Willebrand
Материал взят с сайта http://www.samspublishing.com/
(оригинальное название статьи - Making Free-Space Optics Work)
(раздел - Transmission of IR Signals Through the Atmosphere)
Однажды, объединение всех людей всех времен по всему миру, стало прогрессивной идеей, но полностью непрактичной. Internet изменил все, что сегодня существует.
А что на счет пропускной способности, способной удовлетворить всех пользователей высокой пропускной способностью на всей земле? FSO может дать на это ответ? Все хорошо, и если бы не туман (и другие различные атмосферные и связанные с установкой проблемы), тонкие лучи FSO могли бы только быть тем "серебряным маркером".
Как и с большинством технологий, знание - это власть. И вооруженные пониманием FSO, Вы будете обладать властью должным образом развернуть FSO, и это - правильный выбор. Вы также будете способны к уходу от пропасти "правильного инструмента, неправильного приложения, " и таким образом избегать неправильного выбора, когда это неоптимально. Эта глава обсуждает факторы, которые могут затронуть жизнеспособность и успех FSO.
Хотя не возможно изменить физику атмосферы, возможно использовать в своих интересах оптимальные атмосферные окна, выбирая длину волны передачи соответственно. Гарантировать минимальное количество ослабления сигнала от рассеивания и поглощения, FSO системы работают в атмосферных окнах в IR спектральном диапазоне. Как обсуждено в Главе 2, " Основные принципы FSO Технологии, " сегодняшний коммерчески доступные FSO системы работают в около IR спектральных окон, определил местонахождение приблизительно 850 нитрометанов и 1550 нитрометанов. Другие окна существуют в диапазонах длины волны между 3–5 μm and 8–14 μm. Однако, их коммерческое использование ограничено пригодностью устройств и компонентов и трудностей, связанных с практическим выполнением типа низко-температурного охлаждения.
Воздействие рассеивания и поглощения на передачу света через атмосферу обсуждается более подробно в следующих разделах.
Закон Beer'а описывает ослабление света, проходящего через атмосферу из-за поглощения и из-за рассеивания. Вообще, передача, т, радиации в атмосфере есть функция расстояния, x, по закону Beer'а вычисляемая как:
где IR/I0 есть отношение между обнаруженной интенсивностью IR в местоположении x и первоначально начальной интенсивности I0, и γ является коэффициентом ослабления.
Коэффициент ослабления - сумма четырех молекулярных параметров: аэрозоля, рассеивающего коэффициенты α и молекулярный и коэффициенты поглощения аэрозоля β—каждый из которых - функция длины волны. Вы будете видеть приложение этих отношений среди полученной интенсивности, рассеивания, и поглощения немного позже в этой главе.
Коэффициент ослабления:
Эти показы формулы, что полное ослабление, представленное коэффициентом ослабления γ, следствия суперпозиции различного рассеивания и поглотительных процессов. Это будет обсуждено более подробно в следующих разделах.
Рассеивание обращается к "характеру" машины пинбола света, пробующего пройти через атмосферу. Рассеивание света может решительно воздействовать на работу FSO систем. Рассеивание не связано с потерей энергии из-за легкого поглотительного процесса. Скорее, это может быть понято как переназначение или перераспределение света, который может вести к существенному сокращению полученной легкой интенсивности в местоположении получателя. Хороший краткий обзор этих процессов может быть найден в литературе.
Несколько рассеивающихся режимов существуют, в зависимости от характерного размера частиц, (r), свет сталкивается в поездке в ее адресата. Одно описание дается как x0 = 2þr/λ, где λ является длиной волны передачи, и r - радиус частицы. Для x0 << 1, рассеивание находится в режиме Рэлея; для x0 &` 1, рассеивание находится в Mie (рассеяние, вызванное неоднородностью атмосферы) режиме; и для x0 >> 1, рассеивание может быть обработано, используя геометрическую оптику. По сравнению с инфракрасными длинами волны, обычно используемыми в оптике свободного пространства, средний радиус частиц тумана - о том же самом размере. Это - причина, что туман - первичный враг луча. Дождь и частицы визуальных помех, с другой стороны, являются большими, и таким образом представляют значительно меньше препятствия лучу.
Лучевой инцидент на связанных электронах атома или молекулы вызывает неустойчивость нагрузки или диполь, который колеблется в частоте инцидентной радиации. Колеблющиеся электроны повторно излучают свет в форме рассеянной волны. Классическая формула рэлея для рассеивающегося перекрестного раздела следующие:
где f является силой генератора, e - нагрузка на электроне, λ0 является длиной волны, соответствующей естественной частоте, ω0 = 2þc/λ0, ε0 является диэлектрической константой, c скорость света, и m является массой колеблющегося объекта. λ-4 зависимость и размер частиц, найденных в атмосфере подразумевают, что более короткие длины волны рассеяны намного больше чем более длинные длины волны. Рассеивание рэлея - причина, почему небо кажется синим при солнечных погодных условиях. Однако, для FSO систем, работающих в более длинной длине волны около инфракрасного диапазона длины волны, воздействием Рэлея, рассеивающегося на сигнале передачи можно пренебречь. В зависимости длины волны Рэлея, рассеивающего перекрестный раздел в инфракрасном спектральном диапазоне показывают Часть 3.1.
Часть 3.1 Релеевское рассеивание в перпендикулярной плоскости относительно длины волны инфракрасного излучения.
Mie рассеивающийся режим происходит для частиц о размере длины волны. Поэтому, в около инфракрасного диапазона длины волны, тумана, тумана, и загрязнения (аэрозоли) частицы - главные вкладчики к Mie, рассеивающему процесс. Теория усложнена, но хорошо понята. Проблема возникает в сравнении теории к эксперименту. Поскольку поглощение доминирует над большинством спектра, данные должны быть собраны в диапазонах длины волны, которые происходят в атмосферном окне, учитывая, что только рассеивание имеет место. Кроме того, распределения частицы должны быть известны. Для аэрозолей, это распределение зависит от местоположения, времени, относительной влажности, скорости ветра, и так далее. Эмпирическая упрощенная формула, которая может быть найдена в литературе и это используется в FSO сообществе в течение долгого времени, чтобы вычислить коэффициент ослабления из-за рассеивания Mie, дается следующим:
В этой формуле, V соответствует видимости, и λ является длиной волны передачи. Однако, этой формуле бросили вызов недавно сообществом исследования FSO. Зависимость длины волны передачи коэффициента ослабления γ не следует за предсказанной эмпирической формулой. Более точные числовые моделирования точного Mie, рассеивающаяся формула предлагает, что коэффициент ослабления решительно не зависит от длины волны насколько около инфракрасного диапазона длины волны, типично используемого в FSO системах, заинтересованы. Полное заключение, которое может быть получено из эмпирического наблюдения - то, что Mie, рассеивание вызванного туманом характеризует первичный источник ослабления луча, и что этот эффект геометрически подчеркнут как расстояние, увеличен. Для всех практических целей, условия видимости в FSO области развертывания должны быть изучены. Данные видимости собрались, более чем несколько десятилетий доступны от национальных Погодных Услуг и могут использоваться, чтобы получить зависимые расстоянием числа пригодности для специфической географической области развертывания. Однако, осложнение следует из факта, что погодные условия типично измеряются в аэропортах, которые могут быть расположены далеко от фактического местоположения инсталляции FSO. Некоторые FSO продавцы запустили собирать данные непосредственно от столичных областей и коррелировать пересечением эти результаты с данными, собранными в близлежащих аэропортах, чтобы оптимизировать статистику пригодности. Среды с сильными изменениями в микроклимате являются особенно стимулирующими. Для большинства коммерческого FSO развертывания, операция в тяжелых средах тумана требует хранения расстояний между FSO терминалами, короткими, чтобы поддержать высокие уровни пригодности. Края власти связи большинства оборудования продавца учитывают availabilities, которые превышают 99.99 %, если расстояния сохраняются ниже 200 м.
Атомы и молекулы характеризованы их индексом преломления. Воображаемая часть индекса преломления, k, связана с коэффициентом поглощения, α, согласно следующего закона:
где σa is поглотительный перекрестный раздел и Na является концентрацией частиц поглощения. Другими словами, коэффициент поглощения - функция поглотительной силы данной разновидности частицы, так же как функции плотности частицы.
В атмосферном окне, наиболее обычно используемом для FSO, инфракрасного диапазона, самые общие частицы поглощения - вода, углекислый газ, и озон. В типичном спектре поглощения показывают Часть 3.2. Вибрационные и вращательные государства энергии этих частиц способны к поглощению во многих полосах. Известные окна существуют между 0.72 и 15.0 μm, некоторые с узкими границами. Область от 0.7–2.0 μm является во власти водного поглощения пара, тогда как область от 2.0–4.0 μm является во власти комбинации поглощения углекислого газа и воды.
Часть 3.2 Атмосферный коэффициент пропускания, при горизонтальной передаче на высоте 1820 м над уровнием моря.
Изобилие поглощения разновидностей определяет, как настоятельно сигнал будет уменьшен. Эти разновидности могут быть разбиты в два общих класса: молекулярный и поглотители аэрозоля. Часть 3.3 показывает спектру передачи для ясных условий неба со стандартной городской концентрацией аэрозоля, обеспечивающей видимость 5.0 км. Этот граф был произведен, используя Air Force's MODTRAN программу. Включен в это вычисление был поглощением от водного пара, углекислого газа, и так далее.
В около инфракрасного, водного пара - первичный молекулярный поглотитель, со многими поглотительными линиями, чтобы уменьшить сигнал. Выше 2.0 μm, и водный пар и углекислый газ запускают большую роль. Вибрационные и вращательные переходы определяют, какие энергии легко поглощены, но большое количество перестановок очень увеличивает число линий. Часть 3.4 показывает ясной передаче неба для водного пара только. Вы можете видеть, что водный пар доминирует над ясной передачей неба в рядом инфракрасный. Большое количество линий вносит вклад в сложный спектр со случайными окнами в популярных FSO частотах, типа 850 и 1 550 нитрометанов. Часть 3.4 показывает передаче углекислого газа. Случайные острые резонансные пики добавлены на полном относительно плоском фоне.
Часть 3.3 Передача как функция длины волны при городских условиях аэрозоля (видимость = 5 км), как рассчитано MODTRAN.
Аэрозоли происходят естественно в форме пыли метеорита, частиц морской соли, покидают пыль, и вулканические развалины. Они могут также быть созданы в результате искусственного химического преобразования газов следа к твердым и жидким частицам и как индустриальная трата. Эти частицы могут расположиться в размере от прекрасной пыли меньше чем 0.1 μm к гигантским частицам больше чем 10.0 μm. Одна оценка решила, что 80 % массы аэрозоля содержатся в пределах самого низкого километра атмосферы. Земля производит больше аэрозолей чем океан, и Северное Полушарие производит 61 % общей суммы аэрозолей в мире. Поскольку радиусы охватывают инфракрасный, рассеиваясь от этих частиц может определенно быть проблемой для FSO систем. Однако, эти частицы также поглощают в инфракрасных длинах волны. Например, копировальная бумага и железо имеют много поглотительных линий, но их изобилие в атмосфере обычно ограничивается. Часть 3.5 показывает ясной передаче неба, включая городские аэрозоли. Сравнение Частьs 3.5 и 3.4 показы, как передачу атмосферы затрагивают частицы аэрозоля.
Пустыня могла бы казаться совершенным местоположением для FSO системы. Это - конечно истина, насколько ослабление атмосферы заинтересовано. Однако, в горячих, сухих климатах, буря могла бы причинить проблемы с передачей. Поскольку основа нагревается на солнце, воздух нагревается также. Некоторые воздушные ячейки или воздушные ямы нагревают больше чем другие. Это причиняет изменения в индексе преломления, которое в свою очередь изменяет путь, который свет берет, в то время как это размножается через воздух. Поскольку эти воздушные ямы не устойчивы вовремя или в месте, изменение индекса преломления, кажется, следует за случайным движением. Внешнему наблюдателю, это появляется как бурное поведение.
Часть 3.4 Ясная передача неба как функция длины волны для воды (вершина) и углекислый газ (основание) как рассчитано MODTRAN.
Лазерные лучи испытывают три эффекта под бурей. Сначала, луч может быть отклонен беспорядочно через изменяющиеся преломляющие индексные ячейки. Это - явление, известное, поскольку луч блуждает. Поскольку преломление через СМИ типа воздушных работ подобно, чтобы осветить прохождение через любой другой вид преломляющих СМИ типа стеклянной линзы, свет будет сосредоточен или defocused беспорядочно, после индексных изменений пути передачи. Во вторых, фронт стадии луча может измениться, производя колебания интенсивности или сверкание (высокая температура мерцают). Треть, луч может распространить больше, чем теория дифракции предсказывает.
Хорошая мера бури - преломляющий индексный коэффициент структуры, Cn2. Becauseвоздушное время потребностей, чтобы нагреться, буря является типично наиболее большой в середине дня (Cn2 = 10-13 m-2/3) и наиболее слабый спустя час после восхода солнца или заката (Cn2 = 10-17 m-2/3). Cn2 является обычно наибольшим около основы, уменьшающейся с высотой. Свернуть эффекты сверкания на пути передачи, FSO системы не должен быть установлен близко к горячим поверхностям. Крыши Tar, которые могут испытать высокое количество сверкания в горячие летние дни, не предпочтены инсталляционные пятна. Поскольку сверкание уменьшается с высотой, рекомендуется, чтобы FSO системы были установлены немного выше выше крыши (>4 футов) и далеко от побочной стены, если инсталляция имеет место в подобной пустыне среде.
Часть 3.5 Передача как функция длины волны для городского аэрозоля только как рассчитано MODTRAN.
Для луча в присутствии больших ячеек бури по сравнению с диаметром луча, геометрическая оптика может использоваться, чтобы описать радиальную разницу, σr, asДля луча в присутствии больших ячеек бури по сравнению с диаметром луча, геометрическая оптика может использоваться, чтобы описать радиальную разницу, L, согласно следующего:
Эти отношения подразумевают, что более длинные длины волны будут иметь меньше луча, блуждают чем более короткие длины волны, хотя зависимость длины волны слаба. При хранении узкого луча на дорожке могла бы быть проблема, норма колебаний медленна (менее чем кГц или два), такой, что система прослеживания может использоваться.
Когда Вы видели мираж, который появляется как озеро в середине горячего места для стоянки автомобилей асфальта, Вы испытали эффекты атмосферного сверкания. Из трех эффектов бури, свободное пространство оптические системы можно было бы больше всего затронуть сверканием. Случайное вмешательство с фронтом волны может причинить пики и падения, заканчивающиеся насыщенностью получателя или сообщить о потере. "Горячие точки" в разделе пересечения луча могут произойти из размера, приблизительно 3 см для 850 лучей нитрометана на расстоянии в 1 км. Много работы было сделано на этой теме для приложений подобно сигналам телескопа и земным-спутниковым связям, где большинство сверкания могло быть соблюдено около поверхности Земли. FSO системы работают горизонтально в атмосфере около поверхности, испытывая максимальное возможное сверкание.
Эффекты сверкания для маленьких колебаний следуют за регистрационно-нормальным распределением, характеризованным разницей, σi, для волны самолета, данной следующим:
где k = 2þ/λ. Это выражение предлагает, что большие длины волны испытали бы меньшую разницу, все другие факторы, являющиеся равным. Для FSO систем с узким, немного отклоняющегося луча, выражение волны самолета является более соответствующим чем это сферическому лучу. Даже если фронт волны изогнут, когда это достигает датчика, луч передачи является настолько большим чем датчик, что фронт волны был бы эффективно плоский.
Выражение для разницы для больших колебаний следующие:
Выражение для разницы для больших колебаний следующие:
Размер луча может быть характеризован эффективным радиусом, в, расстояние от центра луча (z = 0) туда, где относительная средняя интенсивность уменьшилась на 1/e. Эффективный радиус дается следующим:
Зависимость длины волны от дальности распространения луча не сильна. Размер пятна может часто наблюдаться и быть ограниченным дифракцией диаметра луча. Многие FSO системы используют величину расхождения луча приблизительно 1 м на километр расстояния. В совершенном мире без различных аттенюаторов, распространение луча было бы единственной ограничивающей расстояние величиной.