ТЕРМИНАЛ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК H04B10/00 H04B7/185 

Изобретение относится к системам оптической связи и касается терминалов лазерной связи, устанавливаемых на борту космического аппарата или на поверхности Земли и предназначенных для организации линий связи между космическими аппаратами, между космическим аппаратом и наземной станцией или между наземными станциями .

Известен лазерный терминал, разработанный в рамках Европейской программы SILEX (T. T. Nielse, Pointing, acguisition and trackind for thce free laser communication system SILEX, Proceedings SPIE, Vol.2381, p.194, 1995). Этот терминал имеет одиночные оптические антенны диаметром более 200 мм, жестко состыкованные с приемо-передающими модулями, размещенными на общем опорно-поворотном устройстве и использующие в оптических каналах до четырех элементов точного наведения с апертурой несколько сантиметров и массой каждого более 1 кг.

Этот терминал имеет "классическую" конструкцию. Оптическая антенна диаметром более 200 мм установлена на опорно-поворотном устройстве. На антенне закреплены приемные и передающие модули линии лазерной связи. При этом масса моноблочного терминала достигает 140 кг при скорости передачи информации до 50 Мбит/с на расстоянии до 40000 км. Система радиодиапазона имеет такие же массогабаритные характеристики. Очевидно, что в такой ситуации перспективность лазерных систем связи в таком конструктивном исполнении маловероятна.

Недостатком такой конструкции являются большие габариты и масса одиночных оптических антенн большой апертуры, большие масса и момент инерции подвижной части лазерного терминала, установленного на опорно-поворотном устройстве (ОПУ) и, как следствие этого, большая потребляемая мощность ОПУ.

При этом существует резкое несоответствие между массогабаритными характеристиками основных элементов лазерной связи - современные полупроводниковые лазеры и полупровордниковые фотоприемники имеют собственную массу порядка нескольких десятков грамм, а в составе передающих и приемных устройств с обслуживающими электронными компонентами - до сотни грамм и массогабаритными характеристиками создаваемых на их базе терминалов, имеющих массу от 50 до 200 кг.

Известен терминал оптической связи (патент PCT WO 92/22150, кл. H 04 B 10/10), который является наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к изобретению и содержит один базовый элемент, ансамбль телескопических модулей (под телескопическим модулем понимается оптическая антенна с неподвижными элементами, предназначенная для формирования приемных и передающих пучков), установленных на базовом элементе параллельно друг другу. Некоторые телескопические модули ансамбля функционируют в качестве модулей передачи/приема. При этом каждый из них соединен с отдельным лазерным модулем, выбранным для работы на одной, заранее предопределенной отдельной частоте. Каждый лазерный модуль содержит лазерный генератор и устройство модуляции лазерного пучка сигналом данных, приемные выходы модулей передачи/приема соединены с приемником сигналов, причем по крайней мере один модуль ансамбля телескопических модулей выбирается для функционирования в качестве модуля захвата и сопровождения на предварительно выбранной частоте для точного наведения ансамбля телескопических модулей. Терминал оптической связи содержит один или несколько источников сигнала данных, к которому подсоединяются модуляторы разных лазерных модулей, а также устройство регулирования фаз, соединенное с входами оптико-электронного приемника и с устройством демультиплексирования для разделения сигналов данных. Приемные выходы телескопических модулей соединены для передачи сигналов с волоконной оптикой.

Недостатком этого терминала оптической связи является его невысокая эффективность, которая определяется низкой точностью системы наведения, что определяет достигаемую скорость передачи информации, а также невысокими пропускной способностью и дальностью действия приемного канала. Эти недостатки определяются тем, что лазерные передающие модули жестко стыкуются с телескопическими модулями, что увеличивает массу подвижной части, ограничивает быстродействие системы наведения, а следовательно, и ее точность.

Достижение секундного уровня точности в широкой полосе частот в электромеханическом приводе, входящем в состав единственного контура наведения этого терминала, технически недостижимо ввиду наличия на борту космического аппарата вибраций, имеющих большие частоты, чем достижимое быстродействие привода, а также из-за собственных вибраций этого привода. Исходя из этого, известный терминал оптической связи не разрешает сформулированных выше противоречий и не может решить поставленную задачу с достижением предельных технических характеристик.

Технический результат, который достигается при реализации заявляемого терминала лазерной связи, заключается в достижении высокой, близкой к потенциально возможной скорости передачи информации при минимальной массе и габаритах и необходимости для этого высокоточную систему наведения, масса и энергопотребление которой не увеличивают заметно общую массу и энергопотребление терминала лазерной связи.

Общими существенными признаками заявляемого терминала лазерной связи и известного, наиболее близкого терминала оптической связи, являются следующие:
Наличие N, где N≥2, оптических антенн модулей, установленных параллельно на базовом элементе и жестко с ними соединенных,
опорно-поворотное устройство, кинематически соединенное с базовым элементом,
модуль передающих устройств, содержащий K каналов, где N > K ≥ 1, каждый канал которого содержит лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения сигналом данных, приемник сигнала данных и источник сигнала данных, электрически соединенный с модулем лазерных передающих устройств.

Отличительными существенными признаками заявляемого терминала лазерной связи и известного, наиболее близкого терминала оптической связи, являются введение N устройств наведения, где N ≥ 2, и N оптических анализаторов изображения, где N ≥ 2, жестко установленных на базовом элементе, причем каждый из N оптических антенных модулей оптически и механически соединен с соответствующим из N устройств наведения, каждое из которых оптически и механически соединено с соответствующим из N анализаторов изображения, а также введение модуля фотоприемных устройств прямого изображения, содержащего N-K каналов, входы которого через волоконно-приемную шину соединены соответственно с выходом прямого изображения каждого из N-K оптических анализаторов изображения, при этом вход прямого изображения каждого из K оптических анализаторов изображения, где N > K ≥ 1, через волоконно-передающую шину соединен соответственно с входом каждого из K каналов модуля лазерных передающих устройств, а выходы модуля фотоприемных устройств прямого изображения электрически соединены с входами приемника сигнала данных, и модуля фотоприемных устройств координатного изображения, содержащего N каналов, где N ≥ 2, входы которого через волоконно-координатную шину соединены с выходом координатного изображения каждого из N оптических анализаторов изображения, причем выходы управления модуля фотоприемных устройств координатного изображения через шину управления электрически соединены соответственно с входом управления каждого из n устройств наведения и входом управления опорно-поворотного устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Лазерные системы связи, имеющие потенциальные возможности систем связи радиочастотного диапазона, приводят к реализации лазерных терминалов, имеющих заметно меньшие по сравнению с радиосистемами массу, габариты и стоимость и обеспечивающих надежное и прецизионное (до долей угловой секунды) наведения узких оптических лучей и полей зрения, что и является необходимым условием достижения потенциальных преимуществ использования для связи оптических частот, при этом возникает противоречие между необходимостью использования для связи узких пучков оптического излучения и больших апертур, необходимостью уменьшения массы и стоимости лазерных терминалов, так как с увеличением апертуры лавинообразно увеличивается масса не только оптической антенны, но и масса сервисных устройств и подсистем наведения. Масса и габариты сервисных устройств наведения должны составлять как можно меньшую часть от общей массы и габаритов терминала оптической связи, и чтобы это соотношение не увеличивалось при переходе к все более узким пучкам оптического излучения и все более большим приемным способности и дальности действия линии связи, обслуживаемой терминалом оптической связи. Кроме того, увеличение используемой апертуры не должно вызывать лавинообразного увеличения собственной массы оптической антенны.

В настоящее время почти во всех известных системах лазерной связи эти требования практически не выполняются.

Технический результат и вышеуказанные требования достигаются в заявляемом терминале лазерной связи, который выполнен на базе N малогабаритных пассивных универсальных антенных модулей, образующих общую сборку, устанавливаемую в опорно-поворотном устройстве. Каждый модуль может работать или в режиме приема, или в режиме передачи оптического сигнала, при этом в состав каждого модуля входят устройство наведения и оптический анализатор изображения, которые вместе с оптическим антенным модулем жестко установлены на базовом элементе. При этом оптический антенный модуль, устройство наведения, оптический анализатор изображения установлены последовательно, оптически и механически соединены. Оптический анализатор изображения формирует смещение относительно друг друга прямое изображение наблюдаемого поля и изображение наблюдаемого поля, разделенное на произвольное число областей (обычно не менее четырех), позволяющее по распределению освещенности в этих областях определить угловое рассогласование фронта принимаемого лазерного излучения с оптической осью антенного модуля. Оптический анализатор изображения имеет выход прямого и разделенного изображения. Оптические выходы прямого изображения K оптических анализаторов изображения, где N > K ≥ 1, соединяются с модулями лазерных передающих устройств, используемых в качестве информационных передатчиков, а оптические выходы прямого изображения N-K оптических анализаторов изображения - с модулем информационных фотоприемных устройств прямого изображения.

Оптические выходы разделенного изображения оптических анализаторов изображения используются для соединения с модулем фотоприемных устройств разделенного изображения. Соединения как прямых, так и разделенных изображений каждого универсального оптического модуля осуществляются одноэлементными или многоэлементными волоконными кабелями или жгутами, образующими соответствующие волоконные шины. На вращающейся части терминала лазерной связи размещается только сборка малогабаритных универсальных антенных модулей, которая состоит из небольшого числа пассивных элементов, а все остальные устройства размещаются в неподвижной части и соединяются с подвижной частью волоконными шинами.

Терминал связи обеспечивает
возможность пространственного или иного совмещения излучения нескольких лазерных передатчиков в один пучок с использованием известных особенностей волоконной оптики, что увеличивает общую излучаемую мощность;
возможность пространственного совмещения нескольких принимаемых лазерных сигналов в один с последующим разделением на отдельные информационные каналы при необходимости, что позволяет наращивать эффективную приемную апертуру или осуществить многоканальный прием информационных данных;
многовариантное использование терминала, когда для передачи или приема применяются оконечные устройства, передачи данных.

По совокупности эти и другие свойства решают поставленную задачу - достижение высокой скорости передачи данных и дальности действия при минимальных массе и габаритах как самого лазерного терминала, так и сервисных устройств наведения.

На чертеже изображена структурная схема терминала лазерной связи, где 1 - оптический антенный модуль, 2 - базовый элемент, 3 - опорно-поворотное устройство, 4 - модуль лазерных передающих устройств, 5 - приемник сигнала данных, 6 - источник сигнала данных, 7 - устройство наведения, 8 - оптический анализатор изображения, 9 - модуль фотоприемных устройств прямого изображения, 10 - волоконно-приемная шина, 11 - волоконно-передающая шина, 12 - модуль фотоприемных устройств координатного изображения, 13 - волоконно-координатная шина, 14 - шина управления.

Терминал связи работает в режиме наведения, передачи данных и приема данных следующим образом.

Терминал лазерной связи освещается с противоположного конца линии связи, где используется такой же или аналогичный терминал, лазерным излучением, формируемым противоположным терминалом. Это излучение принимается всеми оптическими антенными модулями 1, установленными на базовом элементе 2, часть которых выделяется для передачи данных, другая часть - для данных. Принятое в каждом антенном модуле 1 излучение происходит устройство наведения 7 и оптический анализатор 8, оптически и механически связанные с антенным модулем, разделяясь в оптическом анализаторе 8 по каналам прямого изображения и каналам координатного изображения. Оптические выходы N каналов координатного изображения волоконной оптикой объединяются в волоконно-координатную шину 13, соединяющую их с модулем фотоприемных устройств координатного изображения 12, содержащим N каналов, который преобразует оптические сигналы в электрические, несущие информацию об угловом рассогласовании оптической оси каждого оптического антенного модуля 1 относительно направления прихода освещаемого лазерного излучения. Если все оптические анализаторы изображения 8 одинаковы и выполнены на бипризменных делителях поля, то модуль фотоприемных устройств координатного изображения 12 просто содержит набор квадратных фотоприемников по числу антенных модулей, причем каждый фотоприемник соединен четырехволоконной шиной с выходом координатного изображения соответствующего анализатора изображения 8.

Возможен вариант, когда координатные каналы оптических анализаторов специализированы по функциям: часть из них обслуживает передающие и приемные каналы, требующие высокой точности наведения спорно-поворотной монтировки и лазерных маяков, наведение которых производится с меньшей точностью, но с большим полем зрения. В последнем случае часть фотоприемников являются квадратными, часть выполняется на базе матричных ПЗС-сруктур.

Сформированные в модуле фотоприемных устройств координатного изображения 12 электрические сигналы по электрической шине управления 14 поступают на опорно-поворотное устройство 3, кинематически связанное с базовым элементом 2, и персонально на каждое устройство наведения 7, то есть электрическая шина управления 14 распределяет эти сигналы соответственно на вход управления опорно-поворотного устройства 3 и входы управления каждого из N устройство наведения 7.

Таким образом осуществляется наведение оптических антенных модулей в целом и индивидуальное точное наведение лазерных пусков или полей зрения каждого из этих модулей. Каналы прямого изображения K оптических антенных модулей 1, выделенных для передачи данных, волоконной оптикой объединяются в волоконно-передающую шину 11, соединенную с модулем лазерных передающих устройств 4, состоящим из K каналов, каждый из которых содержит лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения сигналом данных, и электрически соединенными с источником сигнала данных 6. В результате на выходе оптических антенных модулей 1, выделенных для передачи данных, формируются модулированные лазерные пучки, несущие сигналы данных и направленные на противоположный терминал лазерной связи. В каждый канал прямого изображения может быть введено несколько лазерных пучков как с одинаковой, так и различными длинами волн. Каналы прямого изображения N-K оптических антенных модулей 1, выделенных для приема данных, волоконной оптикой объединяются в модуль фотоприемных устройств прямого изображения 9, состоящий из N-K каналов, содержащих фотоприемные устройства, преобразующие лазерные модулированные сигналы в электрические сигналы данных, и электрически соединенный с приемником сигнала данных 5. В результате осуществляется прием данных, переданных с противоположного терминала. В простейшем случае каждый из N-K каналов прямого изображения соединяется одиночным волокном с одиночным фотоприемником. Для увеличения энергетического потенциала все приемные волокна могут быть присоединены к естественному фотоприемнику. Этот вариант можно считать базовым. При использовании нескольких несущих длин волн после пучка приемных волокон необходима установка спектроделителя, разводящего пучки с разными длинами волн на фотоприемники по числу используемых длин волн.

Описанная работа терминала лазерной связи соответствует дуплексному режиму работы линии связи. Аналогично терминал работает и в симплексном режиме, когда данные либо только передаются, либо только принимаются.

Примером реализации устройства наведения является известный из компьютерной техники актшатор - небольшой линзовый элемент в магнитоэлектрическом упругом подвесе, управляемый по двум осям и имеющий массу в несколько десятков грамм.

Примером реализации оптического анализатора изображения являются разнообразные делители оптического изображения или простой набор плотно упакованных оптических волокон, или комбинация спектроделителя, пропускающего принимаемое излучение заданного диапазона длин волн в прямой фокус оптической антенны и отключающего принимаемое излучение, и делителя поля с четырьмя выходными зрачками. Последний вариант является наиболее простым, обеспечивает применяемую для лазерных систем связи точность и может быть рекомендован в большинстве случаев в качестве основного. При работе в условиях однородного фона беспризменный делитель поля может быть заменен волоконным жгутом, соединенным с многоэлементным ПЭС-фотоприемником, что увеличивает дальность действия терминала лазерной связи за счет пространственной дискриминации фона. В этом случае оптическим анализатором является комбинация спектроделительной пластины и волокнистого жгута. Терминал лазерной связи имеет вращающуюся часть, на которой выполнена только сборка малогабаритных универсальных оптических антенных модулей, состоящих из небольшого числа пассивных элементов, и неподвижную часть, на которой размещены все остальные устройства, соединенную с подвижной частью волоконными шинами.

Терминал лазерной связи обладает предельно минимальными массой и габаритами антенной части терминала, так как в ее состав входят только пассивные элементы, не требующие жесткой взаимной союстировки, причем при работе с лазерными пучками и полями зрения в диапазоне 2...10 угловых секунд диаметр каждого антенного модуля не превышает 20...100 мм при длине модуля не более 1...1,5 от диаметра.

При увеличении числа модулей общая масса антенны растет значительно медленнее, чем при одиночной антенне, так как продольный размер модулей остается неизменным и не появляется дополнительных требований по жесткости конструкции, а наличие в каждом антенном модуле автономных устройств наведения и оптических анализаторов изображения исключает необходимость жесткой юстировки антенных модулей между собой и между антенными модулями и лазерными приемными и передающими устройствами.

Минимизируются масса и габариты сервисных устройств наведения, включая опорно-поворотное устройство, так как масса и габариты вращающейся части минимальны, а устройства точного наведения имеют очень малые апертуры.

Технический результат, который достигается при реализации заявляемого терминала лазерной связи, заключается в достижении высокой, близкой к потенциально достижимой скорости передачи информации - более 1000 Мбит/с на дальность около 50000 км при массе терминала не более 10...15 кг, диаметре универсальных модулей 70. ..100 мм, ширине передающего луча 2"...4", и необходимости иметь высокоточную систему наведения с точностью 0,3"...0,4", масса и энергопотребление которой не увеличивают заметно общую массу и энергопотребление терминала лазерной связи.

Изобретение относится к системам открытой оптической связи и касается терминалов лазерной связи, устанавливаемых на борту космического аппарата или на поверхности Земли и предназначенных для организации линий связи межу космическими аппаратами, между космическим аппаратом и наземной станцией или между наземными станциями. Терминал лазерной связи содержит N оптических антенных модулей, установленных параллельно на базовом элементе и жестко с ним соединенных, опорно-поворотное устройство, кинематически соединенное с базовым элементом, модуль лазерных передающих устройств, содержащий K каналов, каждый канал которого содержит лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения, а также содержит приемник сигнала данных, источник сигнала данных, N устройств наведения и N оптических анализаторов изображения, жестко установленных на базовом элементе, модуль фотоприемных устройств прямого изображения, содержащий N - K каналов, а также модуль фотоприемных устройств координатного изображения, содержащий N каналов. Технический результат, который достигается при реализации терминала лазерной связи, заключается в достижении высокой скорости передачи информации. 1 ил.

Терминал лазерной связи, содержащий N, где N ≥ 2, оптических антенных модулей, установленных параллельно на базовом элементе и жестко с ним соединенных, опорно-поворотное устройство, кинематически соединенное с базовым элементом, модуль лазерных передающих устройств, содержащий К каналов, где N > К ≥ 1, каждый канал которого содержит лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения сигналом данных, а также содержит приемник сигнала данных и источник сигнала данных, электрически соединенных с модулем лазерных передающих устройств, отличающийся тем, что в него введены N устройств наведения, где N ≥ 2, и N оптических анализаторов изображения, где N ≥ 2, жестко установленных на базовом элементе, причем каждый из N оптических антенных модулей оптически и механически соединен с соответствующим из N устройств наведения, каждое из которых оптически и механически соединено с соответствующим из N анализаторов изображения, а также введен модуль фотоприемных устройств прямого изображения, содержащий N - К каналов, входы которого через волоконно-приемную шину соединены соответственно с выходом прямого изображения каждого из N - К оптических анализаторов изображения, при этом вход прямого изображения каждого из К оптических анализаторов изображения, где N > К ≥ 1, через волоконно-передающую шину соединен соответственно с входом каждого из К каналов модуля лазерных передающих устройств, а выходы модуля фотоприемных устройств прямого изображения электрически соединены с входами приемника сигнала данных, а также введен модуль фотоприемных устройств координатного изображения, содержащий N каналов, где N ≥ 2, входы которого через волоконно-координатную шину соединены с выходом координатного изображения каждого из N оптических анализаторов изображения, причем выходы управления модуля фотоприемных устройств координатного изображения через шину управления электрически соединены соответственно с входом управления каждого из N устройств наведения и входом управления опорно-поворотного устройства.