Способ многоканальной передачи оптических сигналов

Изобретение относится к лазерным системам связи. Техническим результатом является повышение устойчивости передачи информации нескольким абонентам за счет дублирования основного оптического канала дополнительными каналами. В способе устанавливают лазерные приемные устройства на удалении с расположением в стороне относительно рассматриваемой оси распространения пучка излучения передающего лазерного средства, приемное устройство осуществляет прием рассеянного атмосферой излучения передающего лазерного устройства, приемные антенны лазерных приемных устройств ориентируют в направлении оси пучка передающего лазерного устройства, а передаваемую лазерным передающим устройством информацию выделяют каждым из лазерных приемных устройств по изменению величины амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотоприемника. 3 ил.

 

Изобретение относится к области оптико-электронных систем и может быть использовано в лазерных (оптических) системах связи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) (см., например, Аджалов В.И. Патент №21977783, Россия, H04B 10/00, заявлен 15.03.2001, опубликован 27.03.2003. Способ организации доступа к сети передачи пакетов данных. - М.: РОСПАТЕНТ, 2003) является способ организации доступа к сети передачи пакетов данных, основанный на перенацеливании пучка излучения лазерного передающего устройства в направление соответствующего приемного устройства. Недостатком способа является сложность юстировки и, соответственно, возможность потери части передаваемой информации абонентами (приемными устройствами), обусловленной рассогласованием ориентации приемной и передающей оптических антенн (особенно в подвижной линии связи).

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение устойчивости передачи информации нескольким абонентам за счет дублирования основного оптического канала дополнительными каналами менее критичными к ориентации диаграмм направленности оптических антенн.

Технический результат достигается тем, что в известном способе многоканальной передачи оптических сигналов, основанном на нацеливании потока излучения лазерного передающего устройства в направлении одного из N лазерных приемных устройств, установке N-1 лазерных приемных устройств на удалениях, позволяющих им осуществлять прием рассеянного атмосферой излучения передающего лазерного устройства, ориентации приемных антенн N-1 лазерных приемных устройств в направлении оси пучка передающего лазерного средства, выделении передаваемой лазерным передающим устройством информации каждым из N-1 лазерным приемным устройством по изменению величины амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотоприемника.

Сущность изобретения заключается в применении определенного количества приемных устройств, устанавливаемых на определенном удалении относительно направления распространения оптического излучения передающего устройства. Выбор дальности размещения приемных устройств определяется энергетической доступностью рассеянной атмосферой составляющей излучения передающего устройства. При этом изменения величины выходного сигнала приемного устройства будет «повторять» информационный характер амплитудной модуляции излучения передающего устройства. Это дает возможность принимать информацию, передаваемую по оптическому каналу связи нескольким абонентам, использующим в силу свойств распространения оптического излучения в атмосфере приемные устройства, менее критичные к юстировке оптических приемопередающих антенн.

На основе теории рассеяния и переноса рассеянного излучения в атмосфере (см., например, Козирацкий Ю.Л., Козирацкий А.Ю., Кусакин А.В. и др. Оценка энергетических и временных характеристик рассеянного импульсного лазерного излучения. - Журнал Антенны, №4, 2007, стр.16-19) применительно к импульсному оптическому сигналу с внутренней амплитудной модуляцией разработана имитационная модель, подтверждающая возможность приема рассеянного излучения с сохранением закона модуляции в выходном сигнале приемного устройства. На фигуре 1 представлена геометрическая схема рассеяния в направлении приемного устройства 2 оптического импульса генерируемого передающим устройством 1 (с - скорость распространения лазерного излучения в атмосфере, τ_u - длительность оптического импульса, γ - направление приема излучения (направление ориентации диаграммы направленности оптической антенны приемного устройства), l_набл - длина участка наблюдения приемным устройством лазерного пучка (определяется углом поля зрения формирующей оптики β). Ось распространения излучения предающего устройства 1 сориентирована с координатной осью z. Приемное устройство 2 располагается в стороне относительно рассматриваемой оси. При этом ширина диаграммы направленности приемного устройства 2 намного шире длительности передаваемого импульса и диаметра сечения лазерного пучка. Это обеспечивает попадание полного пространственно-временного объема лазерного импульса в поле зрения приемного устройства 2. А также снимает ограничения по строгой юстировке приемной антенны устройства 2 в направление оси лазерного пучка, формируемого передающим устройством 1.

Для анализа процесса рассеяния интенсивность импульсного оптического излучения передающего устройства 1 можно представить в виде:

где α_Σ - суммарный показатель ослабления лазерного излучения на дальности z, I₀ - интенсивность лазерного излучения на выходе лазерного устройства, ΔI_м - изменение интенсивности лазерного излучения по закону амплитудной модуляции, w_мод - частота модулирующего сигнала.

В процессе распространения импульса по оси z в зависимости от нахождения в поле зрения формирующей оптики приемника наблюдается изменение величины потока мощности рассеянного излучения в направлении приемного устройства 2, которое можно разбить на три этапа. Первый этап по мере приближения импульса к границе поля зрения приемника характеризуется ростом потока мощности в приемной плоскости устройства 2. Второй этап характеризуется относительным постоянством потока мощности в приемной плоскости устройства 2, так как весь объем подсвеченного импульсом рассеивающего образования находится в поле зрения формирующей оптики приемника. Третий этап по мере выхода импульса из поля зрения приемного устройства 2 характеризуется спадом потока мощности рассеянного излучения в приемной плоскости приемника.

Интенсивность рассеянного излучения элементарным объемом в направлении приемного устройства можно представить в упрощенном виде (см., например, Козирацкий Ю.Л., Козирацкий А.Ю., Кусакин А.В. и др. Оценка энергетических и временных характеристик рассеянного импульсного лазерного излучения. - Журнал Антенны, №4, 2007, стр.16-19)

где f(θ) - индикатриса рассеяния в направлении приемного устройства 2; σ - объемный коэффициент рассеяния; S_np - площадь приемника; V_p - рассеивающий объем аэрозольного образования.

Тогда выходной сигнал приемника будет иметь вид (см., например, Гильярди P.M., Карп Ш. Оптическая связь. - М.: Связь, 1978, стр.47-53)

где α - константа пропорциональности.

В результате имитационного моделирования процесса рассеяния модулированного импульсного излучения передающего устройства 1 получена зависимость нормированных значений выходного сигнала фотодетектора приемного устройства 2 от времени нахождения импульса в поле зрения формирующей оптики (Фиг.2). Расчеты проводились со следующими исходными данными: расстояние до начала наблюдения l₀=1000 м; τ_u=10^-6 c; расстояние от оси лазерного излучения до приемника по перпендикулярному направлению H=2000 м; направление приема излучения γ=90°; угол обзора приемника β=50°; длина волны излучения λ=1.06 мкм; мощность передатчика P=10⁶ Bт; площадь приемника S=10^-2 м²; коэффициент объемного рассеяния ; m=0,3 - значение глубины модуляции передаваемого сигнала при амплитудной модуляции; значения индикатрисы рассеяния выбирались для стандартных погодных условий. Характер хода зависимостей показывает, что на начальном и конечном этапах формирования импульса выходного сигнала фотодетектора происходят изменения его амплитуды, которые отражают модулирующую составляющую излучения предающего устройства 1. Модуляционные изменения амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотодетектора позволяют детектировать передаваемую информацию передающим устройством 1.

На фигуре 3 представлена блок-схема устройства. Блок-схема устройства содержит лазерное передающее устройство 1, приемное устройство лазерного излучения основного канала 2, N-1-e количество приемных устройств лазерного излучения N-1-x дополнительных каналов 3.

Устройство работает следующим образом. Лазерное передающее устройство 1 передает информацию по основному оптическому каналу приемному устройству лазерного излучения основного канала 2. Установленные на энергетически доступном расстоянии приемные устройства лазерного излучения дополнительных каналов 3 также приминают информацию, передаваемую по основному каналу путем регистрации рассеянного в атмосфере излучения передающего устройства 1. При этом приемные устройства дополнительных каналов осуществляют выделение информации по переднему и заднему фронтам выходных сигналов фотоприемников путем их сверки по времени, что обеспечивает дополнительное усиление.

Таким образом, у заявляемого способа появляются свойства, заключающиеся в возможности организации дополнительных каналов передачи информации, менее критичных к ориентации диаграмм направленности оптических антенн за счет приема рассеянного аэрозольным образованием оптического излучения. Тем самым предлагаемый авторами способ устраняет недостатки прототипа, особенно проявляющиеся при организации подвижной линии оптической связи.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ многоканальной передачи оптических сигналов, основанный на нацеливании потока излучения лазерного передающего устройства в направлении одного из N лазерных приемных устройств, установке N-1 лазерных приемных устройств на удалениях, позволяющих им осуществлять прием рассеянного атмосферой излучения передающего лазерного устройства, ориентации приемных антенн N-1 лазерных приемных устройств в направлении оси пучка передающего лазерного средства, выделении передаваемой лазерным передающим устройством информации каждым из N-1 лазерным приемным устройством по изменению величины амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотоприемника.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и электротехнические узлы и устройства.

Способ многоканальной передачи оптических сигналов, основанный на нацеливании потока излучения лазерного передающего устройства в направлении одного из N лазерных приемных устройств, отличающийся тем, что устанавливают N-1 лазерные приемные устройства на удалении с расположением в стороне относительно рассматриваемой оси распространения пучка излучения передающего лазерного средства, при этом ширина диаграммы направленности приемного устройства намного шире длительности передаваемого импульса и диаметра сечения лазерного пучка, позволяющим им осуществлять прием рассеянного атмосферой излучения передающего лазерного устройства, приемные антенны N-1 лазерных приемных устройств ориентируют в направлении оси пучка передающего лазерного устройства, а передаваемую лазерным передающим устройством информацию выделяют каждым из N-1 лазерным приемным устройством по изменению величины амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотоприемника.