Способ передачи информации в открытой оптической системе связи и устройство для его реализации

Изобретение относится к способу и устройству передачи информации в открытых оптических системах связи. Способ передачи информации заключается в пространственном совмещении двух потоков на передающей стороне - опорного и промодулированного. Для опорного потока формируют одну плоскость поляризации, а для промодулированного потока формируют плоскость поляризации, перпендикулярную первой. При выделении выходного сигнала передаваемой информации на приемной стороне разделяют потоки со взаимноперпендикулярными плоскостями поляризации при помощи пространственного разделителя по поляризации. Технический результат заключается в увеличении диапазона линейности демодуляционной характеристики, а также в схемном и конструктивном упрощении реализуемого устройства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам передачи оптической информации и устройствам для их реализации и может быть использовано в открытых оптических системах связи.

Для построения помехоустойчивых систем связи предложены гомодинные и гетеродинные способы приема оптической информации (Шереметьев А.Г., Толпарев Р.Г. Лазерная связь. М.: Связь, 1974, 384 с. - [1]; Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. Учебник. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Логос, 2004. 472 с. - [2]).

Реализация этих способов предполагает наличие гетеродинов-генераторов, а с помощью оптических элементов производят смешивание совмещенных волновых фронтов опорного и сигнального оптических лучей.

Но эти способы характеризуются сложной технической реализацией.

Наиболее близкими к заявленному изобретению по принципу действия и технической реализации является способ приема (Пат. РФ №2216864, МКИ Н 04 В 10/10, «Способ приема информации в открытой оптической системе связи», опубл. 20.11.2003 - [3]) и оптическая линия связи (Пат. РФ №2236089, МКИ Н 04 В 10/10. «Оптическая линия связи», опубл. 10.09.2004 - [4]).

Сущность этого способа заключается в следующем.

С передатчика формируют два когерентных пространственно совмещенных луча одинаковой амплитуды. Один из них является опорным, а второй модулируется по фазе по закону передаваемой информации. Пространственное совмещение опорного и информационного лучей делает их одинаково искаженными как амплитудными, так и фазовыми возмущениями на трассе распространения оптического сигнала от передатчика до приемника.

Эти помехи возникают из-за турбулентности атмосферы, то есть из-за флуктуации прозрачности атмосферы.

В приемнике оба луча создают интерференционную картину в плоскости матрицы фотоприемников, которые разделены на две группы, отстоящие друг от друга в соответствии с пространственным периодом интерференционной картины в отсутствии модуляции. При фазовой модуляции сигнального луча происходит перераспределение оптического поля в плоскости интерференционной картины, определяемое законом модуляции вплоть до смены светлых областей на темные.

Далее производится одновременное раздельное измерение выходных сигналов первой и второй группы фотоприемников, после чего определяется отношение измеренных величин, которое пропорционально модулирующему сигналу в пределах линейного участка демодуляционной характеристики.

Пространственно совмещенные когерентные лучи, которые создают интерференционную картину, получают одинаковые амплитудно-фазовые искажения на трассе распространения.

Распределение интенсивности (облученности) в интерференционной картине зависит от разности фаз опорного и сигнального лучей, что приводит к устранению влияния фазовых возмущений на трассе распространения совмещенных лучей.

Процесс деления значений выходных сигналов одной группы фотоприемников на значения выходных сигналов другой группы позволяет исключить влияние амплитудных возмущений на выходной сигнал делителя.

К недостаткам этого способа и устройства для его реализации следует отнести: ограниченный по диапазону линейный участок модуляционной характеристики и некоторую сложность и большую стоимость элементов, как-то: оптический фазовый модулятор отражательного типа, интерференционный фильтр, матрица фотоприемников с электронными элементами для снятия электрических сигналов с двух групп элементов матрицы; а источник излучения должен быть когерентным.

На устранение этих недостатков направлено заявляемое изобретение.

Технический результат достигается тем, что в способе передачи информации в открытой оптической системе связи, заключающемся в пространственном совмещении двух потоков на передающей стороне, являющейся передатчиком, один из которых является опорным, а второй промодулирован сигналом передаваемой информации, при этом выходной сигнал передаваемой информации выделяют на приемной стороне, являющейся приемником, из потока излучения этих пространственно совмещенных потоков, новым является то, что на передающей стороне для опорного потока формируют одну плоскость поляризации, а для промодулированного потока формируют плоскость поляризации, перпендикулярную первой, при этом при получении промодулированного потока производят его амплитудную модуляцию, а при выделении выходного сигнала передаваемой информации на приемной стороне разделяют потоки со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации при помощи пространственного разделителя по поляризации, указанные потоки падают на соответствующие фотоприемники, выполненные в виде одноэлементных фотоприемников, и получают выходной сигнал передаваемой информации путем формирования отношения измеренных величин сигналов с указанных фотоприемников.

В устройстве для передачи информации в открытой оптической системе связи, состоящее из передатчика и приемника, который включает в себя объектив, демодулятор, два фотоприемника, делитель выделенных сигналов, выходной сигнал которого пропорционален передаваемой информации, новым является то, что передатчик содержит два источника излучения, плоскости поляризации которых взаимноперпендикулярны, светоделительный кубик и собирающие линзы, оптически связанные между собой, первый источник излучения расположен возле первой грани светоделительного кубика и направляет свой поток излучения, являющийся опорным потоком, перпендикулярно на эту грань, возле второй грани, смежной с первой гранью светоделительного кубика, расположен второй источник излучения, направляющий свой поток, являющийся потоком, промодулированным сигналом передаваемой информации, перпендикулярно на вторую грань, возле четвертой грани, смежной с первой гранью светоделительного кубика расположено зеркало под углом 45° к ней так, что отраженный поток, вышедший из четвертой грани, направляется параллельно в сторону потока, вышедшего из третьей грани светоделительного кубика, при этом линзы, собирающие потоки, исходящие от зеркала и светоделительного кубика, имеют параллельные оптические оси, а демодулятором является пространственный разделитель по поляризации, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго одноэлементных фотоприемников, сигналы с которых поступают на входы делителя выделенных сигналов.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

С передатчика на приемник направляется два пространственно совмещенных оптических потока. Один из них является опорным, а второй - информационным, при этом их плоскости поляризации сформированы взаимно перпендикулярными.

Информационный поток промодулирован амплитудой по закону передаваемой информации.

В приемнике эти совмещенные потоки выделяют с помощью пространственного разделителя по поляризации, причем плоскости поляризации этого разделителя совпадают с плоскостями поляризации поступающих потоков.

С помощью двух одноэлементных фотоприемников оптические сигналы, вышедшие из разделителя, преобразуются в электрические сигналы, после чего, как в прототипе, определяется отношение измеренных значений сигналов, которое пропорционально передаваемому модулирующему сигналу.

Демодуляционная характеристика (зависимость величины выходного сигнала приемника от величины передаваемого сигнала) будет линейная при наличии линейных характеристик приемников и разделителя, что является преимуществом заявляемого способа перед прототипом.

Как и в прототипе процесс деления сигналов позволит исключить влияние амплитудных возмущений атмосферы на результирующий выходной сигнал делителя.

Таким образом, заявляемый способ сохраняет положительное качество прототипа (повышенную помехозащищенность линии связи) и имеет больший диапазон линейности демодуляционной характеристики, а также предполагает более простую и более дешевую реализацию конструкции.

Согласно предложенному способу разработана функциональная схема оптической системы связи (см. чертеж).

Здесь:

1 - источник излучения с поляризованным излучением (например, в вертикальной плоскости);

2 - источник излучения с поляризованным излучением (для приведенного примера в горизонтальной плоскости);

3 - светоделительный кубик;

4 - плоское зеркало;

5,6 - собирающие линзы;

7 - объектив приемной оптической системы;

8 - пространственный разделитель по поляризации;

9, 10 - фотоприемники, работающие в том же спектральном диапазоне, что и излучатели 1 и 2;

11 - измеритель отношений электрических сигналов.

Источник излучения 1 расположен возле первой грани светоделительного кубика 3 и направляет свой поток излучения перпендикулярно на эту грань. Возле второй грани (смежной с первой) светоделительного кубика 3 расположен источник излучения 2 и направляет свой поток перпендикулярно на вторую грань. Возле четвертой грани (смежной с первой) светоделительного кубика 3 расположено зеркало 4 под углом 45° к ней так, что отраженный поток (вышедший из четвертой грани) направляется параллельно в сторону потока, вышедшего из третьей грани светоделительного кубика 3. На пути отраженного потока от зеркала 4 и вышедшего потока из третьей грани светоделительного кубика 3 расположены в непосредственной близости собирающие линзы 5 и 6, оптические оси которых параллельны.

Источники излучения 1 и 2 могут быть любыми, работающие обычно в инфракрасном (ИК) ближнем диапазоне спектра. Источники 1 и 2 должны работать на одной длине волны, так как коэффициент пропускания атмосферы зависит от длины волны. Если это источники когерентного излучения, то необходимо их расположить так, чтобы плоскости поляризации были взаимоперпендикулярны. Если это источники смешанного излучения, то применяются поляризаторы (располагающиеся между источниками и кубиком 3) для создания требуемых плоскостей поляризации.

По мощности источники излучения одного порядка, пусть источник 1 опорный, а источник 2 используется в качестве информационного. Мощность излучения источника 2 подвергается амплитудной модуляции от источника передаваемого сигнала (не показан).

Светоделительный кубик 3 (например, светоделительный кубик, делящий падающий поток на два взаимноперпендикулярных потока в соотношении 1:1) служит для смешивания двух взаимноперпендикулярных потоков от излучателей 1 и 2 и направления их на приемную сторону.

Зеркало 4 служит для дополнительного сбора потоков, смешанных и вышедших из светоделительного кубика 3, и направления их на приемную сторону.

Собирающие линзы 5 и 6 служат для формирования параллельных потоков, направляемых в объектив 7 приемной стороны. Как известно из оптики, из-за дифракции потоки излучения, вышедшие из линз, практически всегда имеют некоторую расходимость. Поэтому на расстоянии в десятки-сотни метров они сливаются в один поток, падающий на объектив 7 приемника.

Объектив 7 служит для сбора потоков излучения, которые после объектива поступают на пространственный разделитель 8.

Этот разделитель 8 расположен так, что плоскости его поляризации параллельны плоскостям поляризации потоков излучения, выходящих из объектива 7. Из разделителя 8 выходят два потока излучения со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации и пространственно разделенных под некоторым углом (Гвоздева Н.П. и др. Физическая оптика: Учебник для учащихся средних специальных учебных заведений / Н.П.Гвоздева, В.И.Кульянова, Т.М.Леушина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1991. 304 с. - [5]).

Вместо одного пространственного разделителя по поляризации 8 можно использовать два скрещенных анализатора, расположенных между объективом 7 и фотоприемниками 9 и 10, при этом их плоскости поляризации должны быть параллельны плоскостям поляризации потоков излучения, выходящих из объектива 7.

Потоки излучения, вышедшие из разделителя 8, попадают на соответствующие фотоприемники 9 и 10; например на фотоприемник 9 поток излучения, модулированный по закону передаваемой информации, а на фотоприемник 10 - опорный поток излучения.

Фотоприемники 9 и 10 располагаются симметрично относительно продольной (оптической) оси объектива 7 возле его фокальной плоскости.

Сигналы с фотоприемников 9 и 10 поступают на два входа измерителя отношений U₉/U₁₀, который выполняется по электрической схеме с наиболее возможной точностью деления.

Устройство для передачи информации, реализованное по способу передачи информации в открытой оптической системе связи, работает следующим образом.

Потоки излучения из опорного источника излучения 1 и из информационного источника излучения 2 с помощью светоделительного кубика 3 раздваиваются и смешиваются светоделительным кубиком 3 и зеркалом 4. Полученные две части смешанных потоков поступают на собирающие линзы 5 и 6, после которых получается один поток, проходящий через трассу распространения в атмосфере до объектива 7.

В итоге опорный и информационный потоки проходят через одни и те же участки атмосферы и получают одинаковые искажения.

После объектива 7 потоки (опорный и информационный) разделяются пространственным разделителем по поляризации 8, после чего преобразуются фотоприемниками 9 и 10 в электрические сигналы, которые подаются на делитель 11. Его выходной сигнал U₁₁ пропорционален частному от деления U₉/U₁₀, и является принятым модулирующим сигналом.

Таким образом, в предложенной системе связи, как и у прототипа, сохраняется повышенная помехоустойчивость, но вся система упрощается и удешевляется за счет применения амплитудного модулятора, одноэлементных фотоприемников и пространственного разделителя по поляризации вместо интерференционного фильтра, выполняющего роль демодулятора, многоэлементной матрицы фотоприемников и фазового модулятора.

1. Способ передачи информации в открытой оптической системе связи, заключающийся в пространственном совмещении двух потоков на передающей стороне, являющейся передатчиком, один из которых является опорным, а второй промодулирован сигналом передаваемой информации, при этом выходной сигнал передаваемой информации выделяют на приемной стороне, являющейся приемником, из потока излучения этих пространственно совмещенных потоков, отличающийся тем, что на передающей стороне для опорного потока формируют одну плоскость поляризации, а для промодулированного потока формируют плоскость поляризации, перпендикулярную первой, при этом при получении промодулированного потока производят его амплитудную модуляцию, а при выделении выходного сигнала передаваемой информации на приемной стороне разделяют потоки со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации при помощи пространственного разделителя по поляризации, указанные потоки падают на соответствующие фотоприемники, выполненные в виде одноэлементных фотоприемников, и получают выходной сигнал передаваемой информации путем формирования отношения измеренных величин сигналов с указанных фотоприемников.

2. Устройство для передачи информации в открытой оптической системе связи, состоящее из передатчика и приемника, который включает в себя объектив, демодулятор, два фотоприемника, делитель выделенных сигналов, выходной сигнал которого пропорционален передаваемой информации, отличающееся тем, что передатчик содержит два источника излучения, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, светоделительный кубик и собирающие линзы, оптически связанные между собой, первый источник излучения расположен возле первой грани светоделительного кубика и направляет свой поток излучения, являющийся опорным потоком, перпендикулярно на эту грань, возле второй грани, смежной с первой гранью светоделительного кубика, расположен второй источник излучения, направляющий свой поток, являющийся потоком, промодулированным сигналом передаваемой информации, перпендикулярно на вторую грань, возле четвертой грани, смежной с первой гранью светоделительного кубика, расположено зеркало под углом 45° к ней так, что отраженный поток, вышедший из четвертой грани, направляется параллельно в сторону потока, вышедшего из третьей грани светоделительного кубика, при этом линзы, собирающие потоки, исходящие от зеркала и светоделительного кубика, имеют параллельные оптические оси, а демодулятором является пространственный разделитель по поляризации, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго одноэлементных фотоприемников, сигналы с которых поступают на входы делителя выделенных сигналов.