ТЕРМИНАЛ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2003 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к области лазерной связи и может быть использовано в лазерных линиях связи, установленных на мачтах, высотных зданиях или на подвижных объектах, например космических аппаратах.

Известно устройство оптической линии связи [1], в котором на приемном конце линии оптической связи совмещение центра приемной апертуры приемника и энергетического центра пятна оптического излучения производится путем оценки сигнала рассогласования и соответствующего перемещения приемной апертуры приемника в пространстве.

Наиболее близким по техническим признакам к настоящему устройству терминала лазерной связи является устройство терминала лазерной связи, содержащий приемник сигнала данных, N, где N≥5, оптических антенных модулей, установленных параллельно, N устройств наведения, N оптических анализаторов изображения, базовый элемент, опорно-поворотное устройство, кинематически соединенное с базовым элементом, модуль лазерного передающего устройства, содержащий лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения, выход которого через волоконно-передающую шину соединен с входом прямого изображения оптического анализатора изображения, модуль фотоприемного устройства прямого изображения, содержащий N-1 каналов, модуль фотоприемных устройств координатного изображения, содержащий N каналов, входы которого через волоконно-координатную шину соединены с выходом координатного изображения каждого из N оптических анализаторов изображения, источник сигнала данных, электрически соединенный с модулем лазерного передающего устройства, 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, N-1 оптических антенных модулей с соответствующими им N-1 устройствами наведения и N-1 оптическими анализаторами изображения жестко установлены на базовом элементе, выходы прямого изображения каждого из N-1 оптических анализаторов изображения, жестко установленных на базовом элементе, через волоконно-приемную шину соединены с входом модуля фотоприемного устройства прямого изображения, а выход модуля фотоприемного устройства прямого изображения электрически соединен с входом приемника сигнала данных, 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, при этом оптический анализатор изображения, вход прямого изображения которого соединен с модулем лазерного передающего устройства, и соответствующие ему оптический антенный модуль с устройством наведения жестко установлены на базовом элементе [2].

Недостатком прототипа является то, что систематическая ошибка наведения лазерного пучка на противоположный терминал, вызванная, например, состоянием среды распространения (атмосферой) [3] или разъюстировкой терминала за счет вибрации опоры, приводит к наличию систематической составляющей в отклонении энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях относительно геометрического центра фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, жестко установленными на базовом элементе, что приводит к снижению мощности лазерного излучения, принимаемого этими оптическими антенными модулями. При этом понижается энергетический потенциал лазерной линии связи, образованной двумя терминалами лазерной связи. Это в свою очередь приводит или к завышению мощности передатчика, или к снижению дальности связи, или к снижению скорости (или качества) передачи информации.

Для устранения отмеченных недостатков в устройство терминала лазерной связи, содержащее приемник сигнала данных, N, где N≥5, оптических антенных модулей, установленных параллельно, N устройств наведения, N оптических анализаторов изображения, базовый элемент, опорно-поворотное устройство, кинематически соединенное с базовым элементом, модуль лазерного передающего устройства, содержащий лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения, выход которого через волоконно-передающую шину соединен с входом прямого изображения оптического анализатора изображения, модуль фотоприемного устройства прямого изображения, содержащий N-1 каналов, модуль фотоприемных устройств координатного изображения, содержащий N каналов, входы которого через волоконно-координатную шину соединены с выходом координатного изображения каждого из N оптических анализаторов изображения, источник сигнала данных, электрически соединенный с модулем лазерного передающего устройства, 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, N-1 оптических антенных модулей с соответствующими им N-1 устройствами наведения и N-1 оптическими анализаторами изображения жестко установлены на базовом элементе, выходы прямого изображения каждого из N-1 оптических анализаторов изображения, жестко установленных на базовом элементе, через волоконно-приемную шину соединены с входом модуля фотоприемного устройства прямого изображения, а выход модуля фотоприемного устройства прямого изображения электрически соединен с входом приемника сигнала данных, 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, дополнительно введены второй базовый элемент, блок управления, производящий вычисление координат энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях и формирующий сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях и геометрическим центром фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, жестко установленными на базовом элементе, инвертор сигнала рассогласования, блок перемещения, осуществляющий перемещение в пространстве второго базового элемента, причем блок перемещения жестко установлен на базовом элементе, а второй базовой элемент кинематически соединен с блоком перемещения, оптический анализатор изображения, вход прямого изображения которого соединен с модулем лазерного передающего устройства, и соответствующие ему оптический антенный модуль с устройством наведения жестко установлены на второй базовый элемент, модуль фотоприемных устройств координатного изображения через шину электрически соединен с блоком управления, а выход блока управления электрически через инвертор сигнала рассогласования связан со входом управления блока перемещения.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное техническое решение отличается введением в состав устройства второго базового элемента, блока управления, производящего вычисление координат энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях и формирующего сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях и геометрическим центром фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, жестко установленными на базовом элементе, инвертора сигнала рассогласования, блока перемещения, осуществляющего перемещение в пространстве второго базового элемента, причем блок перемещения жестко установлен на базовом элементе, а второй базовой элемент кинематически соединен с блоком перемещения, оптического анализатора изображения, вход прямого изображения которого соединен с модулем лазерного передающего устройства, и тем, что соответствующие ему оптический антенный модуль с устройством наведения жестко установлены на второй базовый элемент, модуль фотоприемных устройств координатного изображения через шину электрически соединен с блоком управления, а выход блока управления электрически через инвертор сигнала рассогласования связан со входом управления блока перемещения, что позволило непосредственно на приемном конце линии лазерной связи производить оценку систематической составляющей в отклонении энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях относительно геометрического центра фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, используемыми для приема, и осуществлять компенсацию этого рассогласования за счет пространственного перемещения оптического антенного модуля (на величину этого рассогласования, только в противоположном направлении), используемого для передачи и в качестве маякового устройства, на который наводятся N оптических антенных модулей противоположного терминала лазерной связи (на передающем конце лазерной линии связи). Это позволило поднять энергетический потенциал лазерной линии связи, состоящей из двух терминалов, в К раз, где К>1.

Таким образом, совокупность введенных в устройство элементов и их связей позволила поднять энергетический потенциал лазерной линии связи, состоящей из двух терминалов, и тем самым или снизить требования к мощности передатчика (поднять энергетическую скрытность передачи), или увеличить дальность связи, или увеличить скорость и качество передачи информации, что было практически невозможно при использовании прототипа. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна". Кроме того, так как требуемый технический результат достигается всей введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной патентной и научно-технической литературе не обнаружена на дату подачи заявки, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже изображена структурная схема терминала лазерной связи, где 1 - оптический антенный модуль, 2 - устройство наведения, 3 - оптический анализатор изображения, 4 - волоконно-передающая шина, 5 - модуль лазерных передающих устройств, 6 - источник сигнала данных, 7 - второй базовый элемент, 8 - блок перемещения, 9 - базовый элемент, 10 - инвертор сигнала рассогласования, 11 - волоконно-приемная шина, 12 - модуль фотоприемных устройств прямого изображения, 13 - приемник сигнала данных, 14 - волоконно-координатная шина, 15 - модуль фотоприемных устройств координатного изображения, 16 - шина, 17 - блок управления, 18 - опорно-поворотное устройство, 19 - шина управления.

Терминал связи работает в режиме наведения, передачи данных и приема данных следующим образом [2].

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 N оптическими антенными модулями 1, установленными на базовом элементе 9 и втором базовом элементе 7, часть которых (N-1) выделяется для приема данных, другая часть - для передачи данных. Принятое в каждом антенном модуле 1 излучение проходит устройство наведения 2 и оптический анализатор 3, оптически и механически связанные с антенным модулем, разделяясь в оптическом анализаторе 3 по каналам прямого изображения и каналам координатного изображения. Оптические выходы N каналов координатного изображения волоконной оптикой объединяются в волоконно-координатную шину 14, соединяющую их с модулем фотоприемных устройств координатного изображения 15, 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 3 одинаковы и выполнены на бипризменных делителях поля, то модуль фотоприемных устройств координатного изображения 15 просто содержит набор квадрантных фотоприемников по числу антенных модулей, причем каждый фотоприемник соединен четырехволоконной шиной с выходом координатного изображения соответствующего анализатора изображения 3.

Сформированные в модуле фотоприемных устройств координатного изображения 15 электрические сигналы по электрической шине управления 19 поступают на опорно-поворотное устройство 18, кинематически связанное с базовым элементом 9, и персонально на каждое устройство наведения 2, то есть электрическая шина управления 19 распределяет эти сигналы соответственно на вход управления опорно-поворотного устройства 18 и входы управления каждого из N устройств наведения 2.

Таким образом осуществляется наведение оптических антенных модулей в целом и индивидуальное точное наведение лазерного пучка или полей зрения каждого из этих модулей.

Каналы прямого изображения одного оптического антенного модуля 1, выделенного для передачи данных, волоконной оптикой объединяются в волоконно-передающую шину 4, соединенную с модулем лазерного передающего устройства 5, содержащим лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения сигналом данных и электрически соединенным с источником сигнала данных 6. В результате на выходе одного оптического антенного модуля 1, выделенного для передачи данных, формируется модулированный лазерный пучок, несущий сигналы данных и направленный на противоположный терминал лазерной связи.

Каналы прямого изображения N-1 оптических антенных модулей 1, выделенных для приема данных, волоконной оптикой по волоконно-приемной шине 11 объединяются в модуль фотоприемных устройств прямого изображения 12, состоящий из N-1 каналов, содержащих фотоприемные устройства, преобразующие лазерные модулированные сигналы в электрические сигналы данных, и электрически соединенный с приемником сигнала данных 13. В результате осуществляется прием данных, переданных с противоположного терминала. В простейшем случае каждый из N-1 каналов прямого изображения соединяется одиночным волокном с одиночным фотоприемником. Для увеличения энергетического потенциала все приемные волокна могут быть присоединены к единственному фотоприемнику. Этот вариант можно считать базовым.

Перед началом работы юстировка терминалов лазерной связи проводится таким образом, чтобы наведение модулированного лазерного пучка осуществлялось на геометрический центр фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями (противоположного терминала), выделенными для приема данных. Например, при N= 5, в случае если 4 оптических антенных модуля, выделенных для приема данных, на плоскости "приема" расположены в вершинах квадрата (образуют фигуру "квадрат"), наведение лазерного пучка осуществляется в точку пересечения диагоналей этого квадрата.

N оптических антенных модулей 1 осуществляют поэлементное дискретное разложение сечения лазерного пучка противоположного терминала на плоскости "приема". Лазерное излучение, принятое каждым из N оптических антенных модулей 1, через соответствующие устройство наведения 2, оптический анализатор изображения 3, волоконно-координатную шину 14 попадает на квадрантный фотоприемник модуля фотоприемных устройств координатного изображения 15, и, далее, преобразованное в электрический сигнал попадает по электрической шине 16 в блок управления 17. На основании зарегистрированных сигналов с квадрантных фотоприемников модуля фотоприемных устройств координатного изображения 15 и априорной информации о координатах каждого из N оптических антенных модулей 1 блок управления 17 производит вычисление координат энергетического центра пятна лазерного излучения (ЭЦПЛИ) на оптических антенных модулях, усредненное за время большее, чем быстродействие системы наведения. Эти вычисления можно проводить например по алгоритму [4] или алгоритму [5], для реализации которого требуется N≥5. В результате на выходе блока управления 17 формируется сигнал рассогласования между координатами ЭЦПЛИ и геометрическим центром фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, жестко установленными на базовом элементе (ГЦФ).

Сигнал рассогласования поступает на инвертор сигнала рассогласования 10, который преобразует пространственное направление сигнала рассогласования на противоположное, и далее на блок перемещения 8. Блок перемещения 8 перемещает второй базовый элемент 7 и оптический антенный модуль 1, используемый для передачи, на величину этого рассогласования в заданном направлении. Система наведения противоположного терминала реагирует на перемещение излучателя изменением положения лазерного пучка передатчака в пространстве и тем самым устраняет возникшую систематическую составляющую в отклонении энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях относительно геометрического центра фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, используемыми для приема.

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

Примером реализации устройства наведения является известный из компьютерной техники актюатор - небольшой линзовый элемент в магнитоэлектрическом упругом подвесе, управляемый по двум осям и имеющий массу в несколько десятков граммов [2].

Примером реализации оптического анализатора изображения являются разнообразные призменные 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 отклоняющего принимаемое излучение, и делителя поля с четырьмя выходными зрачками. Последний вариант является наиболее простым, обеспечивает приемлемую для лазерных систем связи точность и может быть рекомендован в большинстве случаев в качестве основного [2].

Источники информации
1. Описание изобретения к патенту РФ 2170491, МКИ⁶ Н 04 В 10/06. Авраменко М.Ф., Ерпылов А.А. Устройство оптической линии связи, 2001.

2. Описание изобретения к патенту РФ 2111617, МКИ⁶ Н 04 В 10/00, 7/185. Гусев Л. И., Гараймович Н.П., Григорьев В.Н. и др. Терминал лазерной связи. Опубл. 20.05.1998 в Бюл. 14.

3. Зуев В.Е., Фадеев В.Я. Лазерные навигационные устройства. М.: Радио и связь, 1987. - 160 с.

4. ГОСТ 26086-84 "Лазеры. Методы измерения диаметра пучка и энергетической расходимости лазерного излучения".

5. Laser beam spatial profile analysis using a two-demensional pfotodiode arrag. J. Thomas Knidtson. Rev. Scl. Instrum. 54(7), July 1983, pp. 856-860.

Изобретение относится к области лазерной связи и может быть использовано в лазерных линиях связи, установленных на мачтах, высотных зданиях или на подвижных объектах, например космических аппаратах. Технический результат - повышение энергетического потенциала лазерной линии связи и повышение скорости передачи информации. Совокупность введенных в устройство терминала лазерной связи элементов и их связей позволила непосредственно в плоскости приема производить оценку систематической составляющей в отклонении энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях относительно геометрического центра фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, используемыми для приема, и осуществлять компенсацию этого рассогласования за счет пространственного перемещения оптического антенного модуля (на величину этого рассогласования, только в противоположном направлении), используемого для передачи и в качестве маякового устройства, на который наводятся N оптических антенных модулей противоположного терминала лазерной связи (на передающем конце лазерной линии связи). Это позволило поднять энергетический потенциал оптической лазерной линии связи, состоящей из двух терминалов, в К раз, где К>1. 1 ил.

Терминал лазерной связи, содержащий приемник сигнала данных, N, где N≥5, оптических антенных модулей, установленных параллельно, N устройств наведения, N оптических анализаторов изображения, базовый элемент, опорно-поворотное устройство, кинематически соединенное с базовым элементом, модуль лазерного передающего устройства, содержащий лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения, выход которого через волоконно-передающую шину соединен с входом прямого изображения оптического анализатора изображения, модуль фотоприемного устройства прямого изображения, содержащий N-1 каналов, модуль фотоприемных устройств координатного изображения, содержащий N каналов, входы которого через волоконно-координатную шину соединены с выходом координатного изображения каждого из N оптических анализаторов изображения, источник сигнала данных, электрически соединенный с модулем лазерного передающего устройства, 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, N-1 оптических антенных модулей с соответствующими им N-1 устройствами наведения и N-1 оптическими анализаторами изображения, жестко установлены на базовом элементе, а выходы прямого изображения каждого из N-1 оптических анализаторов изображения, жестко установленных на базовом элементе через волоконно-приемную шину соединены с входом модуля фотоприемного устройства прямого изображения, а выход модуля фотоприемного устройства прямого изображения электрически соединен с входом приемника сигнала данных, 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, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены второй базовый элемент, блок управления, производящий вычисление координат энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях и формирующий сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна лазерного излучения на оптических антенных модулях и геометрическим центром фигуры, образованной N-1 оптическими антенными модулями, жестко установленными на базовом элементе, инвертор сигнала рассогласования, блок перемещения, осуществляющий перемещение в пространстве второго базового элемента, причем блок перемещения жестко установлен на базовом элементе, а второй базовой элемент кинематически соединен с блоком перемещения, оптический анализатор изображения, вход прямого изображения которого соединен с модулем лазерного передающего устройства, и соответствующие ему оптический антенный модуль с устройством наведения жестко установлены на второй базовый элемент, модуль фотоприемных устройств координатного изображения через шину электрически соединен с блоком управления, а выход блока управления электрически через инвертор сигнала рассогласования связан со входом управления блока перемещения.