Юный техник, 2002 № 02
Шрифт:
Г. и Н. ТУРКИНЫ
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Там, за горизонтом
О возможности дальней оптической связи с отражением от облаков
Радиодиапазон, казалось бы, широк, но и в нем уже стало тесно. Работают радиостанции, телеканалы, сотовые телефоны, связываются друг с другом медики, пожарные, военные, милиция. А между тем есть диапазон электромагнитных волн, в котором места хватит всем. Речь идет о световом диапазоне. Достаточно уловить фотоприемником модулированный сигнал передатчика — связь установлена, один лишь недостаток у светотелефонов: связь возможна лишь в пределах прямой видимости, ведь луч света распространяется по прямой. За горизонт он «свернуть» не может.
Другое дело, если бы можно было поставить цепочкой зеркала-«ретрансляторы»… Впрочем, нужны ли они?
Видели на дороге в гору, как за возвышенностью появляется светлый ореол фар встречного автомобиля? Ни автомобиля, ни фар еще не видно из-за горы, а ореол все ярче и ярче. Это явление называют рассеянием света вперед (forward scattering), и оно совершенно аналогично рассеянию радиоволн на неоднородностях тропосферы, на котором основана дальняя тропосферная радиосвязь на УКВ, уже хорошо известная и неплохо изученная. Мощные передатчики, направленные антенны и чувствительные приемники позволяют перекрывать расстояния в сотни и тысячи километров. Да, потери при распространении сигнала на таких радиотрассах в десятки и сотни тысяч раз больше, чем на обычных, ну так что же? Есть соответствующая аппаратура. Но вернемся к световой связи.
Свет и инфракрасное излучение (ИК) — это электромагнитные волны с длиной 0,4 — 15 микрон. Рассеиваются они значительно лучше, чем радиоволны. Как известно из физики, максимальное рассеяние дают частицы или неоднородности с размерами порядка длины волны. Таких частиц в атмосфере сколько угодно, но все же главными рассеивателями остаются мельчайшие капельки воды.
Лучше всего рассеивают большие скопления тумана — облака, их и нужно использовать в первых экспериментах. Вполне возможно, что потом, по мере накопления экспериментальных данных и совершенствования аппаратуры, удастся получить рассеяние даже при ясном небе.
Что же предлагается? Направить модулированный луч света чуть выше линии видимого горизонта, на облако. При этом значительная часть света будет рассеяна вперед, за горизонт. Корреспонденту нужно направить приемник на то же облако, туда, где происходит рассеяние, и он услышит сигнал!
Схема аппаратуры для односторонней связи показана на рисунке.
Передающая часть содержит лазерный передатчик, оптический сигнал которого модулируется передаваемым сообщением. Оптическая система (телескоп) собирает луч лазера в узкий пучок. Используя газовый гелий-неоновый лазер школьного типа и телескоп с объективом диаметром 50 мм, можно получить пятно диаметром 1 м на расстоянии 10 км!
Приемная часть содержит оптическую систему, фокусирующую принятый рассеянный световой сигнал на фотоприемник. Чем больше диаметр объектива, тем лучше — он соберет больше энергии.
По чувствительности для наших целей наиболее пригодны такие приемники света, как фотоэлектронные умножители и лавинные фотодиоды. Снятый с выхода фотоприемника электрический сигнал фильтруется для устранения шума, усиливается и подается на телефоны или на модем цифровой связи.
Свет в атмосфере распространяется, строго говоря, не прямолинейно. Он подвержен рефракции — искривлению траектории, вызванному уменьшению ее плотности с высотой. Не следует забывать и о миражах, при которых луч порою так искривляется, что порой бывает виден противоположный берег океана. Но эти явления либо слабы, либо редки). Но если оценить дальность связи из простейших геометрических соображений, полагая, что свет распространяется прямолинейно, даже при довольно низкой облачности на высоте 600 м можно получить дальность связи до 180 км, при кучевой и слоистой облачности на высоте 3000 м — до 400 км, а на «серебристых» облаках, состоящих из ледяных кристаллов и располагающихся на высотах 10–12 км, — до 800 км!
Получив столь обнадеживающие результаты по расчету дальности, прикинем энергетику всей линии связи, чтобы убедиться, что связь осуществима.
Для начала возьмем гелий-неоновый газовый лазер учебного типа с излучаемой мощностью 12 мВт в непрерывном режиме, например ЛГ-35, и умеренное расстояние в 100 км. Диаметр апертуры приемного телескопа примем равным 13 см. Расчет дает, что фотоприемника достигнет поток мощностью 3х10– 15 Вт. Такой оптический сигнал можно принять фотоумножителем ФЭУ-123 с пороговой чувствительностью 2x10– 15 Вт или ФЭУ-147 — 1,5х10– 15 Вт, только полосу пропускания усилителя звуковой частоты в приемнике придется сделать шириной не более нескольких герц. Работа при этом будет возможна только очень медленным телеграфом (порядка 10 двоичных знаков в секунду). Но ведь и это уже результат!
Повышение мощности передатчика в 10 раз даст увеличение дальности втрое или скорости передачи в 10 раз. Того же эффекта можно добиться, увеличив диаметр объектива приемного телескопа в 3 раза.
Вспомним, что оптическая связь телеграфом уже давным-давно (еще до изобретения радио) применялась на флоте. Источником света служил мощный прожектор, а механическим модулятором света — заслонки перед ним. Приемником служили глаза сигнальщика, иногда усиленные биноклем. Воистину новое — это хорошо забытое старое!
Для практического осуществления описанного вида связи надо решить еще массу всевозможных вопросов: выбрать оптимальную длину волны, не совпадающую ни с одной линией поглощения атмосферных газов, решить проблему точной ориентации телескопов, уменьшить до предела постороннюю засветку ФЭУ. С этой целью надо сузить до оптимального поле зрения приемного телескопа, выбирать для работы темные ночи и в качестве одной из самых радикальных мер применить в оптическом приемном канале узкополосный интерференционный светофильтр. Для того чтобы оптические линии связи не мешали друг другу, каждая из них должна снабжаться светофильтрами, пропускающими свою полосу частот. В том, что такой вид связи может получить коммерческое применение, есть сомнения, поскольку едва ли часто будут складываться оптимальные условия для дальней оптической связи (хорошая прозрачность атмосферы при четкой границе облаков на нужной высоте), но тем интереснее использовать его для любительских и спортивных целей, ведь хорошее «тропо» или «аврора» тоже бывают нечасто.
И последнее, о чем хотелось бы непременно сказать: лазер, особенно мощный, не игрушка. Никогда не направляйте его на горизонт или ниже — там могут оказаться люди и животные, интенсивное лазерное излучение опасно для глаз: будучи сфокусированным хрусталиком глаза, оно просто прожигает его сетчатку.
В.Т.ПОЛЯКОВ, профессор
НАШ ДОМ
Зимний сад
Думаете, зимний сад — это большая, крытая стеклом галерея, заставленная всевозможными цветами? То, что вы видите на рисунке, — обычное окно, разграниченное тремя-четырьмя деревянными полками по всей ширине проема.
Вариант «зимнего сада» с оконными полками.
Чем не зимний сад для городской квартиры? Такое решение дает возможность установить множество цветочных горшков и горшочков. А крепится конструкция с помощью металлических уголков и шурупов.