نحوه انتقال اطلاعات از طریق پرتو لیزر پرتال خبری و تحلیلی «زمان الکترونیک». تغییرات در موضوع ارتباطات لیزر فضایی

در حال حاضر، فناوری لیزر امکانات جدیدی را برای بهبود ارتباطات، مکان یابی و سیستم های کنترل رادیویی باز می کند. این قابلیت‌ها با بهره عظیم آنتن‌های نوری فرستنده همراه است که به دست آوردن نسبت سیگنال به نویز بزرگ در گیرنده در یک باند فرکانسی گسترده با فرستنده‌های کم مصرف و با قابلیت استفاده از فرکانس بسیار گسترده را ممکن می‌سازد. باند در انتقال و دریافت سیگنال های نوری.

سیستم های انتقال اطلاعات لیزری دارای مزایای زیر نسبت به سیستم های رادیویی هستند.

امکان انتقال اطلاعات با سرعت بسیار بالا با قدرت فرستنده نسبتا کم و ابعاد کلی کوچک آنتن. امروزه خطوط ارتباطی لیزری می توانند انتقال اطلاعات را با سرعت 102 گیگابیت بر ثانیه یا بیشتر فراهم کنند. با مالتی پلکس شدن کانال ها، می توان نرخ تکرار پالس حاصله بیش از 100 گیگاهرتز را در یک خط ارتباطی چند کاناله بدست آورد که از کل باند طیف فرکانس رادیویی که امروزه استفاده می شود، فراتر می رود.

مخفی بودن انتقال اطلاعات و محافظت در برابر تداخل سازمان یافته (به دلیل الگوهای جهتی بسیار باریک آنتن های ارسال و دریافت که واحدهای ثانیه قوس هستند).

با این حال، معایبی نیز وجود دارد که اصلی ترین آنها عبارتند از: وابستگی کار به شرایط آب و هوایی و نیاز به استفاده از راهنماهای نور (کوارتز، الیاف شیشه).

چشم اندازهای واقعی برای سیستم های ارتباطی لیزری در سیستم های ارتباطی فضایی "ISZ-AIS" به دلیل عدم وجود جو باز می شود. در چنین سیستم هایی، اطلاعات پهن باند و باند باریک از فضاپیماهای مدار پایین از طریق خطوط ارتباطی لیزری به ماهواره های ثابت و از آنها به ایستگاه های زمینی منتقل می شود. از اهمیت زیادی برخوردار خواهد بود سیستم های ارتباطی ماهواره ای "زمین به زمین" از طریق یک رله ماهواره ای با خطوط ارتباطی لیزری.

محاسبات نشان می دهد که در چنین کانال ارتباطی نرخ انتقال اطلاعات بیش از 1 مگابیت بر ثانیه از منطقه مریخ امکان پذیر است. برای مقایسه می توان گفت که در لینک های رادیویی تله متریک موجود برای ارتباط با فضاپیما در منطقه مریخ، سرعت انتقال اطلاعات از 10 بیت بر ثانیه فراتر نمی رود.

قبل از بحث در مورد موضوع انتخاب یک سیستم برای ارتباطات فضایی، اجازه دهید مزایا و معایب سیستم های مورد استفاده را ارزیابی کنیم:

با تشخیص مستقیم (شکل 8، a).

با یک گیرنده هتروداین (شکل 8، ب).

برنج. 8

توجه داشته باشید که مصونیت نویز هر دو سیستم تقریباً یکسان است و برای فرکانس یکسان و همان سطح توسعه فناوری لیزر، سیستم اول دارای مزایای واضحی است که به شرح زیر است:

دارای یک دستگاه گیرنده ساده تر.

غیر حساس به تغییر فرکانس داپلر، که نیاز به جستجوی سیگنال بر اساس فرکانس در گیرنده را از بین می برد (همانطور که در سیستم دوم وجود دارد).

غیر حساس به اعوجاج جبهه موج سیگنال (منشأ آن در جو متلاطم)، بنابراین آنتن های زمینی ساده با دیافراگم های بزرگ امکان پذیر است. در یک گیرنده هتروداین، اغتشاش اتمسفر اندازه آنتن گیرنده را محدود می کند و برای افزایش آن (مساحت آنتن)، لازم است اعمال شود. آرایه آنتن، متشکل از تعداد زیادی آنتن با وسیله ای برای اضافه کردن سیگنال های خروجی.

دارای آنتن گیرنده است که نیازی به کیفیت نوری بالایی ندارد که امکان اجرای آنتن های هوابرد سبک تر و ارزان تر را فراهم می کند.

بیشتر اجازه می دهد روش های موثراشاره متقابل آنتن های فرستنده و گیرنده (در مقایسه با اسکن شطرنجی تک مرحله ای در سیستم دوم).

تنها مزیت سیستم های دارای گیرنده هتروداین، سرکوب پس زمینه موثرتر در گیرنده است (در مقایسه با سابق).

بیایید تحلیل کنیم تناسب فرکانس لیزرهابرای ارتباطات فضایی

به دلیل برد ارتباطی زیاد، فرستنده هایی با توان متوسط ​​از کسری تا واحد وات مورد نیاز است. چنین لیزرهایی با راندمان قابل قبول در سه محدوده اصلی موجود هستند:

10 میکرومتر - لیزر گازی CO 2 با = 10.6 میکرومتر، در حالت تک حالته در P = 1 W = 10٪، t slave = 10 هزار ساعت کار مداوم (مناسب برای تجهیزات روی برد و به دلیل پایداری فرکانس بالا کاملاً می تواند در یک سیستم با گیرنده هتروداین کار کند).

1 میکرومتر - لیزر حالت جامد بر روی گارنت ایتریوم-آلومینیوم (YAG) فعال شده توسط نئودیمیم (J-Al/Nd) = 1.06 میکرومتر، = 1.5 2٪، P max = n0.1 W (چنین لیزری می تواند با موفقیت روی ثابت کار کند. ماهواره ها، زیرا پمپاژ توسط آرایه های LED یا دستگاه های پمپاژ خورشیدی انجام می شود. انرژی خورشیدیاز طریق یک فیلتر نوری انرژی پمپ را روی میله لیزر متمرکز می کند و تحریک آن را فراهم می کند. لامپ های پمپ پتاسیم روبیدیم تا 5000 ساعت در 10% کارایی تولید می کنند. Resultant = 10 LED طول عمر بیشتری دارند، اما قدرت آنها کم است و بنابراین فقط برای فرستنده های کم مصرف تا 0.1 W مناسب هستند.

0.5 میکرومتر - لیزر نویدبخش Nd:YAG که در حالت دو برابر کردن فرکانس = 0.53 میکرومتر (سبز روشن)، با بازده مبدل نزدیک به یکپارچگی کار می کند، در اینجا امیدوار کننده است.

برای خطوط ارتباطی لیزری با سرعت پایین، لیزرهای گاز بخار فلزی پالسی امیدوارکننده هستند. در حالت پالسی، لیزر بخار مس دارای 0.5106 = و 0.5782 میکرومتر و = = 5٪ (در حالت سوئیچ Q) با توان متوسط ​​یک وات است.

امکانات دریافت تجهیزات در این سه محدوده به شرح زیر است:

10.6 میکرومتر - آشکارسازهای نوری با راندمان کوانتومی بالا (40-50٪) هنگامی که تا 77-100 K خنک می شوند وجود دارد، اما از آنجایی که آشکارسازهای نوری تقویت داخلی ندارند، آنها برای سیستم هایی با تشخیص مستقیم مناسب نیستند.

1.06 میکرومتر - PMT ها یا فتودیودهای بهمنی را می توان برای سیستم هایی با تشخیص مستقیم استفاده کرد. اما راندمان کوانتومی PMT در این طول موج تنها 0.008 است، بنابراین این محدوده به طور قابل توجهی کمتر از اولین است.

0.53 میکرومتر در حالت تشخیص مستقیم محدوده قابل قبول تری است، زیرا عملکرد آن به دلیل افزایش کارایی PMT به طور قابل توجهی بالاتر است.

بنابراین، دو سیستم ارتباطی فضایی وجود دارد:

با تشخیص سیگنال مستقیم در طول موج 0.53 میکرومتر.

با یک گیرنده هتروداین در محدوده IR در 10.6 میکرومتر.

علاوه بر این، سیستم با = 10.6 میکرومتر دارای:

بیشتر سطح پاییننویز کوانتومی (زیرا چگالی طیفی نویز کوانتومی با مقدار hf متناسب است، پس با 10.6 میکرومتر = 20 برابر کمتر از 0.53 میکرومتر است).

راندمان فرستنده لیزری در محدوده 10.6 میکرومتر بیشتر از 0.53 میکرومتر است.

دو ویژگی اول این سیستم امکان استفاده از الگوهای تابش فرستنده گسترده تر را در مقایسه با یک سیستم باند مرئی فراهم می کند که سیستم هدایت را ساده می کند.

معایب در اینجا مانند روش هتروداین است.

سیستم برد مرئی = 0.53 میکرومتر، با داشتن سطح بالاتری از نویز کوانتومی، بازده فرستنده کمتر، می تواند به طور قابل توجهی RP های آنتن فرستنده را کاهش دهد. بنابراین، اگر دیافراگم آنتن های فرستنده یکسان باشد (در = 0.53 و 10.6 میکرومتر)، آنتن فرستنده در 0.53 میکرومتر = 400 برابر بیشتر از در = 10.6 میکرومتر بهره خواهد داشت که با یک حاشیه معایب ذکر شده را جبران می کند. در بالا. پرتوهای باریک آنتن های فرستنده سیستم هدایت متقابل آنتن های فرستنده و گیرنده را پیچیده می کند، با این حال، استفاده از روش های موثر جستجوی چند مرحله ای می تواند زمان ورود به ارتباط را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. علاوه بر این، در یک گیرنده هتروداین، تنها اسکن شطرنجی ساده هنگام جستجوی سیگنال امکان پذیر است و زمان جستجو به دلیل نیاز به جستجوی همزمان سیگنال بر اساس فرکانس به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

مزیت مهم آنتن برد مرئی قابلیت ساخت است سیستم ماهواره ایارتباطات با دسترسی چندگانه در این حالت چندین گیرنده تشخیص مستقیم ساده (با توجه به تعداد خطوط ارتباطی) روی ماهواره RRS قرار می گیرد. برای سیستم هایی در محدوده 10.6 میکرومتر، به دلیل پیچیدگی گیرنده های هتروداین با دستگاه های خنک کننده فتومیکسر حجیم، این عملا غیرممکن است.

بنابراین، با توجه به سطح فنی موجود، سیستم های با تشخیص مستقیم (= 0.53 میکرومتر) مزایای قابل توجهی دارند:

برای ارتباطات عمیق فضایی "KA-Earth" از طریق جو؛

برای سیستم ماهواره ای با دسترسی چندگانه

برای یک سیستم ارتباط ماهواره ای، زمانی که پرتو گیرنده (یا فرستنده) یک تکرار کننده ماهواره مصنوعی از مشترکی به مشترک دیگر بر اساس برنامه "سوئیچ" می شود، یک سیستم ارتباطی با پهنای باند بالای 0.53 = و 10.6 میکرومتر دارای ویژگی های قابل مقایسه است. سرعت انتقال اطلاعات تا چند صد مگابیت در ثانیه. سرعت انتقال اطلاعات بالاتر (بیش از 10 گیگابیت بر ثانیه) در یک سیستم با 10.6 میکرومتر = پیاده سازی دشوار است، در حالی که در محدوده قابل مشاهده می توان آنها را به سادگی به دلیل مالتی پلکس شدن کانال ها ارائه کرد.

نمونه ای از پیاده سازی یک سیستم ارتباطی از سه ماهواره سنکرون (شکل 9):

طول موج فرستنده = 0.53 میکرومتر (تشخیص مستقیم).

مدولاسیون توسط یک مدولاتور الکترواپتیکال انجام می شود و سیگنال مدولاسیون یک حامل فرعی مایکروویو با فرکانس مرکزی m = 3 گیگاهرتز و باند جانبی از حداقل = 2.5 10 9 تا حداکثر = 3.5 10 9 هرتز (یعنی = 10 9 هرتز) است. ;

برنج. 9

مدولاتور الکترواپتیکال (کریستال) در حالت عرضی با ضریب الکترواپتیکی r 4·10 -11 در ثابت دی الکتریک مایکروویو = 55 0 عمل می کند. حداکثر عمق مدولاسیون - Г m = /3.

لنزهای کولیمینگ و گیرنده دارای ابعاد 10 سانتی متر هستند.

نسبت سیگنال به نویز در خروجی تقویت کننده پس از PMT 10 است

بیایید قدرت کل منبع را تعیین کنیم جریان مستقیم، که ماهواره باید برای برآوردن الزامات وظیفه طراحی مجهز باشد (ابتدا سطح توان نوری تابش ارسالی و سپس توان مدولاسیون مورد نیاز برای کار را تعیین می کنیم).

راه حل: یک ماهواره سنکرون دارای دوره مداری 24 ساعته است. فاصله زمین تا ماهواره بر اساس برابری نیروهای گریز از مرکز و گرانش تعیین می شود

mV 2 /R ES \u003d mg (R Earth) 2 / (R ES) 2،

که در آن V سرعت ماهواره است. m جرم آن است. g - شتاب گرانشی در نزدیکی سطح زمین. R ES - فاصله از مرکز زمین تا ماهواره؛ R Earth - شعاع زمین.

فرکانس چرخش مداری همزمان (24 ساعت) به شما امکان می دهد تعیین کنید

V/R ES = 2/(246060)، سپس R ES = 42222 کیلومتر.

فاصله بین ماهواره ها R = 73 12 کیلومتر در فاصله 120 O. اگر یک سیگنال نوری با توان P T در یک زاویه جامد T مخابره شود و دیافراگم دریافتی یک زاویه ثابت R ارائه دهد، آنگاه توان دریافتی

P R = P T (R / T).

پرتو نوری ارسالی (شکل 35) با زاویه واگرایی پرتو، که با بیان مربوط به حداقل شعاع پرتو 0 است، پراش می شود.

تیر = / 0 .

زاویه جامد متناظر T = (پرتو) 2 .

اگر 0 را برابر با شعاع d t عدسی فرستنده بگیریم، آنگاه

زاویه جامد گیرنده برابر است با

R \u003d d 2 R / R 2،

R فاصله بین فرستنده و گیرنده است.

از (42)، (44)، (45) داریم

P T = P R R 22 / 22 T 2 R .

اجازه دهید نسبت سیگنال به نویز را در خروجی PMT بنویسیم که در حالت محصور شدن کوانتومی کار می کند (یعنی زمانی که منبع اصلی نویز نویز شات خود سیگنال است):

s / w \u003d 2 (P R e / h) 2 G 2 / G 2 ei d \u003d P R / ساعت،

که در آن P R توان نوری، G بهره جریان، i d جریان تاریک است. در = 0.53 میکرومتر، = 0.2 - راندمان تبدیل توان، = 10 9 هرتز s/w = 10 3، P R 2·10 -6 را دریافت می کنیم. در این حالت توان مورد نیاز مطابق با (46) در R = 7.5·10 4 m Р t 3 W خواهد بود.

E. N. Chepusov، S. G. Sharonin

امروزه تصور زندگی ما بدون کامپیوتر و شبکه های مبتنی بر آنها غیرممکن است. بشر در آستانه دنیای جدیدی است که در آن فضای اطلاعاتی واحدی ایجاد خواهد شد. در این دنیا، ارتباطات دیگر توسط مرزهای فیزیکی، زمان یا فاصله محدود نخواهد شد.

در حال حاضر تعداد زیادی شبکه در سرتاسر جهان وجود دارد که کار می کنند توابع مختلفو حل بسیاری از مشکلات مختلف. دیر یا زود، اما همیشه لحظه ای فرا می رسد که پهنای باند شبکه تمام می شود و باید خطوط ارتباطی جدیدی ایجاد شود. در داخل ساختمان، انجام این کار نسبتاً آسان است، اما در حال حاضر هنگامی که دو ساختمان همسایه به هم متصل می شوند، مشکلات شروع می شود. مجوزهای ویژه، تاییدیه، مجوز برای انجام کار و همچنین اجرای تعدادی از مجتمع ها مورد نیاز است الزامات فنیو ارضای نیازهای مالی قابل توجه سازمان هایی که زمین یا فاضلاب را مدیریت می کنند. به عنوان یک قاعده، بلافاصله معلوم می شود که کوتاه ترین مسیر بین دو ساختمان یک خط مستقیم نیست. و اصلاً لازم نیست که طول این مسیر با فاصله بین این ساختمان ها قابل مقایسه باشد.

البته، همه یک راه حل بی سیم مبتنی بر تجهیزات مختلف رادیویی (مودم های رادیویی، خطوط رادیویی رله کانال پایین، فرستنده های دیجیتال مایکروویو) را می شناسند. اما پیچیدگی در حال کاهش نیست. هوا بیش از حد اشباع شده است و گرفتن مجوز برای استفاده از تجهیزات رادیویی بسیار دشوار و حتی گاهی غیرممکن است. و توان عملیاتی این تجهیزات به طور قابل توجهی به هزینه آن بستگی دارد.

ما پیشنهاد می کنیم از یک نوع اقتصادی جدید استفاده کنیم ارتباطات بی سیم، که اخیراً بوجود آمد - ارتباطات لیزری. این فناوری بیشتر در ایالات متحده توسعه یافته است، جایی که توسعه یافته است. ارتباطات لیزری یک راه حل مقرون به صرفه برای مشکل ارتباطات کوتاه برد قابل اعتماد و پرسرعت (1.2 کیلومتر) ارائه می دهد که می تواند هنگام اتصال سیستم های مخابراتی بین ساختمان ها ایجاد شود. استفاده از آن امکان ادغام را فراهم می کند شبکه های محلیبا جهانی، ادغام شبکه های محلی از راه دور از یکدیگر و همچنین تامین نیازهای تلفن دیجیتال. ارتباطات لیزری از تمام رابط های لازم برای این اهداف پشتیبانی می کند - از RS-232 تا ATM.

ارتباط لیزری چگونه انجام می شود؟

ارتباط لیزری بر خلاف ارتباطات GSM امکان برقراری ارتباط نقطه به نقطه با سرعت انتقال اطلاعات تا 155 مگابیت بر ثانیه را فراهم می کند. در شبکه های کامپیوتری و تلفنی، ارتباطات لیزری تبادل اطلاعات را در حالت تمام دوبلکس تضمین می کند. برای کاربردهایی که به سرعت انتقال بالا نیاز ندارند (مثلاً برای انتقال سیگنال‌های تصویری و کنترلی در سیستم‌های تکنولوژیکی و دوربین‌های مداربسته)، یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه ویژه با تبادل نیمه دوبلکس وجود دارد. هنگامی که لازم است نه تنها شبکه های کامپیوتری، بلکه شبکه های تلفن نیز ترکیب شوند، می توان از مدل های دستگاه های لیزری با مالتی پلکسر داخلی برای انتقال همزمان ترافیک LAN و جریان های تلفن چندپخشی دیجیتال (E1 / PCM30) استفاده کرد.

دستگاه های لیزری می توانند هر جریان شبکه ای را که با استفاده از فیبر یا کابل مسی به آنها تحویل داده می شود در جهت جلو و عقب انتقال دهند. فرستنده سیگنال های الکتریکی را به تابش لیزر مدوله شده در محدوده مادون قرمز با طول موج 820 نانومتر و توان تا 40 مگاوات تبدیل می کند. ارتباطات لیزری از جو به عنوان یک رسانه انتشار استفاده می کند. سپس پرتو لیزر وارد گیرنده می شود که حداکثر حساسیت را در محدوده طول موج تابش دارد. گیرنده تابش لیزر را به سیگنال های رابط الکتریکی یا نوری مورد استفاده تبدیل می کند. این نحوه ارتباط با استفاده از سیستم های لیزری انجام می شود.

خانواده ها، مدل ها و ویژگی های آنها

در این بخش می خواهیم شما را با سه خانواده از محبوب ترین سیستم های لیزر در ایالات متحده - LOO، OmniBeam 2000 و OmniBeam 4000 (جدول 1) آشنا کنیم. خانواده LOO پایه است و امکان انتقال داده و پیام های صوتیتا فاصله 1000 متری خانواده OmniBeam 2000 قابلیت های مشابهی دارند، اما در فاصله بیشتر (تا 1200 متر) کار می کنند و می توانند تصاویر ویدئویی و ترکیبی از داده ها و گفتار را منتقل کنند. خانواده OmniBeam 4000 می تواند انتقال داده با سرعت بالا را ارائه دهد: 34 تا 52 مگابیت در ثانیه تا 1200 متر و 100 تا 155 مگابیت در ثانیه تا 1000 متر. خانواده های دیگری از سیستم های لیزر در بازار وجود دارند، اما آنها یا مسافت کمتری را پوشش می دهند یا پروتکل های کمتری را پشتیبانی می کند.

میز 1.

هر یک از خانواده ها شامل مجموعه ای از مدل هایی است که از پروتکل های ارتباطی مختلف پشتیبانی می کنند (جدول 2). خانواده LOO شامل مدل های اقتصادی است که فواصل انتقال تا 200 متر را فراهم می کند (حرف "S" در انتهای نام).

جدول 2.

مزیت بدون شک دستگاه های ارتباطی لیزری سازگاری آنها با اکثر تجهیزات مخابراتی برای اهداف مختلف (هاب ها، روترها، تکرار کننده ها، پل ها، مالتی پلکسرها و مبادلات تلفنی خودکار) است.

نصب و راه اندازی سیستم های لیزری

یک مرحله مهم در ایجاد یک سیستم، نصب آن است. راه اندازی واقعی در مقایسه با نصب و راه اندازی تجهیزات لیزری زمان بسیار ناچیزی را می طلبد، که اگر توسط متخصصان آموزش دیده و مجهز انجام شود چندین ساعت طول می کشد. در عین حال، کیفیت خود سیستم به کیفیت این عملیات بستگی دارد. بنابراین، قبل از ارائه گزینه های معمولی گنجاندن، مایلیم به این موارد توجه کنیم.

هنگامی که فرستنده و گیرنده در فضای باز قرار می گیرد، می توان آن را روی سطح سقف یا دیوار نصب کرد. لیزر بر روی یک تکیه گاه سفت و سخت مخصوص، معمولاً فلزی، نصب می شود که به دیوار ساختمان متصل می شود. پشتیبانی همچنین قابلیت تنظیم زاویه شیب و آزیموت تیر را فراهم می کند.

در این حالت برای سهولت نصب و نگهداری سیستم، اتصال آن از طریق جعبه های اتصال (RK) انجام می شود. به عنوان کابل های اتصال، فیبر نوری معمولا برای مدارهای انتقال داده و کابل مسی برای مدارهای قدرت و کنترل استفاده می شود. اگر تجهیزات دارای رابط داده نوری نباشد، می توان از مدلی با رابط الکتریکی یا مودم نوری خارجی استفاده کرد.

واحد منبع تغذیه (PSU) فرستنده گیرنده همیشه در داخل خانه نصب می شود و می توان آن را بر روی دیوار یا رک نصب کرد که برای تجهیزات LAN یا توزیع کابل کشی ساخت یافته استفاده می شود. یک مانیتور وضعیت همچنین می تواند در نزدیکی نصب شود که برای کنترل از راه دور عملکرد فرستنده گیرنده های خانواده OB2000 و OV4000 خدمت می کند. استفاده از آن امکان تشخیص کانال لیزری، نشان دادن مقدار سیگنال، و همچنین حلقه کردن سیگنال برای بررسی آن را می دهد.

هنگام نصب فرستنده های لیزری در داخل، باید به خاطر داشت که قدرت تابش لیزر هنگام عبور از شیشه کاهش می یابد (حداقل 4٪ در هر شیشه). مشکل دیگر این است که هنگام بارندگی قطرات آب از بیرون شیشه سرازیر می شوند. آنها نقش عدسی را بازی می کنند و می توانند منجر به پراکندگی پرتو شوند. برای کاهش این اثر، نصب تجهیزات نزدیک به بالای شیشه توصیه می شود.

برای اطمینان از ارتباط با کیفیت بالا، لازم است برخی از الزامات اساسی را در نظر بگیرید.

مهمترین آنها که بدون آن ارتباط غیرممکن خواهد بود، این است که ساختمان ها باید در محدوده دید قرار داشته باشند، در حالی که نباید هیچ گونه مانع مات در مسیر تیر وجود داشته باشد. علاوه بر این، از آنجایی که قطر پرتو لیزر در ناحیه گیرنده 2 متر است، لازم است فرستنده و گیرنده بالای عابران پیاده باشد و در ارتفاع حداقل 5 متری تردد کنند که این امر به دلیل رعایت مقررات ایمنی است. حمل و نقل همچنین منبع گازها و گرد و غبار است که بر قابلیت اطمینان و کیفیت انتقال تأثیر می گذارد. پرتو نباید در مجاورت خطوط برق منتشر شود یا از آنها عبور کند. لازم است رشد احتمالی درختان، حرکت تاج آنها در هنگام وزش باد و همچنین تأثیر بارش و نقص احتمالی ناشی از پرواز پرندگان در نظر گرفته شود.

انتخاب صحیح فرستنده گیرنده عملکرد پایدار کانال را در کل محدوده شرایط آب و هوایی روسیه تضمین می کند. به عنوان مثال، با قطر پرتو بزرگ، احتمال خرابی های مرتبط با بارش کاهش می یابد.

تجهیزات لیزری منبع تابش الکترومغناطیسی (EMR) نیستند. اما اگر در نزدیکی دستگاه‌های دارای EMI قرار گیرد، تجهیزات الکترونیکی لیزر این تشعشع را دریافت می‌کنند که می‌تواند باعث تغییر در سیگنال در گیرنده و فرستنده شود. این بر کیفیت ارتباط تأثیر می گذارد، بنابراین توصیه نمی شود تجهیزات لیزری را در نزدیکی منابع EMI مانند ایستگاه های رادیویی قدرتمند، آنتن ها و غیره قرار دهید.

هنگام نصب لیزر، بهتر است از جهت گیری فرستنده های لیزری در جهت شرقی-غربی خودداری شود، زیرا چندین روز در سال اشعه خورشید می تواند تابش لیزر را برای چند دقیقه مسدود کند و حتی با فیلترهای نوری خاص، انتقال غیرممکن می شود. در گیرنده با دانستن اینکه خورشید در یک منطقه خاص چگونه در آسمان حرکت می کند، می توانید به راحتی این مشکل را حل کنید.

لرزش می تواند باعث جابجایی گیرنده لیزری شود. برای جلوگیری از این امر، نصب سیستم های لیزری در نزدیکی موتورها، کمپرسورها و غیره توصیه نمی شود.

شکل 1. قرار دادن و اتصال فرستنده های لیزری.

چندین روش معمولی برای روشن کردن

ارتباط لیزری به حل مشکل ارتباط کوتاه برد در اتصال نقطه به نقطه کمک می کند. به عنوان مثال، چندین گزینه یا روش معمولی را در نظر بگیرید. بنابراین، شما یک دفتر مرکزی (CO) و یک شعبه (F) دارید که هر کدام دارای یک شبکه کامپیوتری هستند.

شکل 2 گونه ای از سازماندهی یک کانال ارتباطی را برای موردی نشان می دهد که در آن لازم است F و CO ترکیب شود، با استفاده از اترنت به عنوان پروتکل شبکه، و کابل کواکسیال (ضخیم یا نازک) به عنوان رسانه فیزیکی. CO میزبان سرور LAN است و رایانه شخصی میزبان رایانه هایی است که باید به این سرور متصل شوند. با کمک سیستم های لیزری، به عنوان مثال مدل های LOO-28/LOO-28S یا OB2000E، می توانید به راحتی این مشکل را حل کنید. پل در CO نصب شده است، و تکرار کننده در F. اگر پل یا تکرار کننده یک رابط نوری داشته باشد، پس نیازی به یک مینی مودم نوری نیست. فرستنده های لیزری از طریق فیبر نوری دوگانه متصل می شوند. مدل LOO-28S به شما امکان می دهد تا در فاصله 213 متری و LOO-28 - تا 1000 متر با زاویه دریافت "مطمئن" 3 mrad ارتباط برقرار کنید. مدل OB2000E مسافتی تا 1200 متر را با زاویه دریافت "خوب" 5 mrad پوشش می دهد. تمامی این مدل ها در حالت فول دوبلکس کار می کنند و سرعت انتقال 10 مگابیت بر ثانیه را ارائه می دهند.

شکل 2. اتصال یک بخش شبکه اترنت راه دور بر اساس کابل کواکسیال.

یک گزینه مشابه برای ترکیب دو شبکه اترنت با استفاده به عنوان یک رسانه فیزیکی جفت پیچ خورده(10BaseT) در شکل 3 نشان داده شده است. تفاوت آن در این است که به جای یک پل و یک تکرار کننده، از هاب هایی استفاده می شود که تعداد لازم کانکتور 10BaseT و یک رابط AUI یا FOIRL برای اتصال فرستنده های لیزری دارند. در این مورد، نصب یک فرستنده گیرنده لیزری LOO-38 یا LOO-38S ضروری است که سرعت انتقال مورد نیاز را در حالت دوبلکس کامل فراهم می کند. مدل LOO-38 می تواند تا 1000 متر و LOO-38S تا 213 متر ارتباط برقرار کند.

شکل 3. اتصال یک بخش شبکه اترنت جفت تابیده از راه دور.

شکل 4 گونه ای از انتقال داده ترکیبی بین دو شبکه محلی (اترنت) و جریان دیجیتال چندپخشی E1 (PCM30) بین دو PBX (در CO و F) را نشان می دهد. برای حل این مشکل، مدل OB2846 مناسب است که انتقال داده و صدا را با سرعت 12 (10 + 2) مگابیت بر ثانیه تا مسافت 1200 متری کابل کواکسیال 75 اهم از طریق کانکتور BNC فراهم می کند. لازم به ذکر است که چندگانه سازی داده ها و جریان های گفتاری نیازی ندارد تجهیزات اضافیو توسط فرستنده گیرنده بدون کاهش انجام می شود پهنای باندهر کدام به صورت جداگانه

شکل 4. یکسان سازی شبکه های کامپیوتری و تلفنی.

تجسمی از انتقال داده با سرعت بالا بین دو شبکه LAN (LAN "A" در CO و LAN "B" در F) با استفاده از سوئیچ های ATM و فرستنده گیرنده لیزری در شکل 5 نشان داده شده است. مدل OB4000 این مشکل را حل می کند. سرعت ارتباطات کوتاه برد به روشی بهینه شما می توانید جریان های E3، OS1، SONET1 و ATM52 را با سرعت های مورد نیاز در فاصله تا 1200 متر و 100 Base-VG یا VG ANYLAN (802.12)، 100 Base-FX یا Fast Ethernet (802.3) انتقال دهید. FDDI، TAXI 100/140، OC3، SONET3 و ATM155 با سرعت های مورد نیاز تا 1000 متر داده های ارسالی با استفاده از یک فیبر نوری دوگانه استاندارد که از طریق یک کانکتور SMA متصل شده است، به فرستنده گیرنده لیزری تحویل داده می شود.

شکل 5. تجمیع شبکه های مخابراتی پرسرعت.

مثال های ارائه شده جامع نیستند. گزینه هااستفاده از تجهیزات لیزر

چه چیزی سودآورتر است؟

بیایید سعی کنیم مکان ارتباط لیزری را در بین سیم های دیگر و راه حل های بی سیم، به طور خلاصه مزایا و معایب آنها را ارزیابی می کند (جدول 3).

جدول 3

الکساندر لوبینسکی

در آخرین شماره «اس آر» روش جدیدی را برای ارائه اخبار «همراه با بحث و نظر» تجربه کردیم و به نظر می‌رسد خوانندگان ما این اقدام را پسندیده‌اند. این بار، مطالب منتشر شده در پورتال خبری بدنام ZDNet، که به سیستم های ارتباطی لیزری اختصاص یافته است، دوباره در معرض خطر قرار می گیرد. و یک متخصص از شرکت بلاروسی Belana نظرات خود را در مورد این موضوع با شما به اشتراک می گذارد.

انتشار در ZDNet:

لیزر مشکل پهنای باند را حل می کند

اپراتورهای مخابراتی و سازندگان تجهیزات چند ماه است که در حال آزمایش فناوری داده های سازمانی با سرعت بالا به نام "لیزرهای فضای باز" یا "ارتباطات بی سیم نوری" هستند که تا همین اواخر موضوع بحث های نظری، تحقیقاتی و پروژه های آزمایشی بوده است.
Terabeam و FSONA Communications در حال برنامه ریزی برای معرفی اولین محصولات و خدمات تجاری مبتنی بر این فناوری در آینده نزدیک هستند. جف کاگان، تحلیلگر مستقل صنعت مخابرات، می گوید: «از قبل مشخص است که برای استفاده گسترده آماده است. "زمان آن رسیده که آن را به بازار ببریم و ببینیم چگونه به بازار می آید. واضح است که بدون مشکل نخواهد بود. اما اگر کار کند، موفقیت بزرگی است."

لیزرهای در محدوده نوری نامرئی برای چشم انسان بی ضرر هستند و از طریق پرتویی که از پنجره دفتر می گذرد، دسترسی به اینترنت پرسرعت و شبکه های شرکتی را فراهم می کند.
این فناوری عملکرد سریع‌تری نسبت به شبکه‌های بی‌سیم موجود ارائه می‌دهد و ارزان‌تر از فیبر نوری است که نیاز به کابل‌هایی در سراسر خیابان دارد. لیزر می تواند مشکل مهم پیش روی صنعت مخابرات را حل کند.

اگر شبکه های بزرگ سراسری از قبل وجود داشته باشد، ساخت و نوسازی شبکه های درون شهری تازه شروع شده است. در نتیجه، کسب‌وکارها اغلب باید ماه‌ها منتظر بمانند تا دسترسی به اینترنت یا اتصال به یک دفتر راه دور فراهم شود. با این حال، موفقیت فناوری لیزر به هیچ وجه تضمین شده نیست. اول، پرتو لیزر تحت تأثیر مه غلیظ قرار می گیرد که می تواند در انتشار اختلال ایجاد کند و قابلیت اطمینان ارتباطات را کاهش دهد. علاوه بر این، تحلیلگران می گویند که ارتباطات لیزری با مشکلاتی مانند تردید بازار نسبت به آن و دامنه محدود در مقایسه با ارتباطات رادیویی ثابت و کانال های فیبر نوری مستقیم مواجه خواهد شد.

رقیب خطرناک

با این حال، رهبران شرکت‌هایی که با فناوری لیزر کار می‌کنند به آمادگی آن برای رقابت با ابزارهای جایگزین انتقال داده اعتقاد دارند. دان هسه، مدیر عامل Terabeam که شغل پردرآمدی در AT&T Wireless را ترک کرد و سرپرستی یک شرکت لیزر را بر عهده گرفت، می‌گوید: «احساس می‌کنیم زمان آن فرا رسیده که به بازار برویم. Terabeam پیوندهای داده تا 1 گیگابیت در ثانیه را در سیاتل ارائه می دهد و در حال آماده شدن برای راه اندازی یک کمپین بازاریابی گسترده در ماه آینده است. ترابیم به دو مشتری محلی، آژانس تبلیغات دیجیتال Avenue A و سرمایه گذاری سیمپسون، خدمات می دهد و سومین مشتری در روزهای آینده به آن می پیوندد. تا پایان سال برنامه ریزی شده است تا اجرای خدمات در پنج شهر دیگر آمریکا آغاز شود. «سایر فناوری‌ها به مجوز و کابل‌کشی طولانی نیاز دارند.

ما می توانیم سیگنال نوری را مستقیماً از طریق پنجره ارسال کنیم که معمولاً از طریق کابل های ضخیم منتقل می شود. هسه می‌گوید: ما فناوری خود را توسعه‌ای از فیبر نوری می‌دانیم.
استراتژی این شرکت از این جهت متفاوت است که قصد دارد هم به عنوان ارائه دهنده خدمات و هم به عنوان تولید کننده تجهیزات لیزر فعالیت کند. AT&T همان استراتژی را در سال های اولیه خود به عنوان اپراتور مخابراتی و تولید کننده تجهیزات تلفن دنبال کرد. Tera-beam یک قرارداد توسعه سخت افزاری با Lucent Technologies امضا کرده است. لوسنت مالک 30 درصد از سهام Terabeam Labs است، یک سرمایه‌گذاری مشترک سخت‌افزاری که مدیران آن آرزو دارند در چند سال آینده به یک شرکت مستقل تبدیل شوند. FSONA قصد دارد هفته آینده اولین محصولات لیزری را برای اپراتورهای مخابراتی معرفی کند.
در ماه آوریل، این شرکت فروش سیستم لیزری SONAbeam 155-2 خود را با قابلیت انتقال داده با سرعت 155 مگابیت بر ثانیه در فواصل تا 2 کیلومتر، با قیمت 20000 دلار برای تجهیزات انتقال و دریافت، آغاز خواهد کرد. استفان مچرل، مهندس ارشد FSONA می گوید: «ما اولین محصول ارتباطات بی سیم نوری تولید انبوه را عرضه خواهیم کرد. "این باید سنگ محک این فناوری باشد."
FSONA اخیراً ظرفیت تولید خود را با تأسیسات جدیدی به مساحت 27000 فوت مربع در ونکوور سه برابر کرده است. متر
با برنامه ریزی برای گسترش بیشتر، این شرکت مذاکرات اولیه را با شرکای بالقوه خارج از کشور انجام داد. امسال قصد دارد نسخه ارزان‌تری از سیستم لیزری 155 مگابیت بر ثانیه را که در فواصل کوتاه‌تر کار می‌کند و همچنین سیستمی با توان خروجی 622 مگابیت بر ثانیه عرضه کند.

بسیاری از تحلیلگران مزایای این فناوری را تایید می کنند، اما از قابلیت اطمینان آن مطمئن نیستند. FSONA نرخ آپتایم 99% را تخمین زده است که طبق استانداردهای صنعت مخابرات پایین است. اما این شرکت قصد دارد سیستم‌های اضافی اضافی را برای افزایش قابلیت اطمینان تا 99.9% ارائه دهد.
مدیران Terabeam مطمئن هستند که شبکه آنها قادر به ارائه نرخ آپتایم 99.9 درصدی است که در مجموع معادل تقریباً یک روز توقف در سال است.
امکانات فناوری لیزر و قابلیت اطمینان آن برای جلب توجه لوسنت کافی بود. Avenue A نیز از خدمات Terabeam تا کنون خرسند است، به ویژه از سرعت دریافت آن توسط شرکت، در مقایسه با زمان انتظار برای شرکت های تلفن و سایر خدمات شبکه مانند WorldCom و Sprint. کارگردان می گوید: "شما باید برای همیشه منتظر کانال ها باشید." فناوری اطلاعاتخیابان جیمی مارا. "وقتی در مورد دوره 90 روزه می شنوید، نمی خواهید از این ارائه دهندگان خدمات استفاده کنید." در عوض، خیابان A به Terabeam تبدیل شد. مارا می‌گوید: «از لحظه‌ای که پرسیدیم «چه چیزی می‌توانید ارائه دهید؟» تا پایان نصب، تنها سه هفته طول کشید. - "سریع و با قیمتی قابل مقایسه با قیمت شرکت های تلفن به ما سرویس داده شد."
Terabeam و FSONA در تعقیب بازار مخابرات تنها نیستند. سایر ارائه دهندگان خدمات ارتباط لیزری عبارتند از AirFiber که با Nortel Networks، Optical Access (به تفصیل در شماره قبلی CP - ed.)، و LightPointe Communications قراردادهایی دارد.

همه این شرکت ها می توانند تهدیدی جدی برای ارائه دهندگان خدمات رادیویی ثابت و گیگابیتی اترنت باشند. با توانایی پرتودهی مستقیم پرتو لیزر از طریق پنجره، ارائه دهندگان خدمات می توانند مجوزهای پرهزینه RF را حذف کنند و در مورد حقوق دسترسی به پشت بام با صاحبان املاک مذاکره کنند. پت بروگان، معاون مدیر شرکت تحقیقات بازار The Precursor Group گفت: «این درجه از آزادی رقابتی می‌تواند تلیجنت، وین استار و سایر ارائه‌دهندگان خدمات رادیویی ثابت را عصبی کند.
این نظر توسط سایر تحلیلگران نیز به اشتراک گذاشته شده است. آنها می گویند، اگر اولین برنامه های کاربردی قابل اعتماد و جذاب برای مشتریان باشد، فناوری شبکه لیزری می تواند محبوب شود. کاگان می‌گوید: «اگر این فناوری همانطور که وعده داده بود کار کند، ممکن است در حیاط باشد. - "در سرعت های بالاانتقال داده، زمان نصب کوتاه، بدون نیاز به کمانچه با مجوز - این کاملا واقعی است."
کوری گریس، ZDNet

بحث مقاله: نظر متخصص ولانا

ایده انتقال اطلاعات با استفاده از پرتو لیزر به هیچ وجه جدید نیست. در اواخر دهه 80، زمانی که هنوز یک پسر مدرسه ای بودم، یک کارخانه آزمایشی در BSUIR (در آن زمان هنوز MRTI) دیدم که در آن از پرتو لیزر برای انتقال استفاده می شد. تلاش برای استفاده سیستم های مشابه(به اصطلاح "لیزر جوی") برای انتقال داده ها تا زمانی که شبکه های داده وجود دارد ادامه می یابد. نتایج آزمایش های متعدد، که برخی از آنها حتی با انتشار محصولات تجاری به پایان رسید، بسیار متناقض بود. نظرات کارشناسان و کاربران تقسیم شد.
برخی استدلال می کنند که فناوری "اتمسفر" بسیار امیدوار کننده است، اما نیاز به بهبود دارد، برخی دیگر می گویند که این اتلاف وقت و پول است. در اینجا یک مثال معمولی از نگرش شکاک است: "آره... خیلی باحاله. کانال خراب شد.
دلایل ممکن- باد شاخ و برگ ها را می راند، دود در حیاط (KRAZ زیر پنجره راند)، باران، برف، خانم نظافتچی برای مدت طولانی پنجره را نشویید، خودکشی که بیرون از پنجره پرواز می کرد از پرتو عبور کرد :)، پوستر در خیابان آویزان شد، پرندگان در حال پرواز هستند. ارتباط عالی و قابل اعتماد، چیزی برای اضافه کردن. من، لطفا، کابل را بگذارید.

علاوه بر این، "لیزرهای در محدوده نوری نامرئی برای چشم انسان بی ضرر هستند" مزخرف است. این واقعیت که مخروط های چشم به تشعشعات زیر فرکانس مشخص پاسخ نمی دهند به این معنی نیست که بافت های چشم تابش را جذب نمی کنند.
برعکس، تشعشعات نامرئی خطرناک است زیرا مدتی طول می کشد تا فرد احساس کند چیزی اشتباه است. شما به راحتی می توانید چشمان خود را از دست بدهید. در مورد تنظیم، در فاصله 100 متری (10000 سانتی متر)، اغتشاش زاویه ای 10/10000 = 0.001 راد برای انحراف پرتو به اندازه 10 سانتی متر کافی است. من نمی دانم چگونه می توان چنین ثباتی را تضمین کرد."
اصولاً نظر ارائه شده و نیز نظر خوش بینانه ای که در مقاله مورد بحث ارائه شده خالی از منطق نیست.
بیایید سعی کنیم آن را بفهمیم. این واقعیت که سیستم های نوری بی سیم هنوز به رسمیت شناخته نشده اند (عدم نیاز به ایجاد خطوط فیبر نوری گران قیمت آنها را از نظر اقتصادی بسیار جذاب می کند) به دلایل مختلفی توضیح داده می شود. بیایید سعی کنیم آنها را تجزیه و تحلیل کنیم.

1. فناوری مورد بررسی تنها در هنگام انتقال داده در فواصل طولانی مؤثر است. در فواصل کوتاه (ده ها متر) از فناوری مادون قرمز غیر جهت دار و بسیار موثر استفاده می شود. سیستم لیزری هم از نظر هزینه و هم از نظر انعطاف پذیری با یک مرتبه بزرگی از دست می دهد. در فواصل دور، فناوری لیزر با رسانه انتقال داده - جو، که متأسفانه، همیشه شفاف نیست، به ویژه در محیط های شهری، مشکلاتی دارد. غلبه بر این مشکل افزایش قدرت لیزر است.
چند سال پیش، این تصمیم منجر به ساخت دستگاه‌هایی شد که انرژی زیادی مصرف می‌کردند، هزینه زیادی داشتند و شبیه تفنگ‌های توربولیزر جنگ ستارگان بودند. امروزه این مشکل تا حد زیادی حل شده است، زیرا انواع جدیدی از ساطع کننده های لیزری فشرده، قدرتمند و ارزان قیمت اختراع شده است.

2. پرتو می تواند توسط انواع اجسام متحرک قطع شود، مانند: پرندگان، هواپیماهای کم پرواز، برگ ها، قطره ها و غیره. در طلوع فناوری های شبکه، حتی یک قطع کوتاه پرتو باعث شکست کانال انتقال داده شد که به اعطای ارتباطات لیزری با عنوان "بسیار ناپایدار" کمک کرد. در سحر، اما امروز نه.
از آن زمان، یک سری کامل از پروتکل‌های لایه پیوند برای ارتباطات بی‌سیم توسعه یافته‌اند و می‌توانند به طور خودکار پیوند را پس از یک وقفه لحظه‌ای دوباره برقرار کنند. و تداوم جریان داده ها توسط پروتکل ها بیش از آن تضمین می شود سطح بالا(به عنوان مثال TCP/IP).
بنابراین، امروزه می توان افسانه ناپایداری ارتباط لیزری را رد کرد.

3. راه اندازی سیستم ارتباط لیزری دشوار است. در واقع، با قطر پرتو چند میلی متر (یا حتی کسری از میلی متر)، نوسانات نقطه نوری با دامنه چندین سانتی متر می تواند کل روند هدف گیری به سمت گیرنده را به طور جدی پیچیده کند. تا به امروز، این یکی از جدی ترین مشکلات فنی ارتباط لیزر جوی است. درست است، اخیراً گزارش‌هایی مبنی بر توسعه حسگرهای نوری بسیار حساس که در محدوده طیفی باریک کار می‌کنند، ظاهر می‌شود، که امکان ایجاد پانل‌های نسبتاً ارزان با مساحت چند ده سانتی‌متر مربع، غیر حساس به نور روز و در نتیجه تضمین می‌کند. دریافت پرتو پایدار

من شک دارم که فناوری ارتباطات لیزری جوی آنقدر ارزان باشد که بتوان به زودی در خانه از آن استفاده کرد (و همه در ساختمان‌های بلند زندگی نمی‌کنند که می‌توان دید را دید).
با این حال، این فناوری می تواند به یک رقیب کاملاً شایسته برای ارتباطات رادیویی ثابت تبدیل شود شبکه های شرکتیانتقال داده با هزینه تقریباً مشابه تجهیزات، فناوری لیزر به روش‌های دردناک (و بسیار گران‌قیمت) برای جداسازی کانال‌های فرکانس رادیویی، نصب بلندمرتبه تجهیزات سنگین و حجیم نیاز نخواهد داشت و همانطور که قبلاً ذکر شد، آسیب کمتری برای سلامتی دیگران دارد. .

پهپادها به یک موضوع بسیار محبوب تبدیل شده اند. چرا آنها فقط سعی نمی کنند از آنها استفاده کنند - آنها پیتزا تحویل می دهند و میدان جنگ را جستجو می کنند ... در همان زمان ، همه مجبور به غلبه بر مانع اصلی - زمان بسیار کوتاه پرواز هستند. مولتیکوپترها 10-20 دقیقه در هوا می مانند، در مدرن ترین باتری ها - 25-30. ویتالی کاپرانوف، مهندس RSC Energia می گوید: این اغلب کافی نیست.

در واقع، بسیاری از دستگاه‌ها باید ساعت‌ها در هوا بمانند، خطوط لوله گاز یا وضعیت راه‌آهن را زیر نظر بگیرند، عکس‌برداری هوایی از مناطق فاجعه‌بار، حفاظت از سرزمین‌ها، رله کردن سیگنال رادیویی. برای چنین کارهایی می توان از پهپادهای "از نوع هواپیما" با موتورهای احتراق داخلی استفاده کرد، اما آنها چندان قابل مانور نیستند و نمی توانند در یک نقطه شناور شوند. در بسیاری از موارد، کوادکوپترهای برقی راحت‌تر هستند و کاربران آن‌ها برای افزایش عمر خود به انواع ترفندها می‌روند: باتری‌های اضافی یا حتی پهپادهای یدکی را حمل می‌کنند تا سریعاً آن‌ها را تعویض کنند، در حالی که دستگاهی که زمان خود را به اتمام رسانده شارژ باقی می‌ماند.

مهندس RSC Energia // تحصیلات: MEPhI // اهداف: انجام آزمایشی با انتقال انرژی به پهپاد، برای دفاع از پایان نامه.

مدل های جداگانه پهپادها "روی یک افسار" کار می کنند و برق را از زمین دریافت می کنند. با این حال، سیم ها سنگین هستند، آنها توسط باد همراه با خود پهپاد منفجر می شوند، و محدودیت ارتفاع برای چنین دستگاه هایی به ندرت از 200 متر تجاوز می کند، ارتفاع 1 کیلومتر در حال حاضر دست نیافتنی است. تلاش‌هایی برای تامین انرژی پهپادها از طریق فیبر نوری با ارسال پالس‌های لیزر مادون قرمز به سمت بالا انجام می‌شود. ده برابر سبکتر از سیم فلزی است - اما افسوس که برای انتقال قدرت بالا طراحی نشده است و به راحتی بیش از حد گرم می شود که این موضوع را بسیار پیچیده می کند.

انرژی "بند" پهپادها اجتناب ناپذیر است - اما می تواند کاملاً بی وزن و تقریباً بی نهایت شود و دستگاه ها را مستقیماً با یک پرتو لیزر خالص تغذیه کند. چنین پروژه ای توسط ویتالی کاپرانوف، ایوان ماتساک و گروهی از مهندسان جوان کمیته پروژه های نوآوری (KIPM) RSC Energia در حال توسعه است. ایوان می گوید: «فناوری ما می تواند پهپادها را 24 ساعته بدون نیاز به شارژ مجدد نگه دارد.

جدایی

تا همین اواخر، انتقال انرژی با استفاده از لیزر چندان منطقی نبود: بازده آنها تنها 10-20٪ بود. با در نظر گرفتن تلفات برای انتقال و تبدیل انرژی نور به الکتریسیته، گیرنده در بهترین حالت به چندین درصد از توان اولیه رسیده است. تنها در دهه 2000، وضعیت شروع به تغییر کرد: لیزرهای مادون قرمز با راندمان حداکثر 40 تا 50٪ و ماژول های فتوولتائیک بسیار کارآمد مبتنی بر آرسنید گالیم ظاهر شدند که قادر به تبدیل تا 40٪ و گاهی اوقات تا 70٪ از انرژی تابشی به الکتریسیته

فقط آهنگری دخالت جدی کرد: وقتی شروع به کار کرد، تیر به دلیل دود شدید متوقف شد.

این امر باعث ایجاد یک مد بزرگ برای ایجاد پهپادهای مستقلی شده است که قادر به تامین انرژی مورد نیاز خود از پنل های خورشیدی داخلی هستند. با این حال، خورشید تابش می کند طیف گسترده ایامواج، و پانل ها باید "جهانی" شوند و قادر به گرفتن فوتون های انرژی های مختلف باشند. پرتو لیزر به شما امکان می دهد جواهرات بسیار بیشتری کار کنید: فرکانس کاملاً مشخصی دارد و به شما امکان می دهد مواد فتوسل را از قبل انتخاب کنید تا فوتون های این طول موج خاص حداکثر تعداد الکترون ها را از آن خارج کنند. این امر باعث افزایش راندمان سیستم قدرت، کاهش اندازه و وزن آن می شود.

این پروژه که کاپرانوف، ماتساک و همکارانشان روی آن کار می کنند، از لیزرهای مادون قرمز با دو طول موج - 808 و 1064 نانومتر - برای انتقال انرژی استفاده می کند. پرتو 808 نانومتری روی سلول‌های فتوولتائیک آرسنید گالیم با راندمان تبدیل انرژی تا 40 درصد تمرکز می‌کند. اما این طول موج فقط در فواصل کوتاه خوب است: در حال حاضر در فاصله یک کیلومتری، پرتو به یک نقطه تار به طول یک متر تبدیل می شود. کاپرانوف توضیح می‌دهد: «با 1064 نانومتر، 10 درصد راندمان را از دست می‌دهیم، اما از سوی دیگر، در یک کیلومتر، پرتو تنها 3 سانتی‌متر نقطه ایجاد می‌کند.

یک ایستگاه شارژ با یک سیستم هدایت می‌تواند به طور مداوم انرژی پهپاد را تامین کند، اگر این پهپاد دور از دید پرواز نکند یا اگر دستگاه در مسیر خاصی پرواز کند و در نقطه خاصی از مسیر خود شارژ شود. در صورت لزوم، از این طریق می توان پهپاد را برای روزها در هوا نگه داشت و در بسیاری از موارد جایگزین ارزان قیمتی برای فضاپیما شد.

سقف به پشت بام

مهندسان روسی اولین کسانی نیستند که روی خط برق لیزری کار می کنند. در سال‌های 2011-2012، چنین پیشرفتی توسط Laser Motive با استفاده از یک پهپاد با باتری خورشیدی معمولی نشان داده شد، جایی که راندمان تبدیل انرژی بسیار پایین بود. ویتالی کاپرانوف خاطرنشان می کند: "آنها با موفقیت بزرگی اجرا کردند، برنده مسابقه آسانسور فضایی ناسا شدند." برای ما، این یک سیگنال است: زمانی برای تلف کردن وجود ندارد.»

تا به امروز، مهندسان کمیته پروژه‌های نوآوری Energia قبلاً یک سیستم هدایت پرتو لیزری ایجاد کرده‌اند که با حساسیت پهپاد را در دید نگه می‌دارد. او با تمرکز بر انعکاس سیگنال لیزر ضعیف "ناوبری" از یک بازتابنده گوشه روی بدن، دستگاه را با دقت 0.1 درجه نظارت می کند. راهنمایی بیشتر توسط یک آینه مینیاتوری در داخل سیستم نوری "تفنگ لیزری" ارائه می شود. این به شما امکان می دهد جهت پرتو را با دقت هزارم درجه تغییر دهید و بر جریان انرژی از سلول های آشکارساز نور تمرکز کنید و به حداکثر سطح انرژی دریافتی برسید. این تجهیزات قبلاً در آزمایشات زمینی آزمایش شده است - روی سقف دو ساختمان کاری Energia در کورولف ، نزدیک مسکو که با فاصله 1.5 کیلومتری از هم جدا شده اند. «ما توانستیم برق را هم در باران و هم در هنگام مه انتقال دهیم. فقط مغازه فورج به طور جدی دخالت کرد: وقتی شروع به کار کرد، تیر به دلیل دود شدید متوقف شد. و بقیه زمان همه چیز کار می کرد، ما به همکارانمان پیشنهاد دادیم که تلفن های خود را شارژ کنند.

تابش تک رنگ (809 نانومتر)، گیرنده با اپتیک متمرکز، اتصال موازی فتوسل ها.

توسعه دهنده توضیح می دهد: "موانع اصلی انتشار پرتو در جو نزدیک سطح است: گرد و غبار، دود، ارتعاشات هوا از سقف های گرم." - علاوه بر این، اغلب سلول های آشفتگی خود در سراسر و نه در امتداد سطح قرار دارند. بنابراین، اگر ما به صورت عمودی بدرخشیم، تداخل بسیار کمتری وجود خواهد داشت.» مهندسان انتظار دارند اولین آزمایش را با یک پهپاد واقعی در اوایل سال آینده، 2017 انجام دهند و تا دو یا سه سال دیگر وارد بازار شوند و به سادگی ایستگاه های انتقال انرژی لیزری را با یا بدون پهپاد اجاره کنند. اما برنامه های آنها حتی بالاتر می رود.

تا مدار

در فضا، انتقال انرژی لیزری حتی کارآمدتر از هوا خواهد بود: تقریباً چیزی برای جذب و پراکندگی تابش وجود ندارد. اکنون بسیاری از فضاپیماها با پنل های خورشیدی کار می کنند، اما "بال های" عظیم آنها در فضا مشکلات زیادی ایجاد می کند. ایوان ماتساک می گوید: "اندازه پانل ها متناسب با نیاز برق است." - شما به انرژی زیادی نیاز دارید - به باتری های بزرگ نیاز دارید. جرم فضاپیما در حال افزایش است، جرم سوخت در حال افزایش است و محموله در حال کاهش است.

نور در سلول‌های خورشیدی به دلیل اثر فوتوالکتریک به الکتریسیته تبدیل می‌شود: فوتون‌های پرانرژی الکترون‌ها را از ماده خارج می‌کنند - و جریانی ظاهر می‌شود. نیمه هادی های مختلف در بازده تبدیل نور و حساسیت متفاوت به تابش طول موج های مختلف متفاوت هستند. معمولا، پنل های خورشیدیساخته شده از سیلیکون، ارزان است، اما معمولا بیش از 10٪ از انرژی نور فرودی را به جریان تبدیل نمی کند. آرسنید گالیم (GaAs) گرانتر است، اما کارآمدتر است. در محدوده مادون قرمز، در طول موج حدود 808 نانومتر، عملکرد آن به 60 درصد می رسد.

علاوه بر این، به سادگی جایی برای قرار دادن پانل های خورشیدی در برخی از ماهواره ها وجود ندارد. ابعاد ریزماهواره‌های مدرن در ده‌ها سانتی‌متر اندازه‌گیری می‌شوند و در بهترین حالت می‌توانند چندین دسی‌متر مربع را در خود جای دهند. پنل های خورشیدی. طراحان باید برای هر وات مصرفی بجنگند و هیچ بحثی در مورد قرار دادن بار پر انرژی روی چنین وسایلی وجود ندارد (مثلاً یک موتور جت الکتریکی برای حفظ مدار). ریزماهواره ها معمولاً چندین ماه عمر می کنند، وظایف خود را انجام می دهند و در جو می سوزند. اما می‌توان آن‌ها را مستقیماً از ایستگاه فضایی بین‌المللی با لیزر شارژ کرد و عمر مفید آنها را افزایش داد.

و این ایده در سال های آینده آزمایش خواهد شد. آزمایش فضایی پلیکان که توسط ایوان ماتساک و همکارانش توسعه یافته است، روش جدیدی را برای انتقال انرژی از بخش روسی ایستگاه فضایی بین‌المللی به فضاپیمای باری پروگرس آزمایش خواهد کرد. در فاصله 1 کیلومتری، نقطه ای از پرتو لیزر قطر 30 تا 40 سانتی متر خواهد داشت و روی یک آشکارساز نوری با همان اندازه می افتد. برای انتقال انرژی از زمین، یک سیستم تمرکز اضافی مورد نیاز است - به گفته دانشمندان، یک تلسکوپ معمولی با یک آینه با قطر حدود 2 متر نیز می تواند این نقش را ایفا کند.

دانشمندان امکان استفاده از چنین سیستمی را برای تامین انرژی یک ماهواره بزرگ معمولی ارزیابی کرده اند. ویتالی کاپرانوف توضیح می‌دهد: «بیایید دستگاهی مانند Resurs-P را در نظر بگیریم. باتری‌های خورشیدی آن با مساحت 5×5 متر را می‌توان با گیرنده‌ای با ابعاد 1×1 متر جایگزین کرد و علاوه بر این، ماهواره را تا یک و نیم بار سبک‌تر کرد. یعنی می‌توانیم نیروی مورد نیاز موشک پرتاب را کاهش دهیم یا ابزار بیشتری قرار دهیم.

اما مهندسان آماده اند حتی فراتر رفته و کل نیروگاه را به فضا پرتاب کنند - ماهواره ای با یک نیروگاه قدرتمند مبتنی بر راکتور هسته ای و با فرستنده انرژی لیزری. چنین دستگاهی قادر خواهد بود چندین ماهواره را به طور همزمان تغذیه کند - به عنوان مثال، ناوگانی از یدک کش های بین مداری که سنگین ترین ماهواره های مخابراتی را به مدارهای بالا می آورد. از نظر تئوری، چنین نیروگاه هایی قادر خواهند بود انرژی را برای مریخ نوردهای تحقیقاتی در سیارات دیگر تامین کنند. مهندسان RKK به ما اطمینان دادند: "ما همچنین روی چنین پروژه هایی کار می کنیم."

تغییرات در موضوع ارتباطات لیزر فضایی

• فضانوردی *

یکی از موضوعات رایج در فضانوردی تجاری و نه تنها امروزه، موضوع ارتباطات لیزری است. مزایای آن شناخته شده است، آزمایشات انجام شده و موفق یا بسیار موفق بوده است. اگر کسی مزایا و معایب آن را می‌داند، به طور خلاصه توضیح می‌دهم.

ارتباطات لیزری انتقال داده ها را در فواصل بسیار بیشتر نسبت به ارتباطات رادیویی امکان پذیر می کند، همچنین نرخ انتقال به دلیل غلظت بالای انرژی و فرکانس حامل بسیار بالاتر (بر اساس مقادیر بزرگی) بالاتر است. راندمان انرژی، وزن کم و فشردگی نیز چندین برابر یا چند برابر بهتر است. و همچنین هزینه - در اصل، یک اشاره گر لیزری معمولی چینی با قدرت حدود 1 وات و بالاتر ممکن است برای ارتباط لیزری در فضا مناسب باشد، که در زیر قصد دارم آن را ثابت کنم.

از معایب، اول از همه، می توان به نیاز به راهنمایی بسیار دقیق تر ماژول های دریافت و ارسال نسبت به ارتباطات رادیویی اشاره کرد. خوب، مشکلات جوی شناخته شده با ابرها و گرد و غبار. در واقع، تمام این مشکلات به راحتی حل می شوند اگر به طور مستقیم به آنها نزدیک شوید.

اول از همه، بیایید نحوه عملکرد ماژول گیرنده را در نظر بگیریم. این یک تلسکوپ تخصصی (نه همیشه) است که تشعشعات لیزری را می گیرد و آن را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند که سپس با روش های شناخته شده تقویت می شود و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شود. اطلاعات مفید. ارتباطات، البته، مانند جاهای دیگر اکنون، باید دیجیتال و بر این اساس، تمام دوبلکس باشد. اما آیا باید در هر دو جهت لیزر شود؟ مطلقا لازم نیست! چرا چنین است - به محض اینکه در نظر بگیریم که چگونه دستگاه های گیرنده و فرستنده برای ارتباطات لیزری متفاوت هستند و چگونه الزامات پارامترهای جرم و اندازه دستگاه های ارتباطی در فضاپیمای مداری (یا فضاپیمای عمیق) برای ما روشن خواهد شد. و مجتمع های زمینی.

همانطور که قبلا ذکر شد، مجموعه گیرنده یک تلسکوپ است. با عدسی ها و (یا) بازتابنده ها، سیستمی برای اتصال و اشاره آنها به تلسکوپ. و این یعنی - طراحی سنگین و حجیم - که برای یک فضاپیما کاملا غیر قابل قبول است. برای یک فضاپیما، هر وسیله ای باید تا حد امکان سبک و فشرده باشد. که برای یک فرستنده LI کاملاً معمولی است - احتمالاً همه قبلاً لیزرهای PP مدرن به اندازه و وزن یک قلم فواره را دیده اند. خوب، حقیقت این است که قدرت یک لیزر واقعی و غیر اسباب‌بازی وزن بیشتری خواهد داشت، خوب، وزن آن برای سیستم‌های ارتباط دیجیتال رادیویی به دلیل بازده انرژی بسیار پایین‌تر، بیشتر خواهد بود.

از همه اینها چه نتیجه ای حاصل می شود؟ این بدان معنی است که مطلقاً نیازی به انتقال داده ها در هر دو جهت با لیزر نیست، کافی است آنها را فقط از یک ماهواره در یک کانال نوری و به یک ماهواره (SC) - در یک کانال رادیویی، مانند قبل منتقل کنید. البته این بدان معناست که همچنان باید از آنتن سهموی جهت گیرنده برای دریافت استفاده کنید که برای وزن فضاپیما خوب نیست. اما باید در نظر داشت که آنتن برای دریافت و همچنین در واقع خود گیرنده هنوز چندین برابر وزن کمتری نسبت به ارسال دارد. زیرا ما می‌توانیم قدرت یک فرستنده زمینی را بسیار قدرتمندتر از یک فضاپیما کنیم، به این معنی که به آنتن بزرگی نیاز نداریم. در برخی موارد به هیچ وجه به آنتن جهت دار نیاز نخواهد بود.

که کاهش وزن فضاپیما تقریبا چندین برابر و همچنین کاهش مصرف انرژی داریم. که مسیری مستقیم برای امکان استفاده از ریزماهواره ها در همه جا برای ارتباطات، اکتشاف فضا و سایر نیازها است که به معنای کاهش شدید هزینه فضا است. اما این همه ماجرا نیست.

برای شروع، بیایید راهی برای حل مشکل هدایت پرتو لیزر از ماهواره به گیرنده زمینی در نظر بگیریم. در نگاه اول، این یک مشکل جدی است و در برخی موارد کاملاً غیرقابل حل است (اگر ماهواره در ایستگاه زمین ثابت نباشد). اما سوال این است که آیا لازم است پرتو را به سمت گیرنده بگیریم؟

یک مشکل شناخته شده وجود دارد - این واگرایی و تضعیف پرتو لیزر هنگام عبور از جو است. این مشکل به ویژه زمانی تشدید می شود که پرتو از لایه هایی با تراکم های مختلف عبور می کند. هنگام عبور از رابط بین رسانه ها، یک پرتو نور، از جمله. و پرتو لیزر، انکسار، پراکندگی و تضعیف شدیدی را تجربه می کند. در این حالت، ما می توانیم نوعی نقطه نورانی را مشاهده کنیم که دقیقاً هنگام عبور از چنین رابط بین رسانه ها به دست می آید. چندین چنین مرزی در جو زمین وجود دارد - در ارتفاع حدود 2 کیلومتری (لایه اتمسفر فعال هوا)، در ارتفاع حدود 10 کیلومتری و در ارتفاع حدود 80-100 کیلومتری، یعنی در حال حاضر در لبه فضا. . ارتفاع لایه ها برای عرض های جغرافیایی میانی برای دوره تابستان ارائه شده است. برای سایر عرض‌های جغرافیایی و دیگر زمان‌های سال، ارتفاع و تعداد رابط‌های رسانه می‌تواند بسیار با مواردی که توضیح داده شد متفاوت باشد.

که به محض ورود به جو زمین، پرتو لیزری که قبلاً بدون هیچ تلفاتی میلیون‌ها کیلومتر را با آرامش طی کرده بود (شاید یک تغییر فوکوس جزئی)، سهم بزرگی از قدرت خود را در ده‌ها کیلومتر ناگوار از دست می‌دهد. با این حال، این واقعیت به ظاهر بد، ما می توانیم کاملاً به نفع خود تبدیل شویم. زیرا این واقعیت به ما امکان می دهد بدون هدف گیری جدی پرتو به سمت گیرنده انجام دهیم. زیرا به عنوان یک گیرنده، یا بهتر است بگوییم گیرنده اولیه، ما فقط می توانیم از جو زمین، یا بهتر بگوییم همین واسط بین لایه ها، رسانه ها استفاده کنیم. ما به سادگی می توانیم تلسکوپ را به سمت نقطه نوری که به دست می آید نشانه بگیریم و اطلاعات را از آن بخوانیم. البته این امر به میزان قابل توجهی بر میزان تداخل افزوده و سرعت انتقال داده را کاهش می دهد. و آن را به طور کلی در طول روز به دلایل واضح غیرممکن می کند - خورشید! اما چقدر می توانیم با صرفه جویی در سیستم هدایت هزینه ماهواره را کاهش دهیم! این امر به ویژه برای ماهواره‌هایی که در مدارهای غیر ثابت قرار دارند و همچنین برای فضاپیماهایی که برای تحقیقات در اعماق فضا هستند، صادق است. علاوه بر این، با توجه به اینکه لیزرها، حتی با چنین باند فرکانسی کم کیفیت و نه باریکی مانند لیزرهای چینی، کاملاً ممکن است تداخل را با استفاده از فیلترهای نور یا آشکارسازهای نوری با فرکانس باریک فیلتر کنید.

استفاده از ارتباطات لیزری نه برای فضا، بلکه برای زمینی کمتر مرتبط نیست ارتباط از راه دوربه روشی مشابه ارتباطات تروپوسفر. این به انتقال داده ها توسط لیزر نیز با استفاده از پراکندگی جوی در سطح مشترک لایه های جوی از یک نقطه روی سطح زمین به نقطه دیگر اشاره دارد. برد چنین ارتباطی در هنگام استفاده از اصل رله می تواند به صدها و هزاران کیلومتر و حتی بیشتر برسد.

برچسب ها: ارتباط لیزری فضا