| |
|
Тропосферное
рассеивание и отражение лазерного
излучения By John, K3PGP 06/12/97 - Rev 1.03 Некоторые из вас знают, что я проводил эксперименты по отражению луча лазера в низко расположенных облачных слоев и что мы проводили эти эксперименты в течении нескольких недель. Используя эти сигналы я имел возможность улучшить мою приемо-передающую систему. В следующих экспериментах я
использовал новый приемник, так же была
улучшена передающая лазерная система,
благодаря чему мне удалось принять слабые
рассеянные сигналы отраженные от совершенно "чистого
неба". Все правильно, в экспериментах не
было на небе облаков. Отличительные
свойства этих отраженных сигналов была их
непохожесть на сигналы отраженные в
облачном слое. Отражение и рассеивание в облачном слое При использовании рассеивания и отражения луча лазера в облачном слое отраженные сигналы всегда более сильные и имеют определенную направленность. Уровень приемного сигнала изменяется от +4 дб относительно уровня шума, когда источник отражения находится чуть выше уровня горизонта земли до значения более +27 дб при нахождении источника отражения в зените. Я уверен, что большие различия в
уровне принимаемых отраженных сигналов
фактически зависят качества облачного слоя
и направления излучения направленного в ту
ли иную его часть. Угол
вхождения лазерного луча в облачный слой
может быть различным. При нацеливании
лазерного луча на облачный слой под низким
углом к горизонту, большая часть энергии
луча будет рассеиваться в прямом
направлении и очень малая часть будет
отражаться в обратном направлении к
передающей станции. Это было подтверждено,
когда был принят сигнал второй станции (маяка)
излучающей из-за линии горизонта. При
направлении луча лазера в зенит,
наоборот большая часть энергии
рассеянного и отраженного сигнала
будет возвращаться назад к
передающей станции. Тропосферное рассеивание Второй вид распространения был выявлен в безоблачную ночь. Небо было кристально чистое во время проведения экспериментов В эксперименте были приняты сигналы непохожие на отраженные в облаках, эти отраженные сигналы были очень слабы при направлении излучения в зенит и достигали максимального значения при направлении излучения на горизонт. Кроме того уровень отраженных сигналов был достаточно стабилен по амплитуде в отличие от уровня сигналов отраженных в облаках. Типичный уровень отраженных сигналов составлял -25 дб от уровня шума и ниже при приеме отраженных сигналов из точки зенита. Для регистрации сигналов использовались DSP, FET технологии совместно с временным усреднением сигналов. Однако, когда я постепенно снижал угол излучения к горизонту я получил силу отраженных сигналов до +4 дб относительно уровня шума. Это совершенно противоположные результаты по сравнению с экспериментом по отражению луча лазера в облаках. Когда обсуждался этот факт, то был сделан вывод, что чем тоньше слой атмосферы (в зените) - тем меньше объем отражающего слоя - и ниже уровень отраженного сигнала. Причина обратного рассевания
от чистого неба точно не известна, но я
уверен, что это явление очень похоже на
явления происходящие при микроволновом
тропосферном распространении радиоволн
вплоть до длины волны 780 нм, которые тоже
могут отражаться и рассеиваться от водяных
паров, кристалликов льда и атмосферных
загрязнений. Когда небо совершенно чистое,
обратное рассеивание сигналов можно
определять на расстоянии 40 - 50 км от
источника лазерного излучения в прямом
направлении в темное время суток. Наблюдение Вызывает интерес полученный
уровень отраженных сигналов принятых из-за
горизонта (+4 дб) в течении обоих
экспериментов (тропосферное рассеивание и
отражение в облачном слое). Возможно то, что
казалось облаками на уровне горизонта
таковыми не являлось. Так как ночью трудно
определить наличие или отсутствие облаков
на небе под низкими углами к горизонту. Или
в случае наличия облаков на уровне
горизонта происходило обратное
тропосферное рассеивание именно от
облачного слоя и поэтому получался
относительно низкий уровень принимаемого
сигнала. Ранние эксперименты Я предполагал, что посредством
отражения лазерного излучения от облаков
можно проводить тропосферные QSO со
станциями расположенными за линией
горизонта. После раскрытия этого факта я
мог приступить к экспериментам по
обнаружению отраженных сигналов лазерного
луча. В результате изучения литературы я
обнаружил, что подобные эксперименты
проводились в конце 60-х годов Федеральной
телефонной компанией. Специалисты компании
использовали
рубидиевый лазер и преодолели расстояние
между двумя станциями более чем в 240 км. Я
был изумлен этим результатом, понятно, что
сигнал лазера распространялся не в прямом
направлении, а связь была установлена посредством отражения
лазерного излучения от
неоднородностей тропосферы. Также было
выявлено, что уровень остаточного
отраженного сигнала
достаточно стабилен во времени. Точно такие
же результаты впоследствии были получены и
мной. Пример из источника "LASERS, Tools of Modern Technology, 1968 страница 82: "Инженеры из Международной Телефонной и Телеграфной Федеральной лаборатории из Нью Джерси также испытывали способ коммуникации посредством рассеяния и отражения лазерного излучения в облачном слое. И пришли к выводу, что обычные кучевые облака дают рассеяние луча лазера в сторону приемника на расстояние более чем 150 км от передатчика". "В одну из первых ночей, когда
проводились исследования с лазерным
излучением экспериментаторы получили новые и
неожиданные сведения об атмосфере. Myron
Ligda, возглавляющий
Аэрофизическую Лабораторию
Исследовательского Института в
Стэнфорде, обнаруживал
ряд явлений в атмосфере, которые с
трудом можно было обнаружить с помощью
оптических приборов. Были получены новые данные об
отражении лазерного излучения в верхних
слоях
атмосферы на высоте более 50 км. Это
указывало на присутствие в верхних слоях
атмосферы слоев и неоднородностей вызывающих отражение
световых волн от лазера до этого не известных
метеорологам". Доказательства? Когда я закрывал объектив моего фотоприемника крышкой или выключал лазер, то не получал на выходе сигнал. А так же тот факт, что уровень отраженного сигнала изменялся от -25 дб до +27 дб в зависимости от условий прохождения при изменении угла направления фотоприемника, показывает что сигналы в самом деле приходят с некоторого расстояния на прямой линии передатчик - приемник. Две станции участвовавшие в эксперименте находились на расстоянии 8 км друг от друга, между ними отсутствовала прямая видимость и кроме того станции были закрыты несколькими высокими холмами с высотой от 500-600 до 2700 футов. Но фактически между двумя станциями все равно была связь при направлении лазерных лучей в ту или иную точку зенита. Однако сделать вывод о наличие связи с отражением лазерного луча в облачном слое или за счет тропосферного рассеяния можно было только на значительно больших расстояниях между станциями. Я провел тесты на линии связи
длиной около 40 км и получил 100%
подтверждение приема сигнала с BPSK
модуляцией при тропосферном рассеивании.
Цифровую запись этих сигналов можно
прослушать по ссылке - Laser,
Audio, Video, and Charts. Так как
принимаемый сигнал очень слабый, то на 100%
прием возможен лишь с использованием
программного обеспечения VE2IQ's COHERENT!
(или аналогичного описанному) Как проводить эксперименты Должен добавить, что в экспериментах по тропосферной связи использовался типичный лазер с мощностью менее 5 мВт, кроме того использовался компьютер с соответствующим программным обеспечением для поиска и анализа очень слабых сигналов. Я не советую увеличивать мощность лазера что бы не создавать помех воздушному движению, хотя эта опасность минимальна при наличие облачного покрова над землей. А также более легко работать с тропосферным распространением при направлении луча лазера близко к горизонту. Во время экспериментов необходимо обезопасить от лазерного излучения себя и пролетающий над вами воздушный транспорт. Особенно будьте внимательны, когда в небе вы увидите мигающую красную точку - световой маяк самолета, который видно на расстоянии многих километров. Предварительно изучайте воздушные цели через бинокль, телескоп или видеокамеру с телеобъективом в направлении излучения сигнала лазера.
Программное обеспечение для приема слабых сигналов Я нашел две программы которые могут работать с крайне слабыми отраженными сигналами лазерного излучения. Держите их в памяти на тот случай, когда вам придется работать с действительно слабыми сигналами. Если вы изначально стремитесь к визуальному обнаружению лазерного излучения с помощью оптических приборов, то тогда естественно вам не нужен компьютер. Первая программа от автора VE2IQ. Фактически у этого автора две программы - FFT и COHERENT. FFT удобно использовать для поиска сигналов на уровне внешнего шума от приемника. COHERENT - программа для коммуникации и рассчитана не только для поиска сигналов ниже уровня шума, но и способна декодировать передаваемую информацию. Программа уверенно работает с уровнями сигналов -25 - 30 дб. (Во всех экспериментах я использовал приемник с полосой пропускания 400 Гц). Это выглядит несколько магически, потому что вы можете видеть принимаемый сигнал и расшифровывать передаваемую информацию, а в динамиках или наушниках при этом прослушивается обычный белый шум. VE2IQ BPSK & FFT. Интерфейс программы "FFT" описан в январском номере журнала QST за 1992 год. Операционная система - DOS. Для работы требуется внешний интерфейс подключаемый через последовательный порт компьютера. Вторая программа от автора AF9Y. Если вы намереваетесь в автоматическом режиме проводить мониторинг сигналов от маяка, то программа от AF9Y будет хорошим выбором. Эксперимент можно начать ночью, а утром проанализировать результаты. Но здесь вы не получите возможность проводить радиообмен сообщениями, подобно программе VE2IQ. Последняя программа работает с любой звуковой платой на ПК под управлением операционной системы DOS. Примечание: Перевод, реферирование: Источник публикации: |