С борта мкс впервые по лазерному каналу была передана широкополосная информация на наземный пункт. Интересные факты и полезные советы
У проводных систем передачи данных появился конкурент – лазер. По лазерному лучу можно передавать до 10 Гбит информации в секунду: в сетях радиосвязи такая скорость невозможна. Лазерная связь совершенно безвредна для человека и имеет множество других достоинств. Правда, лазерный луч не может пробиться сквозь туман.
У лазерной связи своя ниша – она применяется на коротких дистанциях в местах, где возникают сложности с прокладкой кабеля. Операторам лазерной связи не нужно получать разрешение на ввоз оборудования и на использование частот.
Свет в окошке
В Москве и Петербурге все офисные центры поделены между различными операторами связи. Если, к примеру, здание обслуживает «Совинтел», то «Комстару» провести линию в этот офисный комплекс крайне трудно (лишь в очень редких случаях одно здание обслуживают два оператора связи). При этом владельцы офисных комплексов, как правило, не разрешают ставить на крышах своих домов радиосистемы для связи с другими операторами. Лазерная связь помогает преодолеть эти сложности. В офисе можно установить беспроводной оптический аппарат, который направит луч через окно на ближайший ретранслятор «своего» оператора связи и будет по этому лучу передавать информацию. Это позволяет пользователям обходиться без дорогого сервиса, навязываемого арендодателем, и самостоятельно налаживать более удобную и дешевую связь. При смене офиса оборудование можно демонтировать и перевезти на новое место.
Лазер может решить и проблемы крупных предприятий. Установить связь между офисом и производственными площадками – дело хлопотное. В условиях плотной городской застройки проложить кабель по территории завода и прилегающих улиц очень трудно. Но даже если кабель проложен, это не значит, что все проблемы позади. Коммунальные службы то и дело вскрывают асфальт для ремонта городских коммуникаций, частенько при этом перерубая проложенные кабели. Подвесные же кабели часто становятся жертвой подъемных кранов и штормового ветра. Лазерному лучу экскаватор не страшен. Кроме того, световой луч невозможно украсть и сдать как цветной металлолом, поэтому лазерной связи неопасны воры, промышляющие выкапыванием кабелей из-под земли.
Да и подслушивание лазерных систем – дело очень сложное. Если на пути луча поставить несанкционированное приемное устройство, то связь мгновенно прервется. Разместить подслушивающие устройства рядом с приемником и передатчиком тоже нельзя: они будут видны невооруженным взглядом.
20 лет без научной перепискиПопытки построить беспроводную связь при помощи лазерного луча предпринимались в Москве еще в конце 1960-х. Передатчики были установлены в здании МГУ на Ленинских горах и в одном из домов на Зубовской площади, неподалеку от станции метро «Парк культуры». Установка размером с комнату передавала сигнал успешно, но только в ясную погоду. Специалисты решили, что зависимость от состояния атмосферы слишком высока. Связь при помощи инфракрасного луча была признана бесперспективным направлением, и исследования были свернуты на 20 лет. Эта пауза дорого обошлась отечественной науке. В конце 1980-х советские исследователи вернулись к теме, но довести свои испытания до коммерческих образцов не успели. За них это сделали западные конкуренты.
Системы передачи данных при помощи инфракрасного луча появились на мировом рынке в начале 1990-х. Одним из первопроходцев была канадская A.T.Schindler. Вслед за ней свои разработки вывели фирмы Jolt и SilCom. В конце 1990-х на Западе среди производителей оборудования для лазерной связи в лидеры выбилась PAV Data Systems, а пионерам SilCom и A.T.Schindler пришлось слегка потесниться. Кроме того, в области лазерной связи свои разработки имеют американо-германская Lightpointe Communications (бывш.Eagle Optoelectronics), американские Astroterra, LSA Photonics, Lucent Technologies.
Дождь и туман
Поначалу зарубежные системы обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 м и обслуживали локальные сети передачи данных. В конце 1990-х появились системы следующего поколения – более надежные и «дальнобойные», позволяющие обслуживать сети городского масштаба.
На расстоянии до 1600 м системы работают прекрасно. Однако при передаче данных на большее расстояние качество связи снижается. Кроме того, лазерные системы не освободились от метеозависимости. Самая страшная преграда для лазерной связи – туман.
В свою очередь, радиорелейные системы «падают» во время дождя. В этой связи разработчики предлагают строить высоконадежные каналы связи на основе двух линий, одна из которых передает информацию по радио, а другая – по лазерному лучу. Соответственно одна «падает» в дождь, а другая – в туман. «Если нужно получить канал высокой надежности на дистанции до 3 км, то это идеальный вариант», – утверждает Александр Клоков, технический директор представительства американской MicroMax , дистрибутора и интегратора беспроводных оптических систем.
Случаются и другие естественные преграды. Например, говорят, что одна из сотовых компаний до сих пор размышляет, как поступить с выросшим на пути лазерного луча деревом – то ли срубать его, то ли аппарат переставить…
Западные и российские производители не конкурируют друг с другом
Источник: MicroMax Computer Intelligence, Inc
Плюнь в колодец
Преимущества лазерного луча оценил «Транстелеком». У этой компании возникли трудности с «Ростелекомом» и местными «Электросвязями»: конкуренты, владеющие инфраструктурой связи, не подпускают «Транстелеком» к кабельным колодцам. В итоге «Транстелеком» махнул рукой на колодцы и собирается подключать корпоративных клиентов к своим магистралям посредством лазерного луча.
Кроме того, лазерным лучом как каналом передачи сигнала пользуются операторы сотовой связи. Они применяют лазер в тех местностях, где в радиоэфире множество помех – например, в аэропортах.
Заместитель технического директора компании «Соник Дуо» (сеть «МегаФон») Игорь Парфенов
рассказал «Ко», что в московской сети «МегаФон» работают более 10 оптических систем. Компания намерена в течение 2003 года следить за их работой и по результатам наблюдений принять решение о целесообразности массового использования этого оборудования. Пока претензий к работе техники у «Соник Дуо» нет.
В свою очередь, руководитель группы инсталляции радиорелейного оборудования «Вымпелкома» Георгий Павленко сообщил, что его компания использует лазерные установки исключительно для временной работы, пока не получено разрешение на установку радиорелейной аппаратуры. «На постоянной основе эти системы лучше использовать на расстоянии до 500 м. Помимо тумана помехой для них является солнечный свет, поэтому необходимо устанавливать специальные фильтры», – говорит Павленко.
В МТС корреспонденту «Ко» рассказали, что сейчас лазерные приборы обеспечивают связь на участках, суммарная длина которых не превышает 1% от общей протяженности сети. Скорее всего, лазерная связь не превысит этого порога. «Оптические сети хороши для построения микросетей, на использование лазера не требуется разрешения Госсвязьнадзора. Но, к сожалению, практика нашей компании показала, что лазер пока обеспечивает надежную связь на расстоянии не более 500 метров».
В России оборудование для беспроводной связи на основе инфракрасного луча производят НИИ прецизионного приборостроения, компания «Катарсис» из Санкт-Петербурга, Рязанский государственный приборный завод, компании «НТЦ» из Новосибирска и «Сцептор» (последняя создана на базе Московского энергетического института), а также Воронежский институт связи.
Никто из производителей, кроме «Катарсиса», не продвинулся дальше опытного производства. В России хорошие инженеры, которые создают правильную технику, но совершенно не умеют ее продавать. «Например, простейший разъем должен быть стандартным. А у отечественных аппаратов разъемы многоштырьковые. Это, конечно, хороший разъем, но он больше подходит для ракет, – рассказывает Александр Клоков. – Установка российских систем требует распайки кабеля на месте, но какой здравомыслящий оператор пошлет своих работников паять что-нибудь на крышу?»
Отечественные и зарубежные системы пока не конкурируют друг с другом, поскольку находятся в разных «весовых категориях» (см. таблицу). По мнению Александра Клокова, в 2002 году в России будет продано в общей сложности около 400 систем лазерной связи.
В данной главе рассматривается технология лазерной сети связи, а так же её преимущества, такие как экономичность; низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи, а так же быстрое развертывание и изменение конфигурации сети.
Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера, в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.
Оптический диапазон имеет много характерных особенностей и за счет малой длины волны позволяет достичь высокой направленности излучения, существенно уменьшить размеры антенных систем, сформировать чрезвычайно узкие лазерные пучки и получить высокую концентрацию электромагнитного излучения в пространстве.
При передаче информации модулированными электромагнитными колебаниями необходимо, чтобы частота модуляции была в 10…100 раз меньше несущей частоты. Кроме того, частоты модуляции занимают некоторую полосу частот, и ширина ее определяется объемом передаваемой в единицу времени информации. Например, для передачи телеграфного текста требуется полоса частот 10 Гц, а для телевизионного изображения – полоса частот 107 Гц и несущая частота не менее 108 Гц. Радиодиапазон занимает полосу частот 104…108 Гц и полностью освоен. Информационная емкость канала связи в СВЧ-диапазоне (109..1012 Гц) выше, но в силу особенностей распространения СВЧ-излучения в атмосфере связь между станциями СВЧ-диапазона возможна только на расстоянии прямой видимости. В оптическом диапазоне только видимая область занимает полосу частот от 41014 до 1015 Гц. С помощью лазерного луча теоретически можно обеспечить передачу 1015/107 = 108 телевизионных каналов, что на несколько порядков превышает современные потребности, или 1013 телефонных разговоров. Таким образом, одним из преимуществ оптических линий связи является возможность передачи больших объемов информации, обусловленная сверхширокой полосой частот. Освоение оптического диапазона: создание лазерных источников света, чувствительных полупроводниковых приемников оптического излучения и разработка волоконных светодиодов с малыми потерями, – открывает новые возможности для создания систем связи.
Оптический диапазон открывает возможности создания информационных и управляющих систем с характеристиками, которые принципиально не достижимы в радиодиапазоне. К настоящему времени разработаны разнообразные наземные, авиационные и космические системы оптической связи, лазерной локации, лазерные системы аэрокосмического мониторинга природной среды, системы воздушной разведки, системы предупреждения столкновений подвижных объектов, лазерные системы стыковки космических аппаратов, системы лазерного наведения и лазерного управления оружием.
Потенциальные возможности лазерных информационных систем, как и в целом оптических методов передачи и обработки информации, весьма велики. Во многих задачах предельно достижимые характеристики ограничиваются лишь квантовыми эффектами. Однако в действительности потенциальные возможности оптического диапазона далеко не всегда удается эффективно реализовать на практике. Существует множество тому причин.
Огромное влияние на рабочие характеристики реальных лазерных систем оказывают неизбежные флюктуации в источниках лазерного излучения, случайные изменения параметров информационных процессов, воздействия различных помех, вероятностный характер операции фото детектирования. Многие информационные системы оптического диапазона строятся с использованием открытого (чаще всего атмосферного) канала. Для лазерного излучения атмосферный канал представляет собой канал со случайно-неоднородной средой распространения. Эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, молекулярное и аэрозольное рассеяние, искажения пространственно-временной структуры и нарушение когерентности лазерного излучения – все это оказывает заметное влияние на энергетический потенциал, принципы обработки информационных сигналов и дальность действия создаваемых систем. Все перечисленные особенности показывают, что анализ лазерных информационных систем, оценка их потенциальных и реально достижимых характеристик не может проводиться без вероятностного исследования структуры информационных сигналов и помех.
На сегодняшний момент накоплены многочисленные результаты по вероятностному анализу различных лазерных систем. Однако большинство таких результатов представляются весьма разрозненными, они не базируются на едином подходе и их достаточно сложно использовать в практических задачах. Необходимость дополнительных детальных исследований вероятностной структуры сигналов, помех и в целом информационных процессов в радиооптике связана с необходимостью совершенствования математических моделей, решением задач оптимизации структуры сигналов и систем, разработкой новых перспективных алгоритмов передачи, приема, преобразования и обработки информации в оптических информационных системах.
Лазерная связь является альтернативой радио, кабельной и волоконно-оптической связи. Лазерные системы позволяют создать канал связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1,2 км друг от друга, и передавать по нему телефонный трафик (скорость от 2 до 34 Мбит/с), данные (скорость до 155 Мбит/с) или их комбинацию. В отличие от беспроводных радиосистем лазерные системы связи обеспечивают высокие помехозащищенность и секретность передачи, так как получить несанкционированный доступ к информации можно только непосредственно от приемопередатчика.
Компания, которая воспользуется лазерной связью для создания основного (резервного) канала ближней связи, избавится не только от необходимости прокладывать новые проводные коммуникации, но также и от необходимости получать разрешение на право пользования радиочастотой. Кроме того, невысокий уровень затрат на организацию высокопроизводительного канала связи, а также небольшое время его ввода в эксплуатацию обеспечат быструю окупаемость вложенных средств. Таким образом, широкий спектр возможностей и несомненные преимущества лазерного оборудования делают его использование лучшим решением проблемы организации надежного канала связи между двумя зданиями.
П осмотрите на ваш радиоприемник. Вы увидите, что в диапазоне длинных волн «умещаются» передачи двух-трех радиостанций, на более коротких волнах (их называют средними) уже можно услышать их пять -десять. И наконец, в области коротких волн звучит буквально каждый миллиметр шкалы радиоприемника: вращая ручку настройки, вы слышите писк морзянки, сигналы радиомаяков, разноязычную речь и музыку. Станций так много, что приходится шкалу коротких волн растягивать, она делается в несколько раз длиннее, чем все остальные диапазоны приемника. Это не случайность, а закономерность: чем короче электромагнитные волны, тем больше их может уместиться, не мешая друг другу, на одном отрезке шкалы.
Но свет - такие же электромагнитные колебания, как и радиоволны, только гораздо короче. Поэтому оптический диапазон в пятьдесят тысяч раз шире радиодиапазона. Значит, если использовать свет для связи так, как мы это делаем с радио, можно добиться невиданной плотности передаваемых сообщений! Для этого нужно, чтобы передатчики друг другу не мешали. Этого можно добиться, если каждую передачу вести на строго определенной длине волн.
С радиоволнами все просто: передатчик может излучать электромагнитные волны любой длины. На них очень легко «нагрузить» сообщение. Волна, несущая какой-то сигнал -речь, музыку,- называется модулированной. Модуляция бывает двух видов: частотная (когда меняется длина волны излучения) и амплитудная (когда меняется его интенсивность). Так же модулировать можно было бы и свет, не будь он смесью разных электромагнитных волн, а будь одной волной достаточной интенсивности. Короче, нужен был лазер. И как только он появился, за него тут же ухватились связисты. Уже в 1962 году заработала лазерная линия связи между Калининским районом столицы и подмосковным городом Красногорском. Связь шла по открытому лучу: лазер стоял на одной из башен высотного здания Московского государственного университета на Ленинских горах.
Конечно, нет, нужно исключить все вредные погодные воздействия, пустив свет по волоконному световоду.
Лазерный луч попадает в модулятор - устройство, которое «накладывает» на него передаваемый сигнал (речь, музыку, телевизионное изображение) - и уходит в волоконный кабель. Бесчисленное число раз отразившись от его стенок и пройдя в нем сотни и сотни метров, модулированный луч попадает в устройство, которое снова превращает его в привычный нам электрический сигнал.
По этому же световоду можно направить излучение второго лазера, с другой длиной волны, третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть тоньше волоса, можно одновременно передавать 32 ООО телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволит создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений, как сегодня работает радиотрансляция. Часто в одном жгуте комбинируют волоконные световоды и обычные электрические провода.
Есть и еще одно очень важное соображение, которое имеют в виду, создавая волоконно-оптическую связь. Два электрических провода, лежащие рядом, могут мешать друг другу. Переменный ток, текущий в одном проводе, вызывает такой же ток, только послабее, в другом. Возникает ложный сигнал -шум, треск, а то и музыка или речь, мешающие передаче по другому проводу. Такие сигналы-помехи называются наводками. Электрические искры и молнии дают наводки, принимаемые радиоприемником.
Особенно опасны наводки для работы электронно-вычислительных машин. В США был случай, когда огромную космическую ракету пришлось взорвать через несколько секунд после старта: из-за одной-единственной ошибки в вычислениях она сошла с траектории и грозила упасть на город. Расследование показало, что виновато маленькое реле: его неисправный контакт искрил, искра вызывала наводку, а та, в свою очередь,-сбой в работе машины. Крошечная искра стоила американцам нескольких миллионов долларов...
Для того чтобы избежать по-мех, провод одевают в «экран», или «броню» - плетеный чулок из медных нитей. Все высокочастотные кабели обязательно делаются в броне, именно так устроен кабель, идущий от антенны к телевизору. Но и это, как мы уже видели, не всегда помогает.
С волоконным световодом таких неприятностей не произойдет, слой непрозрачной краски на его поверхности - вот и вся изоляция. Поэтому считают, что миниатюрные полупроводниковые лазеры и оптическое волокно скоро вытеснят электронные приборы и кабели из вычислительной техники.
Лазеры уже можно гасить, зажигать и менять их яркость при помощи другого лазера, так, как включают, выключают и усиливают электрический ток электронные лампы и транзисторы. Свет заменяет электричество!
И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. «Автор» конструкции и хозяин этого устройства -белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже и согревают зверя.
Волоконно-оптические кабели оказались настолько удобными добавлениями к лазерному лучу, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но, в конце концов, не так давно был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера, например, такого, какой стоит в цехе завода имени Лихачева.
В настоящее время лазерная техника открывает новые возможности для совершенствования систем связи, локации и радиоуправления. Эти возможности связаны с огромным коэффициентом усиления передающих оптических антенн, что позволяет получить большое отношение сигнал/шум в приемнике в широкой полосе частот при маломощных передатчиках и с возможностью использовать очень широкие полосы частот при передаче и приеме оптических сигналов.
Лазерные системы передачи информации имеют следующие преимущества по сравнению с радиосистемами.
Возможность передачи информации с очень высокой скоростью при относительно малой мощности передатчика и малых габаритных размерах антенны. Сегодня лазерные линии связи могут обеспечить передачу информации со скоростью до 102 Гбит/с и более. При временном уплотнении каналов можно в многоканальной линии связи получить результирующую частоту следования импульсов более 100 ГГц, что превышает всю полосу радиочастотного спектра, используемого сегодня.
Скрытность передачи информации и защищенность от организованных помех (из-за очень узких ДН передающих и приемных антенн, составляющих единицы угловых секунд).
Однако имеются и недостатки, основными из которых являются: зависимость работы от метеоусловий и необходимость использовать световоды (кварцевые, стеклянные волокна).
Реальные перспективы для лазерных систем связи открываются в системах космической связи «ИСЗ-ИСЗ» ввиду отсутствия атмосферы. В таких системах широкополосная и узкополосная информация от низкоорбитальных КА будет передаваться по лазерным линиям связи на стационарные ИСЗ и с них на наземные станции. Важное значение будут иметь спутниковые системы связи «Земля-Земля» через ИСЗ-ретранслятор с лазерными линиями связи.
Расчеты показывают, что в таком канале связи реализуема скорость передачи информации более 1 Мбит/с из района Марса. Для сравнения можно сказать, что в существующих телеметрических радиолиниях для связи с КА в районе Марса скорость передачи информации не превышает 10 бит/с.
Прежде чем обсуждать вопрос выбора системы для космической связи, оценим достоинства и недостатки используемых систем:
с прямым детектированием (рис. 8, а);
с гетеродинным приемником (рис. 8, б).
Рис. 8
Отметим, что помехоустойчивость обеих систем примерно одинакова и для одной и той же частоты и одинакового уровня развития лазерной техники имеются явные преимущества у первой системы, которые заключаются в следующем:
Имеет более простое приемное устройство;
Нечувствительна к доплеровскому сдвигу частоты, что исключает необходимость поиска сигнала по частоте в приемнике (как это имеет место во второй системе);
Нечувствительна к искажению волнового фронта сигнала (возникающего в турбулентной атмосфере), поэтому возможны простые наземные антенны с большой апертурой. В гетеродинном приемнике турбулентность атмосферы ограничивает размеры приемной антенны и для ее увеличения (площади антенны) необходимо применять антенную решетку, состоящую из множества антенн с устройством сложения выходных сигналов;
Имеет приемную антенну, к которой не предъявляются требования высокого оптического качества, что позволяет реализовать более легкие и дешевые бортовые антенны;
Позволяет реализовать более эффективные методы взаимного наведения передающих и приемных антенн (по сравнению с одноэтапным растровым сканированием во второй системе).
Единственным преимуществом систем с гетеродинным приемником является более эффективное подавление фона в приемнике (по сравнению с первым).
Проведем анализ частотной пригодности лазеров для космической связи.
Из-за большой дальности связи требуются передатчики со средней мощностью от долей до единиц ватт. Такие лазеры с приемлемым КПД имеются в трех основных диапазонах:
10 мкм - газовый лазер на СО 2 с = 10,6 мкм, в одномодовом режиме при Р = 1 Вт = 10%, t раб = 10 тыс. ч. непрерывной работы (пригоден для бортовой аппаратуры и из-за высокой стабильности частоты вполне может работать в системе с гетеродинным приемником);
1 мкм - твердотельный лазер на итрий-алюминиевом гранате (ИАГ), активированном ниодимом (J-Al/Nd) = 1,06 мкм, = 1,5 2%, Р макс = n0,1 Вт (такой лазер может с успехом работать на стационарных ИСЗ, т.к. накачка осуществляется решетками светодиодов или устройствами солнечной накачки. В последнем случае коллектор солнечной энергии через оптический фильтр фокусирует энергию накачки на лазерном стержне, обеспечивая его возбуждение. Калий-рубидиевые лампы накачки обеспечивают t раб до 5 тыс. ч при = 10%. Результирующий = 10 Светодиоды имеют больший ресурс, но их мощность мала и поэтому они пригодны только для маломощных передатчиков до 0,1 Вт);
0,5 мкм - перспективным здесь является Nd:ИАГ-лазер, работающий в режиме удвоения частоты = 0,53 мкм (ярко-зеленый цвет), с эффективностью преобразователя близкой к единице.
Для низкоскоростных лазерных линий связи перспективными являются импульсные газовые лазеры на парах металлов. В импульсном режиме лазер на парах меди имеет = 0,5106 и 0,5782 мкм и = =5% (в режиме модуляции добротности) при средней мощности единицы ватт.
Возможности приемной техники в этих трех диапазонах следующие:
10,6 мкм - имеются фотодетекторы с высокой квантовой эффективностью (40 50%) при охлаждении до 77 100 К, но т.к. фотодетекторы не обладают внутренним усилением, они не пригодны для систем с прямым детектированием;
1,06 мкм - для систем с прямым детектированием можно использовать ФЭУ или лавинные фотодиоды. Но квантовая эффективность ФЭУ на этой длине волны составляет всего 0,008, поэтому этот диапазон значительно уступает первому;
0,53 мкм оказывается более приемлемым диапазоном в режиме прямого детектирования, т.к. показатели его из-за увеличения эффективности ФЭУ существенно выше.
Итак, имеются две системы космической связи:
С прямым детектированием сигнала на длине волны 0,53 мкм;
С гетеродинным приемником в ИК-диапазоне на 10,6 мкм.
Причем система с = 10,6 мкм имеет:
Более низкий уровень квантового шума (т.к. спектральная плотность квантового шума пропорциональна величине hf, то на = =10,6 мкм она в 20 раз меньше, чем на = 0,53 мкм);
КПД лазерного передатчика диапазона =10,6 мкм выше, чем на = 0,53 мкм.
Первые два свойства системы позволяют использовать более широкие диаграммы направленности передатчиков по сравнению с системой видимого диапазона, что упрощает систему наведения.
Недостатки здесь те же, что и у гетеродинного метода.
Система видимого диапазона = 0,53 мкм, имея более высокий уровень квантового шума, более низкий КПД передатчика, может иметь значительно уменьшенные ДН передающей антенны. Так, если апертуры передающих антенн одинаковы (на = 0,53 и 10,6 мкм), то передающая антенна на = 0,53 мкм будет иметь коэффициент усиления в 400 раз больший, чем на = 10,6 мкм, что с запасом компенсирует названные выше недостатки. Более узкие лучи передающих антенн усложняют систему взаимного наведения передающих и приемных антенн, однако использование эффективных многоэтапных методов поиска позволяет существенно сократить время вхождения в связь. Причем в гетеродинном приемнике возможно только простое растровое сканирование при поиске сигнала и время поиска существенно увеличивается за счет необходимости одновременного поиска сигнала по частоте.
Важным преимуществом антенны видимого диапазона является возможность построения спутниковой системы связи многостанционного доступа. В этом случае на борту ИСЗ-РРС размещаются несколько (по числу линий связи) простых приемников прямого детектирования. Для систем диапазона 10,6 мкм это практически невыполнимо из-за сложности гетеродинных приемников с громоздкими устройствами охлаждения фотосмесителей.
Таким образом, по существующему техническому уровню системы с прямым детектированием (= 0,53 мкм) имеют существенные преимущества:
для дальней космической связи «КА-Земля» через атмосферу;
для спутниковой системы с многостанционным доступом.
Для спутниковой системы связи, когда приемный (или передающий) луч ИСЗ-ретранслятора «перекидывается» с одного абонента на другой по программе, система связи с высокой пропускной способностью на = 0,53 и 10,6 мкм имеют сравнимые характеристики при скоростях передачи информации до нескольких сотен мегабит в секунду. Более высокие скорости передачи информации (более 10 Гбит/с) в системе с = 10,6 мкм трудно реализуемы, в то время как в видимом диапазоне они могут быть просто обеспечены за счет временного уплотнения каналов.
Пример реализации системы связи трех синхронных спутников (рис. 9):
длина волны передатчика = 0,53 мкм (детектирование прямое);
модуляция осуществляется электрооптическим модулятором, а сигналом модуляции является СВЧ-поднесущая с центральной частотой m = 3 ГГц и боковой полосой от мин = 2,5·10 9 до макс = 3,5·10 9 Гц (т.е. = 10 9 Гц);
Рис. 9
электрооптический модулятор (кристалл) работает в поперечном режиме с электрооптическим коэффициентом r 4·10 -11 при микроволновой диэлектрической проницаемости = 55 0 . Максимальная глубина модуляции - Г m = /3;
коллимирующая и принимающая линзы имеют размеры 10 см;
соотношение сигнал/шум на выходе усилителя, следующего за ФЭУ, равен 10
Определим общую мощность источника постоянного тока, которым спутник должен снабжаться, чтобы удовлетворить требованиям задания на проектирование (определим сначала уровень оптической мощности передаваемого излучения, а затем мощность модуляции, необходимую для работы).
Решение : Синхронный спутник имеет период обращения 24 часа. Расстояние от Земли до спутника определяем из равенства центробежной и гравитационной сил
mV 2 /R ES = mg(R Зем) 2 /(R ES) 2 ,
где V скорость спутника; m его масса; g - гравитационное ускорение у поверхности Земли; R ES - расстояние от центра Земли до спутника; R Зем - радиус Земли.
Синхронная орбитальная частота вращения (24 часа) позволяет определить
V/R ES = 2/(246060), тогда R ES = 42 222 км.
Расстояние между спутниками R = 73 12 км при разносе в 120 О. Если оптический сигнал мощностью Р Т передается в телесном угле T и принимаемая апертура обеспечивает телесный угол R , то принимаемая мощность
P R = P T (R / T).
Передаваемый оптический пучок (рис. 35) дифрагирует с углом расходимости пучка, который связан с минимальным радиусом пучка 0 выражением
пучка = / 0 .
Соответствующий телесный угол T = (пучка) 2 .
Если принять 0 равным радиусу d т передающей линзы, то
Телесный угол приемника равен
R = d 2 R /R 2 ,
R расстояние между передатчиком и приемником.
Из (42), (44), (45) имеем
P T = P R R 22 / 22 T 2 R .
Запишем соотношение сигнал/шум на выходе ФЭУ, работающем в режиме квантового ограничения (т.е. когда основной источник шума - дробовый шум самого сигнала):
с/ш = 2 (P R e/h) 2 G 2 /G 2 ei d = P R /h,
где Р R оптическая мощность, G - коэффициент усиления по току, i d - темновой ток. При = 0,53 мкм, = 0,2 - эффективность преобразования мощности, = 10 9 Гц с/ш = 10 3 получим Р R 2·10 -6 . При этом требуемая мощность в соответствии с (46) при R = 7,5·10 4 м составит Р т 3 Вт.
Радиоволны - не единственное средство связи с внеземными цивилизациями. Есть и другие способы, например световые сигналы. Поскольку световому сигналу придется преодолеть огромное расстояние, он должен обладать необходимыми свойствами: иметь достаточную для преодоления этого пути энергию. Легко убедиться, что для посылки таких световых сигналов оптические прожекторы непригодны. Они создают расходящиеся лучи света. Поэтому чем дальше от прожектора, тем ширина такого пучка становится больше. На огромных расстояниях она также очень большая. Это значит, что энергия, приходящаяся на единицу площади, очень малая.
Если использовать самый современный оптический прожектор, который создает пучок света (луч) шириной всего полградуса, то уже на расстоянии 50 километров световое пятно, создаваемое прожектором, составит 450 метров. Такой прожектор, установленный на Земле, будет создавать на Луне светлое пятно диаметром 3000 километров! Ясно, что при этом световая энергия рассеивается на большой площади и освещенность поверхности становится намного меньше, чем если бы это пятно составляло всего 10 или 100 метров. Образованное земным прожектором на поверхности Луны пятно обнаружить невозможно. Но Луна находится рядом с нами. Что же останется от плотности энергии на удалениях в сотни световых лет? Практически ничего. Поэтому рассматривать далее такой тривиальный источник световых сигналов нет смысла. Но необходимые оптические сигналы могут быть созданы с помощью лазеров, которые явились воплощением идей Алексея Толстого (гиперболоид инженера Гарина) и Г. Уэллса (тепловой луч марсиан).
Что касается лазерного излучения как средства связи с инопланетянами, то здесь важны два его свойства. Первое - возможность излучать практически не расходящийся пучок света (луч), что, как мы видели, нельзя сделать с помощью обычных прожекторов. Второе - возможность создавать мощные световые сигналы, которые способны достигнуть звезд, находящихся на удалениях в сотни и тысячи световых лет.
Важным свойством лазерного излучения является его монохроматичность (буквально «одноцветность»). Физически это означает, что излучение имеет строго неизменную длину волны, а значит, и цвет. В то же время имеются лазеры, которые излучают одну строго определенную длину волны, величина которой определяется «рабочим веществом» лазера. Такое вещество может быть газообразным, жидким или твердым. Вначале использовали главным образом синтетический рубиновый кристалл. При использовании стекла, активированного неодимом, длина волны излучения равна 1,06 мкм. В качестве рабочего вещества применяют, в частности, углекислый газ CO2 и многие другие вещества. Жидкостные лазеры позволяют излучать на разных длинах волн (в данном диапазоне). Излучение происходит попеременно, в каждый момент времени излучается одна строго определенная длина волны.
Важно и то, что лазерные установки позволяют излучать очень короткие импульсы света. Для передачи информации (последовательностями импульсов) это очень важно. Длина импульса может быть столь мала, что за время в одну секунду можно «уложить» до тысячи миллиардов импульсов. При излучении импульсы следуют друг за другом с определенной задержкой. Современные лазеры позволяют получать импульсы большой мощности. Так, даже столь короткие импульсы, как приведенные выше, могут иметь энергиюбольше 10 джо-улей! Чем больше длина импульса, тем больше содержащаяся в нем энергия. В режиме» свободной генерации», когда лазер сам регулирует длину излучаемых импульсов и она составляет порядка тысячной доли секунды, энергия каждого импульса может достигать нескольких тысяч джоулей. Лазеры позволяют излучать не только короткие импульсы света, но и непре-рывно. Например, газовые лазеры, работающие на углекислом газе, могут работать в режиме непрерывной генерации. В этом случае излучение характеризуется не энергией каждо-го импульса (т. к. отдельных импульсов нет), а энергией в единицу времени или, другими словами, мощностью. Так, мощность лазеров, работающих на углекислом газе, доходит до нескольких десятков киловатт.
Излучение лазера также рассеивается, но несравненно меньше, чем у прожекторов. Это определяется размерами рабочего вещества. Излучение с поверхности рабочего вещества происходит строго с одинаковой фазой (синфазно) по всей его поверхности. Поэтому ширина посылаемого лазером пучка зависит от размера блока «рабочего вещества», то есть чем больше поверхность, тем эже пучок излучаемого света. Зависимость ширины пучка от длины волны прямая: чем меньше длина волны, тем шире посылаемый лазером пучок. Но даже у рядовых лазеров, у которых размеры рабочего вещества составляют порядка 1 сантиметра, угол раствора светового пучка в 200 раз меньше, чем у прожектора. Он составляет 10 угловых секунд. Имеются, конечно, лазеры и со значительно меньшими углами светового излучения.
Чтобы избавиться от расхождения лучей, необходимо использовать оптическую систему типа телескопа, направляющую ход лучей. Если пучок лазерного излучения пропустить через линзу, у которой фокусное расстояние равно ее диаметру, то действительное изображение пучка в фокальной плоскости будет иметь размеры, равные длине волны. Далее, в том месте, где получено это действительное изображение пучка, поместим фокус другой линзы (или зеркала), диаметр которой намного больше, чем первой. Для второй линзы фокусное расстояние может быть больше ее диаметра, но может быть и равно ему (как и у первой линзы). Такая комбинация двух линз приводит к тому, что из второй большой линзы (зеркала) будет выходить пучок, у которого угол расхождения уменьшится (по сравнению с первоначальным, входящим в телескоп) во столько раз, во сколько раз диаметр второй линзы (зеркала) больше длины излучаемой волны. Таким образом, вполне реально сколь угодно уменьшить угол расходимости лазерного пучка.
Для связи с инопланетянами могут использоваться как связные системы, построенные на одном лазере, так и построенные на целой системе (батарее) лазеров. Если использовать непрерывно излучающий лазер мощностью 10 киловатт и дополнительное большое зеркало диаметром 5 метров, то можно сузить угол раствора пучка до 0,02 с дуги.
Можно использовать не одно большое зеркало, а определенное количество зеркал с малым диаметром (скажем, 10 сантиметров). Тогда система должна содержать столько же лазеров, сколько имеется зеркал. Вся она должна быть очень жестко ориентирована. Если взять 25 лазеров, то можно достичь угла раствора пучка, равного одной дуговой секунде.
Преимущество лазерных систем (батарей) для космической связи состоит в том, что при ее работе можно исключить влияние земной атмосферы. Если же работать с одним лазером, то из-за неспокойствия атмосферы угол раствора пучка становится значительно больше, чем при отсутствии такого влияния. Это влияние можно обойти, если лазерную систему поместить так, чтобы лазерный луч не проходил через атмосферу, то есть расположить ее на искусственном спутнике-платформе. Применять батарею лазерных установок в этом случае необходимости нет.
Впервые возможность связи с внеземными цивилизациями с помощью лазерного луча была научно проанализирована в 1961 году лауреатом Нобелевской премии Ч.Х. Таун-сом и Р.И. Шварцем. С тех пор лазерная техника в мире усовершенствовалась и условия для осуществления лазерной связи стали более благоприятными. Главное, что должна обеспечить эта техника, это достаточная мощность излучения и возможность отделить лазерное излучение, посланное нам инопланетянами, от излучения звезд. Как отделить свет лазера от света звезды? Этот вопрос отнюдь не простой, и решать его можно только благодаря особому свойству лазерного излучения - его высокой монохроматичности. Звезда (например, Солнце) излучает свет с различными длинами волн. Лазер же излучает только на строго определенной длине волны, скажем 0,5 мкм. На этой длине волны Солнце излучает наибольшую энергию. Тем не менее излучение лазера в 25 раз больше, чем у Солнца или у другой такой же звезды. Конечно, это относится только к данной конкретной длине волны. На других длинах волн (например, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра) это отношение было бы еще больше, поскольку на этих длинах волн Солнце излучает меньше, чем около зеленого света (0,5 мкм).
Таким образом, даже современная лазерная техника позволяет создать излучение, интенсивность которого на данной длине волны достаточна для того, чтобы его выделить из всего излучения звезд. Чтобы добиться еще лучшего выделения лазерного излучения, надо «работать» вблизи линий поглощения Солнца (или другой звезды), то есть в том диапазоне, где часть излучения Солнца поглощается и оно меньше мешает выделению лазерного излучения. Если лазер работает на длине волны 0,15 мкм, то его спектральная интенсивность может в десятки тысяч раз превосходить интенсивность солнечного излучения на этой длине волны, поскольку она находится в области поглощения солнечного излучения. Конечно, такая лазерная установка должна быть расположена за пределами земной атмосферы, иначе лазерное излучение будет поглощено атмосферным газом. Таким образом, регистрируя и анализируя свет от удаленных звезд, мы должны иметь в виду, что лазерное излучение, посланное внеземными цивилизациями, может быть обнаружено на фоне этого излучения. Оно проявится как узкая линия. Но для этого необходимо анализировать излучение звезд с помощью высококачественных спектрографов. Можно использовать также очень узкополосные фильтры. Конечно, указанные оптические устройства должны быть очень высококачественными: разрешающая способность спектрографа должна быть 0,03 А, для того чтобы получить 10 %-ную контрастность линии лазера над фоном. Современная оптическая техника позволяет это сделать. Поэтому уже сейчас мы можем на самых сильных телескопах начать вылавливание линий излучения, принадлежащих лазерным устройствам внеземных цивилизаций.
Мы неоднократно обсуждали различные аспекты действия эффекта Доплера на излучение движущегося источника. В данном случае этот эффект также необходимо учитывать, так как за счет движения приемников излучения в направлении самого излучения должно происходить смещение (доплеровский сдвиг) частоты излучения в ту или иную сторону. Чтобы регистрировать это излучение со смещенной частотой, надо располагать спектрографами с соответствующей разрешающей способностью.
Таким образом, даже современный уровень лазерной техники позволяет принимать лазерные сигналы от ближайших звезд и посылать их обратно. Но остается еще один, возможно самый главный, вопрос: куда посылать сигналы и откуда их принимать? В том и другом случае мы должны куда-то направлять наши телескопы, причем с очень большой точностью. То же самое требуется и от наших корреспондентов в космосе. Если они находятся на ближайших звездах (их планетах), то земную орбиту они будут наблюдать под углом в одну угловую секунду. Для того чтобы их лазерный луч попал на Землю, они должны направить его с угловым разрешением 0,02 секунды дуги. Нашим астрономам сейчас такая точность доступна. Поэтому мы полагаем, что она достижима и для внеземных цивилизаций, ищущих связи с нами.
Логично представить себе, что инопланетяне в поисках связи с нами будут «шарить» лазерным лучом в пределах Солнечной системы. Если они сделают ширину лазерного луча (пучка) больше, то при этом он будет все время освещать Землю и может относительно легко регистрироваться. Но чем шире луч, тем больше необходимо излучать энергии, чтобы ее хватило на всю освещаемую им поверхность, для того чтобы она могла быть зарегистрирована. Но можно думать, что эта трудность для инопланетян не будет неразрешимой. По крайней мере, в земных лабораториях увеличение мощности лазерного излучения происходит очень быстро.
Особенно эффективно лазерная связь может использоваться в пределах Солнечной системы. С помощью лазерного луча можно создать пятно на Марсе диаметром 5–7 километров, которое будет светиться примерно в 10 раз ярче, чем Венера при наблюдении с Земли. Лазерный луч может нести на себе любую информацию: его интенсивность можно изменять во времени по любому закону (другими словами, лазерное излучение можно модулировать соответствующим образом). Поверхность Луны была освещена лазерным лучом. На не освещенной Солнцем стороне Луны получается светящееся пятно диаметром 40 метров. Оно освещено в 100 раз меньше, чем в случае прямого падения солнечных лучей.
