جهت عضویت در گروه فنی ویپ کلیک کنید

مخابرات ماهواره ای لیزری

مقدمه:
مخابرات ماهواره ای لیزری ارسال درفرکانسهایی ازحوزهءHz 〖۱۰〗^۱۴ (نوری) رادربر میگیردکه حدود۷تا۸ مرتبه ازسیستمهای فرکانس رادیویی بالاتراست.ارتباط بالیزرها امروزه درسه حالت ارتباطی مورد استفاده قرارمیگیرد:
ارتباطات اشعه لیزرهوایی ـ ارتباط فیبرنوری ـ رایانه های نوری ارتباطات اشعه لیزرهوایی پارازیت کردنش توسط طرق شناخته شده تقریبا غیرممکن میباشد باوجود این کاملاوابسته به اب وهوااست .بنابراین مخابرات لیزری نمیتواندبرای ارتباط بین ایستگاه زمینی ویک ماهواره ایستورمورداستفاده قرار گیرد.ولی برای ارتباط بین ماهواره ها یاارتباط عمق فضا کاملامناسب است. آژانس فضایی اروپا برای نخستین بار در جهان ارتباط لیزری موفقیت آمیزی میان یک هواپیما و ماهواره به فاصله ۴۰ هزار کیلومتری از یکدیگر برقرار کرد. دانشمندان اسا در این مانور فضایی بی سابقه توانستند در یک ارتباط دوسویه پیچیده، شعاع لیزری را از هواپیمایی در ارتفاع ۶ هزار متری از زمین به سوی ماهواره Artemis اروپا در ارتفاع ۱۰ هزار متری از سطح زمین تابانده و با موفقیت بازگشت آن را به هواپیما را مشاهده کنند. این ماموریت طی شش ارتباط اپتیکی دو سویه در حالی در اوایل دسامبر انجام شد که فاصله مداری این تجهیزات هوا و فضانوردی بالغ بر ۳۶ هزار کیلومتر بوده است یعنی فاصله ای بالغ بر هدف قرار دادن توپ گلف میان پاریس و بروکسل اما با گذر از دور زمین!


یک مثال معمول در شکل ۱نشان داده شده است.
دراینجا GS ها ماهواره های ایستورهستنددر حالی کهٍES هاماهواره های دیگر.اینES هابا GS ها به صورت مخابرات لیزری ارتباط برقرار میکنندوسرانجامGS ها توسط ارتباط مایکروویویRF ها با ایستگاه زمینی ارتباط برقرار میسازند.
شکل ۱

مخابرات لیزری

مخابرات لیزری

تجزی تحلیل خط ارتباطی
الف-اثرات جوی:زمانی که تجزیه تحلیل بین خطوط ارتباطی ماهوارهای انجام می شود،اثرات جو زمین برروی سیگنال های لیزری بایستی به دقت مطالعه شود.جو زمین سیگنالهای نوری رابه انحای مختلف ازقبیل تضعیف ناشی ازانرژی،پخش ناشی ازتفرق امواج نوری،خمش اشعه ناشی ازمتمرکزشدن مجدداشعه های نوری وخردشدن اشعه دراثرتلف چسبندگی(coherence)میدان درجبهه اشعه تحت تاثیر قرارمی دهد.تضعیف جوی وابسته به طول موج(شکل ۲) وزاویه ارتفاع(شکل۳)،بخصوص برای خط ارتباطی پایین نوری ماهواره است.

زاویه ارتفاع بر حسب درجه-شکل ۳
پخش اشعه ناشی ازتفرق جوی،منتج به تضعیف توان دریافتی درگیرنده نوری می شود.درروزهای صاف مخلوط شدن لایه های گرم وسردجوی،تلاطم بوجود می اوردکه ممکن است بادسته اشعه نوری تعامل پیداکندوموجب تمرکزمجددوموقعیت گیری مجدد دسته اشعه گردد.این مساله باعث می شود دسته اشعه به نقطه غیر پیشبینی شده جابجاشود(هدایت اشعه)ومسایلی رابرای نشانه گیری نوری ایجادکند. به طورمشابه، جونیزدر چسبندگی(به هم پیوستگی) جبهه اشعه، تلف بوجود می اوردکه درنتیجه دونقطه برجبهه اشعه هم فاز نخواهد بود.این مساله سیستمهای اشکارسازنوری مستقیم وهتروداین راتحت تاثیر قرار می دهد.
ب -تجزیه وتحلیل خط ارتباطی:در اینجا فرض می شود که دربین خطوط ارتباطی اثرات جوی قابل اغماض است وخط ارتباطیRF برای خطوط ارتباطی بالاوپایین جهت ارتباط با ماهواره استفاده میشودوخط ارتباطی بین دو ماهواره،خط نوری است که ازسیتم اشکارساز مستقیم استفاده می کند. بنابرین وقتی که ماهواره خط ارتباط بالا رادریافت می کند،به طورمستقیم پهنای باند حامل خط ارتباطی بالاراروی حامل نوری برای خط ارتباطی بین ماهواره ای،مدوله می کند.برای این کارضروری است که حدبالایی ازباندفرکانسی خط ارتباطی بالادر پهنای باندآشکارساز نوری دریافتی قرار گیردودرغیراین صورت،پهنای باند خط ارتباطی بالاقبل ازاینکه مدولاسیون لیزری انجام شود،به فرکانس پایین تبدیل میشود.بدین ترتیب،شکل موج خط ارتباطی RF ماهواره ممکن است به صورت زیر نمایش داده شود: معادله ۱
S(t)=u(t)+ n_u (t)
U(t) :حامل خط ارتباطی بالا، n_u(t) :نوفه تداخل خط ارتباطی بالا
از انجا که توان لیزردرگیرندهء نوری به صورت مدولاسیون شدت مدوله میشود: معادله ۲
P(t)=P_r[1+βs(t)]
β: ضریب مدلاسیون شدت P_r : توان متوسط
ماهوارهءدریافت کننده سیگنال معادله ۲ راتوسط اشکارسازنوری دریافت می کند. آشکارسازنوری سیگنال مدوله شده شدتی رابه صورت زیر آشکار میکند: معادله ۳
R [βP_r s(t)]=Rβ P_r [U(t)+ n_u (t)]
که دران R قابلیت پاسخگویی آشکارسازنوری است.شکل موج آشکارشده که واقعا ازفرکانس خط ارتباطی بالا است، سپس تبدیل به فرکانس خط ارتباط پایین می شود که بعدا از نظرتوان تقویت شده وبه ایستگاه زمینی دریافت کننده،ارسال میگردد. P_cu توان u(t) در معادله ۱ است.
P_nu توان نوفه خط ارتباطی بالاوP_pd توان نوفه مرکب اشکارساز نوری(ضربه ای، جریان تاریک وحرارتی)در پهنای باند ماهواره است.در نتیجه نسبت سیگنال به نوفه خط ارتباط پایین برابر: Pcu].L 〖[ (rP_r β)〗^۲ P_t P_(S=α_s^(2 ) )
[C/N]u =Pcu/P_nu [C/N]oP =Ps/P_pd
برای ارتباطات ماهوارهای دیجیتال،دونوع اطلاعات بیشتر ضروری است، نرخ بیت اطلاعات وحریم خط ارتباطی(برای تنزل کیفیت).این حریم معمولا برای خطوط بین ماهواره ای حدود۱یا۲db است.احتمال خطای مورد نیازدر ارتباطات ماهواره ای دیجیتال از مرتبه ۱۰ به توان۵- مباشد.
فرستنده خط ارتباط ماهواره ای نوری
منبع لیزر: برای سیتمهای ارتباطات نوری ممکن است منابع لیزری مختلفی به کار رود.این منابع ممکن است لیزرهای گازی،حالت جامدو نیمه هادی باشند.انتخاب منبع لیزر بستگی به عوامل زیر دارد:
طول خط ارتباطی- محیط انتشار-نرخ داده –محدودیتهای سکو
خط ارتباطی ماهواره ها ترجیحا دیودهای لیزری را به خاطروزن کم انهابه کار می گیرد.اما ازانجا که این قطعات توان پایین دارند( توان خروجی حدود چند ده میلی وات) برای تشکیل ارایه ها دیود های لیزردر سکوی ماهواره چیده میشوند به طوری که توان خروجی منبع افزایش یابد.اکنون تائید میشودکه لیزرهای نیمه هادی برای ارتباط نوری درارتباطات فضایی منبع نوری مطلوبی هستند.
مدوله کننده ها:درارتباط فضایی لیزری برترین مدولاسیون، مدلاسیوون شدت مستقیم است. در این روش جریان رانش لیزرمطابق نوع مدولاسیون مورد نیاز تغییر میکند.نرخ های مدولاسیون حدود ۱Gbpsبادیودهای لیزری نیز حاصل شده اند.نور از طریق جریان رانش منابع موجب اثرات دینامیکی برروی طیف ساطع شده نظیرتغییرات در حداکثر طول موج وحالتهای لیزر میشود.در جدول زیر روشهای مدولاسیون مستقیم ارائه شده است.
نوع مدولاسیون انالوگ پالسی دیجیتال
سیگنال اظلاعات پیوسته زمانی پیوسته زمانی یا نمونه برداری شده نمونه برداری شده زمانی
پارامترحامل (دامنه،شدت،فرکانس،فاز یاپلاریزاسیون) پیوسته پیوسته یا چندی شده چندی شده وکد شده
مثال مدولاسیون شدت مدولاسیون شدت پالسی مدولاسیون کد پالسی(PCM)،مدولاسیون شدت

دردیگرمنابع نوری مثل لیزرهای گازی در همه حال نمی توانند مدوله شوند.این موضوع توجه را به مدوله کننده های بیرونی معطوف میکند.لیزر های جامد نظیر ND-YAG (نئوداینیوم ییتریوم الومینیوم گارنت) که قادر به دستیابی نرخ مدولاسیون ۱Gbps هستند،به مدوله کننده های بیرونی نیاز دارند.مدوله کننده های بیرونی از ساختارهای هدایتی ریز(سیستم های نوری مجتمع)استفاده می کنند وباتوان مدوله کنندهء خیلی کمی کار می کنند. اثرات مختلفی نظیر الکتریکی-نوری،صوتی-نوری،مغناطیسی-نوریدر برخی از ارایشها(موج برهای کانال،موجبر های صفحه ای و…)برای مدولاسیون،به کارگرفته شده اند.
آنتن ها:سیستمهای ارتباط ماهواره ای لیزری مانند سیتمهای ارتباطی RF آنتنها را درجهت راستاور ساختن انرژی ارسالی به کار میگیرند.آنتن هاچیزی بیش از تلسکوپ های متداول نیستندکه اندازه وهندسهء ان توسط طول موج ونیازمندیهای سیستم دیکته می شود.بنابراین سیتم ارتباط نوری به جای الگوهای بهره انتن که دارای چندین درجه،پهنای اشعه برای سیتمهای RF هستند،به پهنای اشعه های نوری باریک(کسری از یک درجه)نیاز دارد.انهاهمچنین برای ارسال ومتمرکزکردن اشعه به جای انتن های RF،سیستم عدسی دارند. یک منبع لیزریک موج نوری تولید می کندکه به صورت یک اشعه نوری متمرکز شده وسپس فاصله Z رادرمسیر فضای ازاد تاسطح جمع اوری کنند Ar می پیماید.باید توجه داشت که اشعه های متمرکز شده معمولا به صورت الگوهای اشعه متقارن دایروی هستندکه در شکل ۴رابطه پهنای اشعه باطول موج نور لیزر نشان داده شده است.
dt:قطر سیستم نوری ارسال کننده تصویر

شکل۴ – ارسال آنتن نوری

گیرنده خط ارتباط ماهواره ای نوری
گیرنده نوری شامل یک انتن ،فیلتر،اشکار ساز نوری وسیستم دریافت الکترونی می باشد.آنتن های دریافت نیز تلسکوپ هایی هستندکه هدف اصلی انها متمرکز کردن سیگنال نوری روی اشکارساز نوری و رد کردن هر چه بیشتر تشعشعات زمینه می باشد.فیلترهای نوری دریافت (که به فیلترهای تداخل معروف ند)جهت خلاص شدن از تشعشعات زمینه که در همان طول موج سیگنال نوری نیستند ،به کار گرفته میشوند.در حقیقت حوزه ای از طول موج های حول طول موج لیزر که توسط فیلتر نوری عبور می کنند،پهنای باند نوری نامیده می شود.پهنای باند فیلتر نوری معمول در ۱میکرون به طور کلی از ۱۰تا ۱۰۰آنگستروم(۱آنگستروم حدود ۰۰۰۱/۰میکرون )مطابق بایک پهنای باند فرکانسی معادل در حدود۱۰۰الی ۱۰۰۰گیگاهرتز تغییر می کند.قابل توجه است که گاهی عنبیه قطع میدان نیز به کار گرفته می شودکه هدف ان رد کردن تشعشعاتی است که ازناحیه محصور تلسکوپ ارسال کننده، ساطع می شود.
سیستمهای اشکار ساز نوری دو نوعند:
اشکارساز مستقیم:به شدت سیگنال پاسخ میدهدوبه طور وسیع در ارتباط نوری مورد استفاده قرار میگیرد
۲-سیستم هتروداین:سیگنال با یک اشعهءنوسانساز محلی ترکیب شده وسپس هردو سیگنال روی همان اشکارسازتمرکز داده میشود.سیستم هتروداین اساسا در ناحیه مادون قرمزدور به کار گرفته می شودوان ها به دامنه سیگنال پاسخ می دهند.

شکل ۵و۶
در گیرنده نوری ، اشکارساز نوری، نور تشعشع شده برروی ان رابه طور مکانیک کوانتومی به جریان فتوالکترونی تبدیل میکند. عدسی های مختلف ، نور دریافت شده رابرروی اشکار سازنوری متمرکز می سازند . در واقع اشکارساز نوری،توان میدان لحظه ای از میدان متمرکز شده برروی ان را اشکار می کند.ازان جاکه مقدار توان میدان متمرکز شده برروی اشکارسازبرابربا مقدار توان میدان برخورد کننده روی عدسی های متمرکز کننده است،بنابراین توان اشکار شده نوری به طور معادل می تواند توسط تعیین توان میدان دریافتی برروی عدسی هابه جای توان متمرکز شده برروی سطح اشکار ساز،محاسبه شود.
قابل ذکر است که به هنگام استفاده از اشکارساز نوری،نوفه ضربه،جریان تاریک وجریان نوفه حرارتی مد نظر قرارمی گیرند.
در شکل ۴، P_R(t) متوسط شدت توان لیزر مدوله شده است که با اشکارساز نوری برخورد میکند.Pb توان تشعشعی زمینه است.
فرایند های نوفه ای:معادله ۶
N_o=N_sn +N_dc + N_t
جریان خروجی
آشکا ساز
Pr(t)

جریان حرارتی جریان تاریک نوفهای ضربه ای Pb
〖 isu(t) 〗_ idc(t) 〖ir(t)〗_
شکل۷،مدل نوفه ای آشکارساز
جویندگی ورهگیری
در ارتبا ط ماهوارهای نوری اشعه ارسال بایدکاملا باریک باشد تا طیف توان به حداکثربرسد.اما باریکی فوق العاده دراشعه، مسایل نشانه گیری اشعه رابه وجود می اورد.مجاز است که اشعه در داخل یک خطای نشانه گیری که برحسب میکرو رادیان است نشانه گیری شود.برای اطلاعات صحیح با در نظر گرفتن موقعیت ماهواره دریافت،یک فانوس(اشعه)نوری(منبع نوری مدوله نشده)توسط ماهوارهء دریافت به ماهواره ارسال،فرستاده میشود. ماهواره ارسال ابتدافانوس رااز ماهواره دریافت،دریافت می کند وسپس اشعه لیزر مدوله شدهء(داده وغیره)خود را به ماهواره دریافت،ارسال می کند.بدین ترتیب موقعیت ماهواره دریافت میتواند دریافت شودوخطای نشانه گیری به حداقل برسد.اگر ماهواره ارسال فانوس رادریافت کندولی قبل از اینکه بتواند اشعه مدوله شده لیزررا ارسال کند،ماهواره دریافت به خارج از پهنای بانداشعه فرستنده جابجا شده باشد(پهنای اشعه ارسال تقریبا مساوی دوبرابر خطای نشانه گیری نگه داشته می شود) دانستن زاویه ای که ماهواره دریافت به پیش (یا پس)ماهواره ارسال جابجا شده لازم است. این زاویه لغزش ماهوارهء دریافت((زاویه پیش نقطه))نامیده می شود.

در حالتی که فانوس نوری استفاده می شود،هردو ماهواره ارسال ودریافت،فرستنده وگیرنده نوری خواهند داشت که نمودار جعبه ای ان درشکل نشان داده شده است.
سیستمهای نوری دریافت،جهت اشعه ورودی را رهگیری کرده وجهت اشعه ارسال راتنظیم می کنند.به طورمعمول،طول موج های جداگانه برای اشعه های نوری درهرجهت به کار گرفته می شود.

شکل۹
وقتی به زاویه پیش نقطه نیاز نیست،سیستم ارسال ودریافت می توانندبایکدیگر ادغام شوندوارسال لیزراز طریق سیستمهای نوری دریافت صورت گیرد.
در حالتی که زاویه پیش نقطه بیش از نصف پهنای باند اشعهء پرتو مدوله شدهء لیزر باشد زاویه پیش نقطه بکار گرفته میشود.در زمانی که پیش نقطه نیاز میشود، کنترل فرمان(به صورت ذخیره شده یا دریافت شده ازایستگاه زمینی)با یستی جهت ارسال را نسبت به جهت دریافت تنظیم کند که نیاز به کنترل ماهواره دارد.
از بحث های فوق مشخص است که قبل از ارسال داده های نوری ،آنتن ارسال بایستی فانوس را از گیرنده کسب کند.
خط ارتباط عمق فضا
در ارتباط مخابرات نوری عمق فضا وسیله اصلی ارتباط فضاپیما،سیستم گیرنده فرستنده نوری به نام اپترانسپک میباشد.اپترانسپک وظایف فرستنده وگیرنده نوری راهمان طور که در بخش های قبلی بحث شدانجام میدهد.در شکل ۵نمودار جعبه ای ان نشان داده شده است.اپترانسپک دارای یک تلسکوپ به قطر ۱۰تا۳۰سانتیمتر ،۵۰ کیلوگرم وزن و۵۷ وات توان مصرفی است.سیتم نوری تصویرشامل ایینه های هادی،قاچ کننده های اشعه،سیستم های نوری تنظیم واشکار ساز ها می باشد.

شکل ۱۰
تولید برق ازطریق ماهواره
پانل آفتابی در فضا
” انرژی” یکی از مسایل حساس و بحرانی دنیای امروزی است. کشورهایی که از منابع نفت و گاز برخوردار نیستند در پی یافتن راههایی برای تامین انرژی هستند. حساسیت این مسئله با یادآوری تجدید ناپذیری منابع سوخت فسیلی بیشتر ظاهر میشود. یکی از منابع آلترناتیو و جایگزین برای این سوختها استفاده از انرژی خورشیدی است.
“پانل آفتابی در فضا” یا “سیستم انرژی خورشیدی فضایی” نام پروژه ای است که آژانس تحقیقات فضایی ژاپن ” JAXA” همراه با شرکتها و موسسات بزرگ تحقیقاتی از سال ۱۹۹۸ در حال برنامه ریزی برای اجرای آن است. ژاپنی ها با قرار دادن ماهواره ای در مدار زمین انرژی خورشیدی را از فضا جمع آوری کرده و به صورت ” میکرو ویو” و ” اشعه های لیزری” به زمین ارسال خواهند نمود. امواج ارسالی این ماهواره که متشکل از پلاکهای فوتو ولتائیک که در معرض نور خورشید برق تولید میکنند است،در زمین توسط آنتنهای ویژه ای جمع آوری میشود. کارکرد پانلهای خورشیدی فضایی حداقل ۵ برابر انواع زمینی آنها بوده و مقدار انرژی حاصل از آن برابر با انرِژی تولیدی یک سانترال هسته ای متوسط میباشد. در عین حال هزینه تامین این انرژی که پیش بینی میشود در سال ۲۰۳۰ به بهره برداری برسد ۶ برابر کمتر از هزینه کنونی ژاپن برای تامین انرژی در حال حاضر خواهد بود. در این پروژه که بعنوان راه حلی برای معضل ” گرمایش جهانی” نیز مطرح شده است غولهای تکنولوژی ژاپن چون ” میتسوبیشی الکتریک”، “NEC “، ” فوجیتسو” و ” شارپ” نیز شرکت دارند. این پروژه ابتدا با ارسال ماهواره های آزمایشی مورد آزمایش قرار خواهد گرفت. مسئولین ” ژاکسا” اذعان میدارند با آنکه انتقال اشعه های انرژی از فضا به زمین خطری در بر نداشته و امن خواهد بود ولی ابتدا باید افکار عمومی را در مورد اینکه این انرژی در حین انتقال از فضا، پرندگان و هواپیماهای سوخته ! به جا نخواهد گذاشت، قانع کرد.

مراجع
۱-کتاب مخابرات ماهواره از دی.سی.اگاروال
۲-خبرگذاری مهر
۳-مجله جوانانTRT

دسته: آموزش

یک پاسخ به مخابرات ماهواره ای لیزری

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.