Volloptisches Bildaufnahme- und Übertragungssystem für extrem große Entfernungen

Mit dem exponentiellen Wachstum des weltweiten Datenvolumens steigt auch die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitserfassung und Fernübertragung mehrdimensionaler Daten. Online-Videoüberwachung in Bereichen wie der industriellen Fertigung hat die Produktivität deutlich gesteigert und gleichzeitig Sicherheitsrisiken gemindert. Globale Videoanrufe in Echtzeit haben den Alltag der Menschen revolutioniert.

Vorhandene Systeme können Hochleistungsdetektoren, Bildsensoren und andere Technologien nutzen, um Trägerinformationen wie Licht, Ton und Mikrowellen zu erfassen. Diese Daten werden dann über verschiedene Medien wie Kabel, Netzwerke, drahtlose Kommunikation und Glasfaser an den Bediener zurückgesendet.

In Szenarien, in denen enge oder schwer zugängliche Bereiche beobachtet werden müssen, sind jedoch Front-End-Erfassungsgeräte und elektronische Schaltkreise (für Aufgaben wie Informationskomprimierung, Kodierung und Modulation) unerlässlich, um die Daten vor der Übertragung zu verarbeiten. Dies stellt besondere Anforderungen an die Aktualität und Störfestigkeit des Systems.

In den letzten Jahren hat sich die Verwendung von Glasfasern zur Datenübertragung aufgrund ihrer geringen Übertragungsverluste und hohen Kapazitäten weit verbreitet. Obwohl Technologien wie Wellenlängenmultiplex (WDM) und Raummultiplex (SDM) unter Verwendung von mehradrigen Glasfasern die Übertragungskapazität und -effizienz des Systems deutlich verbessert haben, sind für den Übertragungsprozess immer noch mehrere Signalumwandlungen erforderlich.

Durch die rein optische Erfassung und Übertragung können Bildinformationen mit Lichtgeschwindigkeit von einem Ende zum anderen übertragen werden, ohne dass zusätzliche elektronische Komponenten erforderlich sind.

Glasfaserbündel können zweidimensionale Lichtfelder direkt von Ende zu Ende umwandeln und übertragen, was sie in extremen Umgebungen wie unzugänglichen und abgedunkelten Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der industriellen Produktion und dem Gesundheitswesen unverzichtbar macht. Glasfaserbündel sind jedoch in der Regel in der Länge begrenzt, teuer und aufgrund von Fertigungsbeschränkungen ist die Qualitätssicherung bei der Datenübertragung über große Entfernungen problematisch.

Forscher haben verschiedene rein optische Netzwerke für Aufgaben wie Informationsbeschaffung, verschlüsselte Übertragung und Bildklassifizierung entwickelt, die die Grundlage für die Kommunikation der nächsten Generation bilden sollen.

Allerdings stoßen diese Systeme bei ihrer Anwendung auf praktische Hürden und sind im Allgemeinen nur mit kohärenten Lichtquellen wie Lasern kompatibel. Daher besteht ein dringender Bedarf an einem effizienten, leistungsstarken und störungsresistenten Bildaufnahme- und Übertragungssystem.

In einem neue Studie veröffentlicht in Optoelektronische FortschritteUm die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen, haben Forscher ein vollständig auf Glasfaser basierendes, multiplexiertes, paralleles Erfassungs- und Übertragungssystem mit der Bezeichnung „Multicore Fiber Acquisition and Transmission Image System“ (MFAT) vorgeschlagen.

Das Frontend-Design ohne elektronische Schaltkreise macht komplizierte Signalumwandlungsprozesse überflüssig. Dadurch ist es für unterschiedliche Umgebungen geeignet und unempfindlich gegenüber Rauschen inkohärenter Lichtquellen. Bilddaten werden im optischen Bereich durch Glasfaserkopplung kodiert.

Die Mehrkanaleigenschaften von Mehrkern-Glasfasern ermöglichen eine Übertragung mit hoher Kapazität und hoher Qualität. Darüber hinaus ermöglicht die Digital Aperture-Technologie die Bildwiederherstellung und -rekonstruktion aus einem Endebenenbild, das die ursprünglichen Informationen vollständig verbirgt, wodurch eine Echtzeit-Szenenrekonstruktion aus Entfernungen von bis zu einem Kilometer möglich wird.

Der Bildaufnahme- und -übertragungsprozess besteht aus zwei Hauptphasen: Kodierung und Dekodierung. Die Kodierungsphase beruht auf dem Prinzip der Anregung des Faserausbreitungsmodus, bei dem unterschiedliche Lichteinfallswinkel, die die Endflächen unterschiedlicher Faserkerne erreichen, unterschiedliche Ausbreitungsmodi anregen.

In den meisten natürlichen Umgebungen kann das Muster innerhalb jedes Faserkernkanals als eine Zusammensetzung aller Objektpunkte wahrgenommen werden, die verschiedene Modi anregen. Folglich werden die Informationen aus dem einfallenden Lichtfeld zur Übertragung in den räumlichen und Moduskomponenten der Multicore-Faser kodiert. Die genaue Bestimmung der Belegung jedes Modus ist jedoch normalerweise eine Herausforderung und erfordert erhebliche Rechenressourcen.

Um dieses Problem zu lösen, stellt die Studie eine kostengünstige digitale Apertur-Decodierungstechnik vor, die auf Bildverarbeitungsmethoden basiert und eine schnelle Rekonstruktion ermöglicht. Durch das Extrahieren und Berechnen von Merkmalswerten für verschiedene Faserkernbereiche kann die Decodierung unterschiedlicher räumlicher Informationen innerhalb der Dimension der Faserübertragungsmodi erreicht werden.

Diese Forschung demonstriert die Leistung des Systems sowohl im direkten Bildübertragungsmodus als auch im codierten Bildübertragungsmodus. Der direkte Bildübertragungsmodus ermöglicht die direkte Beobachtung der Szene am anderen Ende, während die codierte Bildübertragung mit digitalen Codierungstechniken integriert werden kann, um eine verschlüsselte Übertragung mehrdimensionaler Daten zu ermöglichen.

Das gleichzeitige Multiplexen zeitlicher und räumlicher Kanäle steigert die Übertragungskapazität erheblich. Darüber hinaus wird die Übertragungskapazität des Systems durch die Kombination von Polarisation, Wellenlänge und anderen Kanalmultiplextechniken noch weiter gesteigert.

Die Studie befasst sich auch mit Faktoren, die die Rekonstruktionseffektivität des Systems beeinflussen, wie Temperaturschwankungen, Biegung und Robustheit des Algorithmus. Die vorgeschlagene Lösung bietet einen erheblichen Anwendungswert für die Bildaufnahme und -übertragung über große Entfernungen, insbesondere in extremen Umgebungen.

Die störungsresistente Kompaktstruktur bildet die Grundlage für die Übertragung globaler Hochgeschwindigkeits-Echtzeit-Medienströme. Die Erforschung und Nutzung mehrdimensionaler Informationen in Verbindung mit fortschrittlichen Algorithmen bietet das Potenzial für die Entwicklung rein optischer Parallelübertragungssysteme der nächsten Generation.