XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение. В настоящее время доминирующим способом передачи цифровой информации является оптическая связь, где в качестве среды передачи может применяться как оптическое волокно, так и непосредственно атмосфера планеты Земля. Если в первом случае распространение инфракрасного луча происходит в почти однородной среде, то судить об однородности атмосферы довольно проблематично по ряду причин: неравномерное распределение температуры слоёв атмосферного воздуха и содержание водяных паров в них, наличие осадков, солнечная интерференция, влияющая на чувствительность приёмо-передающей аппаратуры.

Целью работы является определение зависимости коэффициента пропускания инфракрасного оптического сигнала длиной волны = 1,4 мкм атмосферой от температуры воздуха агрегатным методом при длине трассы = 2 км.

Актуальность. Как известно, на сегодняшний день наибольшее распространение среди беспроводных способов передачи данных получили способы передачи, основанные на распространении радиоволн (Wi-Fi, WiMAX), дальность распространения в открытом пространстве которых, в связи со своими физическими особенностями, сильно зависит от погодных условий: наличия осадков и электромагнитных возмущений. Кроме того, каждое такое радиоустройство требует присвоения частоты, измерений и регистрации в Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) и Роскомнадзоре, что сулит немалые затраты будущим владельцам радиоканала. Поэтому разумной альтернативной может послужить применение приёмо-передающей аппаратуры, способной передавать оптические сигналы на большие расстояния с большей пропускной способностью с временем простоя менее 1% в течение всего календарного года [1].

Агрегатный метод расчёта коэффициента пропускания атмосферы основан на относительно сложном математическом аппарате, отличающимся в зависимости от длины волны оптического излучения.

Для мкм и расчёта коэффициента пропускания оптического сигнала водяными парами атмосферы применимо приближение сильных линий для модели Гуди (диапазон изменения : 1,0 2,0 мкм и 4,3 15,0 мкм), откуда коэффициент пропускания рассчитывается по формуле:

где – эквивалентное количество поглощающего вещества (количество осажденной воды), которое определяется выражением:

откуда – спектральный коэффициент, зависящий от длины волны (для мкм 1,12); – плотность воздуха при нормальных температуре и давлении кг/см³; – отношение концентраций в смеси на высоте , г H₂O/кг воздуха; – давление на высоте , мм рт. ст.; – нормальное давление на уровне моря (760 мм рт. ст.); – температура на высоте , К; – нормальная температура (273,15 К) [2].

Интеграл (2) на практике заменяется данными, приведёнными в таблице 1, в которой указана зависимость плотности водяных паров от температуры окружающего воздуха [3].

Таблица 1 – Плотность водяных паров в насыщенном воздухе, приходящаяся на 1 км трассы, г/м³

Для мкм и расчёта коэффициента пропускания оптического сигнала углекислым газом, содержащимся в атмосфере, применима эмпирическая модель (диапазон изменения : 1,37 2,64 мкм; 4,65 5,355 мкм и 9,13 11,67 мкм), откуда коэффициент пропускания рассчитывается по формуле:

где – эквивалентное количество поглощающего вещества (углекислого газа), которое определяется выражением:

откуда – спектральный коэффициент, зависящий от длины волны (для мкм 2,21 10^-6); – отношение парциального давления поглощающего газа к полному давлению.

Интеграл (4) на практике заменяется эквивалентным расчётом по формуле (5), в которой указана зависимость плотности углекислого газа от температуры окружающего воздуха:

где – содержание углекислого газа, атмсм; – парциальное давление углекислого газа см рт. ст. – температура газа, ; – длина трассы с учётом поправок Пассмана-Лэрмора (эквивалентная длина трассы), см, рассчитываемая по формуле:

где – длина трассы, см; – отношение давления на высоте к давлению на уровне моря; – показатель степени ( для паров воды и для углекислого газа).

Коэффициент пропускания атмосферы на некоторой длине волны представляет собой произведение коэффициентов пропускания для паров воды и углекислого газа : [2]

Поскольку с увеличением температуры содержание водяных паров в атмосфере воздуха увеличивается, коэффициент пропускания инфракрасного оптического излучения падает, что подробно описано в результатах расчёта, указанных в таблице 2.

Таблица 2 – Зависимость коэффициента пропускания оптического излучения атмосферой от температуры воздуха

Выводы. Результаты расчётов демонстрируют, что основные потери инфракрасного оптического излучения обусловлены содержанием в атмосфере воздуха водяных паров, содержание которых с повышением температуры только растёт. В то же время высотные поправки и температура воздуха практически никак не влияют на коэффициент пропускания инфракрасного оптического излучения углекислым газом, ровно как и на общий коэффициент пропускания. Полученные результаты позволяют сделать заключение о целесообразности применения систем атмосферной оптической связи на сравнительно больших расстояниях в погодных условиях, не связанных с чрезмерно высокой влажностью и температурой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хадсон Р. Инфракрасные системы: Пер. с англ. Я.Б. Герчикова, Ю.Е., С.Г. Кина. – М.: Мир, 1972. – 535 с.

2. Волф У., Цисис Г. Справочник по инфракрасной технике. В 4-х тт. Т. 1. Физика ИК-излучения: Пер. с англ. – М.: Мир, 1995. – 606 с., ил.

3. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: Сов. радио, 1978. – 400 с., ил.