ИК-канал

Распространение мощного лазерного  излучения в среде может приводить  к изменению величины показателя преломления в канале луча. Разница  между значениями показателя преломления  среды в канале луча и вне его  может быть такой, при которой  устраняется расходимость луча. Это явление получило название самофокусировки луча лазера.

Облучение частиц атмосферных аэрозолей  мощным направленным излучением сопровождается рядом эффектов, приводящих к изменению  условий распространения радиации в среде. Среди этих эффектов наибольший практический интерес представляет испарение частиц за счет поглощенной ими энергии поля. Изменение размеров частиц обуславливает соответствующее изменение объемных полидисперсных коэффициентов ослабления. Таким образом, прозрачность слоя рассеивающей среды становится зависящей от интенсивности падающего излучения.

При воздействии на водный аэрозоль световых импульсов большой мощности и малой длительности частицы  аэрозоля приобретают направленное движение, вызванное их неравномерным  нагреванием. В результате такого направленного движения может происходить коагуляция частиц.

7. Общая характеристика фоновых помех различной природы

Все фоновые помехи имеют две  составляющие, первая - медленно меняющаяся во времени часть, которую в данный конкретный момент времени можно считать постоянной. И вторая, быстро меняющаяся фоновая помеха (модулированная по интенсивности). Большинство природных источников фонового излучения меняют интенсивность излучения медленно, при расчетах его необходимо учитывать как постоянную составляющую фоновых помех. Для борьбы с этим типом помех, необходимо использовать развязывающие конденсаторы. Вторая составляющая фоновых помех, естественных источников, модулированная по интенсивности в настоящее время не обнаружена. Техногенные, быстро меняющиеся фоновые помехи имеют локальный характер, для борьбы с ними необходимо использовать пространственную фильтрацию.

Среди естественных посторонних источников, взаимодействие оптического излучения  которых с атмосферой приводит к  появлению заметных фоновых помех, Солнце является наиболее мощным.

Не только прямое, прошедшее сквозь атмосферу, но и рассеянное и отраженное солнечное излучение во многих случаях  является основным источником фоновых  помех в атмосфере. Однако определяющим для уровня фонов при работе конкретных оптико-электронных систем является спектральный диапазон. Селективный спектральный состав приходящего излучения от источников (Солнце, Луна, молнии, метеоры и др.), требуют известной осторожности при оценке роли фоновых помех того или иного происхождения.

В инфракрасной области спектра  становится заметным вклад энергии  от теплового излучения атмосферы  и земной поверхности. Соотношение  вкладов теплового излучения  и солнечного рассеянного или  отраженного излучения в уровень  фоновых помех в дневное время, зависит от многих факторов (от состояния атмосферы, условий наблюдения, положения солнца и др.). Тем не менее приближенно во всех случаях можно считать, что в области больше 4 мкм доминирует тепловое излучение атмосферы и земной поверхности с максимумом в спектре излучения области около 10 мкм. В спектральной области меньше 3 мкм преобладает роль фоновых помех, обусловленных солнечным излучением с максимумом видимой области спектра. В интервале длин волн 3-4 мкм имеет место минимум уровня помех, обусловленных двумя составляющими излучению, одна из которых (солнечное излучение) убывает, а другая (тепловое излучение атмосферы и земной поверхности) возрастает с ростом длины волны. В таблице приведены данные по максимальной яркости фона для помех различной природы.

Table: Максимальная яркость фона для помех различной природы
	Максимальная яркость  фона Вт/см ср мкм
Природа фоновых помех	мкм	мкм
Отражение солнечного излучения  водной поверхностью
Рассеяние солнечного излучения  атмосферой (яркость безоблачного неба)
Рассеяние солнечного излучения  облаками (яркость облачного неба)
Тепловое излучение  атмосферы
Свечение атмосферы

Кроме теплового равновесного излучения  в атмосфере всегда присутствует неравновесное излучение, вызванное  рядом физических и химических процессов, которое имеют место при взаимодействии оптической и жесткой солнечной радиации с атмосферой. Результатом этих процессов является слабая люминесценция атмосферы. Принято нетепловое оптическое излучение называть свечением атмосферы. Характерным для этого неравновесного излучения атмосферы является значительная спектральная селективность. В видимой области спектра свечение является линейчатым, в инфракрасной области эмиссионные линии имеют несколько большую спектральную ширину. При работе оптико-электронных систем в ночное время свечение атмосферы является существенной помехой.

8.  Пример расчет инфракрасного канала

1. Введение упрощений

Данная методика расчета разрабатывается  применительно к малым и средним (до 1000м) расстояниям. Для больших  дистанций может потребоваться  учет большего числа факторов влияющих на распространение оптического сигнала в атмосфере.

Для упрощения расчетов введем ряд  допущений:

• Релеевским рассеянием можно принебречь ввиду малых вносимых затуханий;
• Нелинейными эффектами распространения можно принебречь ввиду небольшой импульсной и средней оптических мощностей;
• Мультипликативными помехами рассеяния вперед можно принебречь;
• Затухание сигнала на наклонной трассе для высот до 10 км всегда меньше, чем на горизонтальной трассе той же протяженности на высоте 0 км над уровнем земли;
• Спектр флуктуаций интенсивности сигнала находится в диапазоне от 0 до 5000Гц;
• Максимальное отклонение луча из-за турбулентности атмосферы-1 мрад;
• В выбранном окне прозрачности отсутствуют сильные полосы молекулярного поглощения.

Спектр оптического излучения имеет вид:

• 0.01 -- 5нм рентгеновское
• 0.005 -- 0.4 мкм ультрафиолетовое
• 0.4 -- 0.76 мкм видимое
• 0.4 -- 0.45 мкм фиолетовая
• 0.45 -- 0.48 мкм синее
• 0.48 -- 0.5 мкм голубая
• 0.5 -- 0.56 мкм зеленая
• 0.56 -- 0.59 мкм желтая
• 0.59 -- 0.62 мкм оранжевая
• 0.62 -- 0.76 мкм красная
• 0.76 -- 1000 мкм инфракрасное
• 0.76 -- 3 мкм ближнее
• 3 -- 6 мкм среднее
• 6 -- 15 мкм дальнее
• 15 -- 1000 мкм очень далекое

Исходя из данных о молекулярном поглощении, можно выделить следующие ''окна прозрачности`` пригодные для передачи оптического сигнала, это:

400-1050 нм;

1200-1300 нм;

1500-1800 нм;

2100-2400 нм;

3300-4200 нм;

4500-5000 нм.

8000-13000 нм.

Наибольший интерес представляет ''окно`` 400-1050 нм, это часть видимого и ближний инфракрасный диапазоны. На сегодняшний момент создано достаточно большое количество источников излучения, рабочая длина волны которых находиться в указанном диапазоне. Если использовать в качестве излучающего элемента излучающий диод (СИД) на основе арсенид галлия с добавлением алюминия, спектр его излучения находится на 870нм±25нм, то он попадает в описанный выше диапазон. Далее все выкладки будем делать применительно к СИД работающим в ближнем ИК-диапазоне

2. Учет влияния погодных условий

Для оценки ослабления оптического  сигнала в атмосфере, введено такое понятие, как видимость, это такое расстояние (в км), на котором видимое излучение источника света уменьшается в 50 раз по отношению к первоначальной величине. С точностью достаточной для инженерных расчетов можно использовать формулу:

(4)

 

,где: 

S-затухание дБ/км;

-дальность видимости. 

В таблице приведем типичные потери в зависимости от погодных условий для связи по атмосферному каналу в инфракрасном диапазоне 850нм.

Table: Влияние погодных условий на затухание оптического сигнала
Погодные условия	Затухание, дБ/км
Ясная погода	0-3
Слабый дождь	3-6
Сильный дождь	6-17
Снег	6-26
Легкий туман	20-30
Густой туман	50-100
Облачность	300-400

Примем для расчета максимальное затухание -60 дБ/км, что соответствует  густому туману концентрации меньше среднего.

3. Учет фонового излучения

Шум, на фотоприемнике, состоит из 3-х составляющих:

• атмосферные оптические помехи;
• дробовые шумы;
• собственные шумы фотоэлемента и усилителя.

Рассмотрим характеристики каждого  из шумов.

По свойствам и физической природе  атмосферные оптические помехи можно разделить на две группы:

• постоянно присутствующие в атмосфере фоновые помехи, вызванные собственным излучением атмосферы и Земли или рассеянием оптического излучения от различных посторонних источников, в том числе Солнца, Луны, подстилающей поверхности и др.;
• помехи, за счет искажений оптического сигнала, вызванные взаимодействием сигнала с атмосферой.

Первая группа представляет собой  в основном аддитивные помехи, которые  суммируются с передаваемым сигналом и состоят из постоянной во времени (точнее медленно меняющейся, например, в течение суток) и случайной (быстро меняющейся) составляющих. Обе составляющие уменьшают динамический диапазон преемника и тем самым снижают эффективность всей системы передачи информации.

Вторая группа помех представляет как аддитивные, так и мультипликативные атмосферные помехи, которые являются сомножителем в принимаемом сигнале. Другим сомножителем регистрируемого сигнала в этом случае является полезный сигнал. Этот вид помех снижает эффективность информационной системы, изменяя и величину и форму самого передаваемого сигнала. Причем увеличение мощности оптического сигнала не ведет к линейному росту отношение сигнал/шум. К мультипликативным помехам относится одно- и многократное рассеяние вперед оптического сигнала.

Дробовые шумы обусловлены изменением интенсивности из-за флуктуации количества принятых квантов оптического сигнала.

Собственные шумы фотоэлемента характеризуют  шумовые свойства фотоэлемента и  первого усилительного каскада  входного усилителя. Собственные шумы зависят как от типа фотоэлемента, так и от его схемы включения, типа усилительного элемента входного усилителя и др.

Как было описано выше, фоновыми помехами имеющими быстрые флуктуации сигнала  можно пренебречь. Ограничивать чувствительность приемника будут его собственные шумы.

В зависимости от используемого  способа модуляции оптического  сигнала, меняется и минимально допустимое отношение сигнал/шум, при которых  информация будет принята правильно.

Таким образом, минимальная мощность оптического сигнала будет:

(5)

где

-минимально возможное отношение  сигнал/шум (в разах) для выбранного  вида модуляции оптического сигнала.

4. Учет отклонения луча от нормали