Тема: КАНАЛЫ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ НА РАССЕЯННОМ ИЗЛУЧЕНИИ В АТМОСФЕРНОЙ И ВОДНОЙ СРЕДАХ

Интерес к развитию теоретических и экспериментальных исследований атмосферных и водных оптических каналов связи в настоящее время обусловлен тем, что существуют условия, при которых только оптическая связь может обеспечить устойчивую многоадресную связь, которую невозможно реализовать в радиодиапазоне длин волн широко используемого для передачи данных в атмосферном канале связи или в акустическом диапазоне длин волн широко используемым для передачи данных в водном канале связи. Такими условиями могут быть, например, необходимость обеспечения режимов радио или акустического молчаний, требования к скорости передачи данных.
Этим объясняется возрастающая в последнее десятилетие публикационная активность в этих направлениях исследований [1-17].
Существует два направления исследования оптической связи в атмосфере, это оптическая связь в прямой видимости источника приёмником и вне прямой видимости (на рассеянном излучении). Подводная оптическая связь классифицируется по трём направлениям исследования: это оптическая связь в прямой видимости источника приёмником, вне прямой видимости на рассеянном излучении и вне прямой видимости на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении. Несмотря на сверхвысокоскоростную передачу информации в прямой видимости на короткие расстояния, передача данных осуществляется только одному абоненту, турбулентность приводит к «беганию» лазерного пучка по апертуре приемника, наличие посторонних объектов на линии связи приводит к прерываниям. Оптическую связь вне прямой видимости на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении можно осуществлять лишь на ограниченной глубине погружения приёмо-передающей системы. Помимо этого при высоком волнении границы раздела атмосфера-море передача данных становится нестабильной . Этих недостатков лишена оптическая связь на рассеянном излучении.
Принцип функционирования оптической связи через атмосферный и водный каналы в целом схожи и состоят в следующем. На первом этапе определенным образом вводится информация в излучающий оптический источник, то есть осуществляется модуляция оптического сигнала (частотная, частотно-импульсная, импульсно-временная). В дальнейшем сигнал поступает в атмосферный или водный канал связи и после его прохождения, преобразованный атмосферной или водной средой регистрируется приемной системой. Принятый сигнал поступает на устройство демодуляции, где из него извлекается информация. Г оворя о бистатической связи, можно подчеркнуть, что она осуществляется в непрямой видимости источника излучения и полезным сигналом является рассеянное излучение . Основным преимуществом этого типа связи является, возможность многоадресной связи и изменение схемы связи.
Работы, посвященные исследованию систем связи на рассеянном излучении (non-line-of-sight или NLOS) в атмосферном или подводном канале связи, в настоящее время представлены как в отечественной, так и зарубежной литературе. Это, например, такие работы как [1-7,15-17]. Из этих и других работ следует, что NLOS системы достаточно активно развиваются в двух направлениях. Первое из них - многоадресная передача информации на короткие дистанции [4,5,7,15,16]. Второе - оптико-электронные системы многоадресной передачи информации на большие дистанции [1-3,6,17]. Исследования систем атмосферной связи на рассеянном излучении ведутся для видимого и ближнего УФ-диапазона с большим базовым расстоянием (до 70 км), для дальнего УФ-диапазона в полосах поглощения Хиггинса и Хартли озона с небольшим базовым расстоянием (до 200 м) и большими углами расходимости и поля зрения.
Целью работы состоит в том, чтобы разработать согласованную с экспериментом модель канала связи и синтезировать по геометрическим параметрам оптимальную схему связи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: отыскание оптимальных схем связи, для которых вероятность ошибок минимальна; оценка максимального количества импульсов, которые можно передавать в единицу времени, для заданных оптико-геометрических условий и параметров передающей и приемной аппаратуры; накопление более детальной информации о вероятности ошибок в каналах связи и о факторах, влияющих на нее.
Положение, выносимое на защиту
Модель канала оптической связи на рассеянном излучении в атмосферной и водной средах на основе алгоритма модифицированной двойной локальной оценки, который обеспечивает уверенный приём и передачу сигнала на базовых расстояниях от источника до приёмник 0,5 - 200 км в атмосферной среде и 10 - 100 м в водной среде, при угле расходимости пучка источника 0.0034° и угле поля-зрения приёмника 2°.
Апробация результатов исследований
Результаты работы обсуждались и докладывались на седьмой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск 2017); 55-й международной научно-студенческой
конференции (МНСК-2017) (Новосибирск 2017); 14-ой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ) (Томск 2017), а также опубликованы в 4 статьях в журналах из перечня ВАК, Web of Science и Scopus.
1 АТМОСФЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ
РАДИООПТИЧЕСКИЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
В главе приводится аналитический обзор исследований по беспроводной атмосферной оптической связи и гибридной радио-оптической связи в атмосфере. Как правило, в рассмотренных работах оптическая связь осуществляется в УФ и видимом диапазоне длин волн, с использованием лазерного или светодиодного источника излучения и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) или лавинного фотодиода. Рассмотрены как результаты теоретических исследований, так и экспериментальные результаты.

Купить

Разработана модель каналов подводной и атмосферной оптической связи на рассеянном излучении на основе алгоритма метода Монте-Карло с модифицированной двойной локальной оценкой в каждый возможный временной интервал [3]. Предложенная модель позволяет оценивать предельное базовое расстояние и максимальную частоту следования импульсов для заданных характеристик приемо-передающей аппаратуры. В рамках данной работы расчёты выполнялись для следующих оптико-геометрических условий в атмосферном канале связи: Х=0.3, 0.5, 0.9 мкм; 3^=10 и 50 км; 0^=85°; 0o=0°, 45°, 85°; Vo=0.0034°; Vd=2°; Г,- (0-200 км; а=0°,10°,30°,60°,90°. В подводном канале связи для оптико-геометрических условий: 0о=0°, 30° 45°, 85°; 0d=, 30° 45°, 85°; vo=0.0034°; А=10-100 м; Vd=2°; ,, ,,
zw 30 ми глубины погружения источника и приемника 25 м.
Показано, что на коротких базовых расстояниях до 3км в атмосферной среде наиболее эффективна для передачи данных схема бистатической оптической связи с источником на длине волны: л 0.3 мкм. На больших базовых расстояниях эффективнее для передачи данных применять схему связи с источником на длине волны Х=0.5 мкм, кроме случаев с высокой мутностью среды и малыми углами а, где передача данных эффективнее на длине волны источника л 0.9 мкм.
Установлено, что передача данных для частной модели системы связи возможна на максимальном базовом расстоянии Y,,max~40 км в условиях мутной среды при л 0.5 мкм и на максимальном базовом расстоянии Y,,max^200 км в условиях прозрачной среды при Х=0.5 мкм. Отмечено, что предельные частоты передачи импульсов для бистатической системы связи в зависимости от состояния атмосферного канала и геометрических параметров схемы варьируются в пределах от 4*103 до 2*107 Гц. Также для произвольных а была построена аппроксимационная формула для n(0o,DN,a), позволяющая оценить качество связи в зависимости от оптико-геометрических условий и приёмо-передающей аппаратуры.
Выполнен анализ расчетов для подводного канала бистатической оптической связи. Результаты расчётов показывают, что оптическая связь на длине волны л 0.5 мкм, базовых расстояниях от 10 до 100 м, глубине видимости zw 30 ми широком наборе геометрических параметров схемы возможна, когда предельная чувствительность приемника отличается от мощности источника на п=50-150 дБ в зависимости от оптико-геометрических условий. Установлено, что предельные частоты передачи импульсов для рассмотренных оптико-геометрических условий канала подводной оптической связи лежат в пределах 2.5*106-2*107 Гц.
Несмотря на то, что в этой работе были проведены исследования как атмосферной, так и подводной бистатической оптической связи в дальнейшем нуждается в исследованиях бистатическая оптическая связь на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении.
По результатам работы опубликована 4 статьи, 2 из которых в журналах, индексированных в Scopus [23,29], одна из них опубликована в журналах из перечня ВАК [23]. Другие 2 статьи опубликованы в сборниках [27, 28].

Купить