Тропосферне розсіювання та відображення променя лазера у хмарному шарі
Тропосферне розсіювання та відображення лазерного випромінювання у хмарному шарі
By John, K3PGP 06/12/97 - Rev 1.03
Деякі з вас знають, що я проводив експерименти з відображення лазерного променя в низько розташованих хмарних шарів і що ми проводили ці експерименти протягом декількох тижнів. Використовуючи ці сигнали, я мав можливість покращити мою приймально-передавальну систему.
У наступних експериментах я використав новий приймач, так само була покращена передавальна лазерна система, завдяки чому мені вдалося прийняти слабкі розсіяні сигнали, відбиті від "чистого неба". Все вірно, в експериментах не було на небі хмар. Відмінними властивостями цих відбитих сигналів була їхня несхожість на сигнали, відображені в хмарному шарі.
Відображення та розсіювання в хмарному шарі
При використанні розсіювання та відображення променя лазера у хмарному шарі відбиті сигнали завжди сильніші і мають певну спрямованість. Рівень приймального сигналу змінюється від +4 дБ щодо рівня шуму, коли джерело відбиття знаходиться трохи вище за рівень горизонту землі до значення більше +27 дБ при знаходженні джерела відображення в зеніті.
Я впевнений, що великі відмінності в рівні відбитих сигналів, що приймаються, фактично залежать якості хмарного шару і напрямку випромінювання направленого в ту чи іншу його частину. Кут входження лазерного променя у хмарний шар може бути різним. При націлюванні лазерного променя на хмарний шар під низьким кутом до горизонту, велика частина енергії променя буде розсіюватися в прямому напрямку і дуже мала частина відображатиметься у зворотному напрямку до станції, що передає. Це було підтверджено, коли був прийнятий сигнал другої станції (маяку) випромінюючої з-за лініїгоризонту. При напрямку променя лазера в зеніт, навпаки більша частина енергії розсіяного і відбитого сигналу повертатиметься назад до станції, що передає.
Другий вид поширення був виявлений у безхмарну ніч. Небо було кришталево чисте під час проведення експериментів
В експерименті були прийняті сигнали несхожі на відбиті у хмарах, ці відбиті сигнали були дуже слабкі при напрямку випромінювання в зеніт і досягали максимального значення при напрямку випромінювання на горизонт. Крім того, рівень відбитих сигналів був досить стабільний по амплітуді на відміну від рівня сигналів відбитих у хмарах.
Типовий рівень відбитих сигналів становив -25 дБ від рівня шуму і нижче прийому відбитих сигналів з точки зеніту. Для реєстрації сигналів використовувалися DSP, FET технології разом із тимчасовим усередненням сигналів. Однак, коли я поступово знижував кут випромінювання до горизонту, я отримав силу відбитих сигналів до +4 дБ щодо рівня шуму. Це абсолютно протилежні результати порівняно з експериментом щодо відображення променя лазера в хмарах. Коли обговорювався цей факт, то був зроблений висновок, що чим тонший шар атмосфери (в зеніті) - тим менше об'єм шару, що відбиває - і нижче рівень відбитого сигналу.
Причина зворотного розсіювання від чистого неба точно не відома, але я впевнений, що це явище дуже схоже на явища, що відбуваються при мікрохвильовому тропосферному поширенні радіохвиль аж до довжини хвилі 780 нм, які теж можуть відбиватися і розсіюватися від водяної пари, кристаликів льоду і кристалів льоду. Коли небо абсолютно чисте, зворотне розсіювання сигналів можна визначати з відривом 40 - 50 км від джерела лазерного випромінювання у напрямі у темний час доби.
Викликає інтерес отриманий рівень відбитих сигналів прийнятих через обрій (+4 дБ) протягом обох експериментів (тропосферне розсіювання та відображення у хмарному шарі). Можливо те, що здавалося хмарами на рівні горизонту такими не було. Тому що вночі важко визначити наявність або відсутність хмар на небі під низькими кутами горизонту. Або у разі наявності хмар на рівні горизонту відбувалося зворотне тропосферне розсіювання саме від хмарного шару і тому виходив відносно низький рівень сигналу.
Приклад із джерела "LASERS, Tools of Modern Technology, 1968 стор. 82:
"Інженери з Міжнародної Телефонної та Телеграфної Федеральної лабораторії з Нью Джерсі також випробовували спосіб комунікації за допомогою розсіювання та відображення лазерного випромінювання в хмарному шарі. І дійшли висновку, що звичайні купові хмари дають розсіювання променя лазера у бік приймача на відстань більше ".
Приклад із джерела "Revolution in Light" by Irwin Stamber, 1972 сторінка 96:
"В одну з перших ночей, коли проводилися дослідження з лазерним випромінюванням експериментатори отримали нові і несподівані відомості про атмосферу. Myron Ligda, який очолює Аерофізичну Лабораторію Дослідницького Інституту в Стенфорді, виявляв ряд явищ в атмосфері, які важко було легко. Були отримані нові дані про відображення лазерного випромінювання у верхніх шарах атмосфери на висоті понад 50 км. Це вказувало на присутність у верхніх шарах атмосфери шарів і неоднорідностей світлових хвиль, що викликають відображення, від лазера до цього не відомих метеорологам».
Коли я закривав об'єктив мого фотоприймача кришкою або вимикав лазер, то неотримував на виході сигнал. А також той факт, що рівень відбитого сигналу змінювався від -25 дб до +27 дб залежно від умов проходження при зміні кута напрямку фотоприймача, показує, що сигнали дійсно приходять з певної відстані на прямій лінії передавач - приймач.
Дві станції, що брали участь в експерименті, знаходилися на відстані 8 км один від одного, між ними була відсутня пряма видимість і крім того станції були закриті кількома високими пагорбами з висотою від 500-600 до 2700 футів. Але фактично між двома станціями все одно був зв'язок при напрямі лазерних променів у ту чи іншу точку зеніту. Однак зробити висновок про наявність зв'язку з відображенням лазерного променя у хмарному шарі або за рахунок тропосферного розсіювання можна було лише на значно більших відстанях між станціями.
Я провів тести на лінії зв'язку довжиною близько 40 км і отримав 100% підтвердження прийому сигналу з модуляцієюBPSKпри тропосферному розсіюванні. Цифровий запис цих сигналів можна прослухати за посиланням – Laser, Audio, Video, and Charts. Оскільки сигнал дуже слабкий, то на 100% прийом можливий лише з використанням програмного забезпеченняVE2IQ'sCOHERENT! (або аналогічного описаному)
Як проводити експерименти
Повинен додати, що в експериментах з тропосферного зв'язку використовувався типовий лазер з потужністю менше 5 мВт, крім того, використовувався комп'ютер з відповідним програмним забезпеченням для пошуку та аналізу дуже слабких сигналів.
Програмне забезпечення для прийому слабких сигналів
Я знайшов дві програми, які можуть працювати з вкрай слабкими відбитими сигналами лазерного випромінювання. Тримайте їх у пам'яті на той випадок, коли вамдоведеться працювати з справді слабкими сигналами. Якщо ви спочатку прагнете візуального виявлення лазерного випромінювання за допомогою оптичних приладів, тоді природно вам не потрібен комп'ютер.
Якщо ви маєте намір в автоматичному режимі проводити моніторинг сигналів від маяка, то програмаAF9Yбуде хорошим вибором. Експеримент можна розпочати вночі, а вранці проаналізувати результати. Але тут ви не отримаєте можливість проводити радіообмін повідомленнями, подібно до програмиVE2IQ. Остання програма працює з будь-якою звуковою платою на ПК під керуванням операційної системи DOS.