يعد التواصل أمرًا حيويًا لمشاركة المعلومات والتواصل مع الآخرين. أحد أشكال الاتصال الأكثر عالمية واستمرارية كان من خلال الإشارات الضوئية. يوفر استخدام الضوء وأنماط الإضاءة طريقة لنقل الرسائل بصريًا عبر مسافات قصيرة وطويلة.
يعود استخدام الإشارات الضوئية والاتصالات البصرية إلى آلاف السنين. كان لدى الحضارات القديمة مثل الإغريق والرومان والصينيين والمصريين أنظمة إشارات باستخدام المشاعل أو المصابيح أو المرايا التي يمكنها نقل رسائل محددة مسبقًا. تتضمن أبسط الاتصالات الضوئية إشارات بسيطة مثل شعلة مضاءة في برج للتحذير من الخطر. كما ظهرت أيضًا أنظمة إشارات مشفرة أكثر تعقيدًا، خاصة للعمليات العسكرية.
بمرور الوقت، أصبحت الإشارات الضوئية أكثر تقدمًا مع تطور أنظمة الإبراق البصري المتخصصة في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. استخدمت هذه التلغرافات الضوئية أذرع إشارة أو مصاريع لنقل المعلومات بين المحطات ضمن خط البصر. أدى ظهور كود مورس وخطوط التلغراف الكهربائية إلى جعل هذه التلغرافات الضوئية قديمة الطراز. ومع ذلك، لا يزال الضوء يستخدم للتواصل بطرق عديدة اليوم. من إشارات الدخان إلى إنترنت الألياف الضوئية، يسهل الضوء نقل المعلومات عبر المسافات في مجموعة واسعة من التطبيقات.
ستقدم هذه المقالة نظرة عامة على بعض الطرق المختلفة التي يمكن بها تسخير الضوء لأغراض الاتصال، سواء في الماضي أو الحاضر. سنستكشف بعض أنظمة التلغراف الضوئي الرائدة بالإضافة إلى التقنيات الحديثة مثل الليزر والألياف الضوئية. على الرغم من تطور اللغات وطرق الاتصال، إلا أن الضوء يظل أحد أكثر الوسائط العالمية وكفاءة لنقل الرسائل.
شفرة مورس
تعد شفرة مورس واحدة من أقدم أشكال استخدام الضوء للتواصل وأكثرها ديمومة. فهو ينقل الرسائل عن طريق تشغيل وإيقاف إشارة بصرية أو صوتية في أنماط تتوافق مع الحروف والأرقام وعلامات الترقيم الخاصة بالرسالة.
يستخدم النظام الأكثر شيوعًا لشفرة مورس نبضات قصيرة وطويلة من الضوء أو الصوت لتمثيل النقاط والشرطات التي تشكل الحروف والأرقام الفردية. على سبيل المثال، يُشار إلى الحرف "A" بنبضة قصيرة (نقطة)، وصمت أطول قليلاً، ثم نبضة طويلة (شرطة). يتم الإشارة إلى الأرقام من 1 إلى 5 بواسطة:
- 1 = .----
- 2 = ..---
- 3 = ...--
- 4 = ....-
- 5 = .....
من خلال مجموعات من النقاط والشرطات والمسافات بين كل حرف، يمكن نقل الجمل الكاملة عبر مسافات طويلة باستخدام شفرة مورس. تم تطويره في الأصل في ثلاثينيات القرن التاسع عشر لاستخدامه مع التلغراف الكهربائي، والذي يرسل نبضات من التيار الكهربائي للتحكم في المغناطيس الكهربائي وإنتاج النقرات التي يمكن للمشغلين تفسيرها.
تم تكييف شفرة مورس لاحقًا لطرق أخرى لنقل الرسائل عبر المسافات باستخدام الأضواء الوامضة (تسمى مصابيح الإشارة)، والنغمات الصوتية، وإشارات السفينة أو المنارة الوامضة. ولا يزال قيد الاستخدام حتى اليوم من قبل مشغلي الراديو الهواة، وكذلك لبعض إشارات الاستغاثة الآلية مثل SOS.
يتطلب تعلم شفرة مورس الممارسة، ولكن يمكن تعلمها بشكل أسهل بمساعدة المخططات والتطبيقات والألعاب والتكرار الصوتي للأحرف الأكثر شيوعًا. مع الإتقان يمكن إرسال واستقبال الرسائل بسرعات أعلى تقترب أو تتجاوز 20 كلمة في الدقيقة. على الرغم من أنه تم اختراعه منذ ما يقرب من 200 عام، إلا أن شفرة مورس تظل وسيلة فعالة للتواصل عبر مسافة باستخدام نبضات بسيطة من الضوء أو الصوت.
مصابيح الإشارة
مصابيح الإشارة هي وسيلة مرئية للتواصل عبر المسافات باستخدام الضوء. يستخدمون شعاعًا مركزًا من الضوء لإرسال الرسائل على شكل ومضات من شفرة مورس التي يمكن رؤيتها وتفسيرها من قبل شخص ما باستخدام التلسكوب أو أي جهاز عرض آخر.
تعمل مصابيح الإشارة باستخدام مصدر ضوء ساطع، تاريخيًا مصباح زيت أو كيروسين، وعاكس لتركيز الضوء في شعاع مركّز. تتم مقاطعة الشعاع بمصراع لإنتاج ومضات قصيرة وطويلة تمثل رمز مورس.
أصبحت مصابيح الإشارة مستخدمة على نطاق واسع في القرن التاسع عشر للاتصالات البحرية بين السفن. كان أحد أكثر هذه المصابيح شيوعًا هو مصباح ألديس، الذي اخترعه كابتن البحرية الملكية البريطانية في ستينيات القرن التاسع عشر، آرثر سانت فنسنت ألديس. استخدم مصباح Aldis مصباح الكيروسين كمصدر للضوء وعدسة محدبة ذات مصاريع مثقبة. يقوم المشغل بتوجيه المصباح نحو السفينة المستقبلة ووميض رسائل كود مورس عن طريق فتح وإغلاق المصاريع باستخدام الزناد.
وفي الظروف المثالية، يمكن لمصابيح الإشارة نقل الرسائل بدقة عبر مسافات تصل إلى حوالي 20 ميلاً خلال ساعات النهار. ساعدت الطبيعة المركزة للشعاع على منع اعتراض السفن الأخرى غير المتوافقة مع المصباح الرسائل. ومع ذلك، فإن الضباب والدخان والطقس العاصف يمكن أن يضعف الرؤية.
انخفض استخدام مصابيح الإشارة للاتصالات بين السفن في القرن العشرين مع ظهور التلغراف اللاسلكي والراديو. ومع ذلك، فإنها لا تزال تستخدم لبعض الرسائل الاحتفالية والرسمية بين السفن البحرية اليوم. تمثل مصابيح الإشارة استخدامًا بارعًا مبكرًا للضوء لتمكين المراسلة المرئية لمسافات طويلة قبل الاتصال الإلكتروني.
إشارة
Semaphore هو نظام لنقل المعلومات عن بعد عن طريق الإشارات المرئية بأعلام أو قضبان أو أقراص أو مجاذيف محمولة باليد، أو أحيانًا أيدي عارية أو مرتدية القفازات. يتم تشفير المعلومات من خلال موضع الأعلام؛ تتم قراءته عندما يكون العلم في موضع ثابت. تم اعتماد الإشارات واستخدامها على نطاق واسع (مع استبدال الأعلام المحمولة بالأذرع الميكانيكية لإشارات الغالق) في العالم البحري في القرن التاسع عشر. لا تزال الإشارات تستخدم في الخدمات البحرية والبحرية.
يستخدم نظام إشارة العلم عمودين قصيرين مع أعلام مربعة، يتم حمل واحد في كل يد. تُحمل الأعمدة عموديًا، وتُحمل الأعلام قطريًا، متجهةً نحو الأسفل نحو الأرض. يمثل كل علم حرفًا من الحروف الأبجدية. من خلال حمل الأعلام في مواضع مختلفة، يمكن تهجئة الكلمات بصريًا وإيصالها عبر المسافات.
تعتبر الإشارة وسيلة بسيطة وقوية إلى حد ما للتواصل بصريًا، لأنها لا تتطلب كهرباء أو إلكترونيات. ومع ذلك، فإنه يحتوي على بعض القيود. يمكن نقل كلمة واحدة فقط في كل مرة، ويجب كتابة الكلمات حرفًا بحرف، مما يجعله نظامًا بطيئًا مقارنة بشفرة مورس. يجب أن يكون الأشخاص الذين يتواصلون على مرمى البصر من بعضهم البعض لرؤية الإشارات. يمكن أن يؤدي الطقس العاصف مثل المطر أو الثلج أو الضباب أو الرياح العاتية إلى إعاقة الإشارات. ويلزم قدر متواضع من التدريب لتعلم النظام. شهدت سيمافور استخدامًا واسع النطاق عالميًا في الاتصالات البحرية قبل ظهور الراديو، ولكنها تخدم اليوم غرضًا أكثر تخصصًا.
إشارات الدخان
استخدمت القبائل الأمريكية الأصلية إشارات الدخان كشكل من أشكال التواصل لمسافات طويلة منذ آلاف السنين. سمحت الإشارات للقبائل بإرسال رسائل عبر مسافات كبيرة عن طريق إنشاء لغة مشفرة باستخدام الدخان.
تعمل إشارات الدخان عن طريق إطلاق نفثات كبيرة من الدخان عبر النار. المفتاح هو خلق دخان سميك ومظلم بما يكفي لرؤيته من مسافة بعيدة. يؤدي استخدام النباتات والأوراق الرطبة إلى إنشاء دخان أبيض، بينما يؤدي حرق الزيت أو المطاط إلى إنتاج دخان أسود داكن يرتفع عالياً في الهواء.
إن التكوينات والكميات والألوان المختلفة للدخان لها معاني محددة يمكن للآخرين تفسيرها إذا كانوا يعرفون الكود. على سبيل المثال، ثلاث نفثات قصيرة تعني عادةً "انتباه" أو "انظر هنا". نفخة واحدة يمكن أن تعني "كل شيء على ما يرام" في حين أن نفختين قد تعني "تعال إلى هنا". تستخدم رموز إشارات الدخان الأكثر تفصيلاً مجموعات وتسلسلات لنقل الرسائل والمعلومات المعقدة عبر المسافات.
يعتمد نطاق إشارات الدخان على المناظر الطبيعية والظروف الجوية. في يوم صاف مع رؤية جيدة، يمكن لإشارات الدخان إرسال الرسائل على بعد 10-20 ميلاً أو حتى أبعد إذا كانت مرتفعة على أرض مرتفعة. ومع ذلك، يمكن للمطر أو الضباب أو الأشجار والتضاريس أن تحد من النطاق الفعال بشكل كبير. ستقوم القبائل الأصلية بوضع مواقع إطلاق النار بشكل استراتيجي لتحقيق أقصى قدر من الرؤية.
على الرغم من كونها وسيلة رئيسية للتواصل لمسافات طويلة، إلا أن إشارات الدخان لا تزال تحمل أهمية ثقافية للعديد من القبائل الأمريكية الأصلية. تمثل تقنيات الإشارة واللغات المشفرة التي تنتقل عبر الأجيال تراثًا وتقاليدًا ثقافية مهمة. في حين مكنت التكنولوجيا أشكالا جديدة من الاتصالات، توفر إشارات الدخان نافذة على الطرق الحيلة التي حافظت بها القبائل على اتصالاتها الحيوية ونقل المعلومات عبر مسافات شاسعة.
إشارات المنارة
تم استخدام المنارات لعدة قرون لتحذير وتوجيه السفن في البحر. تستخدم المنارات إشارات ضوئية تتميز بنمط فلاش مميز وتسلسل ولون وفاصل زمني بين الومضات لمساعدة البحارة على تحديد مواقعهم على طول السواحل الخطرة.
طور حراس المنارات أنظمة إشارات معقدة لتوصيل المعلومات إلى السفن بما يتجاوز مجرد التحذير من المخاطر. ومن خلال ملاحظة نمط الضوء الوامض، تمكن البحارة من تحديد الهوية الفريدة للمنارة واتجاهها النسبي من الساحل.
كان لكل منارة نمط وميض مميز خاص بها وتردد كان بمثابة "بصمة" بصرية يمكن للبحارة التعرف عليها. تم نشر تسلسلات الضوء هذه على المخططات البحرية حتى يتمكن القباطنة من فك تشفير إشارات المنارة. كانت بعض الأنماط بسيطة مثل وميض طويل كل 5 ثوانٍ. وكان البعض الآخر أكثر تعقيدًا مع مجموعات من فترات الظلام القصيرة والطويلة والمتفاوتة بين الومضات.
خلال النهار، استخدمت المنارات أيضًا أشكالًا وألوانًا وعلامات فريدة للدلالة على الهوية أثناء النهار. ساعدت علامات اليوم هذه السفن على اكتشاف المنارة بصريًا وتأكيد موقعها أثناء الإبحار على طول الساحل. تتوافق علامات النهار مع تسلسل الضوء الوامض ليلاً لتلك المنارة.
كان على حراس المنارة صيانة المصابيح والبصريات الدوارة التي تشكل أشعة الضوء. لقد تأكدوا من أن أبواق الضباب والأضواء وعلامات النهار تعمل بشكل صحيح لتوصيل الإشارات الأساسية إلى البحارة ليلًا ونهارًا. لعبت أنماط وميض الضوء الفريد والألوان وعلامات النهار وإشارات الضباب الخاصة بالمنارات دورًا حيويًا في الاتصالات والملاحة من أجل السلامة البحرية.
أضواء الطائرات
تستخدم الطائرات الأضواء للملاحة والتحذير من الاصطدام وتوجيه الهبوط. تسمح هذه الأضواء للطائرات بالإشارة إلى وجودها وأفعالها للآخرين.
تشتمل أضواء الملاحة في الطائرة على أضواء جانبية حمراء وخضراء على أطراف الأجنحة وضوء أبيض على الذيل. تشير هذه الأضواء الملونة إلى اتجاه الطائرة واتجاهها ليلاً أو في حالة ضعف الرؤية. على سبيل المثال، إذا كانت الطائرة تقترب وجهاً لوجه، فيمكن للمرء أن يرى الأضواء الجانبية الحمراء والخضراء. ولكن إذا كانت تطير بعيدًا، فلن يظهر سوى ضوء الذيل الأبيض.
تومض الأضواء المبهرة أو الأضواء المضادة للتصادم بسرعة لزيادة رؤية الطائرة. وعادة ما يتم تثبيتها على أطراف أجنحة الطائرة وذيلها وبطنها. ومضات الزينون البيضاء عالية الكثافة تجعل الطائرة تبرز في الخلفية. تحتوي جميع الطائرات التجارية على أضواء قوية لتحذير الآخرين من وجودها.
تساعد أضواء الهبوط على إضاءة المدرج والممرات أثناء العمليات الليلية. يتم تركيبها على مقدمة الطائرة أو أجنحتها. يقوم الطيارون بتشغيلها أثناء مراحل الاقتراب والهبوط والتحرك النهائية. تعمل أضواء الهبوط على تحسين رؤية الطيار وتسمح بالتنقل الآمن على الأرض. تحتوي بعض الطائرات أيضًا على مصابيح قابلة للسحب يمكن أن تمتد للأسفل للحصول على إضاءة أفضل.
لذا، سواء كان الأمر يتعلق بالملاحة أو تجنب الاصطدام أو الهبوط، تلعب أضواء الطائرات دورًا حاسمًا في السلامة الجوية. تساعد ألوانها ومواضعها وسطوعها المتخصصة على تحديد مسار الطائرة وتصرفاتها من خلال الإشارات المرئية. تتيح أضواء الطائرات رحلة أكثر أمانًا في ظروف الرؤية المنخفضة والظلام.
إشارات المرور
تعد إشارات المرور أحد أكثر الاستخدامات المألوفة للضوء للتواصل في الحياة اليومية. تم اختراع أول إشارة مرور كهربائية في عام 1912 في مدينة سولت ليك بولاية يوتا. تم تشغيله يدويًا وكان به أضواء حمراء وخضراء. في عشرينيات القرن العشرين، بدأت إشارات المرور مترابطة في أنظمة لتنسيق تدفق حركة المرور.
تم إنشاء أول إشارة مرور ثلاثية الألوان في ديترويت بولاية ميشيغان في عام 1920. وكانت أضواءها حمراء وكهرمانية وخضراء. حذر الضوء الكهرماني السائقين من الاستعداد للتوقف حيث كان الضوء على وشك التحول إلى اللون الأحمر. وقد ساعد هذا في تحسين السلامة عند التقاطعات.
تستخدم إشارات المرور الحديثة رمز لون عالمي:
- اللون الأحمر يعني التوقف
- العنبر يعني الاستعداد للتوقف
- اللون الأخضر يعني المضي قدمًا بحذر
تتم برمجة إشارات المرور بدورات ضوئية محددة تتناوب مع الاتجاه الذي يحصل على الضوء الأخضر. يتم تحسين الدورات بواسطة مهندسي المرور للحفاظ على تدفق حركة المرور بكفاءة. تكتشف أجهزة الاستشعار المدمجة في الطريق المركبات المنتظرة ويمكنها ضبط دورات الضوء وفقًا لذلك.
يتم دمج إشارات عبور المشاة في العديد من أنظمة إشارات المرور. يستخدمون الرموز والأضواء للإشارة إلى الوقت الآمن لعبور المشاة. تضيء إشارات المشي أيقونة شخص يمشي باللون الأبيض. تضيء إشارات "ممنوع المشي" أيقونة يد حمراء مرفوعة تطلب من المشاة الانتظار. تُظهر مؤقتات العد التنازلي عدد الثواني المتبقية للعبور. تستخدم إشارات المشاة التي يمكن الوصول إليها نغمات مسموعة ورسائل لفظية وأسطح اهتزازية لمساعدة المشاة ضعاف البصر.
تعد إشارات المرور مثالًا واسع الانتشار لاستخدام الأضواء الملونة للتواصل على طرقاتنا. تعمل تسلسلات الضوء والمدد والمعاني الموحدة على تسهيل الحركة الآمنة والفعالة لكل من المركبات والمشاة عبر التقاطعات. يواصل مهندسو المرور تحسين أنظمة إشارات المرور مع تطور احتياجات النقل.
الألياف الضوئية
تستخدم اتصالات الألياف الضوئية نبضات من الضوء يتم إرسالها عبر ألياف زجاجية فائقة النقاء لنقل المعلومات. يشكل الضوء موجة كهرومغناطيسية يمكنها حمل الإشارات لمسافات طويلة مع فقدان أقل مقارنة بالكابلات الكهربائية.
في نهاية الإرسال، يصدر الليزر أو LED نبضات ضوئية تمثل البيانات المرسلة. ينتقل الضوء على طول قلب الألياف الزجاجية، مما يعكس الكسوة التي تحيط بالنواة. مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي هذا يمكّن الضوء من السفر لمسافات طويلة مع الحد الأدنى من فقدان القوة.
لاتصالات الألياف الضوئية العديد من التطبيقات، لا سيما في مجال الاتصالات حيث يتم استخدامها للهاتف والإنترنت ونقل تلفزيون الكابل. وتمكنه سعة النطاق الترددي العالية من حمل كميات هائلة من البيانات. تشكل شبكات الألياف الضوئية العمود الفقري للإنترنت.
وتشمل الاستخدامات الأخرى شبكات الكمبيوتر، والدوائر التلفزيونية المغلقة، ولإرسال الصور الطبية وإجراءات الجراحة عن بعد عبر الفيديو. تعتمد صناعات الطيران والدفاع أيضًا على الألياف الضوئية لأنظمة الملاحة والاستشعار عن بعد.
تشمل مزايا استخدام اتصالات الألياف الضوئية ما يلي:
- عرض نطاق ترددي أعلى وسرعات أعلى - يمكن للألياف أن تحمل بيانات أكثر بكثير من الكابلات النحاسية
- توهين أقل حتى تتمكن الإشارات من الانتقال لمسافة أبعد دون تدهور
- الحصانة ضد التداخل الكهرومغناطيسي من الكابلات أو الأجهزة الأخرى
- حجم أصغر ووزن أخف لكل سعة
- أمان أكبر لأن الزجاج لا يسمح بالتنصت أو تسرب الجهد
- غير موصل لذلك لا يوجد خطر من مخاطر الشرارة
من خلال تسخير سرعة وكفاءة موجات الضوء، أحدثت اتصالات الألياف الضوئية ثورة في الاتصالات ومكّنت خدمات النطاق العريض التي نعتمد عليها اليوم. من المكالمات الهاتفية إلى بث الأفلام، تجعل الألياف الضوئية عالمنا الرقمي الحديث ممكنًا.
الاتصالات بالليزر
يشير الاتصال بالليزر، المعروف أيضًا باسم الاتصال البصري في الفضاء الحر، إلى النقل اللاسلكي للبيانات عبر الفضاء الحر باستخدام ضوء الليزر. تتمتع هذه التكنولوجيا الناشئة بالعديد من المزايا مقارنة باتصالات الترددات الراديوية التقليدية:
- عرض نطاق ترددي مرتفع للغاية - يمكن للاتصالات بالليزر تحقيق نطاق ترددي يصل إلى 10 جيجابت/ثانية وما بعدها. وهذا يسمح بنقل كميات هائلة من البيانات بسرعة كبيرة.
- آمن للغاية - أشعة الليزر ضيقة للغاية ومركزة، مما يجعل اعتراضها صعبًا. من الصعب اعتراض البيانات أو ازدحامها.
- لا يوجد ترخيص مطلوب - يستخدم الاتصال بالليزر أطوال موجية ضوئية لا تتطلب ترخيصًا حكوميًا مثل ترددات الراديو. وهذا يقلل من الحواجز التنظيمية.
- صغر الحجم والوزن - أجهزة الاتصال بالليزر أصغر بكثير وأخف وزنًا من أجهزة الراديو. وهذا أمر بالغ الأهمية للمركبات الفضائية والتطبيقات الجوية.
- طاقة منخفضة - تتطلب أجهزة إرسال واستقبال الليزر طاقة أقل من أجهزة الراديو. وهذا مهم للتطبيقات المحمولة والتي تعمل بالبطارية.
تتضمن بعض التطبيقات الرئيسية الحالية والمستقبلية للاتصالات بالليزر ما يلي:
- مركبة فضائية - تعمل وكالة ناسا ووكالات الفضاء الأخرى على تطوير اتصالات ليزر للمركبات الفضائية القريبة من الأرض بالإضافة إلى مهمات الفضاء السحيق. معدلات البيانات 10-100X أكبر من الراديو ممكنة.
- الطائرات - تبحث شركات الطيران والجيوش عن الاتصالات بالليزر لتحل محل الراديو وتقليل وزن الطائرات.
- المركبات ذاتية القيادة - يمكن للسيارات ذاتية القيادة والطائرات بدون طيار استخدام روابط الليزر لمشاركة البيانات في الوقت الفعلي مع زمن وصول منخفض للغاية.
- الاتصال الكمي - قد يصبح التشابك الكمي لتحقيق الأمان المطلق ممكنًا يومًا ما باستخدام أشعة الليزر عبر مسافات عالمية.
- الإغاثة في حالات الكوارث - تتيح روابط الليزر النشر السريع للشبكة عند تعرض البنية التحتية على الأرض للخطر.
- المنصات عالية الارتفاع - يمكن للبالونات والمناطيد والطائرات بدون طيار في طبقة الستراتوسفير إنشاء شبكة ليزر جوية متداخلة للوصول إلى الإنترنت عريض النطاق.
يبدو المستقبل مشرقًا لتكنولوجيا الاتصالات بالليزر. ومع انخفاض التكاليف وتحسن التكنولوجيا، قد تصبح وصلات الليزر ذات النطاق الترددي العالي شائعة على الأرض وعبر السماء. وهذا يمكن أن يحدث تحولا في الطيران والاتصالات واستكشاف الفضاء.
