устройство системы оптической связи с автоматическим сопровождением светового луча на приемнике информации

Формула изобретения

Система беспроводной оптической связи, включающая в себя мобильное устройство, выполненное с возможностью формирования как передающего канала за счет объектива, в фокальной плоскости которого расположен дискретный набор лазерных диодов, так и приемного канала за счет расположенных один за другим фокусирующего объектива и фотоприемника, и стационарное устройство, выполненное с возможностью формирования как передающего канала за счет объектива и массива светодиодов, так и приемного канала за счет объектива и фотоприемника, при этом в фотоприемнике приемного канала мобильного устройства установлен матричный концентратор оптического излучения, состоящий из матрицы короткофокусных фокусирующих линзовых элементов и матрицы призменных отклоняющих элементов; передающий блок стационарного устройства в передней фокальной плоскости объектива содержит один лазерный диод и оптический переключатель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано в системах связи между различными устройствами, как мобильными, так и стационарными.

Системы беспроводной (инфракрасной, атмосферной) оптической связи предназначены для передачи данных, голоса и видео. Как и волоконно-оптические системы, они используют луч лазера для передачи сигнала между приемопередающими устройствами. Однако, в отличие от волоконной оптики, сигнал передается через открытую воздушную среду, а не по оптическому волокну. Для приема и передачи цифрового сигнала между беспроводными оптическими устройствами необходимо наличие прямой видимости. Другими словами, между ними не должно быть никаких помех (таких, например, как деревья). Беспроводные оптические системы используются для создания высокоскоростных и безопасных каналов связи, которые можно развернуть в течение очень малого промежутка времени. В частности, новые системы серии TereScope 10 Giga (http://newsdesk.pcmag.ru/taxonomy/term/7919) [1], обеспечивающей беспроводную атмосферную передачу данных в сетях 10 Gigabit Ethernet и STM-64 могут работать на расстояниях до 800 м при благоприятных погодных условиях. Для обеспечения устойчивой и надежной связи при любых погодных условиях расстояния между приемопередающими устройствами TS-10GE не должны превышать 300 метров.

Системы беспроводной оптической связи уже установлены в различных компаниях, включая больницы, банки, операторы связи, муниципальные службы и военные ведомства во многих странах мира, предлагая беспроводные решения различного уровня сложности. В корпоративных сетях эти системы могут быть использованы для организации высокоскоростных каналов связи между офисами, что позволяет избежать затрат на аренду выделенных линий. Беспроводные оптические каналы связи предлагают серьезную альтернативу волоконной оптике в случаях, когда необходимо обеспечить работу высокоскоростных приложений (таких как видеоконференции), а стоимость прокладки кабеля слишком высока. Другим популярным приложением беспроводных оптических систем является организация временных каналов связи во время выставок, конференций, спортивных мероприятий или для быстрого восстановления связи при аварии волоконно-оптической линии.

Разработка оптических систем связи уже много лет ведется в разных странах, в частности, в России можно упомянуть опубликованные заявки на патенты № № 98117651 [2] и 99113237 [3]. Оригинальные решения представлены также в международных заявках, например, PCT/GB2000/000456 [4] и PCT/US2000/041160 [5].

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, изложенное в патенте США № 6914266 [6], где описана система оптической связи между двумя устройствами: мобильным и стационарным. Схема устройства такой системы оптической связи представлена на Фиг.1.

Оптическая линия связи, представленная на Фиг.1, состоит из базовой станции 2 и мобильной станции 1, каждая из которых содержит оптический приемопередатчик. Оптический передатчик 2, 3 представляет собой двумерную матрицу светодиодов и одинаков как дня базовой станции, так и для мобильной станции. Оптический приемник 5, 6 представляет собой двумерную матрицу фотодиодов, и также одинаков для базовой станции и мобильной станции.

Выбранная в качестве прототипа система оптической связи [6] из-за особенностей построения оптической схемы приемного капана обладает либо низкой эффективностью, либо малым отношением сигнал/шум в зависимости от ее настройки. Этот факт не позволяет уверенно принимать информационный сигнал при большем расстоянии между мобильной и базовой станцией и/или при ухудшении состояния атмосферы.

Конструктивная особенность построения системы передающего блока стационарного устройства приводит к увеличению его габаритов, повышению сложности его построения и трудоемкости изготовления, а также повышению энергопотребления.

Использование для передачи информации источников излучения с длиной волны более 900 нм снижает удобство эксплуатации системы связи, за счет трудностей, возникающих при наведении мобильного устройства на базовую станцию. Также накладываются дополнительные ограничения на параметры источников излучения из-за более жестких требований по безопасности излучения для глаз в этом спектральном диапазоне длин волн.

Применение в качестве источника излучения в передающем канале стационарного устройства двухмерной матрицы светодиодов или лазерных диодов не позволяет повысить скорость передачи информации из-за необходимости применения сложной электронной схемы для управления ее работой.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы разработать такую систему оптической связи, которая обеспечивала бы повышенное отношение сигнал/шум в мобильном устройстве, что позволит принимать информационный сигнал на большем расстоянии и/или при худшем состоянии атмосферы, при этом система должна быть компактной и энергосберегающей.

Технический результат достигнут за счет разработки усовершенствованной системы оптической связи, включающей два устройства, а именно:

- мобильное устройство, которое по видимому световому лучу запрашивает и принимает информацию, состоящее из

- передающего канала, включающего объектив, в фокальной плоскости которого расположен эквидистантный дискретный набор лазерных диодов,

- приемного канала в составе расположенных друг за другом фокусирующего объектива и фотоприемника для приема информации;

- стационарное устройство, которое по световому лучу обнаруживает мобильное устройство, фиксирует запрос и передает на него запрашиваемую информацию, в свою очередь, также состоящее из

- передающего канала, в составе расположенных друг за другом формирующего объектива и набора светодиодов, обеспечивающих заданное угловое отклонение, угловую расходимость и необходимые параметры модуляции светового луча для передачи необходимой информации на мобильное устройство,

- приемного канала, состоящего из объектива и фотоприемника, для обнаружения и определения угловых координат мобильного устройства;

при этом с целью

- повышения эффективности за счет снижения энергопотребления и введена линейка светодиодов, формирующая индикатрису излучения в виде «ножа»,

- удешевления конструкции приемного канала стационарного устройства в нем используется оптический 1D угловой датчик (одномерный координатор положения мобильного устройства), содержащий бифокальный объектив и ПЗС-линейку,

- для упрощения передающего канала стационарного устройства и снижения его энергопотребления без снижения мощности принимаемого мобильным устройством информационного светового луча, передающий блок стационарного устройства в передней фокальной плоскости объектива содержит линейку лазерных диодов, из которой при известном угловом положении мобильного устройства «зажигается» один лазерный диод, положение которого соответствует направлению на мобильное устройство.

Далее заявляемая система оптической связи описывается в деталях с привлечением графических материалов.

Система оптической связи состоит из двух устройств: мобильного устройства и стационарного устройства (см. Фиг.2). Мобильное устройство 201 - телефон-акцептор, который по световому лучу запрашивает и принимает информацию. Стационарное устройство 202 - базовая станция-донор, которая по световому лучу фиксирует запрос и передает на устройство 201 запрошенную информацию. На Фиг.2 представлена схема взаимного расположения мобильного устройства 201 и стационарного устройства 202. Для определенности пусть ось устройства 202 вертикальна и направлена сверху - вниз. Ось устройства 201 образует с осью устройства 202 пространственный угол.

Устройство 201 направляет ось своего передающего канала 205 на устройство 202 и передает ему запрос по световому лучу на выдачу необходимой информации. При этом приемный канал 203 устройства 201 включается и готов принимать запрошенную информацию от устройства 202.

Когда приемный канал 204 устройства 202 выделяет из шумов сигнал запроса, то активизируется передающий канал 206 для передачи запрошенной информации по световому лучу в сторону устройства 201. Далее приемный канал 203 устройства 201 принимает запрошенную информацию.

Таким образом, устройства 201 и 202 имеют передающий и приемный каналы, а именно приемный канал 203 устройства 201, передающий канал 205 устройства 201, приемный канал 204 устройства 202, передающий канал 206 устройства 202.

Передающий канал 205 представляет собой простейшую схему - объектив 301, в фокусе которого располагается источник излучения 302 (Фиг.3).

Приемный канал 203 также строится на базе простейшей схемы - объектива 401, в фокальной плоскости которого расположена площадка фотоприемника 402, однако для уменьшения влияния внутренних шумов приемника излучения в приемном канале 203 используется так называемый оптический матричный концентратор 403 излучения в сочетании с фотоприемником 402 с чувствительной площадкой малого размера (Фиг.4).

Каждый элемент оптического матричного концентратора 403 поправши излучение па одну общую малую площадку фотоприемника 402. Угловой размер элемента концентратора немного (примерно в 2 раза) превышает угловой размер передающего канала 206.

Уменьшение размера чувствительной площадки фотоприемника приводит к уменьшению его внутренних шумов, что весьма полезно, если внешних источников засветки мало или они устранены путем спектральной селекции. Для этого приемный канал 203 обязательно снабжается узкополосным светофильтром.

Приемный канал 204 должен не только принять сигнал запроса, но и измерить угловые координаты устройства 201. Это позволит направить ось индикатрисы информационного сигнала передающего канала 206 в направлении на приемный канал 203. Таким образом, приемный канал 204 должен иметь двумерный датчик угла прихода излучения (Фиг.5).

Такая схемотехника построения приемного канала 204 с бифокальным объективом и двумя ПЗС-линейками автоматически производит угловую селекцию источника информационного сигнала, значительно уменьшая влияние внешних засветок.

Передающий канал 206 построен по схеме с электрооптическим переключателем (Фиг.6).

Ниже представлены результаты расчета некоторых каналов оптической системы связи.

Приемный канал 203 мобильного устройства 201.

Приемная система мобильного устройства 201 состоит из объектива 301, в задней фокальной плоскости которого находится концентратор 403 с фотоприемником 402. Схема приемной системы представлена на Фиг.7.

По результатам расчетов получены следующие значения основных параметров схемы:

D_f=10 мм - диаметр входного зрачка объектива;

D₀=10 мм - диаметр концентратора;

D₁=2.0 мм - диаметр линзового элемента концентратора;

D₂=0.1 мм - диаметр чувствительной площадки фотоприемника;

f'=10,5 мм - фокусное расстояние объектива;

₀=0° - угол при вершине центральной призмы (отсутствие призмы);

₁=33.0° - угол при вершине первой от центра призмы;

₂=41.0° - угол при вершине второй от центра призмы;

r₀=2.5 мм - радиус выпуклой поверхности центрального линзового элемента;

r ₁=2.69 мм - радиус выпуклой поверхности первого от центра линзового элемента;

r₂=3.20 мм - радиус выпуклой поверхности второго от центра линзового элемента.

Передающий канал стационарного устройства.

Передающая система стационарного устройства состоит из одиночного лазерного диода LD, расположенного за ним дискретного однокоординатного электрооптического поляризационного переключателя EOS, выходной зрачок которого находится в передней фокальной плоскости объектива ОВ (Фиг.8).

По результатам расчетов получены следующие значения основных параметров схемы:

b=0,3 мм - размер светящейся площадки лазерного диода, размер изображения площадки на выходе электрооптического переключателя;

d=0,8 мм - шаг переключения;

N=3 - число каскадов переключателя;

n=8 - число позиций переключателя;

l=15 мм - длина переключателя;

f'=17,52 мм - фокусное расстояние объектива;

D=10,0 мм - диаметр входного зрачка;

=20,0 град - максимальный угол отклонения.

Рассчитанные параметры оптической системы приведены в таблице.

Параметры ОС передающего канала стационарною устройства.
№	Тип поверхности	Радиус	Толщина.	Стекло	, мм
1	Объект		15,0	Воздух	-
2	Сферическая пов.	14,337	2,0	ТФ4	10
3	Сферическая пов.	-96,937	1,0	К8	10
4	Сферическая пов.	-121,878	0,0	Воздух	10
5	Апертурная диафр.			Воздух	10
6	Изображение		-	-	-

Таким образом, заявляемая система оптической связи обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:

- повышается эффективность системы связи за счет использования в передающем канале мобильного устройства линейки светодиодов, формирующих индикатрису в виде «ножа»;

- уменьшается стоимость конструкции приемного канала стационарного устройства за счет использования оптического одномерного углового датчика (координатор положения мобильного устройства),

- упрощается формирование передающего канала стационарного устройства и снижается его энергопотребление без снижения мощности принимаемого мобильным устройством информационного светового луча.

Разработанное устройство с успехом можно применять в высокоскоростных системах связи в открытом пространстве, использующих для передачи данных световое излучение, в том числе для обмена информацией между мобильными устройствами (мобильными телефонами, карманными персональными компьютерами и т.д.) и базовой станцией (терминалы, персональные компьютеры, ноутбуки и т.д.).