Устройство оптической линии связи

Изобретение относится к системам оптической связи и может быть использовано в атмосферных линиях связи. Технический результат состоит в уменьшении зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения (ОИ) передатчика, прошедшего через слой атмосферы. Для этого уменьшают расходимость оптического излучения передатчика в М раз, оценивают характерный размер пятна ОИ передатчика - D непосредственно в плоскости приема и применяют многоапертурную оптическую антенну приемника, состоящую из N, где N≥2, приемных объективов, перемещаемых в зависимости от текущего значения D. 3 ил.

 

Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано в атмосферных оптических линиях связи, установленных на мачтах или высотных зданиях.

Известно устройство для атмосферной оптической связи, содержащее многоапертурную приемную антенну [1].

Наиболее близким по техническим признакам к настоящему устройству оптической линии связи является устройство оптической линии связи, состоящее из передатчика и приемника, связанных оптически, матрицы оптических датчиков, блока управления А - производящего вычисление координат энергетического центра пятна оптического излучения (ОИ) на матрице и формирующего сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна ОИ на матрице и центром оптической антенны приемника, блок перемещения А - осуществляющий совмещение в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка, причем матрица оптических датчиков расположена перпендикулярно оптической оси линии связи, приемник расположен в центре матрицы и связан механически с блоком перемещения А и с матрицей, блок управления А связан электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения А [2].

Недостатком прототипа является зависимость энергетического потенциала оптической линии связи от характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения передатчика, прошедшего через слой атмосферы. Данный недостаток вызван следующими обстоятельствами. Для передачи информации в устройстве-прототипе необходимо обеспечить с одной стороны непрерывность облучения оптической антенны приемника промодулированным ОИ при всех допустимых значениях ошибки совмещения в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка - П≤ П_доп, с другой стороны, такой уровень интенсивности ОИ на оптической антенне приемника, при которой собираемая этой антенной мощность ОИ - Р достаточна для передачи информации с требуемым качеством. В работе [3] для одноапертурной оптической антенны приемника устройства-прототипа в качестве компромисса между этими двумя противоречивыми требованиями предложено выбирать характерный размер пучка ОИ - D, как D^*≈2× √ 2× П_доп (в случае гауссовского пучка знак "≈ " заменяется на "="). При этом в рабочей области приема, ограниченной окружностью с диаметром, равным 2× П_доп, зависимость мощности ОИ собираемой приемной антенной от ошибки-совмещения в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка Р(П) изменяется от своего максимального значения при П=0 до своего минимально допустимого значения при П=П_доп. Распространяющийся в атмосфере оптический пучок расширяется в результате дифракции на апертуре передающей оптики, влиянию турбулентности атмосферы [4] и рассеянию на атмосферном аэрозоле [5]. Величина характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения D зависит от текущего состояния атмосферы и меняется во времени. Поэтому расходимость пучка ОИ передатчика выбирают таким образом, чтобы минимально возможное значение D было не менее D^*. Обозначим зависимость мощности ОИ собираемой приемной антенной от ошибки совмещения в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка Р(П), полученную при D=D^* как Р*(П). При этом увеличение характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения, прошедшего слой атмосферы в √ 2 раза приводит к снижению энергетического потенциала оптической линии связи приблизительно в 2 раза (при точном совмещении энергетического центра пятна ОИ на матрице с центром оптической антенны приемника).

Технический результат, который достигается при осуществлении заявленного устройства оптической линии связи, заключается в снижении зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения передатчика, прошедшего через слой атмосферы.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известное устройство оптической линии связи, содержащее передатчик и приемник, связанных оптически, матрицу оптических датчиков, блок управления А - производящий вычисление координат энергетического центра пятна оптического излучения (ОИ) на матрице и формирующий сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна ОИ на матрице и центром оптической антенны приемника, блок перемещения А - осуществляющий совмещение в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка, причем матрица оптических датчиков расположена перпендикулярно оптической оси линии связи, приемник расположен в центре матрицы и связан механически с блоком перемещения А и с матрицей, блок управления А связан электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения А, дополнительно введены оптическая антенна приемника, состоящая из N, где N≥ 2 приемных объективов, оптические оси которых параллельны, связанных волоконно-оптической шиной с фотодетектором приемника, блок управления Б - производящий вычисление характерного размера пятна ОИ на матрице оптических датчиков и формирующего сигналы, на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из N приемных объективов, блок перемещения Б, осуществляющий указанные перемещение приемных объективов, причем блок управления Б связан электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения Б, блок перемещения Б связан механически с приемником и с каждым из N приемных объективов, а рассходимость оптического излучения передатчика уменьшена в М раз.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное техническое решение отличается от прототипа оптической антенной приемника, которая сострит из N, где N≥ 2, приемных объективов, оптические оси которых параллельны, связанных волоконно-оптической шиной с фотодетектором приемника. Кроме этого в устройство дополнительно введены блок управления Б - производящий вычисление характерного размера пятна ОИ на матрице оптических датчиков и формирующего сигналы на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из N приемных объективов, блок перемещения Б, осуществляющий указанные перемещение приемных объективов, причем блок управления Б связан электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения Б, блок перемещения Б связан механически с приемником и с каждым из N приемных объективов, а рассходимость оптического излучения передатчика уменьшена в М раз.

Сущность изобретения заключается в следующем:

применение в устройстве оптической антенны приемника, состоящей из N, где N≥ 2, приемных объективов, оптические оси которых параллельны, связанных волоконно-оптической шиной с фотодетектором приемника, блока перемещения Б, осуществляющего перемещение каждого из приемных объективов, причем блок перемещения Б связан механически с приемником и с каждым из N приемных объективов, позволило влиять (перемещая приемные объективы) на зависимость мощности ОИ передатчика, собираемой оптической антенной приемника на фотодетектор приемник, от характерного размера поперечного сечения пучка ОИ;

введение в состав устройства блока управления Б, связанного электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения Б, позволило производить вычисление характерного размера пятна ОИ на матрице оптических датчиков (непосредственно в плоскости оптической антенны приемника) и формировать соответствующие сигналы на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из N приемных объективов, что позволило уменьшить зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения, прошедшего через слой атмосферы;

уменьшение расходимости оптического излучения передатчика в М раз позволяет “сжать” (увеличить максимальное значение и крутизну) зависимости мощности ОИ передатчика, собираемой одиночным приемным объективом на фотодетектор приемника от величины рассогласования энергетического центра пятна ОИ с центром одиночного приемного объектива, что в совокупности с применением оптической антенны приемника, состоящей из N, где N≥ 2, приемных объективов, оптические оси которых параллельны, связанных волоконно-оптической шиной с фотодетектором приемника, позволяет увеличить долю полезно используемой мощности ОИ передатчика, перехватываемую многоапертурной оптической антенной, и тем самым увеличить энергетический потенциал оптической линии связи.

Таким образом, совокупность введенных в устройство элементов к их связей позволила уменьшить зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения, прошедшего через слой атмосферы, что было практически невозможно при использовании прототипа. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна". Кроме того, так как требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной патентной и научно - технической литературе не обнаружена на дату подачи заявки, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства оптической линии связи, где:

1 - передатчик;

2 - приемник;

3 - приемный объектив;

4 - волоконно-оптическая шина;

5 - фотодетектор приемника;

6 - блок перемещения Б;

7 - блок управления Б;

8 - матрица оптических датчиков;

9 - блок управления А;

10 - блок перемещения А.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Передатчик 1 излучает ОИ, промодулированное информационным сигналом. Часть излучения попадает на оптические датчики, которые образуют матрицу 8 в плоскости, перпендикулярной оптической оси линии связи. Сигналы с выхода датчиков матрицы 8 попадают в блок управления А 9 и в блок управления Б 7. Блок управления А 9 производит вычисление координат энергетического центра пятна ОИ на матрице, например, по алгоритму [6], и формирует сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна ОИ на матрице и центром апертуры оптической антенны приемника 2. Сигнал рассогласования поступает на блок перемещения А 10, который осуществляет совмещение в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка. Блок управления Б 7 производит вычисление характерного размера пятна ОИ на матрице оптических датчиков, например по алгоритму [6], и формирует сигналы на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из N приемных объективов 3, которые поступают на блок перемещения Б 6. Блок перемещения Б 6, осуществляющий указанные перемещение приемных объективов 3. Приемные объективы 3 оптической антенны приемника собирают дошедшее др них промодулированное ОИ передатчика 1, которое по волоконно-оптической шине 4 доставляется до фотодетектора приемника 5. Фотодетектор приемника 5 преобразовывает ОИ в электрический сигнал, из которого в приемнике 2 выделяется передаваемая информация [2].

Поясним, каким образом в блоке управления Б 7 могут быть сформированы сигналы на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из N приемных объективов 3 и как может быть реализован блок перемещения Б 6 на примере оптической антенны приемника из четырех приемных объективов 3 (N=4).

На фиг.2 схематически изображено взаимное расположение матрицы оптических датчиков 8 и четырех приемных объективов 3. Ведем на плоскости матрицы оптических датчиков 8 ортогональную систему координат (х, 0, у), совместив ее начало (точку 0) с центром матрицы оптических датчиков 8. Блок перемещения Б 6 обеспечивает перемещение каждого из четырех приемных объективов 3 по соответствующим четырем направляющим, проложенным вдоль полуосей системы координат (х, 0, у), на расстояние d относительно точки 0.

Рассмотрим случай, когда распределение интенсивности ОИ передатчика 1 на плоскости матрицы оптических датчиков подчиняется гауссовскому закону с характерным размером (по уровню е^-2) D и выполняется условие D>>d₁, где d₁ диаметр приемного объектива 3.

На фиг.3 представлены: области значений параметров D/П_доп и d/П_доп, обозначенные как 11, 12 и 13, в которых отношение Р₄(П=0)/Р*(П=0) составляет не менее 1,00; 1,05 и 1,10 соответственно, а Р₄(П)≥ Р*(П) при П≤ П_доп, где Р₄(П) - зависимость мощности ЛИ принимаемой четырьмя оптическими приемными объективами 3, от ошибки совмещения в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка П.

Из результатов расчетов, приведенных на фиг.3, следует, что для рассматриваемого устройства, в случае N=4, расходимость ОИ передатчика должна быть уменьшена в √ 2 раза (относительно прототипа). При этом минимально возможное значение характерного размера пучка ОИ - D_мин будет равно 2× П_доп. При изменении параметров атмосферы значение D будет изменяться от своего минимального значения (равного 2× П_доп) до максимального.

В блоке управления Б 7 производится вычисление текущего характерного размера пятна ОИ на матрице оптических датчиков и в соответствии с зависимостями на фиг.2 формирует сигнал на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из четырех приемных объективов 3 на расстояние d относительно точки 0. Например, при D=2× П_доп значение d=0,6× П_доп. При увеличении D значение d уменьшается и при , т.е. при увеличении D в раза относительно D_мин, значение d=0 (на самом деле минимальное d=d₁/2, т.к. d≥ d₁/2). Отметим, что при и d=d₁/2 получаем аналог одноапертурной оптической антенны приемника прототипа с зависимостью мощности ОИ собираемой приемной антенной от ошибки совмещения в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка Р*(П). При этом зависимость мощности ЛИ принимаемой четырьмя оптическими приемными объективами 3 от ошибки совмещения в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром оптического пучка Р₄(П)≥ Р*(П) при П≤ П_доп (см. фиг.3).

Таким образом, заявленное устройство оптической линии связи позволяет уменьшить зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения передатчика, прошедшего через слой атмосферы, что было практически невозможно при использовании прототипа.

Источники информации

1. Патент RU 2174741, МКП⁷ Н 04 В 10/10. Устройство для атмосферной оптической связи/ Прохоров Д.В., Сумерин В.В., Хюппенен А.П., Шаргородский В.Д., 10.10.2001, Бюл. №28.

2. Патент RU 2170491, МКП⁷ Н 04 В 10/12. Устройство оптической линии связи/ Авраменко М.Ф.” Ерпылов А.А., 05.01.2000, Бюл. №19.

3. Лазерная космическая связь/Под ред. М. Кацмана, - М., Радио и связь, 1993 г., на стр. 59, 60.

4. Лазерная дальнометрия /Л.А.Аснис, В.П.Васильев, В.Б.Волконский и др./ Под ред. В.П.Васильева и Х.В.Хинрикуса. - М.: Радио и связь, 1995. - 256с.

5. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.А. Перенос изображений в рассеивающей среде. - Мн.: Наука и техника, 1985. - 327с.

6. ГОСТ 26086-84 "Лазеры. Методы измерения диаметра пучка и энергетической расходимости лазерного излучения".

Устройство оптической линии связи, состоящее из передатчика и приемника, связанных оптически посредством линии связи, матрицы оптических датчиков, блока управления А, производящего вычисление координат энергетического центра пятна оптического излучения (ОИ) на матрице и формирующего сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна ОИ на матрице и центром оптической антенны приемника, блока перемещения А, осуществляющего совмещение в пространстве центра оптической антенны приемника с энергетическим центром ОИ, причем матрица оптических датчиков расположена перпендикулярно оптической оси линии связи, приемник расположен в центре матрицы оптических датчиков и связан механически с блоком перемещения А и с матрицей оптических датчиков, блок управления А связан электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения А, отличающееся тем, что оптическая антенна приемника состоит из N, где N≥2, приемных объективов, оптические оси которых параллельны, связанных посредством волоконно-оптической шины с фотодетектором приемника, в устройство дополнительно введены блок управления Б, производящий вычисление размера энергетического центра пятна ОИ на матрице оптических датчиков и формирующий сигналы на перемещение в плоскости матрицы оптических датчиков каждого из N приемных объективов, блок перемещения Б, осуществляющий указанные перемещения приемных объективов, причем блок управления Б связан электрически с оптическими датчиками матрицы и с блоком перемещения Б, блок перемещения Б связан механически с приемником и с каждым из N приемных объективов, а расходимость оптического излучения передатчика выбирается из соотношения: D_мин=2 П_доп, где D_мин - минимальное значение размера энергетического центра пятна, а П_доп - допустимая ошибка совмещения.