Optická pojítka ( F ree S pace O ptics)

1. 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

2. 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

3. 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

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

5. 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

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

7. 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

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

9. 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

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

11. 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

12. 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

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

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

15. 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

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

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

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

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

20. Důsledky působenípovětrnostních 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

21. 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

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

23. Útlum přenosové trasy Fyzické omezení optického přenosu Výkonvysílače= 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 = 1km 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 = 300cm Velikost ozářené plochy = 70686 cm2 jiri.burian@deltax.cz;jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

24. Rozptyl paprsku = 3 mrad Vzdálenost = 1km Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy přenosu Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad Průměr ozářené plochy = 300cm 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

25. Rozptyl paprsku = 3 mrad Vzdálenost = 1km Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy přenosu Kroucení budov vlivem tepla = 2 mrad Ohýbání budov vlivem tepla = 1 mrad Průměr ozářené plochy = 300cm 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

26. Odstranění působenípovětrnostních 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

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

28. Maximální dosahované vzdálenosti • Profesionálové v noci na poušti přes 400 km. • Amatéři při dálkovém pokusu 106 km: 660nm Laser- Transceiver by DB6NTRX 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

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

30. Dosahované přenosové rychlosti jiri.burian@deltax.cz;jarda@mudrc.cz; xmyslik@aldebaran.feld.cvut.cz

31. Mechanické provedeníoptických 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

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

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

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

35. 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

36. 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

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

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

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

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

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

42. 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

43. 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

44. 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

45. 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

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

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