Устройство двусторонней оптической связи

 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к системам оптической связи, и может быть использовано для создания оптических систем двусторонней оптической связи с автоматическим регулированием мощности лазерного излучения. Задача изобретения состоит в создании устройства двусторонней оптической связи с расширенным динамическим диапазоном фотоприемника и повышенным соотношением сигнал/шум. Технический результат получен за счет стабилизации средней мощности и амплитуды модуляции светового полезного сигнала на входе фотоприемника при атмосферных флуктуациях, а также за счет расширения динамического диапазона фотоприемника путем устранения влияния солнечной засветки, что повышает соотношение сигнал/шум. Оптическая система наведения принимаемого луча на фотоприемник содержит по крайней мере три линзы, расположенные по периметру приемной площадки, в центре которой расположен передающий лазер. Отражающая поверхность и поворотные зеркала, расположенные под углом к оптической оси, собирающей линзы 5≅α≅10°, обеспечивают юстировку оптической системы. Это снижает отрицательное влияние солнечной засветки, обеспечивает повышенное отношение сигнал/шум и работоспособность лазерной системы связи практически при любых атмосферных условиях и в условиях механических воздействий. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области технической физики, а именно к системам оптической связи, и может быть использовано для создания оптических систем двусторонней оптической связи с автоматическим регулированием мощности лазерного излучения.

Известна оптическая система связи с лазерным регулированием, которая содержит лазерный диод, схему регулирования тока смещения и тока модуляции лазерного диода (см. заявка ЕПВ N 0141192, кл. H 04 В 9/00, опубл. 15.5.85 г. ). В этой системе для передачи импульсных сигналов содержится относительно низкочастотный пилот - сигнал для регулирования токов смещения и модуляции. Во время фазы включения могут возникать ошибки при установке рабочей точки лазерного диода током смещения. Среднее значение световой энергии, отдаваемое лазерным диодом, используется для управления модулирующим током, а амплитуда пилот - сигнала - для регулирования тока смещения. Во время этой фазы регулирования тока смещения не производится и неуправляемый дополнительный ток зависит от поступающего напряжения для изменения тока модуляции.

К недостаткам этого устройства следует отнести низкое соотношение сигнал/шум. Кроме того, при изменении атмосферных воздействий выходное излучение лазера будет изменяться, тогда как излучение лазера, поступающее на контрольный диод, останется неизменным. Это приведет к тому, что сигнал передатчика не будет корректироваться в зависимости от вредных атмосферных воздействий.

Известна лазерная система связи с пилот - сигналом с улучшенным соотношением сигнал/шум, которая содержит лазер, схему гетеродинного фотодетектирования, в которой функции гетеродина выполняет пилот - сигнал (см.пат.США N 3.546465, кл.250-199, опубл.8.12.70 г.). При прохождении этих световых сигналов через атмосферу они подвергаются одинаковому воздействию. Разность этих сигналов не будет зависеть от влияния атмосферы. В приемном устройстве этой системы применены два усилителя широкополосный и узкополосный. Подобное построение схемы приемного устройства позволяет сделать отношение сигнал/шум практически независимым от квантовой эффективности фотодетектора.

Недостатком данного устройства является наличие дополнительного светового сигнала, что усложняет систему связи с пилот - сигналом. Кроме того, не устраняются ошибки, связанные с изменением информационного сигнала из-за нестабильности лазерного излучения и амплитуды модуляции.

Наиболее близким по технической сущности является устройство двусторонней оптической связи, содержащее два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллимирующую оптику и фотоприемник, и схему обработки и регулирования через исполнительный элемент (см. пат. Японии N 25122 кл.96(1)FO, опубл. 23.10.69 г.). Эта система предусматривает автоматическую компенсацию возмущений положения светового пучка, возникающих в результате вариаций метеорологических условий. Исполнительным устройством в этой системе является сервопривод для изменения углового положения коллиматора. Смещение луча лазера после прохождения по трассе фиксируется верхним и нижним фотодетекторами. Разностный сигнал между этими фотоприемниками корректирует угловое положение соответствующего коллиматора.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что устройство не реагирует на изменения уровня сигнала, возникающие в результате снижения интенсивности лазерного излучения (поглощения) при прохождении по трассе в атмосфере, что снижает соотношение сигнал/шум.

Кроме того, наиболее существенным недостатком каждого из вышеприведенных устройств (1,2,3) является малый динамический диапазон работы системы при передаче данных с высокой скоростью, равной и более 100 Мбит/с. Он ограничен динамическим диапазоном фотоприемника и составляет на этих частотах порядка 20 дБ по отношению к сигналу, соответствующему передаче данных с вероятностью ошибки не более 10^-9.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача изобретения состоит в создании устройства двусторонней оптической связи с расширенным динамическим диапазоном работы и повышенным соотношением сигнал/шум.

Технический результат может быть получен за счет стабилизации средней мощности и амплитуды модуляции светового полезного сигнала на входе фотоприемника при атмосферных флуктуациях, а также за счет расширения динамического диапазона фотоприемника путем устранения влияния солнечной засветки.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве двусторонней оптической связи, содержащем два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллиматорную оптику, фотоприемник, схему обработки и регулирования через исполнительный элемент; схема обработки и регулирования выполнена на микроконтроллере, двух формирователях импульсов пилот и полезного сигналов, двух управляющих формирователях импульсов пилот и полезного сигналов и двух усилителей, а в лазер и источник питания соответственно введены контрольный фотоэлемент и исполнительный элемент, управляющий током лазера, при этом первый и второй выходы формирователя импульсов пилот-сигнала подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя импульсов полезного сигнала, первый вход последнего подключен к первому выходу микроконтроллера, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму входам управляющего формирователя импульсов пилот-сигнала, вход управляющего формирователя полезного сигнала подключен к четвертому выходу микроконтроллера, пятый вход которого подсоединен через первый усилитель к контрольному фотоэлементу лазера, второй усилитель входами соединен с фотоприемником оптической системы, а выходом подключен ко второму входу формирователя импульсов полезного сигнала и ко входу формирователя импульсов пилот-сигнала, а выходы управляющих формирователей импульсов пилот и полезного сигналов соединены с исполнительным элементом управления током лазера.

Кроме того, приемопередающая оптическая система устройства выполнена в виде, по крайней мере, трех собирающих линз, расположенных равномерно по периметру приемной площадки, на центральной оси которой с внешней стороны установлен лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а с внутренней последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник, а на оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, которая также оптически связана с фокусирующей линзой, при этом каждое поворотное зеркало установлено к оптической оси собирающей линзы под углом 5^o ≅ α ≅ 10^o.

А также, оптический элемент выполнен в виде отражающей n-гранной призмы, где n - количество установленных собирающих линз, основание которой повернуто к приемной площадке, а зеркальные грани оптически связаны с поворотными зеркалами и фокусирующей линзой, при этом зеркальные грани с основанием составляют угол 3^o ≅ β ≅ 6^o.

И, кроме того, оптический элемент выполнен в виде линзы с выпуклой зеркальной поверхностью, которая оптически связана с поворотными зеркалами и фокусирующей линзой.

Стабильность средней мощности и амплитуды модуляции полезного сигнала обеспечиваются путем автоматического включения на рабочую точку и изменением в желаемую сторону амплитуды модуляции лазерного диода по сигналу ошибки, передаваемому пилот-сигналом, распространяющимся от передатчика к приемнику в атмосфере одновременно с полезным сигналом.

Благодаря введенному микроконтроллеру оценивается уровень мощности, принимаемой приемным узлом системы. В микроконтроллере вырабатывается сигнал ошибки и по пилот-сигналу передается команда передающей стороне об изменении средней мощности и амплитуды модуляции. Кроме того, микроконтроллер приемной стороны формирует управляющее напряжение U_упр (по пилот-сигналу передающей стороны), изменяя тем самым в нужную сторону амплитуду модуляции и среднюю мощность соответствующего лазерного диода. При этом обеспечивается стабильность светового поля на входе фотоприемников при изменении условий распространения излучения в атмосфере, что улучшает соотношение сигнал/шум системы.

Кроме того, использование предлагаемой оптической системы, в которой по крайней мере три собирающие линзы расположены симметрично по периметру приемной площадки, а фотоприемник находится на центральной оси системы, обеспечивает работу фотоприемника в сходящихся лучах, что приводит к увеличению спектральной селективности системы (снижения фоновой засветки) и формированию селективного угла зрения приемника. Это достигается тем, что в оптической системе наведения луча на приемную площадку, установка поворотных зеркал производится под углом 5-10^o, а отражающих поверхностей оптического элемента под углом 3-6^o градусов позволяет направить все принимаемое излучение на площадку фотоприемника при минимальных габаритах устройства, что повышает в устройстве соотношение сигнал/шум в условиях механических воздействий.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлено устройство двусторонней оптической связи, в котором схема обработки и регулирования обеспечивала бы высокое соотношение сигнал/шум за счет стабилизации средней мощности лазерного излучения и стабилизации амплитуды модуляции полезного сигнала при атмосферных флуктуациях. И, кроме того, не выявлена приемопередающая оптическая система, обеспечивающая расширение динамического диапазона фотоприемника за счет устранения влияния солнечной засветки при высокой механической стабильности, что увеличивает соотношение сигнал/шум.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "Изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства двусторонней оптической связи.

На фиг. 2 приведена схема обработки и регулирования приемопередающего узла.

На фиг.3 показана оптическая схема приемопередающего узла для n=4.

На фиг.4 показана внешняя сторона оптической площадки приемопередающего узла.

На фиг. 5 показан оптический элемент, выполненный в виде линзы с выпуклой зеркальной поверхностью.

На фиг. 6 представлено распределение интенсивности принятого лазерного излучения по приемной площадке фотоприемника.

На фиг. 7 показано распределение интенсивности луча на фотоприемнике от одной линзы.

На фиг. 8 представлена зависимость мощности от угла зрения для неселективной (осесимметричной) оптической системы и для предлагаемой оптической схемы (фиг. 3).

Предлагаемое устройство двусторонней оптической связи (фиг. 1) содержит приемопередающие узлы 1,2, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему 3, включающую лазер 4 с источником питания 5, коллиматорную оптику 6, и фотоприемник 7, и схему обработки и регулирования 8 через исполнительный элемент 9, встроенный в источник питания.

Схема обработки и регулирования 8 (фиг. 2) включает микроконтроллер 10, два формирователя импульсов пилот-сигнала 11 и полезного сигнала 12. Формирователь импульсов пилот-сигнала содержит последовательно соединенные фильтр низкой частоты 13 (ФНЧ), усилитель 14 (У) и компаратор (КП) 15. Кроме того, устройство содержит два управляющих формирователя импульсов пилот-сигнала 16 и полезного сигнала 17, первый 18 и второй 19 усилители, контрольный фотоэлемент 20, встроенный в лазер 4, при этом первый и второй выходы формирователя импульсов пилот-сигнала подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя импульсов полезного сигнала 12, содержащего фильтр высокой частоты 21(ФВЧ), компараторы 22 и 23 и трансформатор 24 T₂; первые входы пороговых компараторов 22 и 23 подключены к первому выходу микроконтроллера 10, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму входам управляемого формирователя импульсов пилот-сигнала 16, содержащего источник тока G₃ 25. Управляющий формирователь импульсов полезного сигнала 17, содержащий два источника тока 26,27 различной полярности G₁ и G₂ и трансформатор T₁ 28, подключен к четвертому выходу микроконтроллера, пятый вход которого соединен с контрольным фотоэлементом 20 через первый усилитель 18, а второй усилитель 19 входами подсоединен к фотоприемнику 7, а выходом - ко входам формирователей импульсов пилот 11 и полезного 12 сигналов. Выходы управляющих формирователей импульсов пилот 16 и полезного сигналов 17 подключены к исполнительному элементу 9 управления током, расположенному в источнике питания лазера 5. Вход и выход информации осуществляется в согласующем устройстве 29.

Кроме того, приемопередающая оптическая система 3 выполнена в виде четырех собирающих линз 30 (фиг.3), расположенных равномерно по периметру приемной площадки 31, на центральной оси 32 которой с внешней стороны установлены лазер 4 с источником питания 5 и коллиматорная оптика 6, а с внутренней последовательно размещены оптический элемент 33 с отражающей поверхностью 34, фокусирующая линза 35 и фотоприемник 7, а на оптической оси 36 каждой собирающей линзы 30 установлено поворотное зеркало 37, оптически связанное с собирающей линзой 30 и отражающей поверхностью 34 оптического элемента 33, которая также оптически связана с фокусирующей линзой 35, при этом каждое поворотное зеркало 37 установлено к оптической оси собирающей линзы 30 под углом 5^o ≅ α ≅ 10^o.

При этом оптический элемент 33 может быть выполнен как в виде 4-х гранной призмы (для n=4), так и в виде отражающей выпуклой поверхности - линзы с отражающим покрытием (фиг. 5). В случае выполнения ее в виде призмы угол, образованный зеркальной гранью с основанием призмы, выдерживается в пределах 3^o ≅ β ≅ 6^o.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное излучение поступает от одного приемопередающего узла 1 на приемную оптическую площадку 31 (фиг.4) другого приемопередающего узла 2 и собирающими линзами 30 фокусируется на поворотные зеркала 37, которые направляют излучение на оптический элемент 33. Отражающая поверхность 34 оптического элемента 33 направляет излучение на линзу 35, которая фокусирует излучение на приемную площадку фотоприемника 7. Излучение с выхода фотоприемника преобразуется в электрический сигнал, усиливается усилителем 19 и поступает на фильтры высокой 21 (ФВЧ) и низкой 13 (ФНЧ) частоты. Низкочастотная составляющая сигнала представляет собой пилот-сигнал. Высокочастотный - полезный сигнал, выделяемый ФВЧ, поступает на компараторы 22 и 23, обеспечивающие работу раздельно отрицательных и положительных импульсов, и на третий и четвертый входы микроконтроллера 10.

Низкочастотный пилот-сигнал с выхода ФНЧ 13 поступает на усилитель 14 и на первый и второй входы микроконтроллера 10, причем на первый вход поступает постоянная составляющая фотоприемника. В микроконтроллере 10 производится измерение постоянной составляющей принимаемого напряжения фотоприемника 7 и вырабатывается управляющее напряжение U_упр2 для корректировки среднего значения тока лазера по формуле: I₃ = γ(U_упр2+U_{пилот-c.}), где γ - константа; U_упр2 - напряжение управления, U_{пилот-с} - напряжение пилот-сигнала.

С второго и третьего выходов микроконтроллера U_упр2 поступает на управляющий формирователь импульсов пилот- сигнала 16, также как и U_{пилот-с}, увеличивая (уменьшая) среднее значение тока I₃, поступающего на исполнительный элемент 9, управляющий током источника питания лазерного диода.

Различной полярности высокочастотные составляющие сигнала с выхода формирователя импульсов полезного сигнала 12 поступают на третий и четвертый входы микроконтроллера 10. Здесь вырабатывается сигнал U_упр1, который поступает с четвертого выхода микроконтроллера на управляющий формирователь импульсов полезного сигнала 17, на источники тока различной полярности 26, 27, увеличивая (уменьшая) амплитуду модуляции.

С выхода управляющего формирователя импульсов полезного сигнала 17 токи I₁ и I₂ поступают на исполнительный элемент 9. Таким образом, на исполнительный элемент лазерного диода поступают три тока I_d = I₃+I₁-I₂, где I₁ - ток источника питания G₁; I₂ - ток источника питания G₂; I₃ - ток источника питания G₃, регулируя среднее значение тока и амплитуду модуляции.

Таким образом, взаимная работа обращенных друг к другу приемопередатчиков 1,2, образующих полную двустороннюю линию оптической связи, корректируется, не искажая основной информации в канале связи. Кроме того, расширяется динамический диапазон работы фотоприемника и повышается соотношение сигнал-шум, причем не только за счет функциональной схемы, но за счет предлагаемой оптической схемы (фиг.3).

Угол выставления поворотного зеркала 37 5-10^o и угол выставления отражающей поверхности 34 отражающего элемента 33 выбираются из условия уменьшения осевых габаритов системы и с целью направления излучения на фокусирующую линзу 35 в фотоприемник 7. Увеличение углов приводит к уменьшению сигнал-шум из-за увеличения механической нестабильности системы, а их уменьшение не позволяет обеспечить желаемого распределения интенсивности излучения по площадке фотоприемника. Предлагаемое выполнение оптической схемы позволяет получить распределение интенсивности лазерного излучения по приемной площадке фотоприемника 7 такое, как показано на фиг.6. Окружность 38 представляет собой фотоприемную площадку 31, по поверхности которой равномерно распределена интенсивность лазерного излучения в случае, если бы использовалась осесимметричная оптическая система. Вытянутые эллипсы 39 фиг.4 иллюстрируют распределение интенсивности в случае использования 4-х приемных линз 30, поворотных зеркал 37, отражающей поверхности 34 оптического элемента 33 и фокусирующей линзы 35. Эллипсы перекрываются в центре окружности, так что здесь наблюдается максимальная освещенность (фиг. 7).

Зависимость интенсивности излучения от угла зрения в плоскости, проходящей через любую пару линз (для n=4), приведена на фиг. 8, кривая 40. Кривая 41 соответствует зависимости интенсивности излучения от угла зрения для осесимметричной системы. В процессе юстировки лазерной системы оптической связи очень важной характеристикой является допустимый угол зрения системы связи, который определяется диаметром приемной площадки и приведенным фокусным расстоянием оптической системы. Чем больше угол зрения, тем легче съюстировать устройство, но при этом усиливается вредное влияние солнечной засветки, снижающее динамический диапазон фотоприемника. Показанная на фиг. 5 кривая 40, зависимость интенсивности излучения от угла зрения системы связи, позволяет, сохранив требуемый угол зрения для юстировки системы, снизить принимаемый солнечный фон за счет резкого снижения принимаемой мощности при больших углах отклонения от оси. Это позволяет снизить влияние солнечной засветки, увеличить динамический диапазон фотоприемника и устройства в целом и повысить соотношение сигнал/шум устройства двусторонней оптической связи.

Приводим пример, доказывающий возможность практической реализации лазерной системы связи с устройством корректировки вредного влияния атмосферных условий: - длина волны лазерного излучения - 0,785 мкм - средняя мощность лазерного излучения - 25 мВт - частота следования импульсов полезного сигнала - 100 МГц - частота следования импульсов пилот-сигнала - 1 кГц.

Приемопередающий узел лазерной системы связи выполнен в виде цилиндра, размещенного на подставке. Габариты узла - ⊘ 220 х 350 мм.

Характеристики лазерной системы связи:
- величина цифровой ошибки 10^-9BER
- дальность действия 5000 м.

Приведенный пример показывает, что заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Устройство двусторонней оптической связи, содержащее два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллиматорную оптику, фотоприемник, схему обработки и регулирования через исполнительный элемент, отличающееся тем, что схема обработки и регулирования выполнена на микроконтроллере, вырабатывающем управляющее напряжение для корректировки тока лазера, формирователе импульсов пилот-сигнала, формирователе импульсов полезного сигнала, управляющем формирователе импульсов пилот-сигнала, управляющем формирователе импульсов полезного сигнала, двух усилителях, а в схемы лазера и источника питания соответственно введены контрольный фотоэлемент и исполнительный элемент, при этом первый и второй входы формирователя импульсов пилот-сигнала подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя импульсов полезного сигнала, первый вход последнего подключен к первому выходу микроконтроллера, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму входам управляющего формирователя импульсов пилот-сигнала, первый вход управляющего формирователя импульсов полезного сигнала подключен к четвертому выходу микроконтроллера, пятый вход которого соединен через первый усилитель с контрольным фотоэлементом лазера, выход управляющего формирователя импульсов полезного сигнала и выход управляющего формирователя импульсов пилот-сигнала подключены к исполнительному элементу источника питания лазера для управления током лазера, а фотоприемник оптической системы подключен ко второму усилителю, выход которого подсоединен ко входу формирователя импульсов пилот-сигнала и второму входу формирователя импульсов полезного сигнала, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно с первым и вторым входами согласующего устройства, первый и второй выходы которого соответственно подключены ко второму и третьему входам управляющего формирователя импульсов полезного сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемопередающая оптическая система содержит приемную площадку с периметром в виде окружности, центр которой совпадает с центральной осью системы, с одной стороны площадки расположены, по крайней мере, три собирающие линзы, установленные равномерно по периметру приемной площадки и последовательно размещенные на оси лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а с другой стороны площадки последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник, на оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, которая также оптически связана с фокусирующей линзой, при этом каждое поворотное зеркало установлено к оптической оси собирающей линзы под углом 5 ≅ α ≅ 10^o.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен в виде отражающей n-гранной призмы, где n - количество установленных собирающих линз, основание которой повернуто к приемной площадке, а зеркальные грани оптически связаны с соответствующими поворотными зеркалами и фокусирующей линзой, при этом зеркальные грани с основанием призмы составляют угол 3 ≅ β ≅ 6^o.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен в виде линзы с выпуклой зеркальной поверхностью, которая оптически связана с поворотными зеркалами и с фокусирующей линзой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8