الاتصالات الليزرية بعيدة المدى

اتصالات ليزريه بعيده مدي

Long-range laser communications - Communications à longue distance à laser

 الاتصالات الليزرية البعيدة المدى

الاتصالات الليزرية البعيدة المدى  Long Range Laser Communications نوع من الاتصالات يَستخدم ضوء الليزر المنتشر في الفضاء الحر حاملاً للإشارة المراد نقلها من نقطة إلى أخرى.

الشكل (1) المخطط الصندوقي لمنظومة اتصال في الفضاء الحر

وعلى الرغم من استعمال الضوء لغايات الاتصال ونقل المعلومات منذ آلاف السنين؛ فإن الضوء لم يُستعمل وسيلةً فعالةً ومجديةً للاتصال على نطاق تطبيقي واسع إلا بعد اختراع الليزر، وكان ذلك في بداية الستينيات من القرن العشرين. ونظراً لقصر طول الموجة الضوئية؛ فإن الضوء يسمح بنقل المعطيات بمعدل كبير يفوق 1 Gbps. وتسمح خواص الضوء الليزري- وعلى الأخص ضيق العرض الطيفي (دقة كبيرة في طول الموجة)، والانتشار ضمن حزمة ضيقة- له بنقل المعطيات إلى مسافات بعيدة. وقد تطور نمطان من وسائل الاتصال باستعمال ضوء الليزر: يعتمد الأول على انتشار الضوء في الفضاء الحر أو ما يسمى بـ بصريات الفضاء الحر free space optics (FSO)، ويعتمد الثاني على انتشار الضوء في وسط مادي؛ هو الألياف البصرية ة fiber optics  .  وقد تطورت اتصالات الألياف البصرية لتصبح أكثر الوسائل استخداماً في الاتصالات البعيدة المدى وبمعدل نقل كبير جداً،

ولكنها تعتمد على تمديد بنية تحتية ثابتة. في حين يمكن استعمال بصريات الفضاء الحر بين نقاط اتصال متحركة؛ إضافة إلى أنها تتمتع بديناميكية أكبر.

تكوين منظومة الاتصال الليزري

تتكون هذه المنظومة من مرسِل ليزري ومستقبِل ضوئي مجموعين في جهاز ضوئي واحد. وتعدَّل الحزمة الضوئية الصادرة عن المرسِل الليزري وفق إشارات المعطيات المنقولة، وتنقل الحزمة الضوئية هذه الإشارات عبر الفضاء الحر إلى منظار مستقبِل، ويسقطها على محسٍّ ضوئي يكشف الإشارة، ويفك تعديلها.

يبيّن الشكل (1) المخطط الصندوقي المبسط لمنظومة اتصال ليزري في الفضاء الحر، في حين يبيّن الشكل (2) بنية مرسِل ومستقبِل في منظومة اتصال ليزري في الفضاء الحر.

الشكل (2) مرسل مستقبل لمنظومة اتصال في الفضاء الحر

أ- المرسِل

يتكون المرسِل من منبع ليزري وحيد أو متعدد الأنماط الطولانية    longitudinal modes  ء(عدد أطوال الموجات المكونة لطيف الإشعاع الليزري)، باستطاعة تقع بين 10 و20 ميلي واط، وقد تصل في بعض الأحيان إلى 100 ميلي واط. ويراعى في اختيار ليزرات منظومات الاتصالات الأرضية أن تقع أطوال موجاتها ضمن نوافذ الإنفاذية الطيفية الجوية (الشكل 3). وغالباً ما تُستعمل الليزرات الصلبة مثل ليزرات  Nd-YAG   بطول موجة 1064 أو 1319 نانو متر، أو  الثنائيات الليزرية  laser 

diodes(  LED ) من نوع  GaAs   أو GaAlAs   بأطوال موجات 785 أو 850 أو 1550 نانو متر التي كَثُر استعمالها في الأجهزة الحديثة لصغر حجمها وسهولة تعديلها. كما تُستعمل في بعض الأحيان الثنائيات المرسلة للضوء (الديودات)   light emitting diodes (LED)، بيد أن مواصفات حزمها الضوئية أقل بكثير من الحزم الليزرية.

الإنفاذية الجوية بالاعتماد على تحليل µmالشكل (3) : طول الموجة   امتصاص الغازات في الجو

ونظراً لانتشار الحزمة الليزرية في الفضاء الحر تراعى سلامة العين البشرية بحيث لا يَتجاوز سطوع الضوء قيمة محددة مثل 1.5 ميلي واط على السنتيمتر المربع عند طول الموجة 785 نانو متر.

وتُستعمل في بعض الأحيان عدة منابع ليزرية لزيادة الاستطاعة البصرية التي يمكن أن تخفف من آثار التخامد والاضطرابات الجوية.

 ب- المستقبِل

يتكون المستقبِل من مقراب (تلسكوب)  telescope لتجميع أكبر قدر ممكن من طاقة الحزمة الليزرية الواردة على محس ضوئي. وتقع مساحة فتحة الدخل للمقراب بين 50 و250 سم2، وغالباً ما يتكون من عدسة أو مجموعة عدسات. وتُستعمل محسات نصف ناقلة من ديودات ضوئية نصف ناقلة  photodiode  من نوع  PIN التي يمكن أن تكشف إشارات ضوئية باستطاعة من رتبة 50 نانو واط، أو من نوع ديودات ضوئية انهيارية

( avalanche photodiodes (APDء) )التي يمكن أن تكشف إشارات ضوئية باستطاعة من رتبة 5 نانو واط. ويتحدد مستوى استطاعة الإشارة الضوئية الممكن كشفها بمستوى الضجيج المرافق، وبمعدل خطأ البت

ق(BER) ء bit error rate المسموح في منظومة الاتصال الذي غالباً ما يطلب أن يكون أقل من . تُستعمل في بعض الأحيان صفيفة من الديودات الضوئية ة       photodiode array للتقليل من تأثير الضجيج الناتج من انتشار الحزمة الضوئية في الجو المضطرب.

جـ- تعديل الإشارة

نظراً للاضطرابات المرافقة لانتشار الحزمة الليزرية في الجو؛ يصعب تعديل الإشارة تماثلياً. ويُستعمل التعديل الرقمي للإشارة بطرائق مختلفة، ويُعدّ تعديل المطال أكثرها شيوعاً، وفيه ترسَل الاستطاعة الضوئية العظمى للتعبير عن المستوى الرقمي (1)، في حين يُعبر عن المستوى الرقمي (0) بغياب الاستطاعة الضوئية. ويعرف هذا النوع من التعديل بعدم العودة إلى الصفر ((NRZ) ءnon-return to zer ومن محاذير استعمال هذا النوع من التعديل فقدان نبضات الساعة، ويُستعاض عنه في بعض الأحيان بتعديل العودة إلى الصفرء(RZ)ءreturn to zero الذي يتطلب  ضعف عرض مجال الإرسال لتحقيق معدل نقل المعطيات نفسه.

الميزان الطاقي

تعطى المعادلة العامة للطاقة لمنظومة اتصال ليزرية في الفضاء الحر بالعلاقة:

(1)

وفيها تمثل:

P_R  : استطاعة الإشارة الضوئية المستقبلة المطلوبة لتحقيق نوعية اتصال مقبولة. وهي تتعلق بنوع المحس المستخدم، ومستوى الضجيج المرافق لكشف الإشارة، ومعدل خطأ البت المسموح. وتكون قيمتها بحدود عدة عشرات من النانو واط في محسات  PIN وبحدود عدة نانو واط في محسات من نوع  APD.

 P_T: الاستطاعة الضوئية المرسلة من الليزر، وتقع بين 10 و100 نانو واط.

A_r : مساحة عدسة الدخل لمنظار المستقبل، وتقع بين 50 و250 سم2.

AT : مساحة مقطع الحزمة الضوئية المنتشرة في مستوى المستقبل.

  Kم: مجمل فقد الاستطاعة البصرية في أجهزة الإرسال والاستقبال.

L : المسافة الوصلة بين المرسِل والمستقبِل.

α :  معامل تخامد  attenuation coefficient الاستطاعة البصرية الناجم عن انتشار الحزمة الليزرية في الغلاف الجوي أو الفضاء.

ومن أهم العوامل التي تحدد مسافة الاتصال العظمى في منظومة اتصال ليزرية:

أ - انفراج الحزمة الليزرية

تتعلق مساحة مقطع الحزمة الضوئية المنتشرة A_T بانفراج الحزمة الضوئية المنبعثة من المرسِل. ومن المعروف أن الحزمة الليزرية هي أقل الحزم الضوئية انفراجاً؛ وذلك بسبب المواصفات العالية للضوء المترابط  coherent light الصادر عن الليزر. وتحدد نصف الزاوية الرأسية لمخروط انتشار الحزمة الليزرية β بقوانين انعراج الضوء، وتعطى بالعلاقة:

(2)

وتمثل فيها:

λ :  طول موجة الإشعاع الليزري.

D  : قطر فتحة الخرج للحزمة الضوئية.

 M  : رقم يتعلق بعدد الأنماط الطولانية للإشعاع الليزري، وهو يساوي الواحد في ليزرات وحيدة النمط الطولاني (وحيدة طول الموجة).

وتتركز المساعي غالباً على تحقيق انفراج للحزمة الضوئية أصغر ما يمكن لاستقبال أكبر مقدار ممكن من الطاقة الضوئية الحاملة للإشارة، ولتجنب إمكانية التنصت على الإشارة. ولكن ذلك يؤدي إلى صعوبة وضع المستقبل في مواجهة المرسل، كما تكون المنظومة أكثر حساسية لأخطاء التوضع وللاهتزازات التي يمكن أن تطرأ على المرسل أو المستقبل. وتقع القيم النموذجية لانفراج الأشعة الليزرية بين 2 و10 ميلي راديان. فعلى سبيل المثال، يؤدي انفراج بنصف زاوية رأسية 1.5 ميلي راديان إلى تشكيل بقعة للحزمة الضوئية قطرها 3 أمتار ( والموافقة لمساحة  (AT = 70686 cm2   على مسافة 1 كيلومتر. وباستعمال عدسة دخل للمستقبل بمساحة

الشكل (4) : تأثير انفراج الأشعة الليزرية على موضع المستقبل

 A_r = 200 cm2 تكوِّن الاستطاعة المحصلة 2.8 % من كامل الاستطاعة الضوئية الواردة على مستوى المستقبل. أما في حالة مسافات اتصال كبيرة - كما هي الحال في الاتصالات الفضائية بين السواتل أو بين المركبات الفضائية والتي تقدر بآلاف الكيلومترات - فتظهر الحاجة إلى زيادة عرض الحزمة الليزرية الصادرة (تكبير D في المعادلة 2) باستعمال مقراب telescope للحصول على أصغر انفراج ممكن. يبيّن الشكل (4) تأثير انفراج الأشعة الليزرية على موضع المستقبِل.

ب- معامل التخامد

يُعدّ معامل تخامد الاستطاعة الضوئية α العامل الأكبر الذي يحدّ من مسافة الاتصال الفعلية. ويتعلق معامل التخامد بامتصاص الغازات الموجودة في الجو المحيط بالأرض أصلاً، كما يتعلق بالأحوال الجوية السائدة من وجود غبار أو ضباب أو سحاب أو أمطار أو ثلوج. يبيّن الشكل (5) مدى تأثر التخامد بالظروف الجوية المحيطة بمنظومة الاتصال وتحديد مدى الاتصال.

ويتعلق معامل التخامد كذلك بالاضطرابات الجوية من رياح وعواصف تؤثر مباشرةً في قرينة انكسار الهواء وتؤدي إلى تشويه الحزمة الليزرية، وهذا يؤثر بدوره في فعالية محرقتها وتركيزها على سطح المحس

الضوئي (الشكل 6).

الشكل (6) : تأثير الاضطربات المناخية في الحزمة الليزرية :( اليسار ) توزع الشدة الضوئية على مقطع عرضي للحزمة عند مخرج الليزر ( اليمين ) توزع الشدة على مقطع عرضي للحزمة عند مسنوى المحس	الشكل (5) أثر الأحوال المناخية في معامل التخامد و في مسافة الرؤية

ونتيجةً للظروف الجوية؛ تُحدُّ مسافة الاتصال للاتصالات الأرضية باستعمال الليزر بمسافات تقدر بـكيلومتر واحدٍ أو اثنين، ويمكن أن تنخفض إلى 500 متر في الظروف الجوية غير المناسبة. أما في حالة الاتصالات الفضائية بين السواتل أو بين المركبات الفضائية؛ فيكون معامل التخامد شبه معدوم؛ ومن ثمَّ يمكن أن تصل مسافات الاتصالات إلى مئات الآلاف - وربما الملايين - من الكيلومترات. والعامل الأهم في تحديد مسافة الاتصال هو انفراج الحزمة الليزرية وكاشفية المحس الضوئي (أو الاستطاعة الضوئية الدنيا التي يستطيع المحس كشفها بمعدل مقبول من الأخطاء)

المزايا والصعوبات

تتمتع الاتصالات الليزرية في الفضاء الحر بالعديد من المزايا التي تجعل منها حلاًّ لحاجة متزايدة إلى منظومات اتصال سريعة وآمنة. وهي منظومات سهلة وسريعة التركيب والتشغيل؛ إذ لا تحتاج إلى تمديد خطوط وكِبَال، ومن ثم تناسب الوحدات المتحركة والمعسكرات. وهذا يُعزز استعمالها في المجالات العسكرية، إلى جانب أنها كثيرة الاستعمال بين المحطات المتحركة التي لا يمكنها الاعتماد على بنية ثابتة؛ مثل الاتصال بين الطائرات والمركبات الهوائية من دون طيار unmanned

aerial vehicles (UAV)، ومنصات الارتفاعات العالية  high - altitude platforms (HAP)، إضافةً إلى استعمالها بين المركبات والمحطات الفضائية؛ مثل السواتل ومسابر الفضاء العميق. وكذلك يوفر ضيق الحزمة الليزرية المنتشرة ميزتين: الأولى صعوبة التنصت على خط الاتصال، وهذا يضمن سرية الاتصالات ولا سيّما العسكرية منها، والثانية الحد من إمكان تداخل قناة الاتصال مع قنوات الاتصال الأخرى سواء أكانت من النوع نفسه أم من نوع مختلف، ومن ثمَّ يغني عن الحصول على إذن أو تصريح من الجهات المسؤولة عن توزيع الطيف الترددي.

يتطلب استعمال مثل هذه المنظومات إمكان الرؤية المتبادلة بين المرسِل والمستقبِل، وعدم وجود عائق لانتشار الضوء بينهما. ونظراً لضيق الحزمة الليزرية المنتشرة؛ يترافق استعمال هذه المنظومات وبعض الصعوبات؛ مثل: دقة التصويب، وإمكان الملاحقة في المنصات المتحركة. وكذلك تتأثر دقة التصويب باهتزاز المنصات الحاملة للمرسل والمستقبل الضوئيين وانزياحها، ولو كانت هذه المنصات ثابتة على أسطح الأبنية مثلاً. من ناحية ثانية تتعلق جودة الاتصال بالظروف المناخية؛ إذ تؤدي الرياح إلى التخامد الناجم عن اضطرابات قرينة الانكسار ( index of refraction turbulence (IRT)كما تؤدي إلى تشويه في شكل البقعة الضوئية المركزة على المحس، وقد تؤدي الغيوم أو الأمطار أو الثلوج إلى قطع الاتصال.

التطورات المستقبلية

الشكل (7) : مجالات استعمال الااتصالات الليزرية بعيدة المدى في الاتصالات الأرضية

تتركز التطورات المستقبلية في زيادة مدى استعمال منظومات الاتصالات الليزرية في الفضاء الحر، والحد من تأثرها بالعوامل المناخية. وتتضمن الأبحاث زيادة حساسية المحس الضوئي المستخدم بوساطة استعمال الكشف بالمزج الترددي (الهيتروديني) heterodyne الذي يعتمد على تداخل الحزمة الليزرية الواردة مع حزمة ليزرية مرجعية، وذلك بالاستفادة من الخواص الترابطية للحزمة الليزرية، وهذا يضمن خفض الاستطاعة الضوئية الدنيا التي يمكن كشفها، ويقلل من أخطاء الكشف. وتتوجه الأبحاث أيضاً إلى معالجة البقعة الضوئية المستقبلة عن طريق استعمال صفيفة من المحسات (الديودات) photodiode array  تسمح بمعالجة الضجيج والتخفيف من تأثيره في كشف الإشارة الواردة، أو بتحسين شكل البقعة الضوئية المتمركزة على سطح المحس الضوئي باستعمال تقانة البصريات المتكيّفة  adaptive optics    التي تعتمد على تعديل شكل سطوح العناصر الضوئية المستخدمة في استقبال الحزمة الضوئية الواردة بحيث تعوض عن التشويهات التي تسببها الاضطرابات المناخية.

إياد سيد درويش

التصنيف :

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 137

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية