اقرأ في هذا المقال
- ما هو نظام الاتصالات بالليزر
- مبدأ عمل الاتصالات بالليزر
- أساسيات الاتصالات بالليزر
- نظام اتصال ليزر مع تتبع المصدر
- تطور الاتصالات بالليزر
مع تطور الأدوات العلمية لالتقاط بيانات عالية الدقة مثل فيديو “4K”، ستحتاج البعثات إلى طرق سريعة لنقل المعلومات إلى الأرض، وباستخدام اتصالات الليزر يمكن لوكالة ناسا تسريع عملية نقل البيانات بشكل كبير وتمكين المزيد من الاكتشافات.
ما هو نظام الاتصالات بالليزر
نظام الاتصال بالليزر: هو طريقة أخرى للاتصالات تحدث من خلال الاتصالات اللاسلكية في الغلاف الجوي وظهر الاتصال بالليزر في عام 1960م، ومنذ ذلك الحين تم تحقيق العديد من التطورات في هذا التخصص.
مبدأ عمل الاتصالات بالليزر
في هذا الوضع من الاتصال يتم نقل المعلومات عبر مساحة خالية، وفي وضع الليزر للاتصال تنتقل الإشارات من جهاز الإرسال اللاسلكي إلى جهاز استقبال لاسلكي دون أي عائق أو إعاقة، وتسمى هذه الحالة أيضاً حالة خط البصر، حيث يتم إرسال الإشارات دون أي عائق.
والصمام الثنائي بالليزر هو الناقل الرئيسي في هذا الوضع من الاتصال، ولا يتطلب أي نوع من الأسلاك والكابلات وبالتالي فهو ليس وسيلة اتصال مكلفة للغاية، كما يُعد وضع الاتصال هذا أيضاً أسرع مقارنة بالأوضاع الأخرى وبالتالي فهو مفضل في الغالب على الأنواع الأخرى من أنظمة الاتصال، وشيء واحد يجب توخي الحذر منه في وضع الاتصال بالليزر هو أنّ الإشارات يجب أن تتدفق دون أي عائق.
أنظمة الاتصالات بالليزر هي اتصالات لاسلكية عبر الغلاف الجوي، وهي تعمل بشكل مشابه لوصلات الألياف الضوئية باستثناء أن الحزمة تنتقل عبر الفضاء الحر، بينما يجب أن يتطلب المرسل والمستقبل شروط خط البصر فإنّ لهما ميزة إلغاء الحاجة إلى حقوق البث والكابلات المدفونة، ويمكن نشر أنظمة الاتصالات بالليزر بسهولة لأنّها غير مكلفة وصغيرة ومنخفضة الطاقة ولا تتطلب أي دراسات للتداخل اللاسلكي.
عادةً ما يتم إنشاء الموجة الحاملة المستخدمة لإشارة الإرسال بواسطة صمام ثنائي ليزر، وهناك حاجة إلى حزمتين متوازيتين واحدة للإرسال والأخرى للاستقبال، ونظراً لقيود الميزانية فإنّ النظام المنفذ في هذا المشروع ليس سوى طريقة واحدة، وأصبحت الاتصالات بالليزر موضوعاُ مهماً مؤخراً حيث أنّ هناك طلباً كبيراً على حلول لكيفية تلبية احتياجات النطاق الترددي المتزايدة باستمرار.
كما أنّه يمكن توزيع النطاق الترددي في الأحياء عن طريق وضع أنظمة اتصالات ليزر فوق المنازل وتوجيهها نحو جهاز إرسال واستقبال مشترك مع ارتباط سريع بالإنترنت، ومع سرعات نقل محتملة تصل إلى جيجابت في الثانية فهذه منطقة مثيرة، كما تتضمن التطبيقات الأخرى لهذه التقنية احتياجات الاتصال المؤقتة مثل الأحداث الرياضية أو مشاهد الكوارث أو الاتفاقيات أو الاتصالات الفضائية.
ستتيح الاتصالات الليزرية إرسال بيانات أكثر من 10 إلى 100 مرة إلى الأرض أكثر من أنظمة التردد اللاسلكي الحالية، كما سيستغرق الأمر تسعة أسابيع تقريباً لإرسال خريطة كاملة للمريخ إلى الأرض باستخدام أنظمة التردد اللاسلكي الحالية، ومع الليزر سيستغرق الأمر حوالي تسعة أيام.
أساسيات الاتصالات بالليزر
تعتبر أنظمة الاتصالات بالليزر مثالية للمهام لأنّها تحتاج إلى حجم ووزن وطاقة أقل، والكتلة الأقل تعني مساحة أكبر للأجهزة العلمية، والطاقة الأقل تعني استنزافاً أقل لأنظمة طاقة المركبات الفضائية وهذه كلها اعتبارات بالغة الأهمية لناسا عند تصميم وتطوير مفاهيم المهمة.
وكل من موجات الراديو وضوء الأشعة تحت الحمراء عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية عند نقاط مختلفة في الطيف الكهرومغناطيسي، ومثل موجات الراديو يكون ضوء الأشعة تحت الحمراء غير مرئي للعين البشرية لكن يتم مواجهة كل يوم بأشياء مثل أجهزة التحكم عن بعد في التلفاز ومصابيح الحرارة.
تعدل البعثات بياناتها على الإشارات الكهرومغناطيسية لاجتياز المسافات بين المركبات الفضائية والمحطات الأرضية على الأرض، بينما ينتقل الاتصال تنتشر الموجات، كما يختلف ضوء الأشعة تحت الحمراء المستخدم في اتصالات الليزر عن موجات الراديو؛ لأنّ ضوء الأشعة تحت الحمراء يحزم البيانات في موجات أكثر إحكاماً ممّا يعني أنّ المحطات الأرضية يمكنها استقبال المزيد من البيانات في وقت واحد.
وفي حين أنّ اتصالات الليزر ليست بالضرورة أسرع يمكن نقل المزيد من البيانات في ارتباط واحد لأسفل كما تستخدم محطات اتصالات الليزر في الفضاء عرض حزمة أضيق من أنظمة التردد اللاسلكي، ممّا يوفر “آثار أقدام” أصغر يمكنها تقليل التداخل أو تحسين الأمان عن طريق تقليل المنطقة الجغرافية بشكل كبير حيث يمكن لشخص ما اعتراض ارتباط اتصالات.
ومع ذلك يجب أن يكون تلسكوب اتصالات الليزر الذي يشير إلى محطة أرضية دقيقاً عند البث من آلاف أو ملايين الأميال، ويمكن أن يؤدي انحراف ولو جزء من الدرجة إلى فقد الليزر لهدفه تماماً مثل لاعب الوسط الذي يرمي كرة القدم إلى جهاز الاستقبال، ويحتاج لاعب الوسط إلى معرفة مكان إرسال كرة القدم أي الإشارة حتى يتمكن المتلقي من التقاط الكرة بخطوة، وصمم مهندسو اتصالات الليزر في وكالة ناسا مهام الليزر بشكل معقد لضمان إمكانية حدوث هذا الاتصال.
نظام اتصال ليزر مع تتبع المصدر
- يتم تقديم نظام اتصال ليزر مساحة خالية يحافظ على المحاذاة الديناميكية، ويتألف النظام من جهازي إرسال واستقبال ليزر موضوعين على مسافة متباعدة، ويتضمن كل جهاز إرسال واستقبال المكونات التالية.
- يتم توفير ليزر منارة لإرسال حزمة منارة عند الطول الموجي الأول في حزمة لها تباعد أول.
- يتم توفير ليزر إشارة لإرسال حزمة إشارة تحمل المعلومات ليتم إرسالها إلى جهاز الإرسال والاستقبال الآخر.
- يتم توفير نظام تلسكوب خاص لتجميع كل من حزمة المنارة الواردة وحزمة الإشارة الواردة من جهاز الإرسال والاستقبال الآخر ولإرسال حزمة إشارة صادرة على الأقل.
- يصور التلسكوب الخاص التلسكوب على مرآة تتبع، ومحاور مرآة التتبع تدور على الأقل عند الإمالة والطرف.
- تنعكس حزمة المنارة من مرآة التتبع وتركز على مجموعة “CCD” التي تراقب اتجاه حزمة المنارة، وتوفر إشارة تغذية مرتدة إلى مرآة التتبع؛ للحفاظ على مرآة التتبع في المواضع التي توجه حزمة المنارة إلى موضع محدد مسبقاً على صفيف “CCD”، ويوجه أيضاً حزمة الإشارة من خلال فتحة صغيرة إلى كاشف الإشارة.
تطور الاتصالات بالليزر
خلال السنوات العديدة الماضية تمتعت صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية بنمو هائل، ولقد توترت الصناعة لتلبية الطلب على زيادة عرض النطاق الترددي للاتصالات، وتشمل تقنيات الاتصالات العالمية والوطنية والإقليمية بشكل أساسي ما يلي:
- شبكات الهاتف التي توفر نقل الصوت والبيانات والفاكس باستخدام سلك مزدوج مجدول وكابل متحد المحور وألياف ضوئية وأنظمة ميكروويف وشبكات تردد لاسلكي.
- شبكات التلفاز التي توفر التلفزيون من خلال إرسال الترددات الراديوية والكابل المحوري.
- بيانات الإنترنت التي تستخدم بعض أو كل وسائط نقل البيانات المحددة، كما يتم توفير اتصالات التلفزيون والهاتف والبيانات من خلال أنظمة تعتمد على الأقمار الصناعية.
- النمو في اتصالات البيانات غير الصوتية بما في ذلك بيانات الصور والفيديو عالية السرعة يؤسس الحاجة إلى اتصال البيانات بسرعات أعلى بشكل متزايد من تلك المطلوبة للاتصالات الصوتية وحدها.
