Система открытой оптической связи

 

Изобретение относится к системам оптической связи и может использоваться для двухсторонней передачи информации. Технический результат заключается в увеличении дальности, скорости и надежности связи и снижении веса, габаритов и стоимости системы связи. Система содержит несколько абонентских приемопередающих станций с оптическими излучателями, средствами модуляции и фотодетекторами и базовую станцию, содержащую несколько излучателей, приемное устройство с фотодетекторами и широкоугольным объективом, который выполнен в виде линзы и оптически связан с фотодетекторами, а излучатели базовой станции снабжены индивидуальными устройствами формирования оптического луча. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к системам открытой оптической связи и может быть использовано для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией, например при организации обмена по схеме "точка-многоточка", то есть при двустороннем обмене информацией между одной базовой станцией и несколькими абонентскими станциями.

Ключевыми компонентами систем, выполненных по принципу "точка-многоточка", являются передатчики, излучающие в нескольких заданных направлениях отдельные друг от друга оптические пучки, промодулированные, в общем случае, различными передаваемыми сигналами, и приемники на основе фотодетекторов для раздельного приема оптических сигналов, приходящих с разных направлений. Системы открытой оптической связи, работающие по схеме "точка-многоточка", обладают существенными преимуществами перед системами, в которых оптические приемники и/или передатчики выполнены по многоканальному принципу, то есть в виде набора отдельных однотипных каналов, работающих по схеме "точка-точка". Применение многоканального принципа построения систем открытой оптической связи увеличивает массу, габариты и стоимость системы примерно во столько раз, сколько направлений (отдельных световых пучков) необходимо реализовать для организации связи, так как в каждом однотипном канале содержатся все элементы и узлы, необходимые для обеспечения связи, в том числе те, которые в системах типа "точка-многоточка" представлены в единственном экземпляре и используются для обеспечения работы всех каналов.

Известна система открытой оптической связи, (см. описание к патенту Великобритании 2180116, Н 04 В 9/00, 1987 [1]). Эта система выполнена в виде нескольких фотодетекторов и нескольких излучателей, размещенных на криволинейной поверхности, например полусфере. Недостатками известной системы являются: сложность юстировки излучателей по отношению к соответствующему каждому из них приемнику; ограниченность применения, заключающаяся в небольшой дальности связи из-за больших энергопотерь, обусловленных расходимостью световых лучей излучателей. При увеличении дальности связи указанные потери приводят к необходимости сужать полосу принимаемых частот, поскольку полоса частот, в которой возможна надежная работа канала тем уже, чем слабее оптическое излучение, улавливаемое фотодетектором.

Известна система открытой оптической связи, описанная в патенте США 5909296, НКИ 359-152, 1999 [2]. Эта система содержит излучатели со средствами модуляции светового пучка и один или несколько приемников оптического излучения со средствами демодуляции. Для уменьшения расходимости пучков каждый из излучателей снабжен микролинзой. Излучатели выполнены неподвижными относительно этих линз, что исключает возможность коррекции ширины и направления луча при изменении расстояния или угла между приемной и передающей станциями. Поэтому, несмотря на уменьшение расходимости световых лучей за счет применения линз, эффективность системы во многих случаях оказывается малой.

Из описания к патенту США 3713163 [3] известна система связи с множеством движущихся объектов. Эта система содержит излучатели и приемники, размещенные в параксиальной области на фокальной поверхности единого фокусирующего устройства, например параболического отражателя или линзы. Несколько излучателей и приемников выполнены с возможностью их вращения вокруг оси фокусирующего устройства, что обеспечивает их нацеливание на требуемый объект. Недостатком этой системы является применение фокусирующего устройства с узким полем зрения, что ограничивает телесный угол, в пределах которого могут перемещаться множественные объекты, параксиальной областью.

Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности и достигаемому результату является система открытой оптической связи, известная из описания к заявке на изобретение WO 00/48338, Н 04 В 10/70, 10/26, 2000 [4]. Предложенная в [4] система, при ее реализации для двусторонней связи, содержит множество излучателей и множество фотодетекторов, размещенных в фокальной поверхности коллективной линзовой системы базовой приемопередающей станции с широким угловым полем зрения, а также излучатели и фотодетекторы, смонтированные на нескольких удаленных абонентских станциях. В соответствии с описанием [4] на базовой приемопередающей станции передаваемые и принимаемые пучки оптического излучения проходят через одну и ту же линзовую систему, которая используется как в качестве коллективной оптической антенны, обеспечивающей концентрацию на фотодетекторах предназначенного им излучения, так и в качестве коллимирующего устройства, уменьшающего расходимость пучков, испускаемых излучателями.

Недостатками указанной системы связи являются следующие. Во-первых, применение в приемной и в передающей оптических схемах совместно используемого элемента (в данном прототипе - линзовой системы) требует совмещения в пространстве (или, по крайней мере, оптического совмещения) излучателя и фотодетектора, обеспечивающих двустороннюю связь базовой станции с одной и той же абонентской станцией. Для обеспечения возможности указанного совмещения в пространстве излучатель и фотодетектор должны иметь размер, меньший кружка рассеяния линзовой системы, что, вообще говоря, сложно осуществить и может потребовать значительных затрат.

Оптическое совмещение, когда с помощью светоделителя в пространстве совмещаются зеркальные отражения излучателя и фотодетектора, также требует дополнительных затрат. Кроме того, при высокой плотности размещения излучателей и фотодетекторов, требования, предъявляемые к компактности светоделителей, могут оказаться технически не реализуемыми. Во-вторых, линзовая система, предложенная в известной системе связи [4], состоит из линзы с широким полем зрения и второй, "фокусирующей" (по терминологии авторов [4]), линзы. Спецификой таких линзовых систем является то, что у них входной зрачок существенно меньше диаметра первой линзы. В результате, для достижения обычного в практических приложениях диаметра зрачка 50-150 мм может потребоваться использование первой линзы с диаметром, который, вообще говоря, во много раз больше требуемого зрачка.

Линзовые системы большого (200 мм и более) диаметра являются чрезвычайно дорогостоящими, кроме того, их применение может потребовать увеличения габаритов и веса базовой станции до неприемлемых величин. К этому выводу приводят следующие соображения. Во-первых, широкоугольные объективы характеризуются соотношением D/F≥1, где D - диаметр объектива, a F - его фокусное расстояние. Во-вторых, известно, что для многолинзовых систем где d - диаметр зрачка, γ - угловая ширина поля зрения, а параметр С для различных систем лежит в пределах 0,22-0,24 (см. Д.С. Волосов. Фотографическая оптика. М.: Искусство, 1978, с.296 [5]). Из вышеприведенных соотношений следует, что При γ=120^o и F=150 мм это выражение дает D/d>10.

Таким образом, в широкоугольной многолинзовой системе диаметр по крайней мере одной линзы на порядок превосходит диаметр зрачка, что ведет к увеличению габаритов и веса станции. Это увеличение может стать совершенно неприемлемым, если попытаться достичь необходимых для обычных практических приложений значений d=50-150 мм.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение дальности, скорости и надежности связи и снижение веса, габаритов и стоимости системы связи.

Указанный результат достигается тем, что система открытой оптической связи содержит несколько абонентских приемопередающих станций с оптическими излучателями, средствами модуляции и фотодетекторами и базовую станцию, содержащую несколько излучателей со средствами модуляции, и приемное устройство в виде нескольких фотодетекторов и широкоугольного объектива, при этом указанный объектив выполнен в виде одной линзы и оптически связан только с фотодетекторами, а излучатели базовой станции снабжены индивидуальными устройствами формирования оптического пучка, не имеющими общих оптических элементов с объективом приемного устройства и с устройствами формирования оптического пучка других излучателей базовой станции.

Указанный результат достигается тем, что объектив приемного устройства выполнен в виде шара, с показателем преломления n, который удовлетворяет условию 1<n≤2.

Указанный результат достигается тем, что объектив приемного устройства выполнен в виде набора концентрических слоев сферической формы, изготовленных из оптических материалов с разными показателями преломления так, что сферическая фокальная поверхность этого объектива имеет радиус кривизны R_ф≥R_о, где R_ф - радиус кривизны фокальной поверхности объектива; R_o - радиус кривизны внешней поверхности объектива.

Указанный результат достигается тем, что устройство формирования оптического пучка выполнено по крайней мере из одного фокусирующего элемента.

Указанный результат достигается тем, что устройство формирования оптического пучка выполнено в виде телескопа.

Указанный результат достигается тем, что элементы устройства формирования оптического пучка и соответствующий излучатель выполнены с возможностью их перемещения относительно друг друга.

Указанный результат достигается тем, что устройство формирования оптического пучка снабжено не менее чем двумя клиновидными пластинами из прозрачного для этого пучка материала, установленными на пути распространения пучка и выполненными с возможностью поворота каждой из них вокруг оси пучка.

Указанный результат достигается тем, что устройство формирования оптического пучка снабжено светофильтром и/или ослабителем излучения, установленными на пути распространения пучка и выполненными с возможностью ступенчатого или плавного изменения их пропускания.

Указанный результат достигается тем, что по крайней мере один излучатель снабжен световодом, через который проходит оптическое излучение на пути от излучателя к устройству формирования оптического пучка.

Указанный результат достигается тем, что по крайней мере один фотодетектор снабжен световодом, через который к нему проходит излучение, собранное объективом приемного устройства.

Указанный результат достигается тем, что между излучателями базовой и/или абонентской станции и оптически связанными с ними фотодетекторами абонентской и/или базовой станции установлены оптические усилители.

Указанный результат достигается тем, что по крайней мере один световод выполнен усиливающим.

Указанный результат достигается тем, что базовая станция снабжена датчиком направления местной вертикали и устройством стабилизации поля зрения приемного устройства и поля зрения по крайней мере одного устройства формирования оптического пучка относительно этого направления.

Указанный результат достигается тем, что излучатели абонентских станций снабжены индивидуальными устройствами формирования оптического пучка, конструктивно выполненными так же, как и устройства формирования оптического пучка базовой станции и снабженными такими же дополнительными элементами, как светофильтр и/или ослабитель, и/или клиновидными пластинами.

Указанный результат достигается тем, что по крайней мере одна абонентская станция снабжена датчиком направления местной вертикали и устройством стабилизации относительно этого направления поля зрения оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на ее фотодетекторе и поля зрения по крайней мере одного устройства формирования пучка.

Указанный результат достигается тем, что приемное устройство базовой станции снабжено устройством регистрации углового рассогласования между направлениями визирования каждого из устройств формирования оптических пучков абонентских станций и центрами участков поля зрения приемного устройства, обозреваемых соответствующими этим участкам фотодетекторами базовой станции, предназначенными для приема оптических пучков, испущенных этими абонентскими станциями.

Указанный результат достигается тем, что устройства формирования оптического пучка излучателей базовой станции снабжено устройствами регистрации углового рассогласования между направлениями визирования оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе абонентской станции, для которой указанный оптический пучок предназначен, и осью этого оптического пучка.

Указанный результат достигается тем, что приемное устройство по крайней мере одной абонентской станции снабжено устройством регистрации углового рассогласования между направлением визирования устройства формирования оптического пучка базовой станции, предназначенного для указанной абонентской станции, и центром поля зрения оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе абонентской станции.

Указанный результат достигается тем, что устройство формирования оптического пучка излучателя по крайней мере одной абонентской станции снабжено устройством регистрации углового рассогласования между направлениями визирования приемного устройства базовой станции и осью указанного оптического пучка.

Указанный результат достигается тем, что устройство регистрации углового рассогласования выполнено в виде светоделителя, размещаемого на пути прохождения света между излучателями на базовой или абонентской станции и соответствующими им фотодетекторами, причем на пути отраженных лучей от светоделителя с одной стороны установлен ретрорефлектор, а с другой - фокусирующее устройство, в фокальной области которого размещено устройство регистрации пространственного распределения интенсивности света.

Отличительными признаками заявляемой системы являются: - выполнение указанного объектива в виде одной линзы и оптически связанным только с фотодетекторами и снабжение излучателей базовой станции индивидуальными устройствами формирования оптического пучка, не имеющими общих оптических элементов с объективом приемного устройства и с устройствами формирования оптического пучка других излучателей базовой станции; - выполнение объектива приемного устройства в виде шара, с показателем преломления n, удовлетворяющим условию 1<n≤2;
- выполнение объектива приемного устройства в виде набора концентрических слоев сферической формы, изготовленных из оптических материалов с разными показателями преломления так, что сферическая фокальная поверхность этого объектива имеет радиус кривизны
R_ф≥R_o,
где R_ф - радиус кривизны фокальной поверхности объектива;
R_o - радиус кривизны внешней поверхности объектива;
- выполнение устройства формирования оптического пучка по крайней мере из одного фокусирующего элемента;
- выполнение устройства формирования оптического пучка в виде телескопа;
- выполнение элементов устройства формирования оптического пучка и соответствующего излучателя с возможностью их перемещения относительно друг друга;
- снабжение устройства формирования оптического пучка не менее чем двумя клиновидными пластинами из прозрачного для этого пучка материала, установленными на пути распространения пучка и выполненными с возможностью поворота каждой из них вокруг оси пучка;
- снабжение устройства формирования оптического пучка светофильтром и/или ослабителем излучения, установленными на пути распространения пучка и выполненными с возможностью ступенчатого или плавного изменения их пропускания;
- снабжение по крайней мере одного излучателя базовой станции световодом, через который проходит оптическое излучение на пути от излучателя к устройству формирования оптического пучка;
- снабжение по крайней мере одного фотодетектора световодом, через который к нему проходит излучение, собранное объективом приемного устройства;
- установка между излучателями базовой и/или абонентской станции и оптически связанными с ними фотодетекторами абонентской и/или базовой станции оптических усилителей;
- выполнение по крайней мере одного световода усиливающим;
- снабжение базовой станции датчиком направления местной вертикали и устройством стабилизации поля зрения приемного устройства и поля зрения по крайней мере одного устройства формирования оптического пучка относительно этого направления;
- снабжение излучателей абонентских станций индивидуальными устройствами формирования оптического пучка, конструктивно выполненными так же, как и устройства формирования оптического пучка базовой станции и снабжение их такими же дополнительными элементами, как светофильтр, и/или ослабитель, и/или клиновидные пластины;
- снабжение по крайней мере одной абонентской станции датчиком направления местной вертикали и устройством стабилизации относительно этого направления поля зрения оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на ее фотодетекторе и поля зрения по крайней мере одного устройства формирования пучка;
- снабжение приемного устройства базовой станции устройством регистрации углового рассогласования между направлениями визирования каждого из устройств формирования оптических пучков абонентских станций и центрами участков поля зрения приемного устройства, обозреваемых соответствующими им фотодетекторами базовой станции, предназначенными для приема оптических пучков, испущенных этими абонентскими станциями;
- снабжение устройства формирования оптического пучка излучателей базовой станции устройствами регистрации углового рассогласования между направлениями визирования оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе абонентской станции, для которой указанный оптический пучок предназначен, и осью этого оптического пучка;
- снабжение оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе, по крайней мере одной абонентской станции устройством регистрации углового рассогласования между направлением визирования устройства формирования оптического пучка базовой станции, предназначенного для указанной абонентской станции, и центром поля зрения оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе абонентской станции;
- снабжение устройства формирования оптического пучка излучателя по крайней мере одной абонентской станции устройством регистрации углового рассогласования между направлениями визирования приемного устройства базовой станции и осью указанного оптического пучка;
- выполнение устройства регистрации углового рассогласования в виде светоделителя, размещаемого на пути прохождения света между излучателями на базовой или абонентской станции и соответствующими им фотодетекторами, причем на пути отраженных лучей от светоделителя с одной стороны установлен ретрорефлектор, а с другой - фокусирующее устройство, в фокальной области которого размещено устройство регистрации пространственного распределения интенсивности света.

Выполнение базовой станции таким образом, что широкоугольный объектив выполнен в виде только одной линзы и оптически связан только с ее фотодетекторами, а ее излучатели снабжены индивидуальными устройствами формирования оптического пучка, позволяет существенно снизить массогабаритные характеристики базовой станции и облегчить юстировку ее элементов для установления двусторонней связи с абонентскими станциями. Действительно, при выполнение объектива всего из одной линзы диаметр зрачка в 50 мм достигается при диаметре линзы около 100 мм. Соответственно, при таком уменьшении размеров широкоугольного объектива размещение в его фокальной области и фотодетекторов и излучателей становится трудноосуществимым. Облегчение юстировки достигается тем, что объектив выполняет только одну функцию, а именно - оптической антенны, а каждый излучатель базовой станции наводится на соответствующую ему абонентскую станцию с помощью индивидуального устройства формирования оптического пучка независимо от других подобных устройств других излучателей.

Снабжение по крайней мере одного излучателя базовой станции индивидуальным устройством формирования оптического пучка, не имеющим общих оптических элементов с объективом приемного устройства и с устройствами формирования оптического пучка других излучателей базовой станции, позволяет размещать излучатель исходя из оптимизации конструкции системы в целом, а не в непосредственной близости от одного из фотодетекторов базовой станции.

При отделении тракта устройства формирования оптического пучка от других оптических систем базовой станции также появляется возможность вносить любые требуемые изменения в тракт формирования пучка, не затрагивая оптического тракта приемного устройства базовой станции и оптических трактов (или оптического тракта, если он у них общий) устройств формирования других пучков. В частности, возможно выполнение тракта формирования пучка, допускающего перемещение его элементов друг относительно друга, а также внесение различных дополнительных оптических элементов, обеспечивающих оптимальное достижение специфических для данного тракта задач (регулировка расходимости и направления оси пучка на выходе, а также усиление или ослабление мощности пучка, и т.д.).

В частных случаях реализации использование в качестве объектива шаровой линзы обеспечивает возможность приема сигналов от абонентов, расположенных в пределах очень широкого углового поля зрения (более 120^o), причем ограниченного не собственно линзой, которая в силу своей центральной симметрии, в принципе способна охватить поле до 360^o, а винъетированием световых лучей элементами конструкции базовой станции. При этом, как показывают расчеты и эксперименты авторов данного изобретения, входной зрачок такой оптической антенны, изготовленной из однородного материала, может составлять 40-60% от диаметра шаровой линзы. Авторами экспериментально исследовались условия работы системы при значениях относительного отверстия d/F до 0,66.

В частности, в практически реализованной авторами системе "точка-многоточка", в качестве объектива использовался шар диаметром 128 мм, изготовленный из тяжелого флинта ТФ-5, имевший зрачок примерно диаметром 55 мм, что достаточно для обеспечения надежной связи с множеством абонентских терминалов, расположенных на расстояниях до 800-1000 метров. Абонентские терминалы могут располагаться в пределах углов ±60^o в вертикальной и горизонтальной плоскостях, причем углы ограничиваются только затенением поля зрения оправой шаровой линзы и могут быть увеличены при изменении конструкции оправы. Следует отметить, что эффективный размер зрачка объектива с шаровой линзой не зависит от направления прихода световых лучей, что увеличивает надежность работы данной системы связи.

Выполнение шара из однородного оптического материала с показателем преломления, удовлетворяющего условию 1<n≤2, обеспечит нахождение фокальной поверхности шаровой линзы за ее пределами, что позволяет беспрепятственно размещать фотодетекторы в области оптимальной фокусировки оптического излучения, испущенного той или иной абонентской станцией в направлении базовой станции. Положение указанной области хотя и зависит от расстояния до абонентской станции, однако находится вблизи фокальной поверхности. В частности, в реализованной авторами изобретения системе оптической связи фокальная поверхность располагается в примерно в 8 мм от поверхности шаровой линзы, что позволяет размещать фотодетекторы на расстоянии от линзы, достаточном для их удобной настройки.

Выполнение сферической линзы в виде набора концентрических слоев сферической формы позволяет подбором соотношения коэффициентов преломления слоев расположить фокальную поверхность линзы на заранее заданном расстоянии от линзы, что упрощает конструирование устройств, непосредственно прилегающих к фокальной поверхности (в частности, креплений фотодетекторов). Кроме того, подбором толщины и показателя преломления слоев можно добиться увеличения эффективного диаметра зрачка линзы по сравнению с линзой из однородного материала. В этом случае достижимы значения А, близкие к единице. При этом в любом случае должно обеспечиваться условие, что эта фокальная поверхность располагается за пределами самой линзы (т.е. R_ф≥R_o).

Выполнение устройства формирования оптического пучка в виде как минимум одного фокусирующего элемента позволяет уменьшить расходимость пучка, а следовательно, сократить энергопотери, что в свою очередь повышает надежность связи.

Выполнение устройства формирования оптического пучка в виде телескопа и обеспечение возможности перемещения его элементов и излучателя относительно друг друга позволяет регулировать, путем продольных перемещений излучателя относительно устройства формирования, кривизну сферической составляющей волнового фронта пучка на выходе, и, как следствие, диаметр пучка на соответствующем абонентском терминале. Кроме того, появляется возможность точного наведения пучка на абонентский терминал путем поперечного перемещения источника относительно выходной апертуры устройства формирования пучка.

Снабжение устройства формирования оптического пучка не менее чем двумя клиновидными пластинами из прозрачного материала, установленными на пути распространения пучка и выполненными с возможностью их поворота вокруг оси этого пучка, позволяет обеспечить наведение пучка на абонентский терминал. В частности, если пластин две, то их поворот друг относительно друга эквивалентен изменению клиновидности суммарной пластины, и, как следствие, в отклонению пучка по отношению к оси устройства. Одновременный поворот обеих пластин приводит к вращению оси пучка вокруг оси устройства. Таким образом, применяя совместное и отдельное друг от друга вращение пластин возможно наведение пучка на требуемый абонентский терминал с высокой точностью в пределах угла ±2α(n-1), где α - клиновидность каждой пластины, n - показатель преломления материала пластин.

Оснащение устройства формирования пучка светофильтром позволяет беспрепятственно пропускать излучение рабочей длины волны и, в то же время, защищать излучатель от вредного воздействия излучения от других источников (например, Солнца).

Снабжение указанного устройства формирования ослабителем излучения, установленным на пути распространения пучка, позволяет настраивать выходную мощность в зависимости от потерь излучения на трассе между базовой и абонентской станциями. Если, например, станция размещена в помещении и излучает оптические пучки через оконное стекло, вносящее потери света (до 20-50% в зависимости от толщины и марки стекла), то пучок можно не ослаблять в тракте его формирования. В то же время, если станция установлена снаружи, то для поддержания той же, что при наличии окна, мощности пучка на выходе, в ряде случаев целесообразно его ослабить внутри оптического тракта. Это связано с тем, что выходная мощность пучка, вообще говоря, лимитируется требованиями его безопасности для зрения, а также динамическим диапазоном фотодетектора, на который пучок направлен.

Снабжение излучателей и фотодетекторов световодами позволяет, например, разделить оптико-механические и электронные системы станций в отдельные конструктивные блоки, что упрощает защиту электронной аппаратуры от неблагоприятных факторов внешней среды. Кроме того, оптическая конструкция становится более компактной и экономичной при использовании световодов.

Использование оптических усилителей на пути распространения света от излучателей к фотодетекторам ведет к дальнейшему увеличению мощности принимаемого сигнала и тем самым к повышению качества связи. Выполнение усилителей в виде световодов позволяет оптимальным образом использовать энергию, запасенную в усиливающей среде этих усилителей.

Снабжение абонентской и/или базовой станций датчиком направления местной вертикали позволяет выявить наклоны соответствующей станции, вызванные, например, неоднородным нагревом опор, на которых закреплена станция, а также ветровыми нагрузками на эти опоры. Например, даже при установке станции внутри здания, когда большинство неблагоприятных факторов на нее непосредственно не действуют, наклоны станции относительно местной вертикали, связанные с деформацией здания в целом, могут достигать 10^-3 рад и более. Связанное с датчиком устройство стабилизации позволяет компенсировать наклоны и тем самым избежать углового смещения излучаемых пучков, которое на расстоянии порядка 1 км может трансформироваться в линейное смещение пучка относительно приемника до нескольких метров (при установке станции внутри здания). При установке станции вне здания, указанные смещения могут быть значительно больше. Устройство стабилизации позволяет устранить эти смещения. Тем самым повышается надежность и дальность связи.

Снабжение излучателей абонентских станций такими же устройствами формирования оптического пучка, как и у излучателей базовой станции, обеспечит системе в целом те преимущества, о которых упоминалось выше при описании конструкции базовой станции.

Снабжение системы оптической связи устройством, которое регистрирует угловое рассогласование между направлением визирования противоположной станции и осью принимаемого или излучаемого пучка, позволяет осуществлять точное наведение принимаемого пучка на соответствующий фотодетектор станции и излучаемого пучка на соответствующую приемную апертуру противоположной станции. В результате достигается увеличение дальности и надежности связи.

Наиболее целесообразным представляется выполнение устройства регистрации углового рассогласования в виде светоделителя, размещаемого на пути прохождения света между излучателями на базовой или абонентской станции и соответствующими им фотодетекторами, причем на пути отраженных лучей от светоделителя с одной стороны установлен ретрорефлектор, а с другой - фокусирующее устройство, в фокальной области которого размещено устройство регистрации пространственного распределения интенсивности света.

Сущность заявляемой системы открытой оптической связи поясняется примером ее реализации и чертежами. На фиг.1 схематично представлен общий вид системы с предпочтительным вариантом реализации базовой станции; на фиг.2 схематично показан поперечный разрез объектива в частном случае реализации - в виде концентрических слоев сферической формы; на фиг.3 представлена принципиальная схема предпочтительного варианта реализации устройства формирования оптического пучка, которым снабжены излучатели базовой станции и могут быть снабжены излучатели абонентских станций; на фиг.4 схематично показано устройство для регистрации угловых рассогласований.

Система открытой оптической связи содержит базовую приемопередающую станцию 1 и несколько абонентских приемопередающих станций 2. Передающая станция содержит широкоугольный объектив 3, выполненный в виде одной линзы, выполняющий роль оптической антенны, который в частных случаях может быть выполнен в виде однородного или многослойного шара. Объектив закреплен в оправе 4, жестко закрепленной на основании станции (на чертеже не показано). На основании станции установлены несколько блоков 5, каждый из которых представляет собой объединенный в общем корпусе излучатель и устройство формирования оптического пучка. С оправой, непосредственно или через промежуточные элементы, жестко соединен датчик местной вертикали 6, который выбирается из числа известных (например, это может быть электропроводящий маятник, свободно колеблющийся в жидкой электропроводящей среде, размещенной в корпусе, на стенках которого закреплены контакты). Датчик соединен с блоком управления устройства стабилизации базовой станции (на чертеже не показано), которое может быть выбрано из числа известных. Кроме того, с основанием жестко соединены устройства привода 7, обеспечивающие угловое перемещение блоков 5 относительно него. С объективом оптически связаны фотодетекторы 8, которые в частных случаях могут быть снабжены световодами 9 для транспортировки оптического излучения, собранного объективом, к фотодетектору. В частных случаях эти световоды могут быть выполнены усиливающими.

Абонентские станции, так же как и базовая, могут быть снабжены аналогичными датчиком вертикали, устройствами формирования оптических пучков, устройствами регистрации углового рассогласования и т.п. На чертежах они не показаны, поскольку конструктивно аналогичны используемым на базовой станции. Кроме этого, абонентские станции снабжаются оптическими системами, обеспечивающими концентрацию излучения на их фотодетекторах (т.е. приемными оптическими системами), которые выбираются из числа известных.

В блоке 5 устанавливается оптический излучатель (например, полупроводниковый лазер) и устройство формирования оптического пучка, которое в самом общем виде может быть выполнено в виде по крайней мере одного фокусирующего элемента или в предпочтительном варианте в виде телескопа 11 или аналогичной формирующей оптической системы и дополнено в частных случаях светофильтром 12, ослабителем 13 и парой оптических клиньев 14.

Линзы телескопа 11 установлены с возможностью их трехкоординатного перемещения относительно излучателя и друг друга (или трехкоординатного перемещения излучателя относительно линз), а клинья - с возможностью вращения относительно оси оптического пучка.

Устройство регистрации угловых рассогласований содержит светоделитель 15, который может быть выполнен в виде полупрозрачной пластины или светоделительного кубика. Светоделитель устанавливается между элементами системы связи, угловое рассогласование которых между собой следует устранить, например, между устройством формирования оптического пучка базовой станции, размещенным в блоке 5 и приемной оптической системой абонентской станции 2. На пути отраженных от светоделителя световых пучков размещены с одной стороны ретрорефлектор 16 и фокусирующее устройство 17 - с другой. В фокальной области фокусирующего устройства размещают устройство 18 регистрации пространственного распределения интенсивности света, выполненное в виде фоточувствительного элемента, например в виде ПЗС-матрицы.

При этом устройство регистрации угловых рассогласований может быть выполнено стационарным, а может быть и переносным. Последний вариант представляется более дешевым, поскольку одно устройство может быть использовано при юстировке системы связи перед запуском и при проверке или при устранении рассогласований в процессе эксплуатации. В этом случае на станциях предусматриваются соответствующие установочные гнезда.

Система оптической связи функционирует следующим образом.

Перед запуском системы оптической связи осуществляют юстировку приемопередающих устройств базовой станции 1 относительно абонентских станций 2 и каждой абонентской станции 2 относительно базовой станции 1. Для этого устройство регистрации угловых рассогласований должно быть размещено на базовой станции так, чтобы светоделитель 15 находился на пути прохождения света от устройства 5 формирования оптического пучка к приемной оптической системе абонентской станции 2. Устройство регистрации угловых рассогласований ориентируют так, чтобы изображение приемной оптической системы абонентской станции 2, формируемое фокусирующим устройством 17, оказалось на устройстве 18 регистрации пространственного распределения интенсивности света, которое и позволяет зарегистрировать это изображение, поскольку изображение физически представляет собой определенное пространственное распределение интенсивности света. Часть пучка от излучателя устройства 5 ответвляется светоделителем 15 на ретрорефлектор 16 (например, триппельпризма), который разворачивает световые лучи на 180^o и направляет их на фокусирующее устройство 17. Это устройство формирует изображение дальней зоны пучка на элементе 18. Устройство 5 формирования оптического пучка ориентируют так, чтобы изображение пучка совместилось на устройстве 18 с изображением приемного устройства абонентской станции 2.

Таким образом, на устройстве 18 одновременно засвечиваются два пятна. Одно из них несет информацию о диаграмме направленности пучка базовой станции, а второе - о положении абонента. Совпадения этих пятен, фиксируемые по сигналам от устройства регистрации, соответствуют точному наведению пучка. Для обеспечения этого совпадения грубая юстировка осуществляется с помощью привода 7, обеспечивающих угловое перемещение блока 5 относительно основания станции, а более точная - путем поворота клиньев 14.

После этого устройство регистрации угловых рассогласований перемещают так, чтобы светоделитель был размещен на базовой станции между устройством формирования оптического пучка абонентской станции 2 и центром объектива 3 базовой станции 1 и путем перемещения приемника (фотодетектора 8 или конца световода 9, если он используется) добиваются совмещения изображения приемника на устройстве 18 с изображением выходной апертуры устройства формирования оптического пучка абонентской станции 2 по процедуре, описанной выше.

Таким же путем осуществляют юстировку на абонентской станции, добиваясь соответственно углового согласования между устройством формирования пучка этой станции и приемным устройством базовой станции и между фотодетектором абонентской станции и устройством формирования пучка базовой станции.

Проведение указанных выше котировочных операций с устройствами формирования пучка и приемными устройствами как на базовой станции, так и на абонентской обеспечивает расположение согласовываемых объектов на одной линии визирования и совмещение осей их диаграмм направленности. Излучение от излучателя 10 базовой станции 1, модулированное информационным сигналом с помощью известных средств модуляции (на чертежах не показаны), проходит последовательно устройство формирования пучка 11, светофильтр 12, ослабитель 13 и котировочные клинья 14 и через открытое пространство попадает на приемное устройство абонентской станции 2, которое выполнено известным образом, где подвергается демодуляции.

Аналогичным образом осуществляется передача от абонентской станции на приемное устройство базовой станции. На пути световых пучков от станции к станции в частных случаях могут быть установлены оптические усилители известной конструкции с необходимым набором оптических элементов, обеспечивающих прохождение передаваемых пучков через эти усилители (на чертеже не показаны в силу известности).

Компактность системы в сочетании с большой шириной углового поля приемного устройства позволяет одной базовой станции одновременно осуществлять обслуживание многих (до нескольких десятков) абонентов при высокой скорости информационного потока для каждого абонента (не менее 600 Мбит/с).

Формула изобретения

1. Система открытой оптической связи, содержащая несколько абонентских приемо-передающих станций с оптическими излучателями, снабженными средствами модуляции и фотодетекторами, и оптически связанную с ними базовую станцию, содержащую несколько излучателей со средствами модуляции, и приемное устройство в виде нескольких фотодетекторов и широкоугольного приемного объектива, который выполнен в виде одной линзы и оптически связан с фотодетекторами, а каждый излучатель базовой станции снабжен оптически связанным с ним индивидуальным устройством формирования оптического пучка.

2. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что линза широкоугольного объектива выполнена в виде шара, с показателем преломления n, удовлетворяющим условию 1<n≤2.

3. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что линза широкоугольного объектива выполнена в виде шара, состоящего из набора концентрических слоев сферической формы, изготовленных из оптических материалов с разными показателями преломления так, что сферическая фокальная поверхность этого объектива имеет радиус кривизны R_ф≥R_о, где R_ф - радиус кривизны фокальной поверхности объектива; R_о - радиус кривизны внешней поверхности объектива.

4. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что устройство формирования оптического пучка выполнено, по крайней мере, из одного фокусирующего элемента.

5. Система оптической связи по п. 4, отличающаяся тем, что фокусирующий элемент устройства формирования оптического пучка выполнен в виде телескопа.

6. Система оптической связи по п. 4, отличающаяся тем, что элементы устройства формирования оптического пучка и соответствующий излучатель выполнены с возможностью их перемещения относительно друг друга.

7. Система оптической связи по п. 4, отличающаяся тем, что устройство формирования оптического пучка снабжено не менее чем двумя клиновидными пластинами из прозрачного для этого пучка материала, установленными на пути распространения пучка и выполненными с возможностью поворота каждого из них вокруг оси пучка.

8. Система оптической связи по п. 4, отличающаяся тем, что устройство формирования оптического пучка снабжено светофильтром и/или ослабителем излучения, установленными на пути распространения пучка, и выполненными с возможностью ступенчатого или плавного изменения их пропускания.

9. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один излучатель снабжен световодом, через который проходит оптическое излучение на пути от излучателя к устройству формирования оптического пучка.

10. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один фотодетектор снабжен световодом, входной торец которого расположен в области, где объектив приемного устройства собирает излучение, которое должно быть доставлено к фотодетектору.

11. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что между излучателями базовой и/или абонентской станции и оптически связанными с ними фотодетекторами абонентской и/или базовой станции установлены оптические усилители.

12. Система оптической связи по п. 9 или 10, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один световод выполнен усиливающим.

13. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что базовая станция снабжена устройством стабилизации поля зрения приемного устройства и поля зрения, по крайней мере, одного устройства формирования оптического пучка относительно местной вертикали.

14. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели абонентских станций снабжены индивидуальными устройствами формирования оптического пучка, конструктивно выполненными так же, как и устройства формирования оптического пучка базовой станции, и снабженными такими же дополнительными элементами.

15. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна абонентская станция снабжена устройством стабилизации относительно местной вертикали поля зрения оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на ее фотодетекторе, и поля зрения, по крайней мере, одного устройства формирования пучка.

16. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что приемное устройство базовой станции снабжено устройством регистрации углового рассогласования между направлениями визирования каждого из устройств формирования оптических пучков абонентских станций и центрами участков поля зрения приемного устройства, обозреваемых соответствующими этим участкам фотодетекторами базовой станции, предназначенными для приема оптических пучков, испущенных этими абонентскими станциями.

17. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что устройства формирования оптического пучка излучателей базовой станции снабжены устройствами регистрации углового рассогласования между направлениями визирования оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе абонентской станции, для которой указанный оптический пучок предназначен, и осью этого оптического пучка.

18. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что приемное устройство, по крайней мере, одной абонентской станции снабжено устройством регистрации углового рассогласования между направлением визирования устройства формирования оптического пучка базовой станции, предназначенного для указанной абонентской станции, и центром поля зрения оптической системы, обеспечивающей концентрацию излучения на фотодетекторе абонентской станции.

19. Система оптической связи по п. 14, отличающаяся тем, что устройство формирования оптического пучка излучателя, по крайней мере, одной абонентской станции снабжено устройством регистрации углового рассогласования между направлениями визирования приемного устройства базовой станции и осью указанного оптического пучка.

20. Система оптической связи по п. 15, или 16, или 17, или 18, отличающаяся тем, что устройство регистрации углового рассогласования выполнено в виде светоделителя, размещаемого на пути прохождения света между излучателями на базовой или абонентской станции и соответствующими им фотодетекторами, причем на пути отраженных лучей от светоделителя с одной стороны установлен ретрорефлектор, а с другой - фокусирующее устройство, в фокальной области которого размещено устройство регистрации пространственного распределения интенсивности света.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4