устройство для атмосферной оптической связи

Формула изобретения

1. Устройство для атмосферной оптической связи, содержащее первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый лазерный терминал содержит многоапертурную передающую антенну, состоящую из N, где N 2, оптических передающих антенных модулей, выполненных с возможностью формирования соответственно N передающих субапертур, N лазерных передатчиков, многоапертурную приемную антенну, приемник, причем многоапертурная передающая антенна и многоапертурная приемная антенна установлены на подвижной конструкции лазерного терминала и жестко с ней соединены, приемник и N лазерных передатчиков размещены на неподвижной конструкции лазерного терминала, многоапертурная приемная антенна связана с приемником волоконно-приемной шиной, отличающееся тем, что многоапертурная приемная антенна выполнена с возможностью формирования N приемных субапертур, где N 2, и состоит соответственно из N приемных объективов, оптические оси которых параллельны, при этом волоконно-приемная шина, связывающая приемник с многоапертурной приемной антенной, состоит из N световолокон, входные торцы которых установлены в фокусе N указанных приемных объективов, приемник содержит коллимирующий приемный объектив, в фокальной плоскости которого установлены выходные торцы указанных N световолокон, последовательно установленные за коллимирующим объективом оптически и механически связанные диск автоматической регулировки усиления (АРУ), интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, фотоприемник, выход которого соединен через нормирующий усилитель с входом блока формирования информационного потока, кроме того, выход фотоприемника через усилитель соединен с пороговым блоком, выход которого через исполнительное устройство соединен с блоком управления приводом, на котором установлен диск автоматической регулировки усиления оптического сигнала, при этом сформированные многоапертурной приемной антенной N приемных субапертур разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, расстояние l в указанной выше плоскости между наиболее удаленными границами ближайших между собой приемных субапертур должно быть не меньше утроенной величины зоны Френеля со стороны лазерного терминала, находящегося в режиме приема

l3(^*L)^1/2,

где - длина волны принятого оптического сигнала;

L - расстояние между двумя лазерными терминалами, образующими линию атмосферной оптической связи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из N оптических передающих антенных модулей многоапертурной передающей антенны имеет относительно узкую ширину диаграммы направленности излучения, меньшую характерного угла нестабильности места крепления соответствующего передающего оптического антенного модуля, при этом оптические оси указанного излучения N оптических передающих антенных модулей непараллельны и смещены на угол , меньший ширины диаграммы направленности излучения одного оптического передающего антенного модуля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам атмосферной оптической связи и касается терминалов лазерной связи, устанавливаемых на поверхности Земли и предназначенных для организации линий связи между наземными станциями.

Известны система и метод построения коммуникационной связи с открытым лазерным каналом (патент US 5777768, м, кл. H 04 В 10/00) (1), включающий первый и второй терминалы, находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные только оптическим путем. Каждый терминал включает в себя совокупность лазерных передатчиков, которые вместе излучают совокупность лазерных пучков, оси излучения которых существенно параллельны и каждый пучок несет информационный сигнал. Несмотря на то, что линии распространения пучков параллельны, пучки, в основном, перекрываются в дальней зоне на другом терминале, где они собираются и некогерентно суммируются для приема и анализа информационного сигнала. Недостатком таких систем является необходимость иметь большое число лазерных передатчиков, что является достаточно дорогостоящим, и необходимость обеспечивать параллельность оптических лучей лазерных передатчиков, что является технически сложным при длительной эксплуатации.

Известна система оптической связи (патент RU 2111617, кл. H 04 В 10/00) (2), которая является наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к изобретению и выбрана в качестве ближайшего аналога.

Известная система также относится к системам открытой оптической связи и может быть использована, например, на поверхности Земли для организации линий связи между наземными станциями.

Известная система лазерной связи может содержать два (или более) аналогичных лазерных терминала, расположенных на противоположных концах образованной ими линии связи. Каждый терминал может функционировать в дуплексном режиме (в режиме приема и передачи) линии связи. Терминалы могут также работать в симплексном или полудуплексном режимах, когда данные только передаются, либо только принимаются. Каждый лазерный терминал в известной системе содержит многоапертурную передающую антенну, состоящую из N, где N2, оптических передающих антенных модулей, многоапертурную приемную антенну, установленные на подвижной конструкции лазерного терминала, состоящей из базового элемента, на котором непосредственно установлены и жестко с ним соединены указанные антенны, и кинематически соединенного с базовым элементом опорно-поворотного устройства. В состав лазерного терминала также входят N лазерных передатчиков, каждый из которых включает лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения, приемник, при этом N лазерных передатчиков и приемник связаны с соответствующими антеннами передающей волоконной шиной и приемной волоконной шиной соответственно и установлены на неподвижной конструкции лазерного терминала. В состав терминалов также входят источник сигнала данных, устройство наведения, оптический анализатор изображения, модуль фотоприемных устройств прямого изображения, модуль фотоприемных устройств координатного изображения, волоконно-координатная шина, шина управления. Терминал связи работает в режимах наведения, передачи данных и приема данных следующим образом.

Терминал лазерной связи освещается с противоположного конца линии связи, где используется такой же или аналогичный терминал, лазерным излучением, формируемым противоположным терминалом. Это излучение принимается всеми оптическими антенными модулями, установленными на базовом элементе, часть которых выделяется для передачи данных. Принятое в каждом антенном модуле излучение проходит устройство наведения и оптический анализатор, оптически и механически связанные с антенным модулем, разделяясь в оптическом анализаторе по каналам прямого изображения и каналам координатного изображения. Оптические выходы каналов координатного изображения волоконной оптикой объединяются в волоконно-координатную шину, соединяющую их с модулем фотоприемных устройств координатного изображения, содержащим каналы, преобразующие оптические сигналы в электрические, несущие информацию об угловом рассогласовании оптической оси каждого оптического антенного модуля относительно направления прихода лазерного излучения. Модуль фотоприемных устройств координатного изображения содержит набор квадрантных фотоприемников по числу антенных модулей, причем каждый фотоприемник соединен четырехволоконной шиной с выходом координатного изображения соответствующего анализатора изображения.

Недостатком рассмотренной системы оптической связи является необходимость, для эффективной компенсации флуктуации сигнала, вызванных турбулентностью, увеличения числа лазерных передатчиков, что является дорогостоящим, а также необходимость обеспечения параллельности оптических лучей всех используемых лазерных передатчиков, что является сложным технически при длительной эксплуатации системы связи.

Недостатком указанной системы также является необходимость увеличения диаметра приемной антенны для снижения сцинтилляций сигнала, причем эффективный размер приемной апертуры возрастает с увеличением расстояния между терминалами. Например, на дистанциях более 2-х км диаметр приемной антенны должен быть около 200 мм, что приводит к существенному увеличению ее габаритов и стоимости.

Технический результат, который достигается при осуществлении заявленного устройства атмосферной оптической связи, заключается в снижении стоимости и повышении надежности его функционирования, что проявляется в увеличении доступности формируемой линии связи за счет расширения диапазона метеорологических условий, при которых обеспечивается надежная оптическая связь между терминалами.

Указанный технический результат достигается при реализации заявленного устройства для атмосферной оптической связи. При этом общими существенными признаками заявляемого устройства и ближайшего аналога являются первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый лазерный терминал содержит многоапертурную передающую антенну, состоящую из N, где N2, оптических передающих антенных модулей, выполненных с возможностью формирования соответственно N передающих субапертур, N лазерных передатчиков, многоапертурную приемную антенну, приемник, причем многоапертурная передающая антенна и многоапертурная приемная антенна установлены на подвижной конструкции лазерного терминала и жестко с ней соединены, приемник и N лазерных передатчиков размещены на неподвижной конструкции лазерного терминала, а многоапертурная приемная антенна связана с приемником волоконно-приемной шиной.

Отличительными существенными признаками заявляемого устройства для атмосферной оптической связи от известной системы оптической связи являются следующие: многоапертурная приемная антенна выполнена с возможностью формирования N приемных субапертур, где N2, и состоит соответственно из N приемных объективов, оптические оси которых параллельны, при этом волоконно-приемная шина, связывающая приемник с многоапертурной приемной антенной состоит из N световолокон, входные торцы которых установлены в фокусе указанных N приемных объективов, приемник содержит коллимирующий объектив, в фокальной плоскости которого установлены выходные торцы указанных N световолокон, последовательно установленные за коллимирующим объективом оптически и механически связанные диск автоматической регулировки усиления (АРУ) оптического сигнала, интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, фотоприемник, выход которого соединен через нормирующий усилитель с входом блока формирования информационного потока, кроме того, выход фотоприемника через усилитель соединен с пороговым блоком, выход которого через исполнительное устройство соединен с блоком управления приводом, на котором установлен диск автоматической регулировки усиления оптического сигнала, при этом сформированные многоапертурной приемной антенной N приемных субапертур разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, расстояние l, в указанной выше плоскости, между наиболее удаленными границами ближайших между собой приемных субапертур должно быть не меньше утроенной величины зоны Френеля со стороны лазерного терминала, находящегося в режиме приема

l3(^*L)^1/2,

где где - длина волны принятого оптического сигнала,

L - расстояние между двумя лазерными терминалами, образующими линию атмосферной оптической связи.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что лазерные системы связи, имеющие потенциальные возможности систем связи радиочастотного диапазона, приводят к реализации лазерных терминалов, имеющих заметно меньшие по сравнению с радиосистемами массу, габариты и стоимость и обеспечивающих надежное и прецизионное наведение узких оптических лучей и полей зрения, что и является необходимым условием достижения потенциальных преимуществ использования для связи оптических частот, при этом возникает противоречие между необходимостью использования для связи узких пучков оптического излучения и больших апертур, с необходимостью уменьшения массы и стоимостью лазерных терминалов. Достижение указанного выше технического результата, а также исключение перечисленных выше противоречий при реализации заявленного устройства, обеспечиваются за счет того, что в заявленном устройстве первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, расположены на расстоянии L между собой и образуют линию оптической связи. При этом каждый из лазерных терминалов, входящих в состав заявленного устройства для атмосферной (открытой) оптической связи, содержит многоапертурную передающую антенну, состоящую из N, где N2, оптических передающих антенных модулей, связанных с N лазерными передатчиками, многоапертурную приемную антенну, связанную с приемником волоконно-приемной шиной, при этом многоапертурная передающая антенна и многоапертурная приемная антенна установлены на подвижной конструкции лазерного терминала и жестко с ней соединены, а приемник и N лазерных передатчиков размещены на неподвижной конструкции лазерного терминала.

Сущность заявленного изобретения также заключается в том, что в каждом лазерном терминале N, где N2, лазерных передатчиков связаны соответственно с N оптическими передающими антенными модулями многоапертурной передающей антенны, при этом каждый из N оптических передающих антенных модулей многоапертурной передающей антенны имеет относительно узкую ширину диаграммы направленности излучения, меньшую характерного угла нестабильности места крепления соответствующего оптического передающего антенного модуля, при этом оптические оси указанного излучения N оптических передающих антенных модулей лазерных передатчиков непараллельны и смещены на угол , меньший ширины диаграммы направленности излучения одного оптического передающего антенного модуля. Выполнение в заявленном устройстве указанных условий позволяет обеспечить требуемый механизм работы передающей части лазерного терминала. При ясной погоде, когда максимально пропускание атмосферы, имеют место уходы мест крепления терминалов, а конкретней - мест креплений передающих оптических антенных модулей, что связано, в основном, с тепловым неоднородным нагревом зданий, конструкций, на которых установлены терминалы. Выбор относительно узкой ширины диаграммы направленности излучения N оптических антенных передающих модулей, меньшей характерного угла нестабильности места крепления соответствующего оптического передающего антенного модуля, а также формирование оптических осей излучения N оптических передающих антенных модулей непараллельными позволяет обеспечить большую концентрацию энергии в зоне рабочего угла нестабильности и меньшую долю "потери" энергии в "крыльях" диаграммы направленности. При работе в плохую погоду за счет дополнительного рассеяния излучения вперед на аэрозолях (капли воды во время дождя и тумана, снежинки) происходит дополнительное повышение яркости на оси пучка излучения. При этом выполнение приемной части каждого терминала в виде многоапертурной приемной антенны, формирующей N приемных субапертур и состоящей из N приемных объективов, оптические оси которых параллельны, связанных волоконно-приемной шиной с приемником, позволяющим регулировать величину принимаемого сигнала в пределах верхнего и нижнего порогов, а также возможность формирования приемных субапертур с разнесением их в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям и определенным образом расположенных относительно друг друга, позволяют обеспечить повышение надежности функционирования заявленного устройства, снижение его стоимости, а также уменьшение сцинтилляций принимаемого сигнала, вызванных турбулентностью атмосферы.

Сущность заявленного изобретения иллюстрируется чертежами где, на фиг. 1 изображена в общем виде передающая часть лазерного терминала, на фиг. 2 - приемная часть лазерного терминала (приемные объективы, приемник), на фиг. 3 показаны диаграммы направленности передающей антенны,

- на фиг. 4 показано расположение сформированных приемных субапертур,

- на фиг. 5 показан пример выполнения диска АРУ оптического сигнала, где:

- на фиг. 1 обозначены:

1 - лазерные передатчики,

2 - оптические передающие антенные модули,

- угол, показывающий непараллельность оптических осей излучения;

- на фиг 2 обозначены:

3 - приемные объективы,

4 - световолокна,

5 - коллимирующий объектив,

6 - диск АРУ оптического сигнала,

7 - интерференционный фильтр,

8 - фокусирующий объектив,

9 - фотоприемник,

10 - нормирующий усилитель,

11 - блок формирования информационного потока,

12 - усилитель,

13 - пороговый блок,

14 - исполнительное устройство,

15 - блок управления приводом;

- на фиг. 3а показана зависимость угла направления излучения многоапертурной передающей антенны в дальней зоне от силы (мощности) (p) излучения сигналов лазерных передатчиков для известных оптических систем связи;

- на фиг. 3б и фиг. 3в показана суммарная диаграмма зависимости угла направления излучения многоапертурной передающей антенны в дальней зоне от силы (мощности) излучения сигналов лазерных передатчиков (P) для заявленного устройства;

- на фиг. 4 показано расположение приемных субапертур, где D - диаметр субапертуры, l - расстояние между наиболее удаленными границами ближайших между собой приемных субапертур в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, t - расстояние между наиболее близкими границами ближайших между собой приемных субапертур в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям;

- на фиг. 5 показан диск АРУ оптического сигнала с переменной по окружности (по секторам) оптической плотностью ₀,₁,₂,...₁₁ , измененяемой непрерывно или дискретно, где 1 - ось вращения диска, 2 - сечение оптического луча (пучка), проходящего диск АРУ.

Устройство для атмосферной оптической связи содержит два аналогичных лазерных терминала, расположенных на противоположных концах оптической линии связи на расстоянии L друг от друга, при этом каждый из лазерных терминалов выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи и содержит многоапертурную передающую антенну, в состав которой входит N (где N2) оптических передающих антенных модулей (1), связанных с соответствующим (одним из N) лазерным передатчиком (2), многоапертурную приемную антенну, состоящую из N (где N2) приемных объективов (3), связанных с помощью волоконно-приемной шины, выполненной в виде N световолокон (4), с приемником, при этом входные торцы световолокон (4) установлены в фокусе соответственно N приемных объективов (3), а выходные торцы N световолокон установлены в фокальной плоскости коллимирующего объектива (5) приемника; приемник также содержит последовательно установленные за коллимирующим объективом оптически и механически связанные диск автоматической регулировки усиления оптического сигнала (6), интерференционный фильтр (7), фокусирующий объектив (8), фотоприемник (9). нормирующий усилитель (10), блок формирования информационного потока (11), усилитель (12), пороговый блок (13), исполнительное устройство (14), блок управления приводом (15), на котором установлен диск автоматической регулировки усиления оптического сигнала (6).

Заявленное устройство может функционировать, к примеру, следующим образом. Лазерное излучение формируется одним из лазерных терминалов с помощью N лазерных передатчиков, связанных соответственно с N оптическими передающими антенными модулями. При этом каждый из N оптических передающих антенных модулей многоапертурной передающей антенны имеет относительно узкую ширину диаграммы направленности формируемого излучения, меньшую характерного угла нестабильности места крепления соответствующего оптического передающего антенного модуля, а оптические оси формируемого излучения N оптических передающих антенных модулей должны быть непараллельны и смещены на угол , меньший ширины диаграммы направленности сформированного излучения одного из N оптических передающих антенных модулей. Такое формирование лазерного излучения обеспечивает при ясной погоде эффективную суммарную ширину диаграммы направленности излучения всех используемых лазерных передатчиков (показанную на фиг. 3б и фиг. 3в), имеющую однородную "полку" (вершину) и крутые передний и задний фронты, что обеспечивает большую концентрацию энергии в зоне рабочего угла нестабильности и меньшую долю "потери" энергии в "крыльях" диаграммы, показанной в виде заштрихованной области на фиг. 3в, позволяя исключить влияние характерного угла нестабильности мест крепления терминала (соответствующих элементов и устройств, входящих в его состав), что связано с тепловым неоднородным нагревом конструкций (зданий, сооружений), на которых они - терминалы - установлены.

При работе в плохую погоду за счет дополнительного рассеяния во фронте излучения (вперед) на аэрозолях (дождевые капли, туман, снежинки и пр.) сформированная таким образом суммарная диаграмма направленности излучения позволяет дополнительно повысить яркость излучения на оси пучка излучения.

Далее в приемнике соответствующего лазерного терминала с помощью многоапертурной приемной антенны осуществляется прием сформированного указанным выше способом и с помощью указанных выше средств лазерного излучения. При этом прием обеспечивается с помощью N (где N2) приемных объективов (3), оптические оси которых параллельны и с помощью N световолокон (4), входные торцы которых установлены в фокусе указанных N приемных объективов, а выходные торцы N световолокон установлены в фокальной плоскости коллимирующего объектива (5) приемника, формирующего параллельный световой поток (пучок). За коллимирующим объективом (5), в параллельном световом пучке последовательно установлены: диск автоматической регулировки усиления (6) оптического сигнала, интеренференционный фильтр (7) и фокусирующий объектив (8), который собирает излучение на фоточувствительной площадке фотоприемника (9).

При этом диск АРУ имеет переменную по окружности (по секторам) оптическую плотность непрерывно или дискретно. Диапазон изменений оптической плотности - 40-50 дБ. Сигнал с фотоприемника после нормирующего усилителя (10) поступает в блок (формирования информационного потока (11) для потребителя, при этом часть сигнала с выхода фотоприемника (9) через усилитель (12) поступает в пороговый блок (13). При превышении величины сигнала верхнего порогового значения пороговый блок выдает сигнал (команду) через исполнительное устройство (14) на блок управления приводом (15), на котором установлен диск АРУ и производится поворот диска до тех пор, пока величина принимаемого сигнала не станет меньше верхнего порогового значения.

Аналогичная процедура осуществляется при снижении сигнала ниже нижнего порогового значения до поворота диска АРУ в положение с минимальной оптической плотностью. При этом для уменьшения сцинтилляций принимаемого сигнала, вызванных турбулентностью атмосферы, N сформированных приемных субапертур многоапертурной приемной антенны разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, расстояние l в указанной выше плоскости между наиболее удаленными границами ближайших между собой (друг к другу) приемных субапертур должно быть не меньше утроенной величины зоны Френеля со стороны лазерного терминала, находящегося в режиме приема

l>3(^*L)^1/2,

где I - длина волны принятого оптического сигнала,

L - расстояние между двумя лазерными терминалами, образующими линию атмосферной оптической связи.

При этом количество N субапертур определяется энергетическим потенциалом линии связи. Рассмотрим, каким образом определяется величина l, например, для многоапертурной приемной антенны, состоящей из 4-х приемных субапертур (расположение субапертур показано на фиг. 4): примем значение диаметра соответствующей приемной субапертуры D= 100 мм, расстояние между ближайшими границами ближайших между собой приемных субапертур t=20 мм, длину волны принятого оптического сигнала =0,8 микрон, расстояние между двумя лазерными терминалами L=5 км, в результате получим

L=2D+t=1002+20=220 мм > 3xL=3 0,810 м^-6510 м³ = 190 мм

Рассмотрим также пример выполнения диска АРУ оптического сигнала (см. фиг. 5). Диск АРУ может представлять собой стеклянный диск толщиной примерно 3-6 мм и диаметром примерно 40 мм. На торцевой поверхности диска, разделенного, например, на 12 (двенадцать) секторов, нанесены отражающие и поглощающие (или те и другие) покрытия. При этом оптическая плотность изменяется от сектора к сектору по окружности непрерывно или дискретно, что может быть проиллюстрировано в виде выражения:

₀> ₁>₂..............₉>₁₀>₁₁,

где где ₀, ₁........₁₁ - оптическая плотность, соответствующих секторов диска АРУ, при этом сектор, имеющий наибольшую оптическую плотность обозначен как ₀ = 1.

При прохождении принятого светового пучка (оптического сигнала) через диск АРУ, при его повороте осуществляется требуемое регулирование принимаемого сигнала.

Автоматическая регулировка усиления оптического сигнала может быть осуществлена и с помощью набора оптических фильтров, вводимых в оптический пучок (оптический сигнал) шаговым двигателем (приводом), управляемым сигналом, например, с порогового блока через исполнительное устройство и блок управления шаговым двигателем (приводом).

Таким образом, как было показано выше, использование в заявленном устройстве N лазерных передатчиков и многоапертурной передающей антенны, позволяющей формировать эффективную ширину диаграммы направленности излучения, обеспечивающую расширение диапазона метеорологических условий, при которых работает образуемая лазерными терминалами линия связи, а также использование соответствующей обработки в приемнике принятого оптического сигнала, при определенным образом расположенных приемных субапертурах, позволяет достичь указанный технический результат - уменьшение сцинтилляций принимаемого оптического сигнала, повышение надежности работы при любых атмосферных условиях, что проявляется в увеличении доступности сформированной линии связи, снижении стоимости за счет уменьшения количества используемых лазерных передатчиков и отсутствия необходимости обеспечивать параллельность оптических лучей, формируемых многоапертурной передающей антенной, что в свою очередь приводит к более эффективной компенсации флуктуации сигнала, вызванных турбулентностью атмосферы.