УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ Российский патент 2005 года по МПК H04B10/12 

Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано в атмосферных оптических линиях связи.

Наиболее близким по техническим признакам к настоящему устройству оптической линии связи является устройство оптической линии связи, содержащее первый и второй оптические терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый оптический терминал содержит базовый элемент, приемник, жестко закрепленный на базовом элементе, N, где N≥2, оптических передатчиков, оптические оси которых параллельны, причем пучки излучения оптических передатчиков перекрываются на другом терминале, а оптические передатчики жестко закреплены на базовом элементе [1].

Недостатком прототипа является зависимость энергетического потенциала оптической линии связи от характерных размеров поперечного сечения пучков излучения оптических передатчиков, прошедших через слой атмосферы. Данный недостаток вызван следующими обстоятельствами. Распространяющийся в атмосфере оптический пучок расширяется в результате дифракции на апертуре передающей оптики, влиянию турбулентности атмосферы [2] и рассеянию на атмосферном аэрозоле [3]. Величина характерного размера поперечного сечения пучка излучения одиночного оптического передатчика D_n зависит от текущего состояния атмосферы и меняется во времени. Соответственно изменяется величина характерного размера поперечного сечения пучка излучения D на приемнике противоположного оптического терминала, образованного в результате некогерентного суммирования N параллельных пучков излучения оптических передатчиков. И как следствие изменяется величина энергетического потенциала оптической линии связи.

Технический результат, который достигается при осуществлении заявленного устройства оптической линии связи, заключается в снижении зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от характерных размеров поперечного сечения пучков излучения оптических передатчиков, прошедших через слой атмосферы.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известное устройство оптической линии связи, содержащее первый и второй оптические терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый оптический терминал содержит базовый элемент, приемник, жестко закрепленный на базовом элементе, N, где N≥2, оптических передатчиков, оптические оси которых параллельны, причем пучки излучения оптических передатчиков перекрываются на другом терминале, в устройство каждого оптического терминала дополнительно введены оптический делитель, установленный в одном из оптических передатчиков между передающим объективом и оптическим передающим модулем, матрица фотодетекторов, блок управления, производящий вычисление характерного размера изображения излучения оптического передатчика противоположного оптического терминала на матрице фотодетекторов и формирующий сигналы на перемещение в пространстве каждого из N оптических передатчиков, блок перемещений, осуществляющий указанные пространственные перемещения каждого оптического передатчика, причем оптический делитель связан оптически с соответствующими оптическим передающим модулем, передающим объективом и с матрицей фотодетекторов, блок управления электрически соединен с матрицей фотодетекторов и блоком перемещения, блок перемещения жестко установлен на базовом элементе и связан механически с каждым из N оптических передатчиков, а рассходимость оптического излучения каждого передатчика уменьшена в М раз, где М>1.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное техническое решение отличается тем, что в устройство каждого оптического терминала дополнительно введены оптический делитель, установленный в одном из оптических передатчиков между передающим объективом и оптическим передающим модулем, матрица фотодетекторов, блок управления, производящий вычисление характерного размера изображения излучения оптического передатчика противоположного оптического терминала на матрице фотодетекторов и формирующий сигналы на перемещение в пространстве каждого из N оптических передатчиков, блок перемещений, осуществляющий указанные пространственные перемещения каждого оптического передатчика, причем оптический делитель связан оптически с соответствующими оптическим передающим модулем, передающим объективом и с матрицей фотодетекторов, блок управления электрически соединен с матрицей фотодетекторов и блоком перемещения, блок перемещения жестко установлен на базовом элементе и связан механически с каждым из N оптических передатчиков, а рассходимость оптического излучения каждого передатчика уменьшена в М раз, где М>1.

Сущность изобретения заключается в следующем:

применение в устройстве оптического терминала блока перемещений, жестко установленного на базовом элементе и связанного механически с каждым из N оптических передатчиков, позволило влиять (перемещая оптические передатчики) на параметры распределения оптического излучения на приемнике другого оптического терминала, образованного в результате некогерентного суммирования N параллельных пучков излучения оптических передатчиков;

введение в состав устройства каждого оптического терминала оптического делителя, установленного в одном из оптических передатчиков между передающим объективом и оптическим передающим модулем, матрицы фотодетекторов, блока управления, причем оптический делитель связан оптически с соответствующими оптическим передающим модулем, передающим объективом и с матрицей фотодетекторов, блок управления электрически соединен с матрицей фотодетекторов и блоком перемещения, позволило производить оценку текущего характерного размера поперечного сечения пучка излучения одиночного оптического передатчика D_n, прошедшего через слой атмосферы (по характерному размеру изображения излучения оптического передатчика противоположного оптического терминала) и формировать сигналы на перемещение в пространстве каждого из N оптических передатчиков;

уменьшение расходимости излучения каждого оптического передатчика в М раз позволяет "сжать" (увеличить максимальное значение и крутизну) распределения мощности излучения в поперечном сечении пучка одиночного оптического передатчика, что в совокупности с возможностью перемещения в пространстве каждого оптического передатчика позволяет увеличить долю полезно используемой мощности излучения N оптических передатчиков, перехватываемой приемником другого оптического терминала, и тем самым увеличить энергетический потенциал оптической линии связи.

Таким образом, совокупность введенных в устройство элементов и их связей позволила уменьшить зависимости энергетического потенциала оптической линии от характерных размеров поперечного сечения пучков излучения оптических передатчиков, прошедших через слой атмосферы, что было практически невозможно при использовании прототипа. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна". Кроме того, так как требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной патентной и научно - технической литературе не обнаружена на дату подачи заявки, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена блок-схема оптического терминала, на базе которого строится предлагаемое устройство оптической линии связи, где 1 - оптический передатчик; 2 - передающий объектив; 3 - оптический делитель; 4 - оптический передающий модуль; 5 - оптический передатчик; 6 - матрица фотодетекторов; 7 - приемник; 8 - блок перемещения; 9 - блок управления; 10 - базовой элемент.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Перед началом работы каждый из двух идентичных оптических терминалов юстируется (наводятся на другой) угловым перемещением базового элемент 10. N оптических передатчиков (один оптический передатчик 1 и N-1 оптических передатчиков 5) первого оптического терминала излучают ОИ, промодулированное информационным сигналом, причем пучки излучения этих оптических передатчиков 1, 5 перекрываются на втором оптическом терминале. Приемник 7 второго оптического терминала принимает часть излучения оптических передатчиков 1, 5 и выделяет информационный сигнал. Часть излучения оптических передатчиков 1, 5 попадает на передающий объектив 2 оптического передатчика 1 второго оптического терминала и далее через оптический делитель 3 на матрицу фотодетекторов 6. Матрица фотодетекторов 6 преобразует оптический сигнал в электрический, несущий информацию о размерах изображения одного или нескольких (не более N) излучателей - оптических передатчиков 1, 5 первого оптического терминала. По этим сигналам в блоке управления 9 производится текущая оценка, например по методикам [2, 3], характерного размера поперечного сечения пучка оптического излучения (с известными площадью, излучающей поверхность, и начальной расходимостью), прошедшего через слой атмосферы от первого оптического терминала до второго. Кроме того, в блоке управления 9 формируются сигналы на перемещение в пространстве каждого из N оптических передатчиков 1, 5, которые поступают на блок перемещения 8. Блок перемещения 8 осуществляет указанные пространственные перемещения каждого оптического передатчика 1, 5 второго оптического терминала, в результате чего оказывается влияние на параметры распределения оптического излучения на приемнике первого оптического терминала. Первый оптический терминал при приеме излучения оптических передатчиков 1, 5 второго оптического терминала работает аналогично второму.

Поясним, каким образом в блоке управления 9 могут быть сформированы сигналы на пространственные перемещения каждого оптического передатчика 1 и как может быть реализован блок перемещения 8 на примере оптического терминала, содержащего четыре оптических передатчика 1, 5 (N=4).

На фиг.2 схематически изображено взаимное расположение четырех передающих объективов 2. Ведем на плоскости, перпендикулярной оптическим осям оптических передатчиков, ортогональную систему координат (х,0,у). Блок перемещения 8 обеспечивает перемещение каждого из четырех оптических передатчиков 1, 5 по соответствующим четырем направляющим, проложенным вдоль полуосей системы координат (х,0,у), на расстояние d относительно точки 0. Эти направляющие жестко крепятся к базовому элементу 10. Антенна приемника 7 оптического терминала располагается таким образом чтобы она не препятствовала описанным выше перемещениям четырех оптических передатчиков 1, 5. В частности, на фиг.2 изображен вариант такого размещения для случая четырех субъапертур многоапертурной антенны приемника 7, где 11 - субъапертура многоапертурной антенны приемника.

Рассмотрим случай, когда распределение интенсивности излучения оптического передатчика 1, 5 в поперечном сечении пучка на противоположном оптическом терминале подчиняется гауссовскому закону с характерным размером (по уровню е^-2) D_n. Предположим, что в устройстве-прототипе максимальное расстояние от точки О до оптического передатчика 1, 5 (например, равное d₁) много меньше величины D_n. Тогда распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка на противоположном оптическом терминале, образованном в результате некогерентного суммирования N=4 параллельных пучков излучения оптических передатчиков 1, 5, приближается к гауссовскому закону с характерным размером (по уровню е^-2) D=D_n. При этом интенсивность распределения в каждое точке возрастает в 4 раза.

Для передачи информации в устройстве-прототипе необходимо обеспечить, с одной стороны, непрерывность облучения оптической антенны приемника промодулированным ОИ при всех допустимых значениях ошибки наведения пучка ОИ на центр оптической антенны приемника - П≤П_доп, с другой стороны, такой уровень интенсивности ОИ на антенне приемника, при которой собираемая этой антенной мощность ОИ - Р достаточна для передачи информации с требуемым качеством. Будем считать, что для передачи информации с требуемым качеством значение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка на противоположном оптическом терминале, образованного в результате некогерентного суммирования N=4 параллельных пучков излучения оптических передатчиков 1, 5 на расстоянии П_доп от центра распределения, составляет е^-1 от своего максимального значения. При этом для гауссовского распределения интенсивности имеем

Величина характерного размера поперечного сечения пучка излучения одиночного оптического передатчика D_n зависит от текущего состояния атмосферы и меняется во времени. Соответственно изменяется величина D. Поэтому расходимость пучка ОИ передатчика выбирают таким образом, чтобы минимально возможное значение D было не менее D*. Обозначим зависимость интенсивности излучения в поперечном сечении пучка на противоположном оптическом терминале от ошибки наведения пучка ОИ на приемник I(П), полученную при D=D^* как I*(П). При увеличении величины D (вследствие распространения излучения в атмосфере) D>D* имеем I(П)<I*(П), при всех П≤П_доп, что приводит к снижению энергетического потенциала оптической линии связи.

На фиг.3 представлены: области значений параметров D_n/П_доп и d/П_доп, обозначенные как 12, 13 и 14, в которых отношение I₄(П=0)/I*(П=0) составляет не менее 1,00; 1,05 и 1,10 соответственно, a I₄(П)≥I*(П) при П≤П_доп; где I₄(П) - зависимость интенсивности излучения в поперечном сечении пучка, полученные в результате некогерентного суммирования N=4 параллельных пучков излучения оптических передатчиков 1, 5 на противоположном оптическом терминале от расстояния относительно точки 0 (см. фиг.2).

Из результатов расчетов, приведенных на фиг.3, следует, что для рассматриваемого устройства в случае N=4 расходимость излучения одиночного оптического передатчика, должна быть уменьшена таким образом, чтобы величина D_n уменьшилась в раза (относительно прототипа, при условии, что d₁≪D*). При этом минимально возможное значение характерного размера распределения интенсивности излучения оптического передатчика 1, 5 в поперечном сечении пучка н а противоположном оптическом терминале - D_мин будет равно 2·П_доп. При изменении параметров атмосферы значение D_n будет изменяться от своего минимального значения (равного 2·П_доп) до максимального.

В блоке управления 7 производится оценка текущего значения D_n и в соответствии с зависимостями на фиг.2 формируется сигнал на перемещение четырех оптических передатчиков 1, 5 на расстояние d относительно точки 0. Например, при D_n=2·П_доп значение d=1,2·П_доп. При увеличении D_n значение d уменьшается и при т.е. при увеличении D_n в раза относительно D_мин, значение d=0 (на самом деле минимальное d=d₂/2, где d₂ - диаметр передающего объектива 2). Отметим, что даже если в устройств-прототипе оптические передатчики 1, 5, жестко закрепленные на базовом элементе 10, разнесены некоторым образом в пространстве, то распределение I₄(П), близкое к I*(П), при П≤П_доп, может быть получено только при некотором фиксированном значении . При изменении величины D_n (при распространении в атмосфере) относительно в сторону уменьшения или в сторону увеличения получим ухудшение распределения I₄(П) относительно I(П), при П≤П_доп (см. фиг.3), которое может быть скомпенсировано соответствующим перемещением оптических передатчиков 1, 5.

Таким образом, заявленное устройство оптической линии связи позволяет уменьшить зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучков излучения оптических передатчиков, прошедших через слой атмосферы, что было практически невозможно при использовании прототипа.

Источники информации

1. Патент US 5777768, МКП⁷ Н 04 В 10/00. Лазерная линия связи с несколькими передатчиками, 07.07.1998.

2. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере/ А.С.Гурвич, А.И.Кон, С.С.Хмелевцов. - М.: Наука, 1976. - 277 с.

3. Перенос изображений в рассеивающей среде./ Э.П.Зеге, А.П.Иванов, И.А.Кацев. - М.: Наука и техника, 1985. - 327 с.

Изобретение относится к системам оптической связи и может быть использовано в атмосферных линиях связи. Технический результат состоит в уменьшении зависимости энергетического потенциала оптической линии связи от изменений характерного размера поперечного сечения пучков излучения оптических передатчиков, прошедших через слой атмосферы. Технический результат получен за счет уменьшения расходимости излучения каждого оптического передатчика оценки характерного размера пятна излучения оптического передатчика Dn по характерному размеру изображения излучения оптического передатчика противоположного оптического терминала и перемещения в пространстве каждого из N, где N≥2, оптических передатчиков на величину, зависящую от текущего значения D_n. 3 ил.

Устройство оптической линии связи, содержащее первый и второй оптические терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый оптический терминал содержит базовый элемент, приемник, жестко закрепленный на базовом элементе, N, где N≥2, оптических передатчиков, оптические оси которых параллельны, причем пучки излучения оптических передатчиков перекрываются на другом терминале, отличающееся тем, что в устройство каждого оптического терминала дополнительно введены оптический делитель, установленный в одном из оптических передатчиков между передающим объективом и оптическим передающим модулем, матрица фотодетекторов, блок управления, производящий вычисление характерного размера изображения излучения оптического передатчика противоположного оптического терминала на матрице фотодетекторов и формирующий сигналы на перемещение в пространстве каждого из N оптических передатчиков, блок перемещений, осуществляющий указанные пространственные перемещения каждого оптического передатчика, причем оптический делитель связан оптически с матрицей фотодетекторов, блок управления электрически соединен с матрицей фотодетекторов и блоком перемещения, блок перемещения жестко установлен на базовом элементе и связан механически с каждым из N оптических передатчиков, а расходимость излучения каждого оптического передатчика выбирается из соотношения D=2П_доп, где D - диаметр пучка оптического излучения на противоположном оптическом терминале, а П_доп - допустимое значение ошибки наведения пучка оптического излучения.