16.5.2. Перспективная оптическая система для связи в ближнем космосе

В этом параграфе описывается более совершенная, чем предыдущие, система связи, в которой эффективно используется мощность, получаемая от лазерного источника излучения. Требуется система связи, которая обеспечивает обмен информацией между спутником, находящимся на низкой орбите, и спутником на геостационарной орбите, а также между двумя геостационарными спутниками. Низкоорбитальный спутник может находиться на высоте от 200 до 2000 км над земной поверхностью. Его цель — обозревать земную поверхность и передавать данные на наземную станцию через один или более геостационарных спутников. Скорость передачи информации 300 Мбит/с. Такая система подробно описана в . Ее схема приведена на рис. 16.14.

Совершенно ясно при выборе системы спутниковой связи, что большое значение имеют минимизация общей массы и потребления энергии. Следовательно, можно полагать, что узкая диаграмма направленности,

Рис. 16.14. Предлагаемые системы передачи данных из ближнего космоса, предназначенные для исследования земной поверхности с помощью спутников. [Взято из [16.4] ©. 1977, IEEE]

получаемая с помощью оптической системы, использующей антенну небольших размеров, дает важнейшее преимущество. Однако в настоящее время предпочтительнее использовать микроволновые линии связи (работающие на длине волны 5... 10 мм) благодаря их надежности, высокому КПД передатчика и низкому уровню шума приемника. Для межспутниковой связи рассматривалось применение как неодимового лазера в режиме удвоения частоты, так и лазера на которые, вероятно, в системах связи будут широко использоваться. Для них характерны длительный срок службы и высокая надежность, однако основная проблема, связанная с использованием неодимового лазера, заключается в низком КПД источника излучения, лазера — в трудности модуляции его выходного излучения. В обоих случаях можно легко получить очень узкий пучок шириной не более нескольких дуговых секунд, но при этом необходимы сложные системы обнаружения оптических сигналов и стабилизации луча в пространстве, а также требуется точное слежение как за приемником, так и за передатчиком. В этом параграфе дается краткое описание лазерной системы связи на лазере, разработанной и описанной в 116,41, но пока практически не используемой.

Лазер передатчика такой же, как и на рис. 16.8. Он предназначен для получения 1 Вт выходной мощности и передачи данных со скоростью 300 Мбит/с. Потребление электроэнергии — для лазера и для модулятора, общая масса источника питания Для коллимирования передаваемого пучка и фокусирования принимаемого сигнала использована изогнутая оптическая система Грегори (рис. 16.15). Диаметр первого зеркала что обеспечивает коэффициент усиления антенны надлине волны и расходимость пучка 82 мкрад. Затухание пучка, обусловленное вторым зеркалом, и тот факт, что распределение интенсивности пучка является гауссовым, приводят к уменьшению коэффициента усиления и увеличению расходимости по сравнению с теоретическими значениями, приведенными в § 16.2. Высота геостационарной орбиты над землей а максимальное расстояние между спутником на низкой орбите и

геостационарным спутником Таким образом, потери на трассе будут около Вычисления, приведенные в табл. 16.2, показывают, что ожидаемый уровень мощности на входе приемника порядка Показано, что оптический гетеродинный приемник, использующий охлаждаемый фотодиод из теллурида кадмия с добавкой ртути обеспечивает на практике достижение этого уровня чуствительности приемника. Уровень шума приемника, измеренный при скорости передачи данных оказался равным входной мощности шума и составил Это находится в пределах квантового предела детектирования, равного . Было установлено, что отношение сигнал-шум, равное достаточно для обеспечения вероятности ошибки менее, чем Таким образом, уровень сигнала или должен быть достаточным, причем в наших вычислениях имеется неучтенный запас мощности в 3 дБ. Увеличение чувствительности на два или три порядка но сравнению с прямым детектированием на длинах волн в области 1 мкм может быть отнесено частично за счет уменьшения квантового (дробового) шума и частично за счет использования гетеродинного метода детектирования.

В качестве гетеродина использовался небольшой световодный лазер на с внешней стабилизацией. Он давал выходной мощности и обеспечивал перестройку по частоте в пределах при нестабильности частоты

Интересной особенностью оптической спутниковой системы является наличие доплеровского изменения частоты в принимаемой волне, вызываемого относительным передвижением источника излучения и приемника. Относительная скорость передвижения геостационарного

Рис. 16.15. Оптическая система, разработанная для спутникового связного приемопередатчика. [Взято из

Таблица 16.2. (см. скан) Расчет мощности при лазерной лниин сиизи между инзкоорбитальиым и геостационарным спутниками

и низкоорбитального спутников может доходить до 8 км/с, что создает доилеровский сдвиг частоты более чем на длине волны 10,6 мкм. Если частота излучаемой волны, а частота принимаемой волны, то доплеровский сдвиг частоты

При данных значениях

Из этого примера видно, что в будущих системах связи для ближнего и дальнего космоса лазерная связь может играть важную роль. Но она всегда будет конкурировать с микроволновыми системами связи, которые уже разработаны и проверены в земных условиях.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Открытые оптические системы связи в настоящее время играют незначительную роль и применяются в случаях, когда один из терминалов должен быть подвижным или необходимо пересечь трудные участки местности. Они всегда вынуждены конкурировать с радио- и микроволновыми линиями связи и чувствительны к атмосферным условиям. В отличие от волоконно-оптических систем связи здесь возможен более широкий выбор компонентов для источника излучения и фотодетектора, а также способов модуляции.

При использовании в системе диффузного источника излучения больших размеров принимаемая приемником мощность определяется соотношением Если используется лазер или источник излучения малых размеров, обеспечивающий дифракционно-ограниченную расходимость пучка, принимаемая мощность

В качестве источников излучения в рассматриваемых системах связи используются лазеры и светодиоды, в частности неодимовые лазеры (на длине волны 1,06 или 0,53 мкм) и лазеры на углекислом газе (на 10,6 мкм), причем все они работают на длинах волн, где атмосфера сравнительно прозрачна (см. рис. 16.5). Полупроводниковые источники излучения можно модулировать непосредственно, изменяя ток накачки, другие — с помощью электрооптических модуляторов, помещаемых вне или внутри лазерного резонатора.

На длинах волн короче 1 мкм в качестве фотодетекторов можно использовать фотоэлектронные умножители, а на более длинных волнах — полупроводниковые фотодиоды. В частности, на длине волны применяются фотодетекторы на основе теллурида кадмия с ртутью. На этой длине волны становится практически реализуемым гетеродинный метод детектирования оптических сигналов.

В настоящее время разработано несколько простых оптических систем связи, предназначенных для эксплуатации в атмосферных условиях и лазерных систем связи для ближнего космоса.