Оптическая система связи с ножевидной подсветкой
Изобретение относится к области беспроводной оптической связи. Технический результат состоит в повышении эффективности передачи информации в системе беспроводной оптической связи. Для этого мобильное устройство выполнено с возможностью формирования передающего и приемного каналов, а стационарное устройство выполнено с возможностью передающего и приемного каналов, при этом в передающем канале мобильного устройства размещен набор лазерных светодиодов, выполненных в виде линейки, формирующей индикатрису излучения в виде «ножа»; в приемном канале стационарного устройства установлен одномерный координатор положения мобильного устройства, причем такой координатор содержит бифокальный объектив и ПЗС-линейку; в передающем блоке стационарного устройства в передней фокальной плоскости объектива размещена линейка лазерных диодов, выполненная с возможностью включения одного лазерного диода, положение которого соответствует направлению на мобильное устройство. 13 ил.
Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано в системах связи между различными устройствами как мобильными, так и стационарными.
Системы беспроводной (инфракрасной, атмосферной) оптической связи предназначены для передачи данных, голоса и видео. Как и волоконно-оптические системы, они используют луч лазер для передачи сигнала между приемопередающими устройствами. Однако, в отличие от волоконной оптики, сигнал передается через открытую воздушную среду, а не по оптическому волокну. Для приема и передачи цифрового сигнала между беспроводными оптическими устройствами необходимо наличие прямой видимости. Другими словами, между ними не должно быть никаких помех (таких, например, как деревья). Беспроводные оптические системы используются для создания высокоскоростных и безопасных каналов связи, которые можно развернуть в течение очень малого промежутка времени. В частности, новые системы серии TereScope 10 Giga (http://newsdesk.pcmag.ru/taxonomy/term/7919) [1], обеспечивающей беспроводную атмосферную передачу данных в сетях 10 Gigabit Ethernet и STM-64, могут работать на расстояниях до 800 м при благоприятных погодных условиях. Для обеспечения устойчивой и надежной связи при любых погодных условиях расстояния между приемопередающими устройствами TS-10GE не должны превышать 300 метров.
Системы беспроводной оптической связи уже установлены в различных компаниях, включая больницы, банки, операторы связи, муниципальные службы и военные ведомства во многих странах мира, предлагая беспроводные решения различного уровня сложности. В корпоративных сетях эти системы могут быть использованы для организации высокоскоростных каналов связи между офисами, что позволяет избежать затрат на аренду выделенных линий. Беспроводные оптические каналы связи предлагают серьезную альтернативу волоконной оптике в случаях, когда необходимо обеспечить работу высокоскоростных приложений (таких как видеоконференции), а стоимость прокладки кабеля слишком высока. Другим популярным приложением беспроводных оптических систем является организация временных каналов связи во время выставок, конференций, спортивных мероприятий или для быстрого восстановления связи при аварии волоконно-оптической линии.
Разработка оптических систем связи уже много лет ведется в разных странах, в частности, в России можно упомянуть опубликованные заявки на патенты №98117651 [2] и 99113237 [3]. Оригинальные решения представлены также в международных заявках, например, PCT/GB2000/000456 [4] и PCT/US2000/041160 [5].
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, изложенное в патенте США №6,914,266 [6], где описана система оптической связи между двумя устройствами: мобильным и стационарным. Схема устройства такой системы оптической связи представлена на Фиг.1.
Оптическая линия связи, представленная на Фиг.1, состоит из базовой станции 2 и мобильной станции 1, каждая из которых содержит оптический приемопередатчик. Оптический передатчик 2, 3 представляет собой двумерную матрицу светодиодов и одинаков как для базовой станции, так и для мобильной станции. Оптический приемник 5, 6 представляет собой двумерную матрицу фотодиодов и также одинаков для базовой станции и мобильной станции.
Выбранная в качестве прототипа система оптической связи [6] из-за особенностей построения оптической схемы приемного канала обладает либо низкой эффективностью, либо малым отношением сигнал/шум в зависимости от ее настройки. Этот факт не позволяет уверенно принимать информационный сигнал при большем расстоянии между мобильной и базовой станцией и/или при ухудшении состояния атмосферы.
Конструктивная особенность построения системы передающего блока стационарного устройства приводит к увеличению его габаритов, повышению сложности его построения и трудоемкости изготовления, а также повышению энергопотребления.
Использование для передачи информации источников излучения с длиной волны более 900 нм снижает удобство эксплуатации системы связи, за счет трудностей, возникающих при наведении мобильного устройства на базовую станцию. Также накладываются дополнительные ограничения на параметры источников излучения, из-за более жестких требований по безопасности излучения для глаз в этом спектральном диапазоне длин волн.
Применение в качестве источника излучения в передающем канале стационарного устройства двумерной матрицы светодиодов или лазерных диодов не позволяет повысить скорость передачи информации, из-за необходимости применения сложной электронной схемы для управления ее работой.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы разработать такую систему оптической связи, которая обеспечивала бы повышенную эффективность в работе, при этом система должна быть простой по конструкции для снижения себестоимости, а также энергосберегающей.
Технический результат достигнут за счет разработки усовершенствованной системы оптической связи, включающей два устройства, а именно:
- мобильное устройство, которое по видимому световому лучу запрашивает и принимает информацию, состоящее из
- передающего канала, включающего объектив, в фокальной плоскости которого расположен эквидистантный дискретный набор лазерных диодов,
- приемного канала в составе расположенных один за другим формирующего объектива и фотоприемника для приема информации;
- стационарное устройство, которое по световому лучу обнаруживает мобильное устройство, фиксирует запрос и передает на него запрашиваемую информацию, в свою очередь также состоящее из
- передающего канала, в составе расположенных друг за другом формирующего объектива и набора светодиодов, обеспечивающих заданное угловое отклонение, угловую расходимость и необходимые параметры модуляции светового луча для передачи необходимой информации на мобильное устройство,
- приемного канала, состоящего из объектива и фотоприемника, для обнаружения и определения угловых координат мобильного устройства;
при этом с целью
- повышения эффективности за счет снижения энергопотребления и удешевления конструкции, в передающий канал мобильного устройства введена линейка светодиодов, формирующая индикатрису излучения в виде «ножа»;
- удешевления конструкции приемного канала стационарного устройства в нем используется оптический 1D угловой датчик (одномерный координатор положения мобильного устройства), содержащий бифокальный объектив и ПЗС-линейку,
- для упрощения передающего канала стационарного устройства и снижения его энергопотребления без снижения мощности принимаемого мобильным устройством информационного светового луча, передающий блок стационарного устройства в передней фокальной плоскости объектива содержит линейку лазерных диодов, из которой при известном угловом положении мобильного устройства «зажигается» один лазерный диод, положение которого соответствует направлению на мобильное устройство.
Далее заявляемая система оптической связи описывается в деталях с привлечением графических материалов.
Система оптической связи состоит из двух устройств: мобильного устройства и стационарного устройства (см. Фиг.2). Мобильное устройство 201 - телефон-акцептор, который по световому лучу запрашивает и принимает информацию. Стационарное устройство 202 - базовая станция-донор, которая по световому лучу фиксирует запрос и передает на устройство 201 запрошенную информацию. На Фиг.2 представлена схема взаимного расположения мобильного устройства 201 и стационарного устройства 202. Ось устройства 201 и ось устройства 202 лежат в одной плоскости.
Устройство 201 направляет ось своего передающего канала 205 на устройство 202 и передает ему запрос по световому лучу на выдачу необходимой информации. При этом приемный канал 203 устройства 201 включается и готов принимать запрошенную информацию от устройства 202.
Когда приемный канал 204 устройства 202 выделяет из шумов сигнал запроса, то активизируется передающий канал 206 для передачи запрошенной информации по световому лучу в сторону устройства 201. Далее приемный канал 203 устройства 201 принимает запрошенную информацию.
Таким образом, устройства 201 и 202 имеют передающий и приемный каналы, а именно, приемный канал 203 устройства 201, передающий канал 205 устройства 201, приемный канал 204 устройства 202, передающий канал 206 устройства 202.
Передающий канал 205 представляет собой простейшую схему - объектив 301, в фокусе которого располагается источник излучения 302 (Фиг.3).
Таким образом, на выходе передающего канала формируется индикатриса светового излучения в виде «ножа». Для быстрого обнаружения мобильного устройства в широком диапазоне углов отклонения последнее должно обладать широкой диаграммой направленности, поэтому только небольшая часть энергии попадает в приемную систему стационарного устройства. После обнаружения и захвата устройства мобильного устройства стационарным, для его удержания по оптическому каналу требуется существенно меньшая по углу диаграмма направленности оптического излучения мобильного устройства, что может существенно уменьшить энергетические потери мобильного устройства, но для этого диаграмма направленности последнего должна варьироваться в зависимости от режима работы, т.е. должна быть управляемой. Такая схема реализуется с использованием линейки лазерных диодов, с помощью которой, меняя порядок включения отдельных лазерных диодов, можно получать источники излучения разных размеров и разного положения относительно оптической оси системы, а это позволит менять не только угловой размер диаграммы излучения, но и направление его оси, оптимальным образом подстраивая ее под приемную систему стационарного устройства.
Приемный канал 203 построен на базе простейшей схемы - объектива, в фокальной плоскости которого расположен фотодиод с большой площадью светочувствительной поверхности, для обеспечения большого углового поля приема информационного сигнала от устройства 202.
Приемный канал 204 должен не только принять сигнал запроса, но и измерить угловые координаты устройства 201. Это позволит направить ось индикатрисы информационного сигнала передающего канала 206 в направлении на приемный канал 203. Таким образом, приемный канал 204 представляет собой одномерный датчик угла прихода излучения (Фиг.5). Он состоит из бифокального объектива, в фокальной плоскости которого расположена линейка фотодиодов. Бифокальный объектив используется для согласования пятна рассеяния с пикселями прямоугольного размера линейки фотодиодов. Прямоугольные пиксели используются для дополнительного повышения отношения сигнал/шум.
Передающий канал 206 построен по схеме, состоящей из линейки лазерных диодов, расположенных в фокальной плоскости объектива, как показано на Фиг.6. После определения датчиком приемного канала стационарного устройства угла прихода излучения от мобильного устройства, на линейке лазерных диодов зажигается один лазерный диод, соответствующий по положению в линейке, направлению на мобильное устройство. Такое построение приемного и передающего каналов стационарного устройства позволяет резко сократить энергопотребление стационарного устройства и упростить его конструкцию.
В качестве предпочтительного варианта реализации заявляемого изобретения предлагается система на основе следующих расчетов каналов оптической связи.
Передающий канал 205 мобильного устройства 201, как было обосновано выше, состоит из объектива, в передней фокальной плоскости которого находится линейка светодиодов. Расчетная схема системы приведена на Фиг.7.
Исходные данные:
b=0,30 мм - размер элемента линейки лазерных диодов;
f'=17,20 мм - фокусное расстояние объектива;
D=10,0 мм - размер входного зрачка объектива.
Результаты расчетов представлены в табл.1 ниже:
| Таблица 1 | |||||
| Параметры ОС передающего канала мобильного устройства. | |||||
| № | Тип поверхности | Радиус | Толщина | Стекло | ⌀, мм |
| 1 | Объект | ∞ | 15,0 | Воздух | - |
| 2 | Сферическая поверхность | 27,226 | 2,0 | K8 | 10 |
| 3 | Сферическая поверхность | -12,769 | 0,0 | Воздух | 10 |
| 4 | Апертурная диафрагма | ∞ | ∞ | Воздух | 10 |
| 5 | Изображение | ∞ | - | - | - |
Приемный канал мобильного устройства состоит из объектива, в задней фокальной плоскости которого находится фотоприемник. Схема организации приемного канала представлена на Фиг.8.
По результатам конструкторского расчета получены следующие значения геометрических параметров элементов приемного канала:
b=0,40 мм - размер чувствительной площадки фотоприемника;
f'=11,45 мм - заднее фокусное расстояние объектива;
D=8,0 мм - диаметр входного зрачка объектива;
θ=1,0 град - угловая ширина принимаемого светового пучка.
Схема хода лучей приведена на Фиг.9.
Результаты расчета оптических параметров элементов приемного канала приведены в табл.2.
| Таблица 2 | |||||
| Параметры ОС приемного канала мобильного устройства | |||||
| № | Тип поверхности | Радиус | Толщина | Стекло | ⌀, мм |
| 1 | Объект | ∞ | ∞ | Воздух | - |
| 2 | Апертурная диафрагма | ∞ | 0,0 | Воздух | 8 |
| 3 | Сферическая поверхность | 7,018 | 2,0 | К8 | 8 |
| 4 | Сферическая поверхность | -32,963 | 10,0 | Воздух | 8 |
| 5 | Изображение | ∞ | - | - | - |
Диаметры поверхностей 2, 3 и 4 оптической системы передающего канала мобильного устройства равны 10 мм.
Приемный канал стационарного устройства сформирован из бифокального объектива ОВ, в задней XZ фокальной плоскости которого находится линейка фотодиодов CCD. Бифокальный объектив нужен для оптимального заполнения неквадратной чувствительной площадки отдельного фотодиода в линейке. Схема расположения элементов приемного канала приведена на Фиг.10.
Исходные и рассчитанные параметры элементов приемного канала приведены ниже;
b=0,3 мм - высота площадки отдельного фотодиода линейки;
- 1-е фокусное расстояние бифокального объектива;
- фокусное расстояние цилиндрической линзы;
- 2-е фокусное расстояние бифокального объектива;
D=10,0 мм - диаметр входного зрачка объектива;
α=20,0 град - максимальный угол принимаемого луча.
Схема хода лучей в приемном канале стационарного устройства приведена на Фиг.11. Рассчитанные параметры оптических элементов приемного канала приведены в табл.3.
| Таблица 3 | |||||
| Параметры ОС приемного канала стационарного устройства. | |||||
| Тип поверхности | Радиус | Толщина | Стекло | ⌀, мм | |
| 1 | Объект | ∞ | ∞ | Воздух | - |
| 2 | Апертурная диафрагма | ∞ | 0,0 | Воздух | 10 |
| 3 | Сферическая поверхность | 22,883 | 1,0 | К8 | 10 |
| 4 | Сферическая поверхность | 16,862 | 2,0 | ТФ4 | 10 |
| 5 | Сферическая поверхность | -15,502 | 1,0 | Воздух | 10 |
| 6 | Цилиндрическая поверхность | -514,0 | 1,0 | К8 | 10 |
| 7 | Плоская поверхность | ∞ | 8,88 | Воздух | 10 |
| 8 | Изображение | ∞ | - | - | - |
Передающий канал стационарного устройства состоит из объектива, в передней фокальной плоскости которого находится линейка светодиодов. Расчетная схема системы приведена на Фиг.12.
Из конструктивных соображений были рассчитаны или выбраны следующие значения геометрических параметров системы:
b=0,3 мм - размер отдельного лазерного диода;
d=0,8 мм - период решетки лазерных диодов;
f'=17,52 мм - заднее фокусное расстояние объектива;
D=10,0 мм - диаметр входного зрачка объектива;
α=20,0 град - максимальный угол отклонения светового пучка.
Схема хода лучей приведена на Фиг.13.
Результаты расчета оптических параметров канала приведены в табл.4.
| Таблица 4 | |||||
| Параметры ОС передающего канала стационарного устройства | |||||
| № | Тип поверхности | Радиус | Толщина | Стекло | ⌀, мм |
| 1 | Объект | ∞ | 15,0 | Воздух | - |
| 2 | Сферическая поверхность | 14,337 | 2,0 | ТФ4 | 10 |
| 3 | Сферическая поверхность | -96,937 | 1,0 | К8 | 10 |
| 4 | Сферическая поверхность | -121,878 | 0,0 | Воздух | 10 |
| 5 | Апертурная диафрагма | ∞ | ∞ | Воздух | 10 |
| 6 | Изображение | ∞ | - | - | - |
Разработанная система с успехом может применяться в высокоскоростных системах связи в открытом пространстве, использующих для передачи данных световое излучение, в том числе, для обмена информацией между мобильными устройствами (мобильными телефонами, карманными персональными компьютерами и т.д.) и базовой станцией (терминалы, персональные компьютеры, ноутбуки и т.д.).
Система беспроводной оптической связи, включающая в себя мобильное устройство, выполненное с возможностью формирования как передающего канала за счет объектива, в фокальной плоскости которого расположен эквидистантный дискретный набор лазерных диодов, так и приемного канала за счет расположенных один за другим фокусирующего объектива и фотоприемника, и стационарное устройство, выполненное с возможностью образования как передающего канала за счет формирующего объектива и массива светодиодов, так и приемного канала за счет объектива и фотоприемника, при этом в передающем канале мобильного устройства набор лазерных светодиодов выполнен в виде линейки, выполненной с возможностью формирования индикатрисы излучения в виде «ножа»;
в приемном канале стационарного устройства установлен одномерный координатор положения мобильного устройства, причем такой координатор содержит бифокальный объектив и ПЗС-линейку;
в передающем блоке стационарного устройства в передней фокальной плоскости объектива размещена линейка лазерных диодов, выполненная с возможностью включения одного лазерного диода, положение которого соответствует направлению на мобильное устройство.
