Optická pojítka (Free Space Optics) Autoři presentace: Ing. Jiří Burian, Ing. Jaroslav Hrb, Vladimír Myslík Podkladem pro presentaci byla i diplomová práce Václava Špičáka Obrázky pro presentaci byly čerpány z presentace firmy LightPointe jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Dotaz na úvod: Kdo z Vás se už setkal s optickými pojítky, případně kdo už víte k čemu optická pojítka slouží? jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Obsah dnešní přednášky Vlastnosti optických pojítek Použití optických pojítek Základní stavební komponenty optických pojítek Vnitřní konstrukce optického pojítka Důsledky působení povětrnostních vlivů na optická pojítka Odstranění působení povětrnostních vlivů Dosah optických pojítek Mechanické provedení optických pojítek Použitá optické prvky Nebezpečí poškození zraku vlivem záření optických pojítek Hygienické limity a hygienické normy pro optická pojítka Bezpečnost provozu Třídy laserů Výrobci jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Optická pojítka (Free Space Optics) Na úvod, jak takové optické pojítko vypadá. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Vlastnosti optických pojítek Výhody: Vysoká přenosová rychlost v obou směrech přenosu (Full Duplex), daná dvěma na sobě nezávislými přenosovými trasami (10MBit až 1GBit). Malý rozptyl vyzářeného paprsku, který umožňuje na malém prostoru použít značné množství optických pojítek, aniž by se navzájem rušila(3 až 4 RAD). Vysoká bezpečnost dat, která je daná malou možností zachycení vysílaného signálu. Malá latence optických spojů oproti radiovým spojům. Nevýhody: Značná citlivost na vlivy prostředí (mlha, sněžení, déšť, sluneční svit). Vysoká cena zařízení (60.000,- Kč až 850.000,- Kč). Malý pracovní dosah (1 km až 5 km). Nebezpečí poškození zraku při neodborném zacházení. (Zde bude pravděpodobně hlavni težiště vaších kontrol.) jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Ukázka instalace optických pojítek jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Použití optických pojítek Na krátké vzdálenosti v místech, kde není možné použít optická vlákna. Pokládka optických vláken je několikanásobně dražší a časově náročnější než použití optického pojítka. Spojení mezi sítěmi LAN. Vytvoření záložních spojů (pronajatých okruhů). Rozšíření sítí LAN, WAN. Přístup do sítí poskytovatelů pro koncové zákazníky (poslední míle). Distribuce signálů Telco operátorů na základové stanice. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Topologie optických sítí Bod - Bod Bod - Multibod Síť jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Základní konstrukce optického pojítka Optické pojítko při pohledu zvenčí z hlediska obsluhy: Přijímač. Vysílač. Datové rozhranní (Ethernet). Indikátor síly signálu. Dalekohled pro zaměření. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Vnější konstrukce optického pojítka Pohled zepředu Pohled zezadu jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Detailní pohled na optickou část Čtyři 80 mm přijímací čočky Meander topení pro odmlžení a odmrazení čoček Klouby pro zaměření Obal Čtyři 30 mm vysílací čočky Vestavěný dalekohled jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Vnitřní konstrukce optického pojítka Základní komponenty optického pojítka: Přijímač. Vysílač. Optická část přijímače a vysílače. Datové rozhraní. Elektrická a mechanická část zaměřovacího zařízení. Dalekohled. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Přijímač jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Vysílač jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Optická část přijímače a vysílače Čtyři 80 mm přijímací čočky Meander topení pro odmlžení a odmrazení čoček Klouby pro zaměření Obal Čtyři 30 mm vysílací čočky Vestavěný dalekohled jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Mechanická část jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Mechanická část jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Mechanická část jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Elektrická část zaměřovacího zařízení a dalekohled jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Důsledky působení povětrnostních vlivů Působením teplotních změn: Na mechanickou konstrukci optického pojítka dochází ke změně parametrů optického pojítka. Na konstrukci budov dochází ke kroucení budov, které způsobuje odklon paprsku od požadovaného směru v obou rovinách. Působením větru: Dochází ke chvění a kývání optického pojítka a tím opět dochází k odklonění paprsku. Působení slunečního záření: Dochází k oslepení. Může dojít až ke zničení optického pojítka. Problém je, že slunce zabírá nad obzorem značný prostor a může vadit v instalaci optického pojítka. Působením vodních par: Dochází k zamlžení, následně k zarosení optiky. Případně k zavátí optiky sněhem. Dochází ke značnému zvýšení útlumu přenosové trasy (mlhy, sníh, déšť). Působením námrazy: Dochází ke zvýšení útlumu přenosové trasy zamrznutím optiky. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Opar Mraky&Hustá mlha Mlha - mrholení Déšť Průměr kapiček vodních par Vodní srážky K čemu je třeba výkonová rezerva 30 dB? Opar Mraky&Hustá mlha Mlha - mrholení Déšť Průměr kapiček vodních par jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy přenosu Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad Rozptyl paprsku = 3 mrad Vzdálenost = 1 km Aktivní plocha přijímače = 450 cm2 Průměr ozářené plochy = 300 cm Velikost ozářené plochy = 70686 cm2 jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Útlum přenosové trasy Fyzické omezení optického přenosu Výkon vysílače = 10 mW (10 dBm) Citlivost přijímače = -45 dBm (0,5 uW) Saturace přijímače = -12 dBm Dynamický rozsah přijímače = -12 dB – (-45 dB) = 33 dB Aktivní plocha přijímače = 450 cm2 Rozptyl paprsku = 3 mrad Vzdálenost = 1 km Poměr vysílací/přijímací plochy = 350 Útlum přenosové trasy = -25 dB Maximum receiving power = 10 dBm + (-25 dB) = -15 dBm Výkonová rezerva trasy = -15 dBm – (-45 dBm) = 30 dBm Průměr ozářené plochy = 300 cm Velikost ozářené plochy = 70686 cm2 jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy přenosu Rozptyl paprsku = 3 mrad Vzdálenost = 1 km Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad Průměr ozářené plochy = 300 cm Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad (2 m/km) Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad (1 m/km) jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy přenosu Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad Rozptyl paprsku = 3 mrad Vzdálenost = 1 km Průměr ozářené plochy = 300 cm Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad (2 m/km) Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad (1 m/km) jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Odstranění působení povětrnostních vlivů Rozšíření optického paprsku laserové diody na 3 až 4 mRAD. Nevýhodou tohoto řešení je snížení dosahu optického pojítka vlivem snížení hustoty optického svazku. Použití více laserových diod pro zvětšení ozářené plochy na straně přijímače a zvýšení hodnoty intenzity ozářené plochy. Výhodou je zvýšení dosahu optického pojítka. Použití větších rozměrů čočky na přijímači pro dosažení vyšší citlivosti. Případně použití fresnelovy čočky. Použití citlivější APD fotodiody v přijímači. Použití mechanické clony k zastínění příjímací diody a použití několikanásobně vyššího vysílacího výkonu. Následně při zvýšení útlumu přenosové trasy mlhou se otvírá mechanická clona. Použití spektrálních filtrů, které potlačí nežádoucí záření. Použití automatického vychylování paprsku pro eliminaci pohybu budov. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Dosahy vyráběných pojítek v mílích jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Maximální dosahované vzdálenosti Profesionálové v noci na poušti přes 400 km. Amatéři při dálkovém pokusu 106 km: 660nm Laser- Transceiver by DB6NT RX Interference filter - OPT 210 - 120 mm Lens TX GaAs Diode 5 to (50) mW output MOD FM (32 kHz) - AM - CW ADJ Hor. / Vert. Mikrometer screw adj. ODX 71,7 km 59 with DG8EB and DA 5 FR / p at 03.06.2002 ODX DB6NT + DB2NP in JO 50 RK (Wetzstein) DG8EB + DG0EG in JO 60 LK (Fichtelberg) 106 km 21.04.2004, 19,00 UTC jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Maximální dosahované vzdálenosti 106 km jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Dosahované přenosové rychlosti 1.25 Gbps FligħtPath 1.25/300 FligħtSpectrum 1.25/1000 1 Gbps 622 Mbps FligħtPath 622/300 FligħtSpectrum 622/1000 155 Mbps FligħtPath 155/300 & 155/600 FligħtSpectrum 155/1000 & 155/2000 100 Mbps 20 Mbps FligħtPath 20/200 & 20/600 FligħtSpectrum 20/2000 Fligħt-Spectrum 20/4000 10 Mbps FligħtLite 350 2 Mbps 50 m 200 m 350 m 600 m 1000 m 2000 m 4000 m jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Mechanické provedení optických pojítek Mechanické provedení pojítek: musí být robustní, aby odolalo větru. Je nevhodná montáž na trubkové stožáry. musí umožnit přesné nastavení v horizontální i vertikální rovině s minimální přesností na desetiny mRAD jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Realizace jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Příklad zákaznické montáže Montáž na zeď Montáž na podstavec jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Umístění optických pojítek Z okna do okna jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Použité optické prvky Vysílač: LED diody, ve viditelném spektru. LED diody v neviditelném infra spektru. Laserové polovodičové diody 650 nm, 850 nm a 1300 nm. Přijímač: APD diody, mají větší citlivost než dříve používané PIN diody. Vyžadují však napájení 200V. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Nebezpečí poškození zraku LED diody, ve viditelném spektru i neviditelném spektru jsou již vyráběny LED diody s příkonem až 1W. Infra záření sice nemůže poškodit sítnici, může však dojít k povrchovému poškození oka. Laserové polovodičové diody 650nm, 850m a 1300nm. Nejnebezpečnější je vlnová délka 650nm. Pro výkonná optická pojítka se proto používají vlnové délky 850nm a 1300nm, která jsou pro oko méně nebezpečná. U laserového záření hrozí nevratné poškození zraku s možností úplné ztráty zraku, pokud by došlo k poškození slepé skvrny na sítnici oka. Nebezpečí tkví v tom, že pokud záření laseru dopadá na slepou skvrnu, tak je v podstatě pro oko neviditelné. jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Citlivost oka na celé použité spektrum jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Citlivost oka na viditelné spektrum jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Propustnost atmosféry pro různé vlnové délky jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Propustnost oka pro různé vlnové délky jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Anatomie lidského oka jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Hygienické limity Pro vlnové délky 700 nm až 1050 nm je maximální přípustná hodnota hustoty vyzařovaného výkonu v závislosti na době expozice dána vztahem: 0,75 S=18*C*t [J*m־²] S – hustota výkonu t – doba expozice C = 2 pro 850 nm Pro 1000 s expozice je nejvyšší přípustná plošná hodnota hustoty vyzařovaného výkonu 6,4 W*m־² jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Hygienické směrnice a normy Vyhláška Českého úřadu bezpečnosti práce č. 125 z roku 1982, doplněná Směrnicí č. 61/1982 Sb. Hygienické předpisy MZ DIN norma DIN EN60825-1. Nařízení vlády č.480/2000 o ochraně zdraví před neionizujícím zářením. Norma Velké Británie BS7192 z roku 1989 IEC norma IEC825 z roku 1984 jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Bezpečnost provozu Pro vlnové délky 700 nm až 1050 nm je maximální hodnota expozice na sítnici oka dána vztahem: 0,75 S=18*C*t [J*m־²] S – hustota výkonu t – doba expozice C = 2 pro 850 nm Pro 1000 s je plošná hodnota hustoty vyzařovaného výkonu 6,4 W*m־² jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Třídy laserů Třídy laserů specifikuje Směrnice MZ č.61 z roku 1982 Třída 1- Možnost pozorování dalekohledem Třída 2 – Lasery vyzařující viditelné záření, možnost pozorování dalekohledem (geodetické práce), laserová ukazovátka, Třída 3A – zářivý tok nepřekračuje hodnotu 5mW, hustota zářivého toku nepřesahuje 25mW/m2, možnost pozorování pouhým okem bez optiky Třída 3B – zářivý tok nad hustotu 25mW/m2 vyzářeného výkonu Třída 3R – vyžadují zahraniční normy Třída 4 Třída 3a a 4 – vyžaduje zvláštní ochranná opatření, ochranu před nepovolanou osobou, prostory označené cedulemi, v dráze paprsku nesmí být předměty odrážející paprsky, nutnost použít ochranné brýle, zařízení musí být vybaveno světelnou nebo akustickou signalizací chodu, přičemž světelná signalizace musí být vidět přes ochranné brýle jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz Závěr Někteří výrobci optických pojítek: LaserBit LightPoint Ocean Terescope jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

Ing. Jiří Burian & Ing. Jaroslav Hrb Děkujeme za pozornost. Ing. Jiří Burian & Ing. Jaroslav Hrb jiri.burian@deltax.cz; jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz