СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК H04B10/10 

Изобретение относится к методам передачи информации с использованием систем открытой оптической связи. Во многих случаях открытой оптической связи световое излучение от передающего терминала к абоненту распространяется по следующим звеньям: излучатель (как правило лазер с модулятором), световод, оптическая антенна, концентрирующая излучение (телескоп или иной оптический коллектор), открытое пространство, приемная оптическая система, световод, фотодетектор.

При прочих равных условиях, величина потерь энергии светового излучения на указанной выше трассе зависит от состояния атмосферы на открытом пространстве (туман, дождь, снег, турбулентность воздуха). Из-за влияния этих факторов связь ухудшается и даже может вообще прекратиться ввиду недостаточной мощности оптического сигнала, попадающего в приемную апертуру.

В принципе этот эффект можно скомпенсировать многократным повышением мощности оптического излучения передатчика, что является непрактичным по техническим соображениям и по соображениям стоимости системы.

Другой путь - исключить влияние неоднородностей интенсивности света, увеличение диаметра светового луча и размера приемной апертуры, а это далеко не всегда практично.

Известен способ передачи информации через открытое пространство с использованием оптической системы связи (см. US 5966229, НКИ 359/187, 1999 - [1] ). Способ заключается в том, что луч от излучателя передающего устройства расщепляют на два световых пучка, один из которых направляют на приемное устройство абонента, а второй, пропустив через небольшой участок открытого пространства, направляют на приемник передающего устройства. Сигнал с этого приемника служит эталонным, свидетельствующим о состоянии атмосферы между передатчиком и приемным устройством абонента. Например, если сигнал по величине постоянен или находится в заданных пределах, то это свидетельствует о хорошей прозрачности атмосферы и об устойчивой связи. Если сигнал уменьшается, то это свидетельствует об ухудшении прозрачности атмосферы и соответственно качестве связи. В этом случае блок анализа сигнала с приемника, установив такое снижение, выдает команду на повышение выходной мощности излучателя для восстановления требуемого качества связи. Недостатком данного способа является то, что в случае возникновения значительных потерь на трассе светового пучка или его блокировки непрозрачными неоднородностями (снег, град, птицы и т.п.) связь прерывается и увеличение мощности излучателя в разумных пределах не сможет устранить это явление.

Известен способ передачи информации, свободный от указанного выше недостатка (см. US 6243182, НКИ 359/171, 2001 - [2]). В известном способе от излучателя передающего устройства направляют в сторону абонента широко расходящийся пучок, который попадает на две приемные апертуры приемного устройства абонента, при этом апертуры разнесены на некоторое расстояние друг от друга. Соответственно улавливаемые ими световые потоки с помощью собирающей оптики направляются на два фотодетектора, а от них сигналы поступают на общий канал обработки. Недостатком известного способа являются большие потери энергии на передачу. Это объясняется тем, что в способе используется расходящийся пучок, покрывающий обе апертуры, и только малая его часть попадает на каждую из апертур. Кроме того, возможны нарушения связи, когда непрозрачные или сильно рассеивающие свет объекты располагаются на начальных участках трассы, т.е. вблизи излучателя, т.к. на этих участках пучок еще относительно узок и возможно полное перекрытие его поперечного сечения.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ передачи информации с использованием системы открытой оптической связи, известный из US 5777768, НКИ 359/172, 1998 - [3]. Способ заключается в том, что от передающего устройства в сторону абонентского приемного устройства направляется несколько параллельных оптических пучков, промодулированных одним и тем же сигналом и перекрывающихся в дальней зоне на апертуре приемника.

Недостатком известного способа являются большие энергопотери при осуществлении передачи информации. Это обусловлено тем, что только малая часть энергии пучков попадает на приемную апертуру приемного устройства, поскольку требуется перекрытие пучков на приемной апертуре, что приводит к необходимости, чтобы лучи имели достаточно большую расходимость, а это снижает плотность энергии в поперечном сечении пучка.

Заявляемый в качестве изобретения способ передачи информации направлен на обеспечение надежности связи и снижение энергопотерь на ее осуществление.

Указанный результат достигается тем, что способ передачи информации включает формирование нескольких оптических пучков, модулирование их одним и тем же сигналом и направление на одно приемное устройство, при этом пучки формируют с осями, непараллельными между собой.

Указанный результат достигается также тем, что по крайней мере два пучка направляют на одну приемную апертуру приемного устройства.

Указанный результат достигается также тем, что по крайней мере два пучка направляют на разные приемные апертуры приемного устройства.

Указанный результат достигается также тем, что оптическое излучение по крайней мере от двух приемных апертур направляют на общий фотодетектор.

Указанный результат достигается также тем, что по крайней мере один из пучков формируют из условия
D>d,
где D - наименьший диаметр пучка по трассе его распространения;
d - наибольший размер объектов, вносящих оптические неоднородности на этой трассе.

Указанный результат достигается также тем, что по крайней мере один из пучков формируют, исходя из условия:

где D₁ - диаметр светового пучка на выходе передающего устройства;
λ - длина волны излучения в пучке;
L - расстояние между передающим и приемным устройствами;
D₂ - диаметр приемной апертуры, в которую направлен пучок.

Указанный результат достигается также тем, что по крайней мере два пучка формируют расщеплением предварительно промодулированного оптического излучения от одного источника.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- формирование пучков с осями, непараллельными между собой;
- направление по крайней мере двух пучков на одну приемную апертуру приемного устройства;
- направление по крайней мере двух пучков на разные приемные апертуры приемного устройства;
- направление оптического излучения по крайней мере от двух приемных апертур на общий фотодетектор;
- формирование по крайней мере одного пучка из условия D>d;
- формирование по крайней мере одного пучка, исходя из условия:
- формирование по крайней мере двух пучков расщеплением предварительно промодулированного оптического излучения от одного источника.

Формирование световых пучков, направляемых к приемному устройству с осями, непараллельными между собой, обеспечивает существенное снижение энергозатрат на обеспечение надежной связи, поскольку позволяет оптимизировать наведение и, как следствие, доставку оптического излучения на приемную апертуру. За счет того, что источники этих пучков в передающем устройстве пространственно разнесены, их лучи идут по разным трассам и вероятность того, что все трассы будут одновременно перекрыты непрозрачными атмосферными неоднородностями намного ниже, чем для одной трассы. А поскольку лучи сходятся к одной приемной апертуре, то на нее попадет больше энергии по сравнению с использованием пучков с параллельными осями. Кроме этого, использование непараллельных пучков позволяет направлять их на разные, пространственно разнесенные приемные апертуры приемного устройства, т.е. обеспечивать их распространение по разным трассам. В этом случае целесообразно осуществлять фотодетектирование не каждого из оптических пучков, а общего светового потока, собранного по крайней мере с двух приемных апертур. Действительно, если на каждую приемную апертуру попадет оптический пучок с энергией ниже порога чувствительности фотодетектора (который зависит от скорости передачи информации), то на выходе фотодетекторов будет получен либо шум, либо существенно искаженный сигнал. Если два или более световых потоков собрать воедино и направить на один общий фотодетектор, то суммарная мощность этого светового потока может превысить порог чувствительности фотодетектора и связь будет более устойчивой.

Для того чтобы распространяющийся по трассе оптический пучок не мог быть полностью перекрыт имеющимися в атмосфере оптическими неоднородностями (капли дождя, снежинки и т.п.), целесообразно формировать его с диаметром, превышающим наибольший размер этих неоднородностей. Поскольку размер капель дождя или частиц снега легко определить расчетным или экспериментальным путем, то и выбор диаметра оптического пучка не вызовет трудностей.

Для того чтобы уменьшить влияние неоднородностей интенсивности светового пучка, возникающих из-за дифракции на краях передающей апертуры, на качество связи, необходимо выбрать диаметр этой апертуры таким образом, чтобы размер указанных неоднородностей интенсивности, примерно равный был меньше диаметра приемной апертуры D₂. Это достигается при При выполнении такого неравенства приемная апертура усреднит неоднородности, и они не смогут отрицательно повлиять на качество связи.

Использование отдельных излучателей промодулированных с помощью индивидуальных модуляторов, вообще говоря, повышает стоимость аппаратуры и увеличивает расход энергии. Поэтому в ряде случаев представляется целесообразным сначала промодулировать световой поток, идущий от одного излучателя, а затем, путем расщепления, сформировать из него несколько (два или более) оптических пучков, направляемых к приемному устройству.

Сущность заявляемого способа передачи информации поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 схематично показана принципиальная схема устройства, с помощью которого может быть реализован способ с направлением пучков на одну приемную апертуру приемного устройства, а на фиг. 2 на разные приемные апертуры.

Системы открытой оптической связи для реализации способа могут содержать передающее устройство 1, в состав которого входят один или несколько излучателей 2 и оптических модуляторов 3, а также приемное устройство 4 с одной или несколькими приемными апертурами 5 и фотодетектором 6. В частных случаях передающее устройство может быть дополнено известными средствами расщепления светового луча 7 (зеркалами, призмами и т.п.), а приемное устройство может быть дополнено средствами 8 для сведения световых потоков к фотодетектору. Это могут быть оптические волокна, зеркала и т.п.

Кроме перечисленных выше составных частей, системы оптической связи для реализации способа содержат и другие, не упомянутые, но необходимые для их функционирования элементы (блоки питания, усилители, источники информационного сигнала и т.п.), но поскольку специалист, работающий в данной области, располагает знаниями о их необходимости, а сущность предложенного способа их не затрагивает, то их подробное раскрытие нецелесообразно.

В общем случае способ с помощью устройства, представленного на фиг.1, реализуется следующим образом.

Каждый излучатель 2 передающего устройства 1 испускает оптический пучок. Каждый пучок модулируется с помощью модуляторов 3 одним и тем же информационным сигналом, а затем пучки направляются на одну приемную апертуру 5 приемного устройства 4 и поступают на фотодетектор 6 для детектирования. На фиг. 1 пунктиром показаны оси пучков, которые сходятся на приемной апертуре. Сведение максимумов диаграмм направленности указанных пучков на приемной апертуре обеспечивает повышение эффективности доставки их мощности в эту апертуру.

С помощью устройства, представленного на фиг. 2, способ реализуется следующим образом. Излучатель 2 передающего устройства 1 испускает оптический пучок, который модулируется модулятором 3, а затем с помощью средств 7 расщепляется на несколько пучков, направляемых к приемному устройству 4. Диаграммы направленности оптических пучков наводятся на приемные апертуры 5 таким образом, чтобы максимизировать передачу оптического сигнала в эти апертуры. Затем оптическое излучение, попавшее в указанные апертуры, с помощью средства 8 (например, световодов) направляется на общий фотодетектор 6 для детектирования.

Изобретение относится к методам передачи информации с использованием систем открытой оптической связи. Техническим результатом является обеспечение надежности связи и снижение энергопотерь на ее осуществление. Способ передачи информации включает формирование нескольких оптических пучков, модулирование их одним и тем же сигналом и направление на одно приемное устройство, при этом пучки формируют с осями, непараллельными между собой. Кроме того, по крайней мере два пучка направляют на одну приемную апертуру приемного устройства или по крайней мере два пучка направляют на разные приемные апертуры приемного устройства, а оптическое излучение по крайней мере от двух приемных апертур направляют на общий фотодетектор. При этом по крайней мере один из пучков формируют из условия D > d, или по крайней мере один из пучков формируют, исходя из условия или по крайней мере два пучка формируют расщеплением предварительно промодулированного оптического излучения от одного источника. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ передачи информации, включающий формирование нескольких оптических пучков, модулирование их одним и тем же сигналом и направление на одно приемное устройство, отличающийся тем, что по крайней мере два пучка направляют на одну приемную апертуру приемного устройства так, что максимумы диаграмм направленности пучков сведены на приемной апертуре. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере два пучка направляют на разные приемные апертуры приемного устройства. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что оптическое излучение по крайней мере от двух приемных апертур направляют на общий фотодетектор. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере один из пучков формируют из условия
D>d,
где D - наименьший диаметр пучка по трассе его распространения;
d - наибольший размер объектов, вносящих оптические неоднородности на этой трассе. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере один из пучков формируют, исходя из условия

где D₁ - диаметр светового пучка на выходе передающего устройства;
λ - длина волны излучения в пучке;
L - расстояние между передающим и приемным устройствами;
D₂ - диаметр приемной апертуры, в которую направлен пучок.