Stale rosnące zapotrzebowanie na aplikacje i usługi bezprzewodowe wymagające wymiany dużej ilości danych to jedna z głównych przyczyn poszukiwania nowych technologii przesyłania danych. Zdaniem naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej odpowiedzią mogą być technologie optyczne wykorzystujące zakresy promieniowania podczerwonego, światła widzialnego lub ultrafioletu. Praca w tych pasmach daje wyjątkowe możliwości, które dotychczas nie zostały całkowicie zbadane, a tym bardziej – wykorzystane.

W porównaniu z urządzeniami radiowymi optyczne układy nadawczo-odbiorcze charakteryzują się większą przepustowością, lepszą odpornością na zakłócenia i wyższym stopniem przestrzennego ograniczenia emitowanego promieniowania.

Systemy wykorzystujące technologie optyczne (ang. optical wireless communications – OWC) działają w „nieuregulowanym formalnie” zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego, zatem nie wymagają ponoszenia żadnych opłat licencyjnych. Znajdą zastosowanie m.in. w kosmosie, w obiektach pracujących pod wodą oraz na lądzie, np. w transporcie, służbie zdrowia i przemyśle.

Niewykrywalna komunikacja
Technologie optyczne mają ogromny potencjał wojskowy. Oferują niezwykłą formę „niewykrywalnej” komunikacji, która może działać nawet w bezpośrednim kontakcie z przeciwnikiem. Gdy wojsko wkracza na obce i nieznane obszary, konieczne są alternatywne i uzupełniające kanały transmisji informacji, które podtrzymają funkcjonalność zasadniczych systemów łączności. Urządzenia OWC pracują poza pasmem zarządzanym, dlatego nie jest wymagana autoryzacja ze strony innych państw. Kanały te nie są również „przeciążone” i można je ponownie wykorzystać, ponieważ promieniowanie optyczne jest bardzo dobrze ukierunkowane i nie „przenika” przez przeszkody, np. ściany budynków. W rezultacie jednostki mogą korzystać z tej samej części widma optycznego w jednym pomieszczeniu, w całym budynku lub nawet na większym obszarze bez zakłóceń i przerw.

Układy OWC umożliwiają efektywną wymianę informacji między różnymi obiektami, np. samolotami, dronami, bezzałogowymi statkami powietrznymi, statkami powietrznymi czy łodziami podwodnymi.

„Nadajnik, kanał, w którym propaguje się sygnał optyczny i odbiornik to podstawowe elementy niezbędne do działania systemu OWC. Źródło znajdujące się w nadajniku generuje przebiegi informacyjne w postaci zmodulowanego sygnału optycznego. Sygnał ten propaguje się kanałem transmisyjnym do odbiornika. W odbiorniku rejestrowane promieniowanie jest przekształcane na sygnał elektryczny, który jest następnie przetwarzany w celu odzyskania nadanej informacji”– wyjaśnia ppłk dr inż. Janusz Mikołajczyk z Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej, kierownik zespołu pracującego nad nowoczesną bezprzewodową łącznością optyczną.

Opracowane w Instytucie Optoelektroniki łącze OWC działające w zakresie promieniowania dalszej podczerwieni (LWIR 8-12 µm) stanowi unikalne rozwiązanie w porównaniu z obecnie dostępnymi systemami OWC. Dzięki zastosowaniu promieniowania o większej długości fali zmniejszono m.in. wpływ oddziaływania zjawisk rozpraszania i turbulencji.

„Źródło promieniowania w nadajniku stanowi impulsowy kwantowy laser kaskadowy emitujący wiązkę promieniowania z zakresu LWIR, o długości fali 9,3 µm. Do rejestracji impulsów laserowych użyto modułu detekcyjnego wyposażonego w detektor HgCdTe. Układy optyczne nadawcze i odbiorcze wykonane zostały w postaci zwierciadeł parabolicznych” – mówi ppłk dr inż. Janusz Mikołajczyk.

„Testy pracy tego łącza pokazały, że w warunkach dobrej widzialności i znikomo małych scyntylacji może ono zapewnić prędkość transmisji danych 10 Mb/s dla BER=10-7 na odległości 2 km. Wykonano również badania w warunkach zbliżonych do operacyjnych, które jednoznacznie wskazały wpływ warunków pracy na działanie łącza. Przeprowadzono próbę przesyłania danych wzdłuż drogi asfaltowej oraz nad lustrem wody na wysokości 2 m od ich powierzchni” – dodaje naukowiec.

W stabilnych warunkach atmosferycznych uzyskano parametry transmisji sygnałów zbliżone do laboratoryjnych. Na transmisję danych wpływały jednak duża temperatura czy pojawienie się silnego wiatru. Zespół z Instytutu Optoelektroniki odpowiedział jednak i na to wyzwanie.

Zaprojektowany zestaw głowic OWC został zastosowany w konfiguracji tzw. hybrydowego łącza optyczno-radiowego. W praktyce łącza radiowe charakteryzują się małym tłumieniem sygnału w złych warunkach pogodowych, zatem integracja obu technologii w jeden system OWC/RF umożliwia znaczne zwiększenie dostępności łącza. Ma to ogromne znaczenie podczas operacji wojskowych, gdyż wpływa na zmniejszenie prawdopodobieństwa wykrycia i zwiększenia odporności na ingerencję.

Technologia laserowej łączności bezprzewodowej stanowi perspektywiczny kierunek rozwoju systemów łączności. Szybkość transmisji, zwiększony poziom bezpieczeństwa danych oraz brak ograniczeń pasma sygnałowego to niezaprzeczalne atuty OWC. Aby jeszcze bardziej zwiększyć niezawodność tej technologii i zapewnić wysoki poziom dostępności łącza danych w sytuacjach ograniczenia swobodnej linii widzenia między nadajnikiem a odbiornikiem czy w przypadku wpływu warunków propagacji wiązki, która może podlegać zjawiskom absorpcji, rozpraszania czy też turbulencji, należy opracowywać hybrydowe konfiguracje układów nadawczo-odbiorczych, w których umieszcza się tor optyczny z torem radiowym. W działaniach wojskowych łączność optyczna może zapewnić niezależne, bezpieczne i odporne na zakłócenia tory transmisji sygnałów, które mogą pracować nawet w bliskiej odległości od przeciwnika. Rozwiązanie naukowców z Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej stanowi ważny krok w tym kierunku.

Projekt powstał we współpracy z Siecią Badawczą Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki oraz firmą KenBIT.

Dominika Naruszko
fot. Instytut Optoelektroniki WAT