DE1268528B - Arrangement for the transmission of information between two stations - Google Patents

Arrangement for the transmission of information between two stations

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DE1268528B
DE1268528B DE19661268528 DE1268528A DE1268528B DE 1268528 B DE1268528 B DE 1268528B DE 19661268528 DE19661268528 DE 19661268528 DE 1268528 A DE1268528 A DE 1268528A DE 1268528 B DE1268528 B DE 1268528B
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Dr Armando Marzoli
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    • HELECTRICITY
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Int. Cl.: Int. Cl .:

G08bG08b

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

H 04 b
Deutsche Kl.: 74 d-8/02
H 04 b
German class: 74 d- 8/02

Nummer: 1 268 528Number: 1 268 528

Aktenzeichen: P 12 68 528.8-35File number: P 12 68 528.8-35

Anmeldetag: 6. Juli 1966Filing date: July 6, 1966

Auslegetag: 16. Mai 1968Opening day: May 16, 1968

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur übertragung von Informationen zwischen zwei Stationen (Sender und Empfänger einschließlich optischer Antennen) mittels eines modulierten elektromagnetischen Strahls längs einer in einem Schlechtwettergebiet gelegenen Ubertragungsstrecke.The invention relates to an arrangement for transmission of information between two stations (transmitter and receiver including optical antennas) by means of a modulated electromagnetic beam along one in a bad weather area transmission link located.

Es sind bereits Ubertragungsanordnungen vorgeschlagen und praktisch erprobt worden, die moduliertes kohärentes Laserlicht verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Feuchtigkeitsgehalt in der Atmosphäre in Form von Nebel, Dunst, Regen, Schnee oder Hagel die Energie solcher Strahlen absorbiert und dabei die Signalstärke stark reduziert oder aber eine übertragung über die einzelnen übertragungsglieder unmöglich macht.There have already been proposed and practically tested transmission arrangements, the modulated use coherent laser light. However, it has been found that a moisture content in the Atmosphere in the form of fog, haze, rain, snow or hail the energy of such rays absorbed and thereby the signal strength greatly reduced or a transmission via the individual makes transmission links impossible.

Es ist auch bekannt, Laserstrahlen oder andere elektromagnetische Wellen hoher Energie dazu zu verwenden, atmosphärische Feuchtigkeit in Wasserdampf umzuwandeln. Die hierfür erforderliche hohe Energie der Strahlen und deren Wellenlänge macht die Modulation dieser Strahlen für Übertragungszwecke aber schwierig oder gar unmöglich.It is also known to use laser beams or other high-energy electromagnetic waves for this purpose use to convert atmospheric moisture into water vapor. The high required for this The energy of the rays and their wavelength makes the modulation of these rays for transmission purposes but difficult or impossible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ubertragungsanordnung für Laserstrahlen zu schaffen, mittels welcher die Verluste während der Übertragung infolge schlechter Wetterbedingungen auf ein erträgliches Maß verringert werden. Die für die über- ■ tragung der Informationen erforderliche Bandbreite bei optischen Frequenzen soll dabei bei allen optischen Arten von sich ändernden Wetterbedingungen aufrechterhalten werden.The invention is based on the object of creating a transmission arrangement for laser beams, by means of which the losses during the transmission as a result of bad weather conditions are reduced to a bearable one Measure to be reduced. The bandwidth ■ required to transmit the information at optical frequencies is intended to be maintained in all optical types of changing weather conditions will.

Gemäß dieser Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anordnung mindestens eine " zusätzliche Quelle für elektromagnetische Strahlen hoher Intensität, z. B. von Laserstrahlen, aufweist, sowie eine Vorrichtung, durch welche dieser zusätzliche Strahl hoher Intensität entlang der Ubertragungsstrecke für den der Nachrichtenübertragung unmittelbar dienenden, modulierten Strahl richtbar ist, und daß die Intensität des zusätzlichen elektromagnetischen Strahls von solcher Größe ist, daß mindestens wesentliche Teile der atmosphärischen Feuchtigkeit entlang dem übertragungsweg verdunsten und die durch die Feuchtigkeit entstehende atmosphärische Dämpfung verringerbar ist.According to this invention, this object is achieved in that the arrangement at least one " additional source of high intensity electromagnetic radiation, e.g. B. of laser beams, and a device through which this additional high-intensity beam along the transmission path can be directed for the modulated beam which is used directly for message transmission and that the intensity of the additional electromagnetic beam is of such magnitude that at least substantial parts of the atmospheric moisture evaporate along the transmission path and the atmospheric attenuation caused by the moisture can be reduced.

Es ist zwar bekannt, für die übertragung von Informationen mit moduliertem Licht eine Anordnung mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlen hoher Intensität, z. B. Laserstrahlen, vorzusehen und diesen Strahl entlang einer vorgegebenen Ubertragungsstrecke auf einen Punkt zu richten. Hierdurch wird aber, wie vorstehend ausgeführt wurde, keine Anordnung zur Übertragung von Informationen zwischen zwei StationenIt is known to have an arrangement for the transmission of information with modulated light with a source of high intensity electromagnetic rays, e.g. B. laser beams to provide and to direct this beam to a point along a predetermined transmission path. Through this However, as stated above, it does not become an arrangement for the transmission of information between two stations

Anmelder:Applicant:

International Standard Electric Corporation,International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,Dipl.-Ing. H. Ciaessen, patent attorney,

7000 Stuttgart, Rotebühlstr. 707000 Stuttgart, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:
Dr. Armando Marzoli,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Named as inventor:
Dr. Armando Marzoli,
New York, NY (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 6.JuIi 1965 (469 495) --V. St. v. America of June 6, 1965 (469 495) -

zuverlässige übertragung in einem Schlechtwettergebiet gewährleistet. Erst dadurch, daß ein zusätzlicher unmodulierter elektromagnetischer Strahl hoher Intensität, der der Nachrichtenübertragung nicht unmittelbar dient, vorgesehen ist, wird eine einwandfreie Nachrichtenübertragung durch eine Schlechtwetterzone hoher Dämpfung ermöglicht. Dieses wird nämlich dadurch erreicht, daß in der Schlechtwetterzone durch Verdunstung der atmosphärischen Feuchtigkeit ein dämpfungsarmer Kanal geschaffen wird, durch den hindurch der der Nachrichtenübertragung unmittelbar dienende modulierte Strahl die übertragung in bekannter Weise vornehmen kann.reliable transmission in a bad weather area guaranteed. Only by the fact that an additional unmodulated electromagnetic beam is higher Intensity, which is not directly used for the transmission of messages, is intended to be flawless Message transmission through a bad weather zone with high attenuation enabled. This will namely achieved by evaporation of the atmospheric moisture in the bad weather zone a low-loss channel is created through which the message transmission directly serving modulated beam can carry out the transmission in a known manner.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Auswahl der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlen hoher Energie,, die zweckmäßig von einer solchen Größe ist, daß der Strahl eine maximale Absorption bei atmosphärischer Feuchtigkeit aufweist. Dagegen soll die Wellenlänge des modulierten Strahls von solcher Größe sein, daß dieser eine minimale Absorption bei atmosphärischer Feuchtigkeit aufweist.Another feature of the invention is the selection of the wavelength of the electromagnetic Rays of high energy, which are expediently of such a size that the jet has a maximum Has absorption at atmospheric humidity. In contrast, the wavelength of the modulated The beam must be of such a size that it has minimal absorption in atmospheric humidity having.

Um eine zuverlässige Übertragung zu gewährleisten, sind bei der Anordnung nach der Erfindung zweckmäßig Schalt- und Steuermittel vorgesehen, die die Quelle für elektromagnetische Strahlen hoher Intensität abschalten, wenn die übertragung des modulierten Strahls unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt und die Strahlungsquelle einschalten, wenn die übertragung über diesem Wert liegt.In order to ensure reliable transmission, they are expedient in the arrangement according to the invention Switching and control means are provided which are the source of high intensity electromagnetic rays turn off when the transmission of the modulated beam is below a predetermined limit and switch on the radiation source if the transmission is above this value.

809 Mo I ■809 Mon I ■

Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigtThe invention is explained in more detail in the drawing. In it shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Laseranordnung nach der Erfindung im Blockschaltbild,F i g. 1 is a schematic representation of the laser arrangement according to the invention in a block diagram,

Fig. IA eine Gegenüberstellung des Querschnitts des Strahls hoher Energie und des modulierten Strahls,1A shows a comparison of the cross section the high energy beam and the modulated beam,

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Laserstrahls des Lasersenders oder des Lasersignalempfängers in Verbindung mit einer optischen Antenne,F i g. 2 shows a schematic representation of the laser beam of the laser transmitter or the laser signal receiver in connection with an optical antenna,

F i g. 3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Wellenlänge des Laserstrahls und des Radius der Wassertropfen im Nebel,F i g. 3 shows a graph of the dependence of the wavelength of the laser beam and the radius the drop of water in the mist,

F i g. 4 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Energie, die erforderlich ist um über ,5 etwa 16 km einen Durchbruch von etwa 0,565 cm2 zu schaffen, und der horizontalen Bodensicht,F i g. 4 is a graphical representation of the relationship between the energy that is needed to about 5 about 16 km to provide an aperture of about 0.565 cm 2, and the horizontal ground visibility,

F i g. 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Frequenz und der Leitfähigkeit von Wassertropfen in der Atmosphäre.F i g. 5 shows a graph of the dependence between the frequency and the conductivity of Drops of water in the atmosphere.

In der F i g. 1 ist schematisch eine übertragung von Laserstrahlen zwischen den Stationen A und B dargestellt. Die Anordnung enthält einen Sender, der Informationen ausstrahlt, sowie eine optische Antenne 1 an der Station A für die Ausstrahlung eines modulierten Laserstrahls entlang eines Ubertragungskanals zu einer optischen Antenne und einem Empfänger 2 bei der Station B. Für die Rückübertragung ist ein Lasersender und eine optische Antenne 3 an der Station B vorgesehen, die den Strahl zu einer optischen Antenne und einem Empfänger 4 an der Station A sendet. Soweit ist die Anordnung für die übertragung des Laserstrahls an sich bekannt. Wenn jedoch schlechtes Wetter oder ungünstige atmosphärische Bedingungen vorhanden sind, wird der Laserstrahl entweder von einem oder beiden der Sender 1 und 3 durch den Feuchtigkeitsgehalt in der Atmosphäre bis zu einem solchen Grade gedämpft, daß die übertragung nicht mehr zuverlässig ist oder zwischen den Stationen .1 oder B oder umgekehrt nicht mehr möglich ist.In FIG. 1, a transmission of laser beams between stations A and B is shown schematically. The arrangement contains a transmitter that transmits information, as well as an optical antenna 1 at station A for the transmission of a modulated laser beam along a transmission channel to an optical antenna and a receiver 2 at station B. For the return transmission is a laser transmitter and an optical Antenna 3 is provided at station B which sends the beam to an optical antenna and a receiver 4 at station A. So far the arrangement for the transmission of the laser beam is known per se. However, if bad weather or unfavorable atmospheric conditions exist, the laser beam from either or both of the transmitters 1 and 3 is attenuated by the moisture content in the atmosphere to such an extent that the transmission is no longer reliable or between the stations .1 or B or vice versa is no longer possible.

Um dieses zu verhindern, wird nach der Erfindung vorgesehen, einen Kanal oder ein Loch in den Schlechtwetterbereich zwischen den Stationen A und B »hineinzubohren«, und zwar mittels mindestens eines Laserstrahls hoher Energie. Die Laserquelle ist in der Station A bei 5 dargestellt. Der Strahl wird verstärkt und durch die optische Antenne 6 längs des Ubertragungskanals zwischen den Stationen A und B ausgestrahlt. Die Wellenlänge des Lasers 5 ist so gewählt, daß die Feuchtigkeitsabsorption in der Atmosphäre ein Maximum aufweist und der von der Antenne 6 ausgesandte Strahl genügend Energie hat. um die den Laserstrahl umgebende Feuchtigkeit zu verdampfen.In order to prevent this, the invention provides for a channel or a hole to be "bored" into the bad weather area between stations A and B using at least one high-energy laser beam. The laser source is shown in station A at 5. The beam is amplified and emitted by the optical antenna 6 along the transmission channel between stations A and B. The wavelength of the laser 5 is chosen so that the moisture absorption in the atmosphere has a maximum and the beam emitted by the antenna 6 has sufficient energy. to evaporate the moisture surrounding the laser beam.

Um die atmosphärische Dämpfung im Schlechtwetterbereich 18 zu verringern und das Durchdringen des Laserstrahls zu unterstützen, ist an der Station B ein Laser 7 hoher Energie sowie eine optische Antenne 8 aufgestellt, die mit dem Laser 5 und der optischen Antenne 6 fluchten. Die einander entgegengerichteten Laserstrahlen bewirken in dem Schlechtwettergebiet 18 eine Zone geringer Dämpfung und gestatten in der feuchtigkeitsgeladenen Atmosphäre eine übertragung zwischen dem Sender 3 und dem Empfänger 4 von der Station B zu der Station .4 und dem Sender 1 zum Empfänger 2 zwischen den Stationen A und B.In order to reduce the atmospheric attenuation in the bad weather area 18 and to support the penetration of the laser beam, a high-energy laser 7 and an optical antenna 8 are installed at station B, which are aligned with the laser 5 and the optical antenna 6. The opposing laser beams cause a zone of low attenuation in the bad weather area 18 and allow a transmission between the transmitter 3 and the receiver 4 from the station B to the station 4 and the transmitter 1 to the receiver 2 between the stations A and B.

Bei der beschriebenen Laseranordnung wird an den Ausgang der Empfänger 2 und 4 eine an sich bekannte Steuer- und Schaltvorrichtung 9 und IO angeschlossen, um eine Demodulation vorzunehmen, wenn bei zunehmendem atmosphärischem Feuchtigkeitsgehalt die atmosphärische Dämpfung zunimmt. Wenn das empfangene Signal an den Empfängern 2 und 4 unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt, bei welchem eine zuverlässige übertragung nicht mehr möglich ist. werden durch die Steuervorrichtungen 9 und 10 Steuerschalter 11 und 12 betätigt, die die Laserquellen 5 und 7 einschalten. Durch diese Anordnung wird eine automatische Schaltung in dem Sinne erreicht, daß die Laser 5 und 7 eingeschaltet werden, wenn ungünstige Wetterbedingungen eine starke Dämpfung des Ubertragungslaserstrahls bewirken. In the case of the laser arrangement described, a known per se is connected to the output of the receivers 2 and 4 Control and switching device 9 and IO connected to perform demodulation when at as the atmospheric moisture content increases, the atmospheric attenuation increases. If that received signal at receivers 2 and 4 is below a predetermined threshold value which a reliable transmission is no longer possible. are controlled by the control devices 9 and 10 control switches 11 and 12 actuated, which switch on the laser sources 5 and 7. Through this arrangement an automatic switching is achieved in the sense that lasers 5 and 7 are switched on when unfavorable weather conditions cause a strong attenuation of the transmission laser beam.

Die Schaltern und 12 können auch als handbetätigte Steuerschalter ausgebildet sein, durch welche die Laser 5 und 7 willkürlich schaltbar sind.The switches 12 and 12 can also be hand-operated Control switches can be configured by means of which the lasers 5 and 7 can be switched at will.

Damit sämtliche Einzelteile der Vorrichtung nach F i g. 1 deutlich dargestellt werden können, ist die Darstellung nicht maßstabsgetreu gewählt. Die für die Aussendung des Strahls hoher Energie und die für die Erzeugung des modulierten Strahls erforderlichen Apparaturen sind in dem übertragungsweg angeordnet und nicht in einem Winkel hierzu, wie es dargestellt ist.So that all the individual parts of the device according to FIG. 1 can be clearly shown is the Representation not chosen true to scale. The one for the emission of the beam of high energy and the one The equipment required for generating the modulated beam is in the transmission path arranged and not at an angle to it, as shown.

Für den praktischen Betrieb ist es erforderlich, daß der mit der Information modulierte Laserstrahl 15 (Fig. IA) einen Querschnitt aufweist, der größer ist als der Querschnitt des durch das schlechte Wetter bewirkten Dämpfungskanals 16. Hierdurch wird erreicht, daß jederzeit ein Teil des modulierten Laserstrahls durch die Zone geringerer Dämpfung hindurchtritt. Dieses hat den Vorteil, daß geringe Abweichungen des Strahls zwischen dem Sender und dem zugehörigen Empfänger, die dazu führen könnten, daß die Information nicht durch den geschaffenen Kanal 18 hindurchgeht, dann vermieden werden, wenn ein äußerst enges Trägerband benutzt wird.For practical operation, it is necessary that the laser beam modulated with the information 15 (Fig. IA) has a cross section that is larger than the cross section of the damping channel 16 caused by the bad weather it is achieved that at any time a part of the modulated laser beam passes through the zone of lower attenuation passes through. This has the advantage that small deviations of the beam between the transmitter and the associated recipient, which could result in the information not being created by the Canal 18 goes through, then avoided, when an extremely narrow carrier tape is used.

Für den Laserstrahl hoher Energie ist es wünschenswert, daß dieser so schmal wie möglich ist. um die erforderliche Energie zu verringern. Die Wellenlänge des die Information tragenden Strahls muß ferner so gewählt werden, daß die durch die atmosphärischen Gase und Wassertropfen erfolgte Absorption ein Minimum aufweist, während die Wellenlänge des Laserstrahls hoher Energie in einem solchen Bereich liegen muß. daß die Absorption dieses Strahls durch die Atmosphäre ein Maximum hat.For the high energy laser beam, it is desirable that this is as narrow as possible. to reduce the energy required. The wavelength of the beam carrying the information must also be chosen so that that through the atmospheric Gases and water droplets took place at a minimum while the wavelength of the absorption occurred High energy laser beam must be in such a range. that the absorption of this beam through the atmosphere is at its maximum.

Die physikalischen Vorgänge, die bei der Schaffung des dämpfungsarmen Kanals 18 in der durch Schraffuren angedeuteten ungünstigen Wetterzone 19 oder bei der Erzeugung des Bereichs geringerer atmosphärischer Dämpfung eine Rolle spielen, werden später erläutert. Bei der Bildung des Kanals spielen jedenfalls Ionisierungs- und Druckeffekte eine Rolle, die dazu führen, daß der Durchmesser des Kanals größer wird als der Querschnitt des Laserstrahls hoher Energie, so daß ein relativ breiter Kanal entsteht, wodurch die Wechselwirkungen der atmosphärischen Feuchtigkeit auf den Laserträgerstrahl vermieden oder verringert werden.The physical processes involved in creating the low-loss channel 18 in the hatched areas indicated unfavorable weather zone 19 or when generating the area of lower atmospheric Attenuation play a role will be discussed later. Play in the formation of the channel Anyway, ionization and pressure effects play a role, which lead to the diameter of the channel becomes larger than the cross-section of the high-energy laser beam, so that a relatively wide channel is created, thereby reducing the interactions of atmospheric moisture on the laser carrier beam avoided or reduced.

In der F i g. 2 ist eine optische Antenne dargestellt, die eine Linse 13 geringen Durchmessers aufweist, die das von der Anordnung 20 ausgestrahlte Licht aufnimmt. Dabei kann die Anordnung 20 z. B.In FIG. 2 shows an optical antenna, which has a lens 13 of small diameter, which is emitted by the arrangement 20 Absorbs light. The arrangement 20 can, for. B.

von den Lasern 5 un.d 7 oder den Lasersendern 1 und 3 gebildet sein. Nachdem der Lichtstrahl zum Brennpunkt der Linse 13 geführt ist, fallt das Licht des Beugungsbildes auf die größere Linse 14. die das Licht für die übertragung im wesentlichen parallel aussendet. Die optische Antenne bildet im wesentlichen ein umgekehrtes Fernrohr und hat eine Verstärkung von ( ρ j . Die Verstärkung der optischen Antenne wirkt sich dahingehend aus, daß die Ausgangsleistung der Sender 1 und 3 und der Laser 5 und 7 verringert wird.be formed by the lasers 5 and 7 or the laser transmitters 1 and 3. After the light beam has been guided to the focal point of the lens 13, the light of the diffraction image falls on the larger lens 14, which emits the light for the transmission essentially in parallel. The optical antenna is essentially an inverted telescope and has a gain of j. The gain of the optical antenna has the effect of reducing the output power of the transmitters 1 and 3 and the lasers 5 and 7.

Die Empfänger 2 und 4 enthalten eine optische Antenne, die der in F i g. 2 dargestellten ähnlich ist. so daß die von der Linse 14 aufgenommene Strahlung gesammelt und durch die Linse 13 geringeren Durchmessers aufgenommen wird, von wo sie auf den Eingang des Laserverstärkers gebündelt wird.The receivers 2 and 4 contain an optical antenna similar to that shown in FIG. 2 shown is similar. so that the radiation picked up by the lens 14 is collected and reduced by the lens 13 Diameter is recorded, from where it is focused on the input of the laser amplifier.

Für die Sender 1 und 3 und die Hochleistungslaser 5 und 7 können verschiedene Laserarten verwendet werden, z. B. Festkörperlaser, die Rubin. Seltene Erden, dreiwertiges Uran enthalten, ferner Gaslaser, die Helium-Neon. Edelgase und Caesiumdiimpfc aufweisen, sowie Halbleiterlaser, die Gallium-Arsenit - Dioden enthalten, außerdem Fiber - Hohlraumlaser und schließlich Flüssigkeits- und organische Laser.Different types of lasers can be used for the transmitters 1 and 3 and the high-power lasers 5 and 7 be e.g. B. Solid-state lasers, the ruby. Rare earths, containing trivalent uranium, also Gas lasers, the helium-neon. Noble gases and cesium diminishes, as well as semiconductor lasers, the gallium arsenite - Contains diodes, as well as fiber - cavity lasers and finally liquid and organic Laser.

Für die Lasersender 1 und 3 können verschiedene Modulationsverfahren verwendet werden, von denen sich insbesondere zwei als einigermaßen günstig zur Lösung des Modulationsproblems von Laserlichtstrahlen erwiesen haben. Die eine Art wird die sogenannten »externe Modulation« genannt, bei welcher das aus der Quelle austretende Licht unabhängig von dem Betrieb der Quelle behandelt wird. Diese externe Modulation wird durch Anwendung des Pockeleffekts. Kerreffekts. Faradayeffekts. der Leitfähigkeitmodulation und t'berschalldruckeffekte erreicht. Die zweite Art der Modulation ist die sogenannte »interne Modulation«, bei welcher die Laserquelle selbst einer Veränderung unterworfen wird. Die interne Modulation kann die Form einer Rückkopplungssteuerung annehmen, die sich als sehr nützlich erwiesen hat zur Steuerung von Hochleistungsimpulsen und gleichermaßen anwendbar ist für die Amplitudenmodulation gleichförmiger Wellen. Zeeman- und Starkmodulation sowie geometrische Variationen.Various modulation methods can be used for the laser transmitters 1 and 3, of which In particular, two prove to be reasonably favorable for solving the modulation problem of laser light beams have proven. One type is called "external modulation," which the light emerging from the source is treated independently of the operation of the source. These external modulation is achieved by applying the Pockel effect. Kerreffects. Faraday effect. the conductivity modulation and the supersonic pressure effects achieved. The second type of modulation is the so-called "Internal modulation" in which the laser source itself is subject to change will. The internal modulation can take the form of feedback control, which turns out to be very Has proven useful for controlling high power pulses and is equally applicable for the amplitude modulation of uniform waves. Zeeman and Stark modulation as well as geometric Variations.

Die Empfänger 2 und 4 enthalten einen aktiven Vorverstärker oder ein Passivfiltec eine kohärente Mischstufe oder einen Videodetektor, einen Zwischenfrequenz- oder Videoverstärker und schließlich einen zweiten Detektor oder einen Frequenzdiskriminator od. dgl. Im Empfänger ist ein Strahlungsumwandler angeordnet, der die empfangene Strahlung in elektrische Signale umwandelt. Bekannte Arten solcher Strahlungsumwandler sind Teilchensender, die mit Photonen aussendenden Detektoren arbeiten, wie z. B. Photoröhren. Photomultiplier. Wanderfeld-Mikrowellen. Photoröhren, photoleitende Detektoren sowie schließlich Energieintegratoren oder thermische Detektoren.The receivers 2 and 4 contain an active preamplifier or a passive filter a coherent Mixer stage or a video detector, an intermediate frequency or video amplifier and finally one second detector or a frequency discriminator or the like. A radiation converter is located in the receiver arranged, which converts the received radiation into electrical signals. Known types of such Radiation converters are particle transmitters that work with detectors that emit photons, such as z. B. Phototubes. Photomultiplier. Traveling field microwaves. Phototubes, photoconductive detectors and finally energy integrators or thermal detectors.

Mit Hilfe einer automatischen Hilfs- und Selbststeuerungsanlage an den Stationen A und B soll erreicht werden, daß die Laserübertragung während ungünstiger Wetterbedingungen aufrechterhalten bleibt. Hierdurch soll erreicht werden, daß der Hauptanteil des von einer Station ausgesandten modulierten Strahls an der anderen Station sowohl bei klarem als auch bei ungünstigem Wetter empfangen wird.With the help of an automatic auxiliary and self-control system at stations A and B, the aim is to ensure that the laser transmission is maintained during unfavorable weather conditions. This is intended to ensure that the majority of the modulated beam transmitted by one station is received at the other station both in clear and in unfavorable weather.

Bevor auf die physikalischen Vorgänge in dem geschaffenen Kanal oder bei Herabsetzung der atmosphärischen Dämpfungszone eingegangen wird, sollen kurz die wichtigsten Eigenschaften der atmosphärischen Wassertropfen erläutert werden.Before looking at the physical processes in the channel created or when reducing the atmospheric Attenuation zone is discussed, briefly the most important properties of the atmospheric Water drops are explained.

Frisches destilliertes Wasser hat eine relative Dielektrizitätskonstante von 80 und eine Leitfähigkeit von K)"·"■ MHO m bei 20 C bei Gleichstrom und sehr niederer Frequenz. Bei höheren Frequenzen wird die relative Dielektrizitätskonstante komplex, wobei der imaginäre Teil ein Maß für die Absorption angibt. Die in der Atmosphäre vorhandenen Unreinheiten sind Staub. Rauch und Salzpartikel verschiedener Substanzen einschließlich Lösungen von Gasen, wie Kohlendioxyd (CO2). Stickstoffoxyd (NO2). Ozon (O,) und geringe Spuren von Salpetersäure (HNO1).Fresh distilled water has a relative dielectric constant of 80 and a conductivity of K) "·" ■ MHO m at 20 C with direct current and a very low frequency. At higher frequencies the relative dielectric constant becomes complex, with the imaginary part giving a measure of the absorption. The impurities present in the atmosphere are dust. Smoke and salt particles of various substances including solutions of gases such as carbon dioxide (CO 2 ). Nitric oxide (NO 2 ). Ozone (O,) and small traces of nitric acid (HNO 1 ).

Die Salpetersäure ist das Ergebnis der Oxydation von NO2 mit O, während der elektrischen Entladungen in Gewittern, wobei die Leitfähigkeit der Wassertropfen auf IO 3MHOm herabgesetzt wird. Durch das Vorhandensein atmosphärischer Unreinheiten kann man jeden Wassertropfen in der Atmosphäre als eine dielektrische Materie in einem Hochfrequenzfeld betrachten.Nitric acid is the result of the oxidation of NO 2 with O during electrical discharges in thunderstorms, whereby the conductivity of the water droplets is reduced to IO 3 MHOm. Due to the presence of atmospheric impurities, every drop of water in the atmosphere can be viewed as a dielectric matter in a high frequency field.

Bei den folgenden Betrachtungen nehmen wir den Laserstrahl als ein gleichförmiges elektromagnetisches Feld hoher Intensität an. in welchem vollkommene Kugeln von Materie eingetaucht sind. Dabei soll jede Kugel eine komplexe relative Dielektrizitätskonstante aufweisen, die sich mit der Frequenz ändert und bei der die Leitfähigkeit den in F i g. 5 dargestellten Änderungen unterworfen ist. Ein Teil der Energie wird'in Abhängigkeit von der Frequenz gestreut, während ein anderer Teil der Energie durch die Moleküle absorbiert wird. Die maximale Absorption ist bei Frequenzen vorhanden, die mit der Ionisation der atmosphärischen Bedingungen in Resonanz ist und bei einer Frequenz, bei welcher die dielektrischen Verluste in den Tropfen am größten ist. Der Betrieb der hochintensiven Laser 5 und 7 ist am günstigsten bei einer Wellenlänge, bei welcher die Streuung im Verhältnis zur molekularen Absorption gering ist. Wellenlängen, die größer sind als der Teilchenradius und welche den dunklen Fenstern im Frequenzspektrum entsprechen, sind für die Laser 5 und 7 am günstigsten. Bei Frequenzen, bei welchen die Absorptionsresonanten hoch sind, wird die molekulare Absorption groß genug sein, um die Schwelle für die Ionisation der atmosphärischen Gase, die durch Plasmaeffekt eine Dämpfung um den Laserstrahl bewirken, zu überschreiten. Hierdurch wird die Anfangstemperatur entlang dem Strahl erhöht, wodurch die Leitfähigkeit der Wassertropfen erniedrigt wird. Die Einwirkung einer starken elektromagnetischen Welle auf eine dielektrische Kugel resultiert in einer Verstärkung des Feldes im Innern dieser Kugel und einer plötzlichen Erhöhung ihrer Temperatur.In the following considerations we take the laser beam as a uniform electromagnetic one High intensity field on. in which perfect spheres of matter are immersed. It should Each sphere has a complex relative dielectric constant that varies with frequency changes and in which the conductivity corresponds to the one shown in FIG. 5 is subject to changes. A part the energy is scattered depending on the frequency, while another part of the energy is through the molecules are absorbed. The maximum absorption is present at frequencies consistent with the Ionization of atmospheric conditions is in resonance and at a frequency at which the dielectric loss is greatest in the drops. The operation of the high intensity lasers 5 and 7 is best at a wavelength at which the scattering in relation to the molecular absorption is low. Wavelengths which are larger than the particle radius and which the dark windows in the Corresponding to the frequency spectrum, lasers 5 and 7 are the most favorable. At frequencies at which the absorption resonants are high, the molecular Absorption must be large enough to meet the ionization threshold of the atmospheric gases that due to the plasma effect, an attenuation around the laser beam must be exceeded. This will make the The initial temperature along the jet is increased, which lowers the conductivity of the water droplets will. The action of a strong electromagnetic wave on a dielectric sphere results in a strengthening of the field inside this sphere and a sudden increase in its temperature.

Der erste Teil der verbrauchten Energie wird in denThe first part of the energy consumed is in the

Tropfen gespeichert, bis die Verdampfungsschwelle erreicht ist. Jeder weitere Energiebetrag bewirkt von diesem Punkt an eine Vergrößerung des Drucks auf die Umgebung (Expansionseffekt). Eine Vergrößerung des molekularen Energieverbrauchs in den neu geformten Wassertropfen verursacht eine Art von Kettenreaktion. Der anfänglich enge Strahl, der von denDrops stored until the evaporation threshold is reached. Every additional amount of energy caused by at this point an increase in the pressure on the environment (expansion effect). An enlargement The molecular energy consumption in the newly formed water droplets causes a kind of chain reaction. The initially narrow beam that the

Lasern 5 und 7 ausgestrahlt wird, erhält einen Mantel von heißem Wasserdampf, der seinerseits von einer kalten wäßrigen Atmosphäre umgeben ist.Lasers 5 and 7 emitted is given a coat by hot water vapor, which in turn is surrounded by a cold aqueous atmosphere.

Für die Überlegung, wie lange diese Erscheinung in einer stagnierenden Atmosphäre andauert, ist zu bedenken, daß die Relaxationszeilen der Ionisation bei kleinen Ionen um 15 Sekunden liegt und bei großen Ionen um 500 Sekunden. Da in Wirklichkeit die Atmosphäre aber nicht stagniert, wird durch einen fortwährenden Nachschub von Energie in Form von sich wiederholenden Impulsen oder einer Quelle kontinuierlicher Energie der Kanal offengehalten. Die Wirksamkeit des Eindringvorgangs der von den Lasern 5 und 7 kommenden hochintensiven Strahlen kann durch Anwendung verschiedener Frequenzen verbessert werden, da die Tropfen in der Atmosphäre verschiedene Größen haben, und zwar vorwiegend zwei oder drei Hauptgrößen. F i g..-3 zeigt die bei Nebel anwendbaren Frequenzen, bei welcher die Streuung geringer ist als'0.33" 0 von derjenigen in sichtbarem Bereich. . .In order to consider how long this phenomenon lasts in a stagnant atmosphere, one must consider that the relaxation lines of the ionization are around 15 seconds for small ions and around 500 seconds for large ions. Since in reality the atmosphere is not stagnating, the channel is kept open by a continuous supply of energy in the form of repetitive pulses or a source of continuous energy. The penetration efficiency of the high-intensity rays from lasers 5 and 7 can be improved by using different frequencies, since the droplets in the atmosphere are of different sizes, mainly two or three main sizes. Fig. 3 shows the frequencies applicable to fog at which the scatter is less than 0.33 " 0 from that in the visible range.

Um eine Vorstellung darüber zu erhalten, welche Energie für den Eindringvorgang bei Nebel erforderlich ist, werden die. folgenden^ Rechnungen durchgeführt. : . ' ! , · -To get an idea of which The energy required for the penetration process in the case of fog will be the. the following ^ calculations carried out. :. '! , -

Nach dem Lambertsehet! Gesetz für monokromatisches paralleles Licht beträgt die Leistung in einer EntfernungX von der Quelle:After the Lambertsehet! Law for monocromatic parallel light is the power in one DistanceX from source:

Px = P x =

. - ΒΛ". - ΒΛ "

(D(D

wobei · die von der optischen Antenne 6 oder der optischen Antenne 8 ausgestrahlte Leistung F0 beträgt und B der totale Dämpfungskoeffizient in dem in der Atmosphäre geschaffenen »Loch« ist. B ist gewöhnlieh die Sw nme oer Streu- und Absorptionskoeffizienten. ·where · the power emitted by the optical antenna 6 or the optical antenna 8 is F 0 and B is the total attenuation coefficient in the "hole" created in the atmosphere. B is usually the number of scattering and absorption coefficients. ·

Aus der Gleichung 1 geht hervor, daß die Leistung an der Berührungsfläche mit dem Nebel sich mit der Entfernung ändert. Es wird somit im folgenden eine Durchschnittsleistung zwischen dem Sender und Empfänger angenommen^ Bezeichnet man die Durchschnittsleistung mit P und die Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger mit R. dann gilt folgende Gleichung:From equation 1 it can be seen that the performance at the interface with the mist changes with distance. In the following, an average power between the transmitter and receiver is assumed ^ If the average power is denoted by P and the distance between the transmitter and receiver by R. then the following equation applies:

4545

P =P =

Poe-BXdXP o e- BX dX

P0 P 0

(2)(2)

(3)(3)

Nebelgrenzschicht P11 beträgt, da der Nebel durch den Strahl'zurückgedrängt wird.Fog boundary layer P is 11 because the fog is pushed back by the jet.

Die Kurzstreckenübertragungen, bei welchen BR <: 1. kann der Faktor e"K in eine MacLaurinsche Reihe abgelöst werden, so daß die Gleichung 3 folgenden Wert erhält:The short-distance transmissions in which BR <: 1. the factor e " K can be replaced by a MacLaurin series, so that equation 3 has the following value:

ρ -^A.ρ - ^ A.

BRBR

I«. + ψ] I «. + ψ]

Wenn der Nebel in dem Strahl und oder einer längeren Entfernung zwischen dem Sender und Empfänger nicht verdampft ist. kann man annehmen, daß die Gleichung 3 sich folgendem Wert nähert:When the fog is in the beam and or a longer distance between the transmitter and receiver has not evaporated. one can assume that equation 3 approaches the following value:

BRBR

Der WertThe value

BRBR

wirkt dabei als Art Gütefaktor,acts as a kind of quality factor,

d. h.. je größer BR wird, um so größer muß P0 sein, um die gleiche Durchschnittsleistung zu erzielen.ie. the larger BR is, the larger P 0 must be in order to achieve the same average power.

Es kann nun ein allgemeiner Ausdruck abgeleitet werden für den Wert der Energie, die erforderlich ist, um ein vollständiges »Loch« im Nebel zu erzielen. Da eine geradlinige übertragung zugrunde gelegt wird, kann die Fortpflanzungsgeschwindigkeit vernachlässigt und angenommen werden, daß der Strahl momentan zwischen dem Sender und Empfänger hergestellt wird. Die totale Energie des Strahls beträgtA general expression can now be derived for the value of the energy that is required to get a complete "hole" in the fog. Since a straight line transmission is taken as a basis the speed of propagation can be neglected and it can be assumed that the ray is currently established between the transmitter and receiver. The total energy of the beam is

En = Pf. E n = Pf.

(10)(10)

wobei P die durchschnittliche Leistung und f die Zeitdauer darstellt, für welche die Energiequelle eingeschaltet ist. Aus der Gleichung 3 kann folgender Ausdruck abgeleitet werden:where P is the average power and f is the length of time for which the power source is switched on is. The following expression can be derived from equation 3:

E -E -

(1 -e(1 -e

-flK,-flK,

f.f.

(Π)(Π)

Es wird jedoch nicht die gesamte Energie durch den Nebel absorbiert. Nimmt man an. daß von der Gesamtenergie ein Betrag kEB für die Verdampfung des Nebels aufgewendet wird, so giltHowever, not all of the energy is absorbed by the mist. One accepts. that an amount kE B of the total energy is expended for the evaporation of the mist, then applies

0 < A- < 1.0 <A- <1.

(12)(12)

Im GrenzfallIn the borderline case B-ηB-η Ό gilt: Ό applies: lim P =lim P = PoPo dB (1 ~ e ßR) dB (1 ~ e ßR) B -> B -> RR. ■d (B)■ d (B)
DBDB
== O O P0 P 0
R~R ~
0 + R0 + R
". Γ ". Γ

(4)(4)

(5)(5)

= P0 ■'"■-' (6)= P 0 ■ '"■ -' (6)

Dieses ist das erwartete Ergebnis, das sich auf den Idealfall bezieht, bei welchem die Leistung an der Es ist wichtig, daß zum Eindringen in den Nebel oder in anderen Worten, zur Bildung einer Zone reduzierter atmosphärischer Dämpfung in der Schlechtwetterzone die Wellenlänge so gewählt werden muß, daß ein maximaler Absorptionspunkt in dem Frequenzspektrum erhalten wird (d. h., k muß so groß wie möglich gemacht werden). Für die übertragung der Signale muß die Wellenlänge so ausgewählt werden, daß eine minimale Absorption durch die Feuchtigkeit in der Atmosphäre eintritt.This is the expected result relating to the ideal case in which the power on the It is important that in order to penetrate the fog, or in other words to form a zone of reduced atmospheric attenuation in the bad weather zone, the wavelength must be chosen that a maximum absorption point in the frequency spectrum is obtained (ie, k must be made as large as possible). For the transmission of the signals, the wavelength must be selected so that there is minimal absorption by the moisture in the atmosphere.

Bezeichnet man mit M die Anzahl Gramm Wasser pro Volumeinheit des Nebels, A den Querschnitt des Strahls und α den Energiebetrag, der erforderlich ist, um 1 g Wasser von 15,5 auf 100 C zu erwärmen und diesen Betrag Wasser zu verdunsten, so ergibtIf M is used to denote the number of grams of water per unit volume of the mist, A the cross-section of the jet and α the amount of energy required to heat 1 g of water from 15.5 to 100 C and to evaporate this amount of water, this gives

sich als Wert für die zur Verdampfung des gesamten Wassers im Strahl erforderliche Energie alsis the value for the energy required to evaporate all the water in the jet as

E' = aMAR. E ' = aMAR.

(13)(13)

Drückt man M so aus, daß es die horizontale Bodensicht wiedergibt, so ist folgendes zu berücksichtigen: If you express M in such a way that it reflects the horizontal view of the ground, the following must be taken into account:

M = 1,620 ·1(Γ3 V~u43, (14)M = 1.620 1 (Γ 3 V ~ u43 , (14)

wobei M in Gramm pro Kubikzentimeter und V die Sicht pro 0,30 cm wiedergibt.where M is in grams per cubic centimeter and V is the view per 0.30 cm.

Setzt man Gleichung 14 in Gleichung 13 ein, so erhält manSubstituting equation 14 into equation 13, one obtains

E - 1,620 E - 1.620

(15)(15)

wobei AR, das Strahlenvolumen, in Einheiten vom Quadratzentimeter erscheint. Setzt man nun die gesamte Energie des Strahls, die für die Verdampfung des Wassers erforderlich ist, gleich E', so erhält manwhere AR, the radiation volume, appears in units of square centimeters. If one now sets the total energy of the jet, which is required for the evaporation of the water, to be equal to E ', one obtains

2020th

Kp1 BRKp 1 BR

(1 - e~BR) t = 1,620 · ΙΟ"3 α ARV~iAi. (16)(1 - e ~ BR ) t = 1.620 · ΙΟ " 3 α ARV ~ iAi . (16)

Nach Pot aufgelöst, erhält man die am Ausgang der optischen Antenne erforderliche Energie alsSolved for P o t , the energy required at the output of the optical antenna is obtained as

Pot-Pot-

16201620

Jfe (1 -Jfe (1 -

· (I7) (I7)

Setzt man α = 2,61 · ΙΟ3 Wattsekunden = 2,61 · 103 Joules, so ergibt sich bei Umrechnung in Zentimeter:If one sets α = 2.61 ΙΟ 3 watt seconds = 2.61 10 3 joules, the conversion to centimeters results in:

Pot —P o t -

6,8 · IQ5 ABR2 6.8 IQ 5 ABR 2

2 ν1-4-3 2 ν 1 - 4 - 3

3535

(18)(18)

Hierin betragen:This amounts to:

Pot — die erforderliche Senderenergie (Watt-Sekunden oder Joules) P o t - the required transmitter energy (watt-seconds or joules)

A = Querschnitt des Strahls (cm2) A = cross section of the beam (cm 2 )

B = der Dämpfungskoeffizient (Meilen = 1,61km"1) B = the damping coefficient (miles = 1.61km " 1 )

R — Abstand zwischen dem Sender und Empfänger (1,61 km) R - distance between the transmitter and receiver (1.61 km)

V = die horizontale Bodensicht (30 cm) V = the horizontal floor view (30 cm)

k = der Anteil der gesamten Strahlenenergie, die für die Verdampfung des Nebels benötigt wird. k = the proportion of the total radiation energy required for evaporation of the fog.

Für den praktischen Fall, daß BR > 2 gilt:For the practical case that BR> 2 applies:

Pot = Pot =

6,8 · ΙΟ5 6.8 5

In dem Idealfall, bei welchem B—*0, ergibt sich bei Anwendung der L'Hopitalschen Regel in Gleichung 19In the ideal case, in which B- * 0, the application of L'Hopital's rule in equation 19 results

6060

lim Potlim pot

6,8 · ΙΟ5 6.8 5

ARVARV

-1Λ3-1Λ3

(20)(20)

tion der Sichtbarkeit dargestellt ist. Hier sind folgende Werte zugrunde gelegt:tion of visibility is shown. The following values are used here:

k A B Rk A. B. R.

0,8,0.8,

0,0565 CM2,
1,61 km"1,
16,1 km.
0.0565CM 2 ,
1.61 km " 1 ,
16.1 km.

B -* 0. B - * 0.

6565

Gleichung 19 ist in der F i g. 4 dargestellt, wobei die erforderliche Energie des Senders als eine Funk-Der Querschnitt 0,0565 cm2 stellt den engsten Strahl dar. Bei einem Rubinlaserstrahl, der aus einer optischen Antenne ausgestrahlt wird, beträgt die Bandbreite:Equation 19 is in FIG. 4, the required energy of the transmitter as a radio frequency. The cross-section 0.0565 cm 2 represents the narrowest beam. For a ruby laser beam emitted from an optical antenna, the bandwidth is:

7-107-10

-4-4

20-2,5420-2.54

= 1,4 Mikroradiant, (21)= 1.4 microradians, (21)

1515th

(19) also weniger als 3/io Bogensekunden. (19) therefore less than 3 / io arc seconds.

Der in einem Abstand von etwa 16 km von der Quelle beleuchtete Bereich würde einen Querschnitt von 0,0565 cm2 aufweisen, was bei einem parallelen Strahl eine vernünftige Annäherung an die Wirklichkeit darstellt.The area illuminated at a distance of approximately 16 km from the source would have a cross-section of 0.0565 cm 2 , which is a reasonable approximation of reality for a parallel beam.

Es soll noch erwähnt werden, daß hier von der Annahme ausgegangen wurde, daß der Nebel sich statisch verhält, und das durch den Impuls hoher Energie hervorgerufene »Loch« verbleibt. In Wirklichkeit jedoch ist es infolge der Bewegung des Nebels und anderer dynamischer Wirkungen erforderlich, daß die Impulse hoher Energie kontinuierlich wiederkehren. Die erforderliche Wiederholungsrate muß dabei eine Funktion der Nebeleigenschaften sein und experimentell für den Einzelfall ermittelt werden. Die kontinuierliche Leistung, die theoretisch erforderlich ist, um das »Loch« bei horizontalem Wind mit einer Geschwindigkeit von einer Meile pro Stunde aufrechtzuerhalten, beträgt:It should also be mentioned that the assumption here was that the fog was itself behaves statically, and the "hole" caused by the impulse of high energy remains. In reality however, as a result of the movement of the mist and other dynamic effects, it is necessary that the impulses of high energy recur continuously. The required repetition rate must be a function of the fog properties and be determined experimentally for the individual case. The continuous power that is theoretically required to make the "hole" with a horizontal wind to maintain a speed of one mile per hour is:

(W(W

wobei Q den Wert Gramm Wasser pro Sekunde, der horizontal durch den Strahl hindurchgeht, wiedergibt. Hiernach istwhere Q is the value of grams of water per second that passes horizontally through the jet. After that is

Q = MV0A', (23) Q = MV 0 A ', (23)

wobei M Gramm Wasser pro Kubikzentimeter Nebel wiedergibt, VD die Tröpfchengeschwindigkeit (die gleich der Windgeschwindigkeit angenommen wird) und A' den Querschnitt des Strahls mal Länge des Weges wiedergibt. Setzt man bei einem praktischen Ausführungsbeispiel als Bodensicht = 150 m, Weglänge = 16,1 km, Querschnitt des Strahls = 0,268 cm (entspricht'einem Querschnitt von 0,0565 cm2), Windgeschwindigkeit = 1,61 km/h,, so ergibt sich bei M = 2,3 · 10~7 where M represents grams of water per cubic centimeter of fog, V D represents the speed of the droplets (which is assumed to be equal to the wind speed) and A 'represents the cross section of the jet times the length of the path. If, in a practical embodiment, the bottom view = 150 m, path length = 16.1 km, cross section of the beam = 0.268 cm (corresponds to a cross section of 0.0565 cm 2 ), wind speed = 1.61 km / h, the result is at M = 2.3 · 10 ~ 7

P = 11,5 kW. P = 11.5 kW.

Aus den Gleichungen 9 und 12 ergibt sich unter der Annahme, daß k = 0,8 und B = 2 sowie P = P ist:From equations 9 and 12, assuming that k = 0.8 and B = 2 and P = P , we get:

p° = nr = 143kw (23) p ° = nr = 143kw (23)

als erforderliche Sendeleistung, d. h. die Leistung, die am Ausgang der optischen Antenne erforderlich ist. Die vorstehenden Berechnungen wurden für einen einzigen Laser hoher Leistung und einer hieran gekoppelten optischen Antenne durchgeführt und berücksichtigen einen wichtigen Punkt nicht, der dieas required transmission power, d. H. the power required at the output of the optical antenna. The above calculations were for a single high power laser and one on it coupled optical antenna and do not take into account an important point that is the

SW 549/117SW 549/117

11 1211 12

erforderliche Leistung'herabdrückt. Es ist nämlich Licht stärker absorbieren als eine geringere Anzahl zu bedenken, daß der Dampfdruck, die Temperatur- großer Tropfen, wie es z. B. bei Regen, Schnee oder differenz zwischen dem Außenmantel und dem Innern Hagel der Fall ist. Im sichtbaren Bereich ist der des »Loches« und die Ionisation in dem »Loch« Verlust bei der übertragung in DB direkt proportional dahingehend wirken, daß der Bildung neuer Wasser- 5 dem Verhältnis aus Ubertragungsstrecke und horitropfen in dem Loch ein Widerstand entgegengesetzt zontaler Sicht. Wenn die Sicht längs einer Strecke wird. Die in das »Loch« nachströmende Feuchtigkeit von 16 km etwa 300 m beträgt, würde der Verlust wird somit geringer sein als der errechnete Befrag, vom Sender zum Empfänger etwa 1000 DB betragen, so daß die erforderliehe. Energie kleiner sein kann. In ungünstigen Wetterzonen übertrifft die Miesche Die einander gegenüberstehenden Laser hoher Energie 10 Streuung bei weitem die Rayleigh-Streuung. Im und die daran gekoppelten optischen Antennen re- sichtbaren Bereich ist die Streuung unabhängig von duzieren ungefähr um einen Faktor 2 die erforder- der Wellenlänge. Bei einem Radius des Wasserliche Leistung am Ausgang einer einzigen Anordnung, tropfens von 5 μππη, einem typischen Radius bei Infolge der in den optischen Antennen erfolgenden Nebel, ist die Streuung im wesentlichen bei Wellen-Leistungsverstärkung wird der tatsächliche Leistungs- 15 längen von weniger als 10 μτηηι konstant. Die optiausgang am Laser durch den Verstärkungsfaktor der malen Frequenzen des hochintensiven Laserstrahls, optischen Antennen verringert. · . der in die ungünstige Wetterzone eindringt, liegen Die näherungsweise Berechnung der erforderlichen in dem Bereich, bei welchem die Streuung gering und Leistung des Strahls zur Schaffung eines »Loches« die molekulare Absorption hoch ist. Bei Nebel ist durch Regen, Schnee oder anderen Schlechtwetter- 20 die Verteilung der Tropfen derart, daß diese Fregebieten kann in der gleichen Weise vorgenommen quenzen im weiten Infrarotgebiet liegen, werden, wie es: vorstehend für den Fall von Nebel Bei der Bildung des »Loches« bewirken Ionisation durchgeführt wurde. Die Energie, die zur Schaffung und Druckeffekte eine Vergrößerung des »Loches«, des ersten »Loches« erforderlich ist, ist dann zu wodurch die Leistung und/oder Energie der Laserberechnen, wenn die Leistung errechnet ist, die zur 25 quelle herabgesetzt werden kann: Aufrechterhaltung des- »Loches« erforderlich ist. Im Bei Frequenzen, bei denen die Absorp'tionsreso-FaIIe von Regen, ist unter den gleichen Annahmen wie nanzen hoch sind, ist die molekulare Absorption bei. Nebel offensichtlich. = eine; sehr hohe . Leistung groß genug, um die Schwelle für die Ionistionsbildung erforderlich, um ein vollständiges »Loch« im Regen von atmosphärischen Gasen zu überschreiten, so daß offenzuhalten. In der Tat sind bei leichtem Regen 30· durch Plasmawirkung ein Dämpfungsweg längs des Leistungen .in; der Größenordnung von 200 kW er- Laserstrahls geschaffen wird. Dieses wirkt sich dahinforderlich, um einen Kanal von 0,0565 cm2 über gehend aus, daß die Temperatur längs des Strahls einer Entfernung von 16 km offenzuhalten. Im Gegen- höher· ist und die Leitfähigkeit der Wassertropfen satz zum Nebel entstehen infolge der Eigenschaften erniedrigt wird. Durch das Vorhandensein atmodes Regens jedoch bei der übertragung nur mäßige 35 sphärischer Unreinheiten kann jeder Wassertropfen Verluste; diese betragen bei einem mäßigen Regen als ein Dielektrikum in einem Hochfrequenzfeld auf einer Strecke von 16 km 42 DB und sind somit betrachtet werden. Der Ubertragungsverlust bei Lavon erträglichen Ausmaß. Im Falle Von Regen und serstrahlen infolge Regens ist geringer als bei.Nebel. anderen Arten von ungünstigen Wetterbedingungen, Bei einem mäßigen Regen, z. B. einem Niederschlag z. B. Schnee oder Hagel, ist es somit lediglich erforder- 4° von 4 mm pro Stunde, ist der gesamte Verlust entlang licit, ein »Teilloch« zu schaffen. Bei der beschriebenen einer Strecke von 16"-Km ungefähr 42 DB. Der Radius Anordnung ist es also lediglich erforderlich, in den· der Regentropfen ' ist: in der Größenordnung von ungünstigen Wetterschichten ein »Loch« vorzusehen 600 μΐηΐη und die Streuung bei Wellenlängen unter- und aufrechtzuerhalten, durch welches die über- halb von 1 mm im wesentlichen konstant, tragung der Informationen erfolgt. Erfahrungen bei 45 Bei Regen-sind, sehr hohe Leistung zur Aufrechtder übertragung haben gezeigt, daß auPeiner Strecke erhaltung eines vollständigen »Loches« erforderlich, von 16 km bei Washington ein 1-Wattsender einen Da jedoch die Uberträgungsverluste bei Regen nicht Zeitausfall durch Regen von 0,4% erfährt, d.h. so hoch sind wie beispielsweise bei Nebel, ist auch 35 Stunden pro Jahr. Der Hochleistungslaser nach ein »Teilloch« bei einem Regengebiet möglich. Hierder Erfindung reduziert die totale Ausfallzeit, da der 50 durch kann die erforderliche Leistung der Laser-Grad-der Herabsetzung der Ausfallzeit eine Funktion anordnung herabgesetzt werden, der Leistung des Hoehleistungslasers darstellt. Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, ist es bei ^ Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß bei allen der beschriebenen Anordnung erforderlich, daß zwei Schlechtwetterarten der Dampfdruck, die extremen getrennte Laser zum Eindringen in die Schlecht-Unterschiede in der Temperatur zwischen dem Außen- 55 Wetterzone und für die Übermittlung der Informamantel und dem Innern des »Loches« sowie die tionen erforderlich sind, da die Hochleistungslaser Ionisation im Innern bewirken, daß Feuchtigkeits- bei einem Punkt maximaler Absorption im Frequenztropfen in das; Innere des Loches hineinfallen. Außer- spektrum (dunkles Fenster) arbeiten müssen.' während dem wirken die Verstärkung der optischen Antenne die Information bei einer Frequenz ausgestrahlt und die Tatsache, daß zwei Laseranordnungen hoher 60. werden muß, bei welcher die Absorption ein Minimum Energie vorgesehen sind, sich dahingehend aus, daß ist.required power 'depressed. It is namely light to be absorbed more strongly than a smaller number. B. in rain, snow or difference between the outer shell and the interior hail is the case. In the visible range, that of the "hole" and the ionization in the "hole" loss during the transmission in DB have a directly proportional effect to the effect that the formation of new water is opposed to the ratio of the transmission distance and horitrop in the hole in a zontal view. When the view becomes along a route. The 16 km of moisture flowing into the "hole" is about 300 m, the loss would therefore be less than the calculated question, from the transmitter to the receiver about 1000 DB, so that the required amount. Energy can be smaller. In unfavorable weather zones, the Miesche by far outperforms Rayleigh scattering. In the visible area and the optical antennas coupled to it, the scattering is independent of the required wavelength, approximately by a factor of 2. With a radius of the water power at the output of a single arrangement, drop of 5 μm, a typical radius with the result of the fog occurring in the optical antennas, the dispersion is essentially with wave power amplification, the actual power lengths of less than 10 μτηηι constant. The optical output on the laser is reduced by the amplification factor of the paint frequencies of the high-intensity laser beam, optical antennas. ·. which penetrates into the unfavorable weather zone, the approximate calculation of the required lie in the area in which the scattering is low and the power of the beam to create a "hole" the molecular absorption is high. In fog, rain, snow or other bad weather causes the drops to be distributed in such a way that these open areas can be performed in the same way as sequences in the far infrared area, as described above for the case of fog When the hole is formed «Effect ionization was carried out. The energy that is required to create and pressure effects an enlargement of the "hole", the first "hole", is then to be used to calculate the power and / or energy of the laser, if the power is calculated that can be reduced to the source: Maintaining the "hole" is necessary. At frequencies at which the absorption resonance case of rain is high, under the same assumptions as nances, the molecular absorption is at. Fog evident. = one ; very high . Power large enough to meet the threshold required for ionization to cross a complete "hole" in the rain of atmospheric gases, so that it can be kept open. In fact, in light rain 30 · a damping path along the power .in; the order of magnitude of 200 kW er laser beam is created. This has the effect conducive to a channel of 0.0565 cm 2 temporarily from that the temperature km along the beam a distance of 16 to keep open. Conversely, it is higher and the conductivity of the water droplets to form the mist is lowered as a result of the properties. Due to the presence of atmodes rain, however, with the transmission of only moderate 35 spherical impurities, every drop of water can lose; in moderate rain, as a dielectric in a high-frequency field over a distance of 16 km, these are 42 DB and must therefore be considered. The transmission loss at Lavon bearable extent. In the case of rain and rays due to rain it is less than in case of fog. other types of adverse weather conditions, in the event of moderate rain, e.g. B. a precipitation z. B. snow or hail, it is therefore only necessary- 4 ° of 4 mm per hour, the entire loss along licit is to create a "partial hole". With the described distance of 16 "-Km about 42 DB. The radius arrangement is only necessary in which" the raindrop " is: to provide a" hole "in the order of magnitude of unfavorable weather layers 600 μm and the scattering at wavelengths below - and to maintain it, by means of which the transmission of the information takes place essentially constant over half a millimeter. 16 km near Washington a 1-watt transmitter, however, since the transmission losses in the rain do not experience a time loss of 0.4% due to rain, ie are as high as, for example, in fog, is also 35 hours per year. This invention reduces total downtime because the 50 can achieve the required power of the laser to the degree of degradation downtime a function arrangement can be reduced, which represents the power of the high-power laser. As has already been mentioned above, it should be pointed out again that with all of the arrangements described, two bad weather types, the vapor pressure, the extreme separate lasers for penetrating the bad differences in temperature between the outside 55 weather zone and for the transmission of the information jacket and the inside of the "hole" as well as the functions are necessary, since the high-power laser ionization inside cause moisture - at a point of maximum absorption in the frequency drop into the; Fall into the inside of the hole. Out of spectrum (dark window) have to work. ' during which the gain of the optical antenna affects the information broadcast at one frequency and the fact that two laser arrays must be high 60, in which the absorption of a minimum energy is provided, affects that is.

die Leistung der Laser herabgesetzt werden kann. Die Verwendung eines Hoehleistungslasers nachthe power of the laser can be reduced. The use of a high power laser after

Im folgenden sollen die physikalischen Vorgänge der Erfindung ist den herkömmlichen Frequenz-In the following the physical processes of the invention are the conventional frequency

der Anordnung und deren Vorteile kurz zusammen- verfahren überlegen, da diejenigen Frequenzen, diethe arrangement and its advantages briefly move together, since those frequencies that

gefaßt werden. 65 den Nebel durchdringen, im unteren Infrarotbereichto get nabbed. 6 5 penetrate the fog, in the lower infrared range

Bei Nebel handelt es sich um den ungünstigsten liegen (in der Größenordnung von 100 umm) undFog is the most unfavorable range (of the order of 100 µm) and

Fall von Schleehtwetter, da hierbei in der Regel eine ein beachtlicher Verlust in der Bandbreite auftrittIn case of bad weather, as this usually results in a considerable loss in bandwidth

große Anzahl kleiner Tropfen vorhanden ist, die das im Gegensatz zu der Bandbreite bei der übertragungThere is a large number of small drops, which is in contrast to the bandwidth in the transmission

bei klarem Wetter. Wenn der Sender beispielsweise bei 0,5 [jtmm bei klarem Wetter arbeitet und bei Nebel sich um 100 μΐηηι ändert, so tritt ein Verlust von 99,5% der ursprünglichen Bandbreite ein. Bei der Anordnung nach der Erfindung jedoch wird die Information stets bei der gleichen Frequenz unabhängig von den Wetterbedingungen übertragen, so daß die Bandbreite erhalten bleibt.in clear weather. For example, if the transmitter works at 0.5 [jtmm in clear weather and at If the fog changes by 100 μm, there is a loss of 99.5% of the original bandwidth. In the arrangement according to the invention, however, the Always transmit information at the same frequency regardless of weather conditions, so that the bandwidth is retained.

Um einen starken Empfang zu gewährleisten, sollte die Information, die durch das »Loch« in dem Schlechtwettergebiet gesendet wird, auf einem relativ breiten Strahl übertragen werden. Hierdurch werden Abweichungen, durch welche die Information möglicherweise das »Loch« verfehlen könnte, wie es bei einem sehr engen Informationsträgerstrahl der Fall sein könnte, vermieden. Das in dem Schlechtwettergebiet durch die Hochleistungslaser erzeugte »Loch« muß nicht ein vollkommener Zylinder sein, der parallel zum Boden gerichtet ist. Wegen der Dichteunterschiede außen und innen wird die Information im Innern des »Loches« in dem Schlechtwettergebiet verbleiben.To ensure strong reception, the information that comes through the "hole" in the Bad weather area is transmitted on a relatively wide beam. This will be Deviations through which the information could possibly miss the "hole", as is the case with a very narrow information carrier beam could be the case, avoided. That in the bad weather area The "hole" created by the high-power laser does not have to be a perfect cylinder, the directed parallel to the ground. Because of the density differences outside and inside, the information remain inside the "hole" in the bad weather area.

Der Betrieb der getrennten Hochleistungslaser an jedem Ende der Ubertragungsstrecke kann mit Hilfe von bekannten Hilfssteuerungsvorrichtungen erfolgen.The separate high-power lasers at each end of the transmission path can be operated with With the help of known auxiliary control devices.

Der Dampfdruck, die Unterschiede in der Temperatur zwischen dem Außenmantel und dem Innern des »Loches« und die Ionisation im Innern verhindern die neue Wasserbildung, die das Innere auffüllen könnte (wie bei Regen und nicht statischem Nebel). Der in das Innere nachdrängende Fluß pro Zeiteinheit wird geringer sein als der errechnete Wert.The vapor pressure, the differences in temperature between the outer jacket and the inside of the "hole" and the ionization inside prevent the new water formation that fills the inside could (as with rain and non-static fog). The inward pushing flow per unit of time will be less than the calculated value.

Claims (4)

Patentansprüche: ,sPatent claims:, s 1. Anordnung zur übertragung von Informationen zwischen zwei Stationen mittels eines modulierten elektromagnetischen Strahls längs einer in einem Schlechtwettergebiet gelegenen Ubertragungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mindestens eine zusätzliche Quelle (5, 7) für elektromagnetische Strahlen hoher Intensität, z. B. von Laserstrahlen, aufweist sowie eine Vorrichtung, durch welche dieser zusätzliche Strahl hoher Intensität entlang der Ubertragungsstrecke für den der Nachrichtenübertragung unmittelbar dienenden, modulierten Strahl richtbar ist, und daß die Intensität des zusätzlichen elektromagnetischen Strahls von solcher Größe ist, daß mindestens wesentliche Teile der atmosphärischen Feuchtigkeit entlang dem übertragungsweg verdunsten und die durch die Feuchtigkeit entstehende atmosphärische Dämpfung verringerbar ist.1. Arrangement for the transmission of information between two stations by means of a modulated electromagnetic beam along one located in a bad weather area Transmission link, characterized in that that the arrangement has at least one additional source (5, 7) for electromagnetic High intensity rays, e.g. B. of laser beams, and a device by which this additional high-intensity beam along the transmission path for the Message transmission directly serving, modulated beam can be directed, and that the intensity of the additional electromagnetic beam is of such a size that at least substantial Parts of the atmospheric moisture evaporate along the transmission path and the atmospheric attenuation caused by moisture can be reduced. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlen hoher Intensität von solcher Größe ist, daß der Strahl eine maximale Absorption bei atmosphärischer Feuchtigkeit aufweist. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the wavelength of the electromagnetic High intensity rays of such size are such that the ray has maximum absorption exhibits at atmospheric humidity. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des modulierten Strahls von solcher Größe ist, daß er eine minimale Absorption bei atmosphärischer Feuchtigkeit aufweist.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the wavelength of the modulated The beam is of such a size that it has minimal absorption of atmospheric humidity having. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schalt- und Steuermittel vorgesehen sind, die die Quelle für elektromagnetische Strahlen hoher Intensität abschalten, wenn die übertragung des modulierten Strahls unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt und die Strahlungsquelle einschalten, wenn die übertragung über diesem Wert liegt.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that switching and control means are provided that turn off the source of high intensity electromagnetic rays when the transmission of the modulated beam is below a predetermined limit value and switch on the radiation source if the transmission is above this value. In Betracht gezogene Druckschriften:
»Funkschau«, 1965, Heft 8. S. 187 bis 190.
Considered publications:
"Funkschau", 1965, issue 8, pp. 187 to 190.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings «09 549/117 5.6S O Bundesdruckerei Berlin«09 549/117 5.6S O Bundesdruckerei Berlin
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