СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к системам лазерной космической связи и квантовой электронике. Изобретение предназначено для организации линий космической связи большой протяженности между космическим аппаратом, находящимся в дальнем космосе, и базовой станцией космической связи, находящейся на поверхности Земли, или на космическом аппарате на околоземной орбите.

Известны способы организации лазерной космической связи, аналогичные системам космической радиосвязи, заключающиеся в генерации электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн - лазерного излучения, модуляции излучения информационным сигналом, направлении лазерного излучения с помощью оптической антенны-телескопа в сторону приемника-корреспондента, приеме лазерного излучения приемной оптической антенной, регистрации и демодуляции лазерного излучения с помощью фотодетектора, обладающего чувствительностью в диапазоне длин волн, соответствующем длине волны лазерного излучения лазерного генератора-передатчика [1]. К недостаткам данных открытых линий связи следует отнести малую по космическим масштабам дальность действия, что обусловлено ограниченной чувствительностью фотоприемников прямого фотодетектирования, а также низкой помехозащищенностью фотоприема вследствие широкой полосы чувствительности используемых фотоприемников.

Известны способы лазерной связи, использующие для регистрации принимаемого излучения методы гетеродинного приема (фотосмешения) сигналов оптического диапазона длин волн [2]. Данные методы гетеродинного приема обладают несколько более высокой чувствительностью по сравнению с методами прямого фотодетектирования оптических сигналов, однако имеют ряд существенных недостатков.

К недостаткам данного метода приема оптических информационных сигналов следует отнести прежде всего наличие собственных шумов лазерного гетеродина, препятствующих реализации высокой чувствительности приема оптических (лазерных) информационных сигналов. При этом при реализации системы дальней космической лазерной связи, характеризующейся большой величиной доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, непосредственный прием лазерного излучения гетеродинным методом является неэффективным вследствие смещения величины промежуточной частоты сигналов фотосмешения на выходе оптического фотоприемника - преобразователя оптических частот - в область весьма высоких частот порядка единиц и десятков гигагерц, усиление которых с выхода фотоприемников на уровне предельной квантовой чувствительности невозможно. Вследствие ограниченной чувствительности данные методы лазерной космической связи характеризуются невысокой дальностью действия.

Известен способ приема и передачи информации оптическим сигналом [3], включающий генерацию, модуляцию, излучение и прием лазерных сигналов, подсчет интервалов времени между оптическими импульсами, определение значений текущих интервалов времени, вычитания константы и определения точных значений между текущим и предыдущим оптическими импульсами. К недостаткам данного способа следует отнести малую дальность действия систем лазерной связи на основе данного способа вследствие невозможности обеспечения предельной квантовой чувствительности при приеме оптических импульсов.

Известен способ приема и передачи информации оптическими сигналами [4], включающий прием оптических сигналов с помощью фотоприемников, задержку сигналов посредством оптической линии задержки, объединение и совместную обработку оптических сигналов. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую чувствительность используемого метода прямого фотодетектирования оптических сигналов и соответственно малую дальность действия системы связи на основе данного способа.

В качестве прототипа выбран способ, реализованный по патенту [5] при осуществлении лазерной космической связи с использованием терминалов лазерной связи, устанавливаемых на базовой станции и на борту космического аппарата (КА).

Способ включает генерацию и модуляцию лазерного излучения в базовой станции и на борту КА, взаимную ориентацию (наведение) приемных и передающих оптических антенн, прием лазерного излучения, пространственный анализ - фильтрацию - принимаемого излучения - изображения наблюдаемого поля, разделение и совместную обработку разделенных изображений, регистрацию оптических сигналов методами прямого фотодетектирования. К недостаткам данного способа и системы лазерной космической связи на его основе следует отнести малую дальность действия по космическим масштабам, обусловленную относительно невысокой чувствительностью методов прямого фотодетектирования оптических сигналов, не позволяющих реализовать предельную квантовую чувствительность при организации лазерной космической связи данным способом. Дальность действия системы лазерной космической связи, как указано в [5], составляет L=40000 км, что позволяет организовать лазерную связь только в ближнем космосе с КА, обращающимися по околоземным орбитам. Следует отметить, что указанная в [5] скорость передачи информации достигается только в пределах указанной дальности L. На расстояниях, больших чем L такая скорость передачи информации не реализуется. Для космической связи со станцией на Луне и в пределах Солнечной системы такой способ построения лазерной связи является непригодным. Другим существенным недостатком данного способа и системы космической связи является низкая помехозащищенность, обуславливающая невозможность приема лазерных информационных сигналов в условиях сильной фоновой засветки, например, на фоне солнечного диска или на фоне излучения плазмы, окружающей КА при его посадке на Землю и входе в плотные слои атмосферы.

В качестве прототипа для комплекса лазерной космической связи, реализующего способ лазерной космической связи, выбрано устройство лазерной связи (терминал) по патенту [5], реализующему способ-прототип.

Достигаемым техническим результатом является следующее: повышение дальности действия комплекса лазерной космической связи, увеличение объемов и скорости передачи информации в системах лазерной космической связи между быстро движущимися космическими объектами, реализация предельной квантовой чувствительности при приеме широкополосных лазерных информационных сигналов в условиях дальней космической связи между движущимися объектами - космическими аппаратами (КА). Реализация лазерной космической связи при приеме лазерных сигналов на фоне солнечного излучения и излучения ярко светящихся космических объектов. Реализация непрерывной связи с космическим кораблем (КК) в момент времени его входа в плотные слои атмосферы и посадки на Землю через слой плазмы, окружающей КК.

Новый технический результат достигается следующим образом:

1. В известном способе, включающем последовательную генерацию и модуляцию лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса, взаимную ориентацию передающих и приемных оптических антенн и взаимный прием лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса, до генерации лазерного излучения в базовой части комплекса определяют скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса, определяют доплеровский сдвиг частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при его приеме в бортовой части комплекса, генерирование лазерного излучения в базовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₁ на отрицательную величину доплеровского сдвига частоты Δf₁=-Δf_d, после приема этого лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют его квантовое усиление, измеряют сдвиг оптической частоты Δv₂ принятого и усиленного лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀, генерацию лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₂ на отрицательную величину измеренного сдвига оптической частоты Δν₂ принятого лазерного излучения Δf₂=-Δv₂, осуществляют дополнительную модуляцию генерируемого в бортовой части лазерного излучения величиной измеренного сдвига оптической частоты Δν₂, последующий прием и квантовое усиление лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом центральной частоты f_ф2 полосы приема на величину измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты принятого лазерного излучения, после приема лазерного излучения от бортовой части комплекса в базовой части комплекса осуществляют его квантовое усиление со сдвигом центральной частоты f_ф1 полосы приема на величину ранее измеренного доплеровского сдвига частоты Δf_d, измеряют сдвиг Δν₁ оптической частоты принятого и усиленного в базовой части комплекса лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀, в базовой части комплекса осуществляют демодуляцию принятого от бортовой части комплекса лазерного излучения и получают информацию о величине сдвига оптической частоты Δν₂, измеренного ранее в бортовой части комплекса, на основе полученных сдвигов оптической частоты Δν₁, Δν₂ определяют параметры режима лазерной космической связи ε₁, ε₂, по которым судят о качестве установленной лазерной космической связи и при выполнении условий:

ε₁≤0,01 и ε₂≤0,01

принимают решение об установлении штатного режима лазерной космической связи, при котором в базовой и бортовой частях комплекса осуществляют генерацию лазерного излучения и прием и квантовое усиление лазерного излучения с установленными ранее сдвигами оптических частот генерируемого лазерного излучения и со сдвигами центральных частот полос приема лазерного излучения.

2. Параметры режима установленной лазерной космической связи ε₁ и ε₂ определяют на основании следующих соотношений:

где Δν₁ и Δν₂ - величины сдвигов оптической частоты, измеренные соответственно в базовой (Δν₁) и в бортовой (Δν₂) частях комплекса;

Δf_d - величина доплеровского сдвига оптической частоты лазерного излучения, определение которого осуществлено в базовой части комплекса.

3. При невыполнении хотя бы одного из условий ε₁≤0,01 и ε₂≤0,01 в качестве величины доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d используют сумму измеренных величин Δν₁, Δν₂ сдвигов оптической частоты:

4. Определение доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при приеме в бортовой части комплекса осуществляют в соответствии с формулой:

где с - скорость света, V₁ - скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса по направлению линии взаимного визирования, связывающей базовую и бортовую части комплекса; f₀ - оптическая частота лазерного излучения, генерируемого в базовой части комплекса и соответствующая оптической частоте рабочего квантового перехода активного вещества, используемого при осуществлении генерации лазерного излучения и при осуществлении квантового усиления лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса.

5. В качестве эталонной оптической частоты f₀ лазерного излучения принимают оптическую частоту рабочего квантового перехода активного вещества, используемого при осуществлении генерации лазерного излучения и квантового усиления лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса.

6. В комплекс лазерной космической связи (ЛКС), состоящий из идентичных базовой и бортовой частей, размещенных на разных космических аппаратах (КА), каждая из которых содержит приемную и передающую оптические антенны, установленные на базовом элементе и жестко с ним соединенные, опорно-поворотное устройство (ОПУ), кинематически соединенное с базовым элементом, оптический фильтр, первый и второй фотоприемные блоки (ФПБ), модулятор лазерного излучения с блоком управления, блок-источник информации и блок-получатель информации, блок управления комплекса, управляющий вход ОПУ, выходы первого и второго ФПБ, блока-получателя информации и блока-источника информации подключены к блоку управления комплекса, блок управления модулятором лазерного излучения подсоединен к блоку управления комплекса, в каждую из идентичных частей комплекса введены активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ), лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ), блок многоканальной лазерной связи, первый и второй блоки измерения оптической частоты, эталонный генератор лазерного излучения, блок определения параметров движения, первая и вторая линзы, три отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом оптический вход АКФПЧ связан с оптическим выходом приемной оптической антенны, оптический выход АКФПЧ связан с оптическим входом первого ФПБ через оптический фильтр, первое полупрозрачное зеркало и первую линзу, а с оптическим входом второго ФПБ через оптический фильтр, первое и второе полупрозрачные зеркала и вторую линзу, дополнительно оптический выход АКФПЧ связан с оптическими входами блока многоканальной лазерной связи и первого блока измерения оптической частоты через оптический фильтр и первое, второе, третье полупрозрачные зеркала и первое отражательное зеркало, оптический выход ЛГПЧ связан с оптическим входом передающей оптической антенны через модулятор лазерного излучения и с оптическим входом второго блока измерения оптической частоты посредством шестого полупрозрачного зеркала и третьего отражательного зеркала, оптический выход эталонного генератора лазерного излучения оптически связан со вторыми оптическими входами второго блока измерения оптической частоты, первого блока измерения оптической частоты посредством четвертого и пятого полупрозрачных зеркал и блока многоканальной лазерной связи через четвертое и пятое полупрозрачные зеркала и второе отражательное зеркало, при этом управляющие входы АКФПЧ и ЛГПЧ подсоединены к блоку управления, входы которого подключены к первому и второму блокам определения оптической частоты и к блоку многоканальной лазерной связи, выход блока определения параметров движения подсоединен к блоку управления и к выходу блока внешнего целеуказания.

7. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, входное полупрозрачное зеркало, кювету с прозрачными входным и выходным окнами и активным веществом и блоком накачки, оптическую пластину с блоком позиционирования, акустооптический модулятор с блоком управления, выходное полупрозрачное зеркало, пьезоэлемент с блоком управления, соединенный с выходным полупрозрачным зеркалом, блок управления частотой спектральной линии, соединенный с кюветой с активным веществом, при этом управляющие входы блока накачки, блока позиционирования, блока управления акустооптическим модулятором, блока управления пьезоэлементом и блока управления частотой спектральной линии подсоединены к блоку управления комплекса.

8. Лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ) содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные выходную диафрагму, полупрозрачное зеркало резонатора, кювету с активным веществом, блоком накачки, блок управления частотой генерации, соединенный с кюветой с активным веществом, оптическую пластину с блоком позиционирования, отражательное зеркало резонатора, при этом управляющие входы блока накачки, блока управления частотой генерации и блока позиционирования подсоединены к блоку управления комплекса.

9. Блок многоканальной лазерной связи содержит последовательно соединенные фотоприемник, первый усилитель промежуточной частоты, смеситель радиодиапазона с гетеродином, многоканальный усилитель промежуточных частот, многоканальный демодулятор, а также оптически связанные оптический аттенюатор и акустооптический модулятор, при этом вход оптического аттенюатора посредством отражательного зеркала и светоделителя оптически связан с оптическим входом фотоприемника, а вход акустооптического модулятора оптически связан с выходом эталонного генератора лазерного излучения посредством отражательного и полупрозрачного зеркал, управляющий электрический вход оптического аттенюатора и управляющий вход акустооптического модулятора подсоединены к выходу блока управления комплекса, выход многоканального демодулятора подключен ко входу блока управления комплекса.

10. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) выполнен на основе волоконно-оптического квантового усилителя, содержащего активное оптическое волокно, вход которого через оптический разветвитель и первую волоконно-оптическую брэгговскую решетку оптически связан с входной линзой, а выход которого через вторую волоконно-оптическую брэгговскую решетку оптически связан с выходной линзой, второй вход оптического разветвителя подсоединен к блоку полупроводниковой лазерной накачки, первая и вторая волоконно-оптические брэгговские решетки (ВБР) подсоединены к блоку управления параметрами.

11. Лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ) содержит активное оптическое волокно, вход которого через первую волоконно-оптическую решетку оптически связан с блоком полупроводниковой лазерной накачки, а выход оптически связан через вторую волоконно-оптическую решетку с выходной линзой, первая и вторая волоконно-оптические решетки соединены с блоком управления параметрами.

12. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) содержит полупроводниковый лазерный усилитель, сопряженный с оптическим волокном, оптический вход которого через оптический разветвитель и сопрягающие элементы связан с входной и выходной линзами, а оптический выход связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой, подсоединенной к блоку управления параметрами.

На фиг.1 представлена схема состава и на фиг.2 схема организации связи комплекса лазерной космической связи (ЛКС) - далее просто комплекса, - реализующего предлагаемый способ лазерной космической связи.

Согласно предлагаемому способу лазерную космическую связь устанавливают между базовой частью комплекса и бортовой частью комплекса. Базовая часть комплекса является основной и установлена на поверхности Земли или расположена на базовом космическом аппарате (БКА), вращающемся на околоземной орбите. Бортовая часть комплекса расположена на борту второго космического аппарата (КА2), находящегося в дальнем космосе, например в районе планеты Марс. Базовая и бортовая части комплекса имеют идентичный состав.

На фиг.1 представлена блок-схема базовой (бортовой) части комплекса, где обозначены следующие элементы:

1. Приемная оптическая антенна.

2. Базовый элемент.

3. Опорно-поворотное устройство (ОПУ).

4. Передающая оптическая антенна.

5. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ).

6. Оптический фильтр.

7. Первая и вторая - поз.8 - линзы.

9. Первый фотоприемный блок.

10. Второй фотоприемный блок.

11. Блок многоканальной лазерной связи.

12. Первый блок измерения оптической частоты.

13, 14, 15. Первое, второе и третье полупрозрачные зеркала.

16. Первое отражательное зеркало.

17. Эталонный генератор лазерного излучения.

18. Второе отражательное зеркало.

19, 20. Четвертое и пятое полупрозрачные зеркала.

21. Лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ).

22. Второй блок измерения оптической частоты.

23. Шестое полупрозрачное зеркало.

24. Третье отражательное зеркало.

25. Блок управления комплекса.

26. Блок определения параметров движения.

27. Блок-получатель информации.

28. Блок-источник информации.

29. Блок внешнего целеуказания (не входит в состав комплекса).

30. Модулятор лазерного излучения с блоком управления 31.

32. Платформа космического аппарата.

На фиг.2 представлена схема организации лазерной космической связи между базовой и бортовой частью комплекса, реализующей способ лазерной космической связи.

На фиг.2 обозначены следующие элементы:

2-1. Базовая часть комплекса.

2-2. Бортовая часть комплекса.

2-3. Базовый космический аппарат (БКА) (носитель) или поверхность Земли.

2-4. Второй космический аппарат, несущий бортовую часть комплекса.

2-5, 2-6. Передающая и приемная оптические антенны базовой части комплекса.

2-7, 2-8. Приемная и передающая оптические антенны бортовой части комплекса.

2-9, 2-10. Блоки определения параметров движения в базовой и бортовой частях комплекса.

2-11, 2-12. Опорно-поворотные устройства (ОПУ) в базовой и бортовой частях комплекса.

2-13, 2-14. Аппаратные блоки в базовой и бортовой частях комплекса.

2-15, 2-16. Несущие конструкции в базовой и бортовой частях комплекса (базовые элементы). Базовая часть комплекса может также быть установлена на земной поверхности.

На фиг.3 приведена блок-схема лазерного генератора с перестройкой частоты (ЛГПЧ), который содержит следующие элементы:

3-1. Кювета с активным веществом.

3-2. Блок накачки.

3-3. Блок управления частотой генерации.

3-4. Полупрозрачное и отражательное 3-5 зеркала резонатора.

3-6. Оптическая пластина с блоком позиционирования 3-7.

3-10. Выходная диафрагма.

На фиг.4 приведена блок-схема активного квантового фильтра с перестройкой частоты (АКФПЧ), который содержит следующие элементы:

4-1. Кювета с прозрачными входным и выходным окнами и активным веществом.

4-2. Блок накачки.

4-3. Блок управления частотой спектральной линии.

4-4. Входное полупрозрачное зеркало.

4-5. Выходное полупрозрачное зеркало.

4-6. Пьезоэлемент с блоком управления 4-7.

4-8. Оптическая пластина с блоком позиционирования 4-9.

4-10. Акустооптический модулятор с блоком управления 4-11.

4-12. Входная диафрагма.

4-13. Выходная диафрагма.

В ограничительной части формулы изобретения на комплекс (устройство), реализующий предлагаемый способ, ряд элементов, присутствующих в устройстве-прототипе, вынесен в отдельные блоки. К таким элементам относятся следующие:

1. Оптический фильтр поз.6, фиг.1 в устройстве-прототипе входил в состав фотоприемных блоков 9, 10.

2. Модулятор лазерного излучения поз.30, фиг.1 с блоком управления 31 в устройстве-прототипе входил в состав лазерного генератора (лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения).

3. Блок управления комплекса поз.25, фиг.1 в устройстве-прототипе входил в состав модуля фотоприемных устройств - фотоприемный блок.

Принцип действия предлагаемого способа лазерной космической связи заключается в следующем. Лазерную связь устанавливают между базовой (поз.2-1 на фиг.2) и бортовой (поз.2-2) частями комплекса, установленными соответственно на базовом космическом аппарате (БКА) 2-3 и на втором космическом аппарате 2-4 бортовой части комплекса. Космические аппараты находятся в космическом пространстве и движутся под действием сил тяготения Солнца и планет.

Расстояние между первым и вторым космическими аппаратами (КА) может достигать от нескольких единиц до десятков астрономических единиц (а.е.), где 1 а.е.=150·10⁶ км - равно среднему расстоянию от Земли до Солнца. Лазерная связь на таких дальних расстояниях может быть реализована за счет использования в приемных устройствах специального узкополосного лазерного (квантового) усилителя, обладающего предельной квантовой чувствительностью, ограниченной квантовой природой электромагнитного излучения. Реализация предельной квантовой чувствительности в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне позволяет обеспечить устойчивый прием лазерного информационного сигнала при уровне энергии, соответствующем наличию на входе приемной оптической антенны 2-3 фотонов на один бит передаваемой информации, что позволяет полностью использовать высокие потенциальные возможности лазерного излучения и лазерных систем связи при передаче больших объемов информации.

Указанный высокочувствительный лазерный усилитель с предельной квантовой чувствительностью, получивший наименование активный квантовый фильтр (АКФ) [6, 7], наряду с высокой чувствительностью обладает достаточно узкой полосой приема и квантового усиления лазерного излучения, достигающей величины Δν₀≈0,01 обратных сантиметров [см^-1], что по масштабам оптического диапазона является весьма малой величиной. Вследствие этого основной проблемой при осуществлении лазерной космической связи на основе АКФ является проблема компенсации доплеровского сдвига оптической частоты лазерного излучения, возникающего вследствие взаимного движения космических аппаратов, между которыми осуществляется связь, со скоростями, достигающими первой или второй космической скорости. При этом собственно доплеровский сдвиг в оптическом диапазоне существенно превышает аналогичный сдвиг частоты в радиодиапазоне и может составлять величину до ~ 10 Ггц (10¹⁰ Гц).

Для решения поставленной задачи и осуществления дальней космической лазерной связи на основе высокочувствительных АКФ в условиях больших величин доплеровского смещения оптической частоты принимаемых лазерных излучений осуществляют следующие операции.

Для обеспечения функционирования комплекса лазерной космической связи осуществляют взаимную ориентацию передающих и приемных оптических антенн базовой и бортовой частей комплекса, в результате чего взаимное расположение базовой 2-1, фиг.2 и бортовой 2-2 частей комплекса устанавливают таким, как оно показано на фиг.2. Взаимную ориентацию осуществляют с помощью опорно-поворотных устройств 2-11, 2-12, а также путем маневрирования и ориентации космических аппаратов 2-3, 2-4. При этом данные о положении космического аппарата 2-4 относительно базового КА 2-3 и соответственно данные о положении базового КА 2-3 относительно КА 2-4 получают от блока внешнего целеуказания 29 и от блока 26 определения параметров движения. Блок 29 представляет собой специализированное устройство памяти, например, на основе персонального компьютера, в который закладываются исходные данные о параметрах траектории движения обоих космических аппаратов 2-3, 2-4, а также сведения о моментах времени начала движения КА 2-3, 2-4 по заданной траектории. Указанные данные закладываются в блок 29 внешнего целеуказания оператором или эти данные передают в блок 29 по специальному радиоканалу связи в виде телеметрической информации. Далее в блоке определения параметров движения 26 на каждом из космических аппаратов 2-3, 2-4 для заданного момента времени t₀ начала установления космической связи определяют местоположение соответствующего КА 2-3 или 2-4 на его траектории движения, определяют также далее местоположение КА на небесной сфере относительно другого КА и соответственно направление в пространстве на соответствующий КА 2-3 или 2-4 относительно другого КА. Эта информация и позволяет осуществить взаимную ориентацию оптических антенн базовой и бортовой частей комплекса. После этой операции осуществляют определение скорости движения V₁ бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса. Данную операцию осуществляют в базовой части комплекса (поз.2-1, фиг.2) в блоке определения параметров движения 26 базовой части комплекса. В состав блока 26 входит электронно-вычислительная машина (ЭВМ), в которой на основе поступившей из блока 29 информации о параметрах траектории движения первого и второго КА, а также о моменте времени t₀ - начале установления связи и моменте текущего времени от системы точного времени определяют скорость движения V₁ КА 2-4 относительно КА 2-3 по направлению линии взаимного визирования космических аппаратов, которая представляет собой прямую линию, связывающую напрямую базовую и бортовую части комплекса. На фиг.2 линия взаимного визирования представлена в виде отрезка O₁-О₂. Блок системы точного времени также входит в состав блока 26 определения параметров движения. На фиг.2 в виде вектора V₁ показана скорость движения бортовой части комплекса 2-2 в системе координат, связанной с базовой частью комплекса, в которой базовая часть комплекса является неподвижной. Таким образом, скорость V₁ является радиальной скоростью движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса и обуславливает наличие доплеровского сдвига несущей оптической частоты при осуществлении лазерной связи между базовой и бортовой частями комплекса. Далее в блоке 26 базовой части комплекса осуществляют определение доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при его приеме в бортовой части комплекса по следующей формуле:

где V₁ - измеренная ранее скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса по направлению линии взаимного визирования, связывающей базовую и бортовую части комплекса; с - скорость света; f₀ - оптическая частота лазерного излучения, генерируемого в базовой части комплекса и излучаемого по линии визирования O₁-O₂, фиг.2 - в направлении бортовой части комплекса. При сближении базовой и бортовой частей комплекса в формуле (1) скорость V₁ имеет положительный знак. При удалении бортовой части комплекса V₁ имеет отрицательный знак.

Таким образом, произведенное измерение доплеровского сдвига оптической частоты по формуле (1) представляет собой такой сдвиг оптической частоты, который будет иметь место при осуществлении лазерной связи между базовой и бортовой частями комплекса, движущимися с относительной радиальной скоростью V₁ и при использовании для связи лазерного излучения с оптической частотой f₀.

Далее осуществляют генерацию лазерного излучения в базовой части комплекса со сдвигом оптической частоты Δf₁ на отрицательную величину полученного выше (ранее) доплеровского сдвига частоты Δf₁=-Δf_d. В результате оптическая частота f_Г1 генерируемого излучения в базовой части комплекса равна:

Здесь и далее индекс «единица» означает принадлежность величины частоты (f) к базовой части комплекса, а индекс «два» означает соответственно принадлежность величины частоты или сдвига частоты к бортовой части комплекса.

В случае удаления бортовой части комплекса от базовой части доплеровский сдвиг согласно (1) имеет отрицательный знак, а генерируемая оптическая частота f_Г1 согласно (2) превышает исходную оптическую частоту f₀ лазерного перехода используемого рабочего вещества лазерного генератора на величину модуля доплеровского сдвига частоты |Δf_d|:

Сдвиг оптической частоты в базовой части комплекса осуществляют одновременно с генерацией лазерного излучения с помощью лазерного генератора с перестройкой частоты (ЛГПЧ) поз.21 на фиг.1. Управляющий сигнал в цифровой форме поступает в ЛГПЧ 21 с выхода блока управления 25 базовой части комплекса. В блок управления 25 информация о величине доплеровского сдвига Δf_d поступает с выхода блока 26 определения параметров движения. В блоке управления 25 данная информация преобразуется в специальный код управления ЛГПЧ 21 и в заданный момент времени поступает на управляющий вход ЛГПЧ 21.

Таким образом, ЛГПЧ 21 генерирует (формирует) лазерное излучение, оптическая частота f_Г1 которого соответствует величине, указанной в формулах (3;2). Сформированное в базовой части комплекса лазерное излучение с выхода ЛГПЧ 21 поступает на оптическую антенну 4, фиг.1 и поз.2-5, фиг.2 и далее излучается в сторону бортовой части комплекса, поз.2-2 на фиг.2.

Далее в бортовой части комплекса осуществляют прием этого излучения с помощью оптической приемной антенны, поз.1 на фиг.1 и соответственно поз.2-7 на фиг.2. После приема лазерного излучения оно поступает от оптической приемной антенны 1 на вход АКФПЧ 5, фиг.1, в котором осуществляют квантовое усиление принятого лазерного излучения в пределах полосы приема и квантового усиления АКФПЧ с центральной (средней) частотой f_ф2 полосы приема АКФПЧ, равной вначале частоте f₀ квантового перехода лазерной среды (рабочего вещества) АКФПЧ и лазерного генератора ЛГПЧ 21 в невозмущенном состоянии: f_ф2=f₀. Данная оптическая частота квантового перехода определяет также оптическую частоту f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения.

Далее в бортовой части комплекса измеряют сдвиг Δν₂ оптической частоты принятого и усиленного лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения. Для этого усиленное принятое лазерное излучение с выхода АКФПЧ 5 через оптический фильтр 6 и полупрозрачные зеркала 13, 16 поступает на вход первого блока измерения оптической частоты 12. Одновременно на второй вход блока 12 поступает лазерное излучение от эталонного генератора 17 лазерного излучения с эталонной оптической частотой f₀. Лазерное излучение поступает через полупрозрачные зеркала 19 и 20. Первый блок измерения оптической частоты 12 осуществляет измерение сдвига Δν₂ оптической частоты, информация о котором в цифровой форме поступает далее с выхода блока 12 на вход блока управления комплекса 25, в качестве которого использована, например, стандартная ЭВМ (или персональный компьютер). Величина измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты равна

где f_пр2 - оптическая частота принятого лазерного излучения, которая определяется оптической частотой лазерного излучения, сформированного и излученного базовой частью комплекса f_Г1 (2) и величиной реального доплеровского сдвига

Здесь V_R - реальная величина скорости перемещения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса. В общем случае измеренная ранее скорость V₁ движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса может отличаться от реальной скорости V_R вследствие наличия ошибок в оценке величины V₁ скорости относительного движения бортовой части и базовой частей комплекса по траекторным измерениям, проведенным ранее в базовой части комплекса.

Величина f_пр2 равна

В результате величина измеренного сдвига Δν₂ (4) с учетом (5) и (6) равна:

Второе слагаемое в (7) является величиной второго порядка малости и далее будет опущено. Таким образом, величина измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты характеризует ошибку в определении доплеровского сдвига частоты в базовой части комплекса (1), обусловленную возможной неточностью в первичном определении скорости V₁ движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса. Измеренную в бортовой части комплекса величину сдвига Δν₂ оптической частоты используют далее для компенсации указанной возможной ошибки определения скорости движения V₁. Для этого генерацию лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₂ на отрицательную величину измеренного сдвига оптической частоты Δν₂ лазерного излучения, принятого от базовой части комплекса:

Информация об измеренной величине Δν₂ поступает с выхода первого блока измерения оптической частоты 12 в блок управления комплекса 25 и далее в соответствующий момент времени на управляющий вход ЛГПЧ 21. При этом блок управления 25 формирует управляющий сигнал, обеспечивающий сдвиг генерируемой частоты лазерного излучения ЛГПЧ 21 на величину (8). В результате лазерное излучение, генерируемое в бортовой части комплекса в ЛГПЧ, имеет оптическую частоту f_Г2, равную:

где величины f₀, V₁, V_R соответствуют аналогичным величинам в формуле (7).

Одновременно со сдвигом генерируемой частоты лазерного излучения в бортовой части комплекса в ЛГПЧ 21 осуществляют дополнительную модуляцию генерируемого лазерного излучения величиной измеренного сдвига частоты Δν₂. Данную операцию осуществляют с целью передачи информации об измеренной величине Δν₂ от бортовой части комплекса в базовую часть комплекса. Данную дополнительную модуляцию осуществляют одновременно и параллельно с модуляцией лазерного излучения в модуляторе лазерного излучения 30 информационным сигналом, поступающим от блока источника информации 28 через блок управления комплекса 25.

Далее последующий прием и квантовое усиление лазерного излучения, принимаемого в бортовой части комплекса посредством приемной оптической антенны 1 (фиг.1), осуществляют со сдвигом центральной частоты f_ф2 полосы приема в АКФПЧ 5 на величину измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты принятого лазерного излучения. Для этого осуществляют сдвиг центральной частоты f_ф2 полосы приема в АКФПЧ 5 на величину измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты, информация о величине которого поступает с выхода блока управления комплекса 25 на управляющий вход АКФПЧ 5.

Таким образом, в результате указанных последних трех операций в бортовой части комплекса осуществлен сдвиг генерируемой частоты лазерного излучения на величину - Δν₂, сдвиг центральной частоты полосы приема и квантового усиления лазерного излучения на величину Δν₂, а также осуществлена передача информации об измеренной величине Δν₂ обратно от бортовой в базовую часть комплекса. Этими операциями обеспечивают компенсацию возможной ошибки первичного определения (оценки) скорости V₁ движения бортовой части относительно базовой части комплекса.

Далее в базовой части комплекса осуществляют прием лазерного излучения от бортовой части комплекса с осуществленным ранее сдвигом генерируемой оптической частоты и модуляцией этого лазерного излучения величиной сдвига Δν₂. Прием лазерного излучения в базовой части осуществляют с помощью приемной оптической антенны 1 в базовой части комплекса (поз.2-6 на фиг.2), излучение от которой поступает далее на оптический вход АКФПЧ 5, фиг.1. Далее осуществляют квантовое усиление этого лазерного излучения в АКФПЧ 5 со сдвигом центральной частоты f_ф1 полосы приема в АКФПЧ 5 в базовой части комплекса на величину ранее измеренного доплеровского сдвига частоты Δf_d (1):

Для осуществления этого квантового усиления лазерного излучения с указанными параметрами полосы приема информация об измеренной величине доплеровского сдвига Δf_d поступает с выхода блока управления комплекса 25 на управляющий вход АКФПЧ 5, где под действием этого управляющего сигнала осуществляют сдвиг центральной частоты f_ф1 полосы приема на величину ранее измеренного в базовой части комплекса доплеровского сдвига Δf_d (1). Этим обеспечивается компенсация доплеровского сдвига лазерного излучения, принимаемого в базовой части комплекса и излученного в бортовой части комплекса в соответствии с доплеровским сдвигом Δf_d (1), величина которого (оценка) получена ранее в результате первичного определения скорости движения V₁ бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса.

Далее в базовой части комплекса измеряют сдвиг Δν₁ оптической частоты принятого и усиленного в АКФПЧ 5 лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀ эталонного генератора лазерного излучения 17. Данное измерение величины Δν₁ осуществляют с помощью первого блока измерения оптической частоты 12, на оптические входы которого поступает принятое и усиленное лазерное излучение с выхода АКФПЧ 5 через полупрозрачное зеркало 13 и отражательное зеркало 16, а также поступает лазерное излучение с эталонной оптической частотой f₀ с выхода эталонного генератора лазерного излучения 17. Информация об измеренной величине Δν сдвига оптической частоты поступает с выхода первого блока измерения оптической частоты 12 на вход блока управления комплекса 25. Измеренная величина Δν₁ сдвига оптической частоты лазерного излучения, принятого в базовой части комплекса и излученного в бортовой части комплекса, равна аналогично (4-7):

где

f_пр1 - оптическая частота лазерного излучения, принятого в базовой части комплекса.

Здесь

- доплеровский сдвиг лазерного излучения, соответствующий реальной скорости V_R бортовой части относительно базовой части комплекса.

После измерения сдвига Δν₁ в базовой части комплекса осуществляют демодуляцию лазерного излучения от бортовой части комплекса, в результате чего получают информацию о величине сдвига Δν₂ оптической частоты лазерного излучения, которая ранее была измерена в бортовой части комплекса и в соответствии с которой была осуществлена дополнительная модуляция генерируемого в бортовой части комплекса лазерного излучения. Демодуляцию принятого лазерного излучения осуществляют с помощью первого фотоприемного блока 9, фиг.1 или блока многоканальной лазерной связи 11. Информация о величине сдвига Δν₂ в цифровой форме поступает с выхода ФПБ 9 в блок управления комплекса 25, в который с выхода первого блока измерения оптической частоты 12 поступает также информация об измеренной величине сдвига Δν₁ оптической частоты (11). Таким образом, в блок управления комплекса 25 в базовой части комплекса поступает информация о величинах сдвигов оптической частоты лазерного излучения, принятого и измеренного в бортовой части комплекса - сдвиг Δν₂ (7), и сдвиг Δν₁ (11), измеренный в базовой части комплекса.

Далее на основании полученных величин сдвигов оптической частоты Δν₁, Δν₂ определяют параметры режима лазерной космической связи в соответствии со следующими соотношениями:

где Δf_d - измеренный ранее в базовой части комплекса доплеровский сдвиг оптической частоты (1).

По полученным величинам параметров режима лазерной связи ε₁ и ε₂ судят о качестве установленной лазерной космической связи, а именно:

при выполнении условий

принимают решение об установлении штатного режима лазерной связи между базовой и бортовой частями комплекса с удовлетворительным уровнем качества связи.

После принятия данного решения осуществляют двустороннюю передачу информации между базовой и бортовой частями комплекса путем осуществления модуляции генерируемого лазерного излучения в ЛГПЧ 21 как в базовой части, так и в бортовой части комплекса информационными сигналами, поступающими в ЛГПЧ 21 от источника информации 28 через блок 25 управления комплекса. При этом в базовой и бортовой частях комплекса используют установленные в процессе вхождения в режим космической связи сдвиги оптических частот генерируемых лазерных излучений в ЛГПЧ 21 и сдвиги центральных частот полосы приема в АКФПЧ 5.

При невыполнении хотя бы одного из условий (16), (17) осуществляют второй цикл установления лазерной космической связи между базовой и бортовой частями комплекса в соответствии с данным изложенным способом, при этом в качестве величины доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d используют (принимают) сумму измеренных величин сдвигов оптической частоты

Далее после проверки выполнения условий (16), (17) на втором цикле установления лазерной космической связи при выполнении соотношений (16), (17) завершают процесс установления лазерной связи согласно данному способу и осуществляют непрерывную двустороннюю передачу информации между базовой и бортовой частями комплекса.

В результате произведенных операций в базовой и бортовой частях комплекса реализован оптимальный режим настройки и функционирования передающих и приемных элементов комплекса. Данный режим характеризуется точной компенсацией доплеровского сдвига, в результате чего частота оптической несущей лазерного излучения, принимаемого в бортовой и базовой частях комплекса, точно соответствует и равна центральной частоте полосы приема и квантового усиления АКФПЧ 5, соответственно в бортовой и базовой частях комплекса. При этом реализуется режим предельной квантовой чувствительности в АКФПЧ 5 и максимально возможная ширина полосы квантового усиления в АКФПЧ, достигающая, например, в АКФПЧ на основе фотодиссоционного йодного лазера величины Δf_И=300 МГц. При этом объем передаваемой информации составляет порядка 300 Мбит·с^-1.

Компенсация доплеровского сдвига обеспечена за счет следующих базовых операций: определения радиальной скорости V₁ бортовой части относительно базовой части комплекса; определения доплеровского сдвига Δf_d частоты лазерного излучения; упреждающего сдвига Δf₁ частоты излучаемого лазерного излучения в базовой части комплекса; определения сдвига Δν₂ частоты принимаемого лазерного излучения, а также установления упреждающего сдвига Δf₂ частоты излучаемого лазерного излучения в бортовой части комплекса, измерения сдвига Δν₁ принимаемого обратно лазерного излучения в базовой части комплекса. При этом независимо от точности предварительного измерения радиальной скорости V₁, то есть независимо от величины

при точном определении величины сдвига Δν₂ (7) в бортовой части комплекса и осуществлении компенсации этой величины путем установления соответствующего сдвига оптической частоты генерируемого лазерного излучения в бортовой части комплекса на величину Δf₂=-Δν₂ (8) реализуется оптимальный режим приема лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса с предустановленной дополнительной компенсацией доплеровского сдвига частоты между бортовой и базовой частями комплекса на величину Δf₂=-Δν₂. Действительно, согласно соотношению (7) измеренная величина сдвига оптической частоты Δν₂ в бортовой части комплекса равна разности доплеровских сдвигов:

то есть разности между реальным доплеровским сдвигом Δf_R1, и измеренным доплеровским сдвигом Δf_d, полученным в результате измерения (оценки) радиальной скорости V₁. Поэтому осуществление сдвига частоты лазерного излучения, генерируемого в бортовой части комплекса, на величину Δf₂=-Δν₂ обеспечивает точную компенсацию доплеровского сдвига при приеме лазерного излучения от бортовой части в базовой части комплекса вследствие того, что в базовой части комплекса после определения доплеровского сдвига Δf_d на основе измеренной радиальной скорости V₁ осуществлен сдвиг центральной частоты f_ф1 полосы приема и квантового усиления излучения в АКФПЧ 5 базовой части комплекса как раз на величину измеренного доплеровского сдвига Δf_d (1), причем эта операция осуществлена до приема лазерного излучения от бортовой части. В результате центральная частота

f_ф1 полосы приема в АКФПЧ 5 в базовой части комплекса оказывается точно равной оптической частоте f_пр1 (12) принятого лазерного излучения в базовой части комплекса от бортовой части комплекса с учетом наличия реального доплеровского сдвига, обусловленного реальной радиальной скоростью V_R, и установленного сдвига частоты Δf₂=-Δv₂ лазерного излучения, генерируемого и излучаемого в бортовой части комплекса.

Аналогично в бортовой части комплекса установление сдвига центральной частоты f_ф2 полосы приема АКФПЧ на измеренную величину Δν₂ (7) обеспечивает точное равенство (совпадение) этой центральной частоты полосы приема f_ф2 с оптической частотой f_пр2 (6) принятого лазерного излучения в бортовой части комплекса от базовой части комплекса с учетом реального доплеровского сдвига Δf_R и установленного сдвига Δf₁ оптической частоты f_Г1 лазерного излучения, генерируемого и излучаемого в базовой части комплекса, Δf₁=-Δf_d.

Действительно, оптическая частота f_пр2 принимаемого в бортовой части комплекса лазерного излучения равна согласно (6):

Одновременно центральная частота полосы приема излучения в АКФПЧ 5 в бортовой части комплекса с учетом установленного сдвига центральной частоты полосы приема на величину Δv₂ равна:

Следует отметить, что данная величина центральной частоты полосы приема в АКФПЧ 5 в бортовой части комплекса установлена после приема лазерного излучения от базовой части и измерения сдвига Δν₂ оптической частоты этого излучения относительно эталонной оптической частоты f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения. Первоначальный прием лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют, как было отмечено выше, с установленной в АКФПЧ 5 величиной центральной частоты f_ц2 полосы приема, равной эталонной оптической частоте f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения и соответственно равной оптической частоте f₀ рабочего перехода активного вещества в ЛГПЧ и АКФПЧ:

При этом оптическая частота f_пр2 принимаемого лазерного излучения в бортовой части комплекса (6) должна попадать в полосу приема и квантового усиления АКФПЧ 5 при величине центральной частоты f_ц2 в АКФПЧ 5, равной f₀. Отсюда следует следующее требование к точности определения доплеровского сдвига Δf_d, полученного на основании измерения радиальной скорости V₁ (1):

где П - ширина полосы приема и квантового усиления лазерного излучения в АКФПЧ 5, которая является некоторым техническим параметром АКФПЧ, определяемом свойствами его рабочего активного вещества, режимом накачки и в стандартном режиме работы АКФПЧ равна, как было отмечено выше, П=300 МГц. Соответственно условие (24) является также требованием к точности определения радиальной скорости движения V₁ относительно реальной величины радиальной скорости V_R.

Если условие (24) не выполняется, то есть точность определения радиальной скорости V₁ и доплеровского сдвига Δf_d недостаточна для попадания оптической частоты f_пр2 принимаемого лазерного излучения в полосу П приема и квантового усиления в АКФПЧ 5, то в бортовой части комплекса операция по приему лазерного излучения и измерения его сдвига Δν₂ относительно эталонной частоты f₀ не может быть выполнена. В этом случае в бортовой части комплекса поступают следующим образом и выполняют следующие операции.

При отсутствии сигнала на выходе первого блока измерения оптической частоты 12 по управляющим сигналам от блока управления комплекса 25 АКФПЧ 5 переводят в режим сканирования центральной частоты f_ц полосы приема лазерного излучения. Режим сканирования характеризуется тем, что осуществляют изменение во времени центральной частоты полосы приема f_ц в АКФПЧ 5, например, по линейному закону, то есть пропорционально времени t, до момента времени t₂ появления сигнала на выходе первого блока измерения оптической частоты 12. Далее в момент времени t₂ останавливают процесс изменения центральной частоты полосы приема в АКФПЧ на достигнутом значении f_ц, измеряют величину сдвига Δν₂ оптической частоты принятого лазерного излучения и далее осуществляют весь цикл операций установления лазерной связи в бортовой и базовой частях комплекса, приведенный выше после операции измерения сдвига оптической частоты Δν₂ в бортовой части комплекса.

Таким образом, прием и квантовое усиление лазерного излучения в АКФПЧ 5 в бортовой части комплекса осуществляют в двух вариантах. В первом варианте прием осуществляют в АКФПЧ 5 с установленной центральной частотой полосы приема в АКФПЧ до момента попадания оптической частоты принимаемого лазерного излучения в полосу приема П АКФПЧ. Критерием выбора первого или второго вариантов приема в АКФПЧ является наличие сигнала на выходе первого блока измерения оптической частоты 12 (первый вариант приема лазерного излучения) или отсутствие такового сигнала (второй вариант приема).

Следует отметить, что прием лазерного излучения в базовой части комплекса с помощью АКФПЧ 5 осуществляют в единственном варианте с установленным сдвигом центральной частоты f_ф1 полосы приема в АКФПЧ 5, равным величине измеренного доплеровского сдвига Δf₁=Δf_d (1). При этом вследствие установленного сдвига Δf₂=-Δv₂ частоты лазерного излучения, генерируемого в бортовой части комплекса, оптическая частота f_пр1 лазерного излучения, принимаемого в бортовой части комплекса, будет равна соответствующей установленной величине центральной частоты полосы приема в АКФПЧ 5:

Измеренный в базовой части комплекса сдвиг оптической частоты Δν₁ (11) является контрольным параметром и позволяет в базовой части комплекса судить о точности выполнения двух основных операций в бортовой части комплекса: операции измерения сдвига оптической частоты Δν₂ и операции сдвига оптической частоты генерируемого лазерного излучения в бортовой части комплекса на величину - Δν₂. При точном выполнении в бортовой части комплекса двух указанных операций величина измеренного сдвига Δν₁ оптической частоты f_пр1 принимаемого лазерного излучения в точности равна величине измеренного в базовой части комплекса доплеровского сдвига Δf_d (1). Согласно (11)

.

Соответственно первый параметр режима лазерной связи ε₁ (14) характеризует количественный уровень точности выполнения операций в бортовой части комплекса на основании вычисления разности между измеренной величиной сдвига Δν₁ и ранее полученным значением величины доплеровского сдвига Δf_d (1) по отношению к абсолютному значению величины этого доплеровского сдвига.

Соответственно сумма сдвигов оптической частоты Δν₁, Δν₂, измеренных в базовой и бортовой частях комплекса при точном измерении и точном введении сдвига частоты Δf₂ генерируемого лазерного излучения в бортовой части комплекса, равна величине реального доплеровского сдвига

Величина сдвига Δν₂ (7) характеризует разность между реальным значением доплеровского сдвига и измеренной в базовой части величиной доплеровского сдвига Δf_d (1) на основании измерения (оценки) радиальной скорости V₁. Поэтому величина второго параметра ε₂ (15) режима лазерной связи характеризует точность первичного определения доплеровского сдвига Δf_d по отношению к реальной величине доплеровского сдвига , так как измеренная величина сдвига Δν₂ (7) характеризует собственно разность величин реального и измеренного Δf_d доплеровских сдвигов. Соответственно отсюда при выполнении (16), (17) принимается решение о достижении заданного качества установления штатного режима лазерной связи между базовой и бортовой частями комплекса. При невыполнении условий (16), (17) принимается решение о проведении второго дополнительного цикла установления лазерной космической связи, при этом в качестве действующей величины доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d=Δf_d2 на втором данном цикле используют сумму измеренных сдвигов оптической частоты Δf_d2 (18), которая является в этом случае более точной оценкой величины реального доплеровского сдвига. Таким образом, согласно предложенному способу за один цикл выполнения операций по установлению связи в базовой и бортовой частях комплекса осуществляют точную компенсацию доплеровского сдвига оптической частоты лазерного излучения, а также осуществляют определение точности выполнения этой компенсации, что позволяет при необходимости осуществить второй дополнительный цикл установления лазерной космической связи для реализации более точной компенсации доплеровского сдвига оптической частоты используемых в базовой и бортовой частях комплекса лазерных излучений.

Далее в базовой и бортовой частях комплекса одновременно с двусторонней передачей информации на оптической частоте осуществляют непрерывное слежение за реальной величиной доплеровского сдвига Δf_R в соответствии с операциями изложенного способа, а также осуществляют непрерывную компенсацию доплеровского сдвига, что обеспечивает поддержку высококачественного режима лазерной космической связи, например, при движении бортовой или базовой частей комплекса по космической траектории (орбите вокруг планеты или Солнца), при котором происходит изменение во времени величины радиальной скорости V_R.

Рассмотрим ряд модификаций предложенного способа лазерной космической связи, направленных на упрощение и уменьшение состава аппаратуры, размещенной в бортовой части комплекса.

Первый вариант модификации предложенного способа лазерной космической связи заключается в том, что в бортовой части комплекса используют лазерный генератор (ЛГ), а также активный квантовый фильтр (АКФ) без перестройки частоты. В этом случае уменьшается состав аппаратуры, а также уменьшается состав операций, выполняемых в бортовой части комплекса.

Последовательность операций первого модифицированного способа лазерной космической связи имеет следующий вид. В бортовой и базовой частях комплекса осуществляют взаимную ориентацию приемных и передающих антенн аналогично изложенному выше основному варианту лазерной космической связи. Далее в бортовой части комплекса осуществляют генерацию лазерного излучения с оптической частотой f₀, соответствующей частоте рабочего перехода активного вещества, используемого в ЛГПЧ и АКФПЧ в базовой части комплекса. Сформированное в бортовой части лазерное излучение направляют посредством передающей оптической антенны в сторону базовой части комплекса. Одновременно прием лазерного излучения от базовой части комплекса в бортовой части комплекса осуществляют с помощью АКФ без перестройки частоты с центральной частотой f_ц полосы приема АКФ, равной оптической частоте f₀ рабочего перехода активного вещества в ЛГ:

В базовой части комплекса осуществляют определение радиальной скорости V₁, а также определяют на ее основе доплеровский сдвиг Δf_d (1) аналогично основному варианту способа лазерной космической связи, изложенному выше.

Далее в базовой части комплекса осуществляют прием излучения от бортовой части комплекса с помощью АКФПЧ 5, при этом осуществляют сдвиг центральной частоты f_ф1 полосы приема в АКФПЧ 5 на величину измеренного доплеровского сдвига Δf_d, при котором центральная частота полосы приема в АКФПЧ 5 равна

Далее в базовой части комплекса осуществляют измерение сдвига Δν₁ частоты принятого и усиленного лазерного излучения с выхода АКФПЧ 5. Так как в бортовой части сформировано и направлено в сторону базовой части комплекса лазерное излучение с оптической частотой f₀, полученный сдвиг частоты Δν₁ представляет собой точную оценку реального доплеровского сдвига частоты Δf_R=Δν₁ между базовой и бортовой частями комплекса.

Далее в базовой части комплекса осуществляют генерацию лазерного излучения с помощью ЛГПЧ со сдвигом оптической частоты генерируемого лазерного излучения Δf₁=-Δν₁ на отрицательную величину измеренного сдвига частоты Δν₁, а следовательно, на отрицательную величину измеренного реального доплеровского сдвига Δf_R=Δν₁. Данное сформированное в базовой части лазерное излучение с частотой f_Г1=f₀-Δf_R направляется в сторону бортовой части комплекса, где осуществляют прием этого лазерного излучения с помощью АКФ с центральной частотой полосы приема f_ф2=f₀. Вследствие наличия доплеровского сдвига частоты Δf_R между базовой и бортовой частями комплекса и установления сдвига Δf₁=-Δν₁ генерируемой частоты, противоположной данному доплеровскому сдвигу, реализуется точная компенсация этого сдвига и принимаемое в бортовой части комплекса лазерное излучение попадает точно в полосу приема АКФ с центральной частотой

f_ц=f₀, то есть величина оптической частоты f_пр лазерного излучения, принимаемого в бортовой части комплекса, равна центральной частоте АКФ f_пр=f_ф2=f₀. Далее в базовой и бортовой частях комплекса осуществляют передачу и прием лазерных излучений, модулированных информационными сигналами с установленными значениями сдвигов генерируемой частоты и центральной частоты приема в базовой части комплекса.

В представленном первом модифицированном варианте способа лазерной космической связи все операции по измерению сдвигов оптической частоты и компенсации измеренного доплеровского сдвига в ЛГПЧ и в АКФПЧ осуществляют в базовой части комплекса, а в бортовой части комплекса используют лазерный генератор ЛГ и АКФ с фиксированными параметрами генерируемой и принимаемой частоты f₀. Это позволяет улучшить эксплуатационные технические характеристики бортовой части комплекса (вес, габариты и т.п.), однако в данном варианте реализации способа лазерной космической связи отсутствует возможность оперативного контроля точности компенсации доплеровского сдвига частоты.

Для реализации этой возможности предлагается второй модифицированный вариант способа лазерной космической связи, который от первого варианта отличается добавлением следующих операций. Во-первых, в бортовой части комплекса после приема лазерного излучения от базовой части комплекса осуществляют определение сдвига частоты Δν₂ принимаемого лазерного излучения относительно эталонной частоты f₀.

Далее величина измеренного сдвига частоты Δν₂ в цифровой форме пересылается от бортовой части в базовую часть комплекса путем модуляции этой информацией лазерного излучения в блоке модуляции лазерного излучения 30, фиг.1 в бортовой части комплекса.

Во-вторых, в базовой части комплекса осуществляют прием и демодуляцию лазерного излучения от бортовой части комплекса, и полученное значение сдвига частоты Δν₂ используют для проверки (анализа) точности компенсации доплеровского сдвига, для чего определяют следующий параметр режима лазерной связи в соответствии с соотношением:

Данный параметр является аналогом соответствующего параметра ε₂ (15) в основном варианте способа лазерной космической связи и, как и ε₂, характеризует точность компенсации доплеровского сдвига через реакцию объекта приема лазерного излучения - бортовую часть комплекса. При этом здесь величина сдвига Δν₂ аналогично (7) отражает разность между реальной величиной доплеровского сдвига по трассе базовая - бортовая часть комплекса и величиной сдвига оптической частоты Δf₁ в ЛГГТЧ в базовой части комплекса, который был введен для предварительной компенсации доплеровского сдвига при генерации лазерного излучения в базовой части комплекса. Соответственно величина измеренного в базовой части комплекса сдвига оптической частоты Δν₁ при приеме лазерного излучения от бортовой части комплекса определяет непосредственно величину реального доплеровского сдвига частоты Δf_R.

Отсюда отношение ε₃=Δν₂/Δν₁ (29) во втором модифицированном варианте способа лазерной космической связи соответствует и равно отношению ε₂ (15) в основном способе лазерной космической связи. Поэтому выполнение условия для ε₃ (29):

аналогично условию (17) и характеризует точность компенсации доплеровского сдвига между базовой и бортовой частью комплекса.

Соотношение (14) для Δν₁ в рассматриваемом втором модифицированном варианте способа характеризует аналогично основному варианту способа лазерной космической связи точность первичного определения доплеровского сдвига по данным внешнего целеуказания, траекторным измерениям и т.п.:

Данный параметр ε₄ во втором модифицированном варианте способа также определяют в базовой части комплекса. Далее в результате анализа полученных параметров ε₃ (29) и ε₄ (31) в базовой части комплекса в блоке управления 25 при выполнении условий

принимают решение о завершении цикла установления лазерной космической связи.

Таким образом, изложенные основной способ лазерной космической связи и первый и второй модифицированные варианты способа лазерной космической связи включают одни и те же операции в базовой или в бортовой частях комплекса. Перенос части этих операций от бортовой к базовой части комплекса позволяет уменьшить состав аппаратуры в бортовой части комплекса. В то же время распределение выполняемых операций между базовой и бортовой частью комплекса в основном способе позволяет обеспечить высокую точность компенсации доплеровского сдвига и одновременно реализовать контроль точности компенсации и оперативную подстройку компенсируемых параметров в базовой и бортовой частях комплекса, что позволяет обеспечить высокую точность компенсации в условиях изменения во времени параметров и траекторий движения космических аппаратов, несущих базовую и бортовую части комплекса.

Предложенный способ лазерной космической связи за счет использования высокочувствительного квантового усиления принимаемых информационных лазерных сигналов и за счет обеспечения точной компенсации доплеровского сдвига позволяет реализовать передачу больших объемов информации на дальние космические расстояния, то есть увеличить дальность действия лазерной космической связи при одновременном увеличении скорости и объемов передаваемой информации, а также обеспечении необходимой достоверности и надежности связи. Высокую чувствительность и скорость передачи информации обеспечивает АКФПЧ, в качестве которого использован, например, лазерный (квантовый) усилитель на основе фотодиссоционного лазера [6, 7], обладающий предельной квантовой чувствительностью, ограниченной квантовым пределом, то есть обладающий возможностью приема однофотонных импульсных сигналов при амплитудно-импульсной или импульсно-поляризационной модуляции лазерного излучения цифровым информационным сигналом. Прием усиленного в АКФПЧ лазерного излучения с такой модуляцией и его демодуляцию осуществляют с помощью первого и второго фотоприемных блоков поз.9, 10 на фиг.1. Скорость передачи информации лазерным излучением с данным видом модуляции составляет для данного типа АКФПЧ порядка 300 Мбит в секунду. При этом для обеспечения необходимой достоверности и надежности осуществления связи с вероятностью правильного обнаружения 0,999 на входе АКФПЧ достаточно иметь 3 фотона на один бит информации на входной апертуре приемной оптической антенны [7], что соответствует при отношении сигнал/шум m равном m=3 энергии входного лазерного сигнала Е_вх=mhν, соответствующей энергии трех фотонов на рабочей длине волны λ₀=с/f₀ на входной апертуре приемной оптической антенны. Задачей, решаемой предложенным способом, является обеспечение работы АКФПЧ в высокочувствительном режиме приема слабых лазерных сигналов в условиях взаимного движения базовой и бортовой частей комплекса с космическими скоростями, что реализуется компенсацией доплеровского сдвига частоты принимаемых лазерных информационных сигналов. Использование АКФГТЧ с высокой чувствительностью в широкой полосе частот позволяет использовать в базовой и бортовой частях комплекса блок многоканальной лазерной связи 11, фиг.1 с частотным уплотнением каналов и лазерным гетеродинным методом приема и преобразования информационных сигналов на оптической несущей частоте. Использование предварительного перед лазерным гетеродинированием квантового усиления принимаемого лазерного излучения в АКФПЧ позволяет исключить влияние собственных шумов лазерного гетеродина и обеспечить высококачественный прием широкополосного информационного сигнала с частотным уплотнением каналов при сохранении указанной высокой чувствительности по входу АКФПЧ. Этим преодолевается известный недостаток гетеродинного метода приема сигналов в оптическом диапазоне, связанный с влиянием собственных (квантовых) шумов лазерного гетеродина, не позволяющих обеспечить прием широкополосных лазерных информационных сигналов с высокой чувствительностью. Таким образом, использование высокочувствительного АКФПЧ с компенсацией доплеровских сдвигов частоты позволяет обеспечить широкополосную лазерную связь на дальних космических трассах при использовании различных современных высокоэффективных методов модуляции лазерных сигналов, включающих амплитудно-импульсную (кодово-импульсную) прямую модуляцию лазерного излучения (ФПБ - 9, 10), а также различные методы модуляции оптической несущей с использованием СВЧ поднесущей и лазерным гетеродинным методом приема оптических сигналов (блок 11).

Дальность действия предложенного комплекса лазерной космической связи можно определить по следующей формуле [8]:

где Е_n - энергия импульса лазерного передатчика (ЛГПЧ), необходимая для передачи одного бита информации; N_min=hν=h/λ₀ - энергия одного шумового фотона, приведенная ко входу АКФПЧ и определяющая уровень предельной квантовой чувствительности АКФПЧ, соответствующий приему однофотонного импульсного сигнала с 1 бит информации; ε - величина отношения сигнал/шум на входе оптической антенны, поз.1, фиг.1. Для достоверного приема информации необходимо обеспечить величину ε=3; R - дальность действия комплекса лазерной космической связи - максимальное расстояние между базовой и бортовой частями комплекса; D_n, D_пр - диаметры передающей и приемной оптических антенн комплекса.

Формула (33) определяет энергию на один бит и соответственно мощность ЛГПЧ, необходимую для обеспечения лазерной связи на расстоянии R между базовой и бортовой частями комплекса. При этом предполагается, что реализована компенсация доплеровского сдвига частоты и лазерное приемное устройство комплекса - АКФПЧ 5 - работает в режиме предельной квантовой чувствительности, характеризуемой величиной энергии одного шумового фотона N_min=hν₀=h/λ₀ за время Δτ=10^-9 с, определяемого шириной полосы квантового усиления излучения в АКФПЧ [7]. Соответственно мощность ЛГПЧ в непрерывном режиме работы равна:

Далее приведены параметры комплекса лазерной космической связи для различных космических трасс, начиная от ближнего космоса - в пределах орбиты Луны и до дальних границ солнечной системы - до орбиты Плутона. Приведены диаметры D_n и D_пр передающей и приемной оптических антенн и необходимые мощности лазерных передатчиков, а также энергия лазерного импульса, приходящаяся на один бит передаваемой информации.

1. Система космической связи Земля - Луна

2. Система космической связи Земля - спутник Земли на стационарной орбите

3. Система космической связи Земля - Марс

4. Система космической связи Земля - Плутон до границ солнечной системы

Представленные параметры комплекса лазерной космической связи на основе АКФПЧ свидетельствуют о высокой эффективности предложенного способа и комплекса ЛКС для его реализации. В пределах ближнего космоса до орбиты Луны требуемая энергия и мощность лазерных передатчиков является весьма умеренной (Р_n=0,6 мВт), что позволяет использовать в качестве лазерного передатчика полупроводниковый лазерный диод с перестройкой частоты [9], аналогичный используемым в современной волоконно-оптической системе связи, причем объем и скорость передачи информации в такой лазерной космической системе связи соответствует аналогичным параметрам широкополосных волоконно-оптических линий связи. Наиболее перспективно использование предложенного комплекса ЛКС для организации стационарной связи Земля - Луна для обеспечения широкополосной связью лунные космические станции. Весьма перспективна также система лазерной космической связи с планетой Марс, для которой потребуется лазерный передатчик с мощностью Р_n=2 Вт, а также система ЛКС в пределах солнечной системы до орбиты Плутона. Таким образом, предложенный комплекс лазерной космической связи на основе высокочувствительного АКФПЧ позволяет обеспечить высокоэффективную широкополосную связь с космическими аппаратами и станциями в пределах солнечной системы и успешно конкурирует с современными системами космической связи радиодиапазона, которые уступают системам ЛКС по ряду параметров, например по скорости и объему передаваемой информации. Так, например, использование предлагаемого комплекса лазерной космической связи в ближнем космосе до орбиты Луны позволяет повысить скорость и объем передаваемой информации по сравнению с СВЧ диапазоном ~ в 10 раз.

Предложенный комплекс лазерной космической связи на основе АКФПЧ с предельной квантовой чувствительностью позволяет в перспективе реализовать гипотетические системы лазерной связи с КА в пределах всей нашей Галактики, а также с ближайшей к нам галактикой « Туманность Андромеды». Далее приведены параметры таких систем космической связи, рассчитанные по формуле (33).

Перспективные системы космической связи

5. Система космической связи в пределах Галактики

R_Г=10⁵ св. лет=9,5·10²⁰ м

5.1. D_n=D_np=30 м; E_n=1,4·10⁶ Дж; Р_n=3·10¹⁴ Вт

5.2. D_n=D_np=120 м; Е_n=5,4·10³ Дж; Р_n=1,08·10¹² Вт

6. Система космической связи с галактикой «Туманность Андромеды»

R_TA=1,5·10⁶ cв. лeт=1,42·10²² м Е_n=1,2·10⁶ Дж D_n=D_np=120 м Р_n=2,4·10¹⁴ Вт

В настоящее время уже существуют мощные лазерные генераторы с указанными параметрами мощности и энергии, используемые для лазерного термоядерного синтеза [10]. Диаметр оптических антенн (телескопов) в настоящее время достиг величины D=10 м [11]. В проектировании [12] имеются перспективные разработки телескопов с D_p=30 м, а также составные телескопические системы с эффективным диаметром в несколько раз большим D_p.Таким образом, использование АКФПЧ с предельной квантовой чувствительностью, современных мощных лазерных генераторов-передатчиков и перспективных оптических антенных систем [11] позволяет реализовать комплекс лазерной космической связи на сверхдальние космические расстояния как в пределах нашей Галактики на расстояния 100 тыс. св. лет, так и до ближайшей к нам галактики «Туманность Андромеды» на расстояние 1,5 млн св.лет.

Высокая дальность действия предложенного комплекса лазерной космической связи обусловливает возможность использования его для решения одной из важных проблем современной науки и техники: проблемы поиска сигналов внеземных цивилизаций [8]. При этом особенности физических свойств активного вещества фотодиссоционных лазерных генераторов и квантовых усилителей - атомарного йода - предопределяет использование рабочей длины волны квантового перехода атомарного йода λ₀=1,315 мкм в качестве естественного репера, указывающего длину волны, в пределах которой следует осуществлять поиск сигналов внеземных цивилизаций и устанавливать дальнюю космическую связь.

В устройстве фиг.1, реализующем предложенный способ лазерной космической связи, генерацию лазерного излучения на рабочей длине волны λ₀=c/f₀ лазерной связи осуществляет лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ). На фиг.3 представлена блок-схема одного из возможных вариантов выполнения ЛГПЧ на основе фотодиссоционного йодного лазерного генератора с перестройкой частоты генерации [13].

В качестве рабочего вещества в кювете 3-1 фиг.3 используется атомарный йод в газовой фазе, который образуется в результате фотодиссоциации перфторалкилйодидов под действием излучения импульсных ламп накачки, входящих в блок накачки 3-2. Рабочая длина волны λ₀, генерируемая в ЛГПЧ и соответствующая рабочему лазерному переходу атомарного йода, равна λ₀=1,3 мкм; частота излучения f₀=с/λ₀=2,3·10¹⁴ Гц. Перестройку частоты лазерного генератора на фиг.3 осуществляют с помощью блока управления частотой генерации 3-3, который содержит несколько электромагнитов (соленоидов), создающих поперечное магнитное поле в кювете 3-1 с рабочим веществом - атомарным йодом. Величину магнитного поля в кювете 3-1 изменяют путем изменения величины тока в электромагнитах под действием управляющего сигнала, поступающего в блок 3 от блока управления комплекса 25 фиг.1. Под действием магнитного поля в кювете 3-1 осуществляется плавная перестройка частоты генерируемого излучения. Достигаемая величина сдвига Δf частоты генерируемого лазерного излучения f_г по отношению к исходной частоте генерации f₀, генерируемой при нулевом магнитном поле Н=0, равна

При включении магнитного поля происходит также расширение полосы квантового усиления лазерного излучения активным веществом в кювете 3-1 фиг.3. Для более точного селектирования и генерации лазерного излучения с заданной частотой f_г используют оптическую пластину 3-6 фиг.3, введенную в оптическую схему лазерного генератора на фиг.3 и сориентированную под определенным углом φ к оси O₁O₂ резонатора ЛГПЧ. Данная пластина 3-6 представляет собой интерферометр Фабри-Перо [14], обеспечивающий селекцию одной из продольных мод резонатора с определенной частотой колебаний (генерации). Изменяя угол наклона данной пластины 3-6 по отношению к оси резонатора O₁O₂, обеспечивают сдвиг частоты генерируемого лазерного излучения в пределах его полосы квантового усиления, которая ранее под воздействием приложенного магнитного поля Н была сдвинута и расширена на некоторую величину, обусловленную величиной Н магнитного поля. Управление наклоном пластины 3-6 относительно оси O₁O₂ резонатора осуществляют с помощью блока позиционирования 3-7, содержащего шаговый электродвигатель, механически соединенный с пластиной 3-6 и управляемый по сигналам от блока управления комплекса 25. Для более точного установления заданной величины частоты f_Г генерации лазерного излучения в ЛГПЧ фиг.3 осуществляют измерение частоты генерации f_Г лазерного излучения с выхода ЛГПЧ 21 фиг.1 с помощью второго блока измерения оптической частоты 22 на фиг.1. Для этого на вход блока 22 с выхода ЛГПЧ 21 фиг.1 посредством полупрозрачного зеркала 23 и отражательного зеркала 24 поступает часть генерируемого лазерного излучения. На второй вход блока 22 измерения оптической частоты поступает лазерное излучение от эталонного генератора лазерного излучения 17 с эталонным значением частоты генерации f₀. Блок 22 осуществляет измерение сдвига частоты Δf=f_г-f₀, величина которого в цифровой форме поступает в блок управления комплекса 25. Таким образом осуществляют измерение частоты генерации лазерного излучения f_Г с выхода ЛГПЧ относительно эталонной частоты f₀ от эталонного генератора лазерного излучения 17:

где Δf - фактически измеренная величина сдвига оптической частоты f_г относительно эталонной частоты f₀.

Далее в блоке управления комплекса 25 осуществляют сравнение измеренной величины f_Г с заданной величиной оптической частоты лазерного излучения ЛГПЧ и при их равенстве осуществляют фиксирование установленных величин магнитного поля Н с помощью блока 3-3 и величины угла φ наклона пластины 3-6 к оси резонатора O₁O₂ с помощью блока позиционирования 3-7 и осуществляют далее генерацию лазерного излучения в ЛГПЧ 21 фиг.1 с установленной заданной величиной оптической частоты f_Г лазерного излучения. При отличии измеренной в блоке 22 оптической частоты f_Г (36) от ее заданного в блоке 25 значения в последнем вырабатывают командные сигналы управления, по которым в ЛГПЧ на фиг.3 устанавливают уточненное новое значение величины магнитного поля в кювете 3-1 и новое значение угла наклона φ пластины 3-6 до получения заданного значения оптической частоты генерируемого лазерного излучения.

В устройстве на фиг.1, реализующем способ лазерной космической связи, квантовое усиление принимаемого лазерного излучения осуществляют посредством активного квантового фильтра с перестройкой частоты (АКФПЧ), поз.5. На фиг.4 представлена блок-схема одного из возможных вариантов выполнения АКФПЧ на основе фотодиссоционного йодного лазера с перестройкой спектральной линии - основного перехода рабочего вещества йодного лазера [6]. Представленный на фиг.4 АКФПЧ содержит кювету 4-1 с тем же активным веществом - атомарным йодом, что и изложенный выше ЛГПЧ на фиг.3. Оптическая схема АКФПЧ содержит такой же, как и в ЛГПЧ, оптический резонатор, образованный полупрозрачными входным 4-4 и выходным 4-5 зеркалами. Блок накачки 4-2 в АКФПЧ фиг.4 аналогичен блоку накачки поз.3-2 на фиг.3 в ЛГПЧ. Блок управления частотой спектральной линии 4-3 фиг.4 аналогичен по составу и конструкции блоку управления частотой генерации поз.3-3 на фиг.3 в ЛГПЧ и осуществляет установление заданной величины магнитного поля Н в кювете 4-1 с активным веществом. В отличие от ЛГПЧ фиг.3 в АКФПЧ на фиг.4 воздействие магнитного поля Н на активное вещество в кювете 4-1 приводит к изменению частоты спектральной линии активного вещества и к некоторому расширению полосы квантового усиления лазерного излучения, проходящего через кювету 4-1 с активным веществом в АКФПЧ. Поэтому название данного блока 4-3 фиг.4 отражает выполняемую функцию при совпадении состава с блоком 3-3 на фиг.3, выполняющем в ЛГПЧ фиг.3 функцию сдвига частоты генерации лазерного излучения.

Оптическая пластина 4-8 с блоком позиционирования 4-9 аналогичны соответствующим элементам поз.3-6, 3-7 в ЛГПЧ фиг.3.

Оптическая пластина 4-8 фиг.4 осуществляет селекцию заданной продольной моды в резонаторе АКФПЧ, образованном полупрозрачными зеркалами 4-4, 4-5, аналогично селекции продольной моды в резонаторе ЛГПЧ на фиг.3. Селекцию заданной продольной моды в АКФПЧ фиг.4 осуществляют путем изменения угла наклона φ пластины 4-8 относительно продольной оси O₁O₂ АКФПЧ посредством блока позиционирования 4-9 и установления заданного угла φ по командам от блока управления комплекса 25. Дополнительное изменение частоты селектируемой продольной моды в АКФПЧ фиг.4 осуществляют путем сдвига положения на оптической оси O₁O₂ второго выходного полупрозрачного зеркала 4-5, которое установлено на пьезоэлементе 4-6. Последний под действием управляющих сигналов от блока управления 4-7 осуществляет сдвиг выходного полупрозрачного зеркала 4-5 вдоль оптической оси O₁O₂ в ту или в другую сторону. В результате этого происходит изменение оптической длины резонатора в АКФПЧ фиг.4, обеспечивающее точную настройку селектируемой продольной моды на заданную величину оптической частоты принимаемого лазерного излучения. Сдвиг выходного полупрозрачного зеркала 4-5 фиг.4 с помощью пьезоэлемента 4-6 на заданную величину осуществляют в соответствии с управляющим сигналом, поступающим в блок управления 4-7 с выхода блока управления комплекса 25 на фиг.1. АКФПЧ фиг.4 дополнительно снабжен акустооптическим модулятором 4-10, с помощью которого в резонатор АКФПЧ фиг.4 вносят дополнительные потери, препятствующие развитию непрерывной генерации в АКФПЧ. Уровень вносимых потерь определяется управляющим электрическим сигналом, поступающим на электрический вход акустооптического модулятора 4-10 от его блока управления 4-11 в соответствии с сигналом управления от блока управления комплекса 25 фиг.1.

Квантовое усиление принимаемого лазерного излучения в АКФПЧ фиг.4 осуществляют следующим образом. С помощью блока накачки 4-2 фиг.4 осуществляют накачку активного вещества в кювете 4-1 и перевод его в возбужденное состояние, обеспечивающее определенную величину коэффициента усиления, проходящего через кювету 4-1 излучения на один проход. Уровень дополнительных вносимых потерь с помощью акустооптического модулятора 4-10 выбирают таким, чтобы при установленной накачке активного вещества обеспечивать регенеративный режим усиления принимаемого излучения в течение нескольких проходов излучения при его отражении от зеркал резонатора 4-4 и 4-5. При этом усиленное за несколько проходов принимаемое лазерное излучение через выходное полупрозрачное зеркало 4-5 направляется на оптический выход АКФПЧ фиг.4, который образован выходной диафрагмой 4-13. При этом режим генерации излучения в АКФПЧ благодаря наличию акустооптического (АО) модулятора 4-10 не достигается, так как АО-модулятор 4-10 обеспечивает вывод части усиленного излучения из резонатора АКФПЧ. В АКФПЧ фиг.4 возможен также второй сверхрегенеративный режим усиления принимаемого излучения, при котором вначале АО-модулятор 4-10 выключен, потери в резонаторе минимальны и осуществляется развитие генерации, которое периодически срывают путем импульсного периодического быстрого включения АО-модулятора 4-10, обеспечивающего внесение потерь, которые периодически обеспечивают срыв генерации в резонаторе АКФПЧ фиг.4. В этом режиме работы АКФПЧ усиление приходящего лазерного излучения осуществляют на фоне импульсной периодической генерации собственного излучения в АКФПЧ, при этом при небольшом превышении уровня принимаемого излучения над уровнем собственных спонтанных шумов в АКФПЧ реализуется предельно высокая чувствительность по отношению к входному принимаемому оптическому сигналу. Заданный сдвиг центральной частоты f_ф полосы приема и квантового усиления в АКФПЧ фиг.4 осуществляют путем установления некоторого заданного уровня величины H поперечного магнитного поля в кювете 4-1 с помощью блока 4-3 фиг.4 управления частотой спектральной линии, в результате чего происходит расширение полосы приема излучения в АКФПЧ и сдвиг центральной полосы приема. Одновременно устанавливают некоторый заданный угол φ наклона оптической пластины 4-8. В результате более точно выделяют и фиксируют определенную продольную моду, определяющую величину центральной частоты полосы приема излучения в АКФПЧ. Окончательную точную установку центральной частоты f_ф полосы приема излучения в АКФПЧ осуществляют путем позиционирования и фиксации выходного полупрозрачного зеркала 4-5 с помощью пьезоэлемента 4-6. Для точного установления заданного значения центральной частоты полосы приема в АКФПЧ осуществляют измерение собственной частоты генерации излучения в АКФПЧ 5 фиг.1 с установленными величинами угла φ оптической пластины 4-8, позиционированием выходного полупрозрачного зеркала 4-5 фиг.4 и с установленным уровнем величины Н магнитного поля в кювете 4-1 и установленным уровнем накачки в блоке 4-2. Для этого на короткое время отключают АО-модулятор от его блока управления 4-7, уменьшают вносимые потери до минимального уровня, в результате чего осуществляют генерацию собственного лазерного излучения в АКФПЧ 5 фиг.1 с собственной частотой f_соб, которая в этот момент совпадает с центральной частотой полосы приема и усиления излучения в АКФПЧ с установленными ранее значениями его управляющих параметров (Н, угол φ и положение полупрозрачного зеркала 4-5). Далее осуществляют измерение оптической частоты f_соб этого излучения, которое с выхода АКФПЧ 5 фиг.1 поступает на вход первого блока измерения оптической частоты 12 через полупрозрачное зеркало 13 и отражательное зеркало 16. Измеренное значение f_соб поступает с выхода блока 12 в блок управления комплекса 25, где осуществляют сравнение f_соб с заданным значением f_ф (или величиной f_ф=f₀+Δν_c, где Δν_c - заданный сдвиг центральной частоты), осуществляют фиксацию установленных управляющих параметров АКФПЧ и далее осуществляют прием и квантовое усиление лазерного излучения в АКФПЧ 5. При несовпадении заданного значения f_ф с измеренным значением f_соб осуществляют дополнительную установку управляющих параметров АКФПЧ и повторяют операцию измерения частоты генерации f_соб до получения результата совпадения f_соб с заданной величиной f_ф значения центральной частоты полосы приема и квантового усиления в АКФПЧ.

В качестве лазерного генератора с перестройкой частоты (ЛГПЧ) и активного квантового фильтра с перестройкой частоты (АКФПЧ) в комплексе, реализующем предложенный способ лазерной космической связи, возможно использование волоконно-оптических лазерных генераторов (ВОЛГ) и квантовых усилителей с перестройкой частоты видимого и ближнего ИК-диапазона. На фиг.5, 6, 7 приведены блок-схемы ЛГПЧ и АКФПЧ, выполненные на основе волоконно-оптической лазерной техники.

На фиг.5 приведена схема АКФПЧ на основе волоконно-оптического квантового усилителя, где обозначены следующие элементы:

5-1 - активное волокно, легированное, например, атомами иттербия для квантового усиления в диапазоне λ=1,2÷1,34 мкм;

5-2 - оптический разветвитель;

5-3 - блок полупроводниковой лазерной накачки;

5-4 - волоконно-оптическая брэгговская решетка (ВБР);

5-5 - блок управления параметрами ВБР;

5-6 - оптический элемент согласования;

5-7, 5-8 - входная и выходная линзы.

На фиг.6 приведена схема ЛГПЧ на основе волоконно-оптического лазерного генератора (ВЛГ), где обозначены следующие элементы:

6-1 - активное волокно;

6-2 волоконно-оптическая брэгговская решетка, выполняющая роль отражателя резонатора лазера;

6-3 - блок полупроводниковой лазерной накачки;

6-4 - блок управления параметрами ВБР;

6-5 - оптический согласующий элемент;

6-6 выходная линза.

На фиг.7 приведена схема АКФПЧ, выполненного на основе полупроводникового лазерного усилителя и волоконно-оптической брэгговской решетки (ВБР). На фиг.7 обозначены следующие элементы:

7-1 - полупроводниковый лазерный усилитель, сопряженный с оптическим волокном 7-2;

7-2 - пассивное оптическое волокно;

7-3 - волоконно-оптическая брэгговская решетка (ВБР);

7-4 - блок управления параметрами ВБР;

7-5 - оптический сопрягающий элемент;

7-6, 7-7 - входная и выходная линзы;

7-8 - оптический разветвитель.

Представленные на фиг.5, 6 волоконно-оптические ЛГПЧ и АКФПЧ основаны на использовании активных оптических волокон в качестве рабочего вещества лазера и волоконно-оптических брэгговских решеток показателя преломления (ВБР) в качестве отражательных зеркал резонатора и узкополосных оптических фильтров. Накачка активных волокон осуществляется с помощью полупроводниковых (инжекционных) лазеров, имеющих волоконный выход и сопрягаемых с активным волокном через оптический разветвитель. Изменение частоты генерации и полосы пропускания волоконно-оптического узкополосного фильтра на основе ВБР (поз.6-2, поз.5-4, поз.7-3) осуществляют путем изменения температуры ВБР с помощью блока управления (поз.5-5 фиг.5, поз.6-4 фиг.6 и поз.7-4 фиг.7), в состав которого входит полупроводниковый элемент Пельтье, обеспечивающий управление изменением температуры ВБР. Под воздействием изменения температуры ВБР изменяются и оптические параметры ВБР, определяющие сдвиг частоты полосы пропускания ВБР и сдвиг генерируемой частоты ЛГПЧ.

Волоконно-оптический АКФПЧ обладает высокой чувствительностью за счет высокого коэффициента усиления активного волокна в широком диапазоне длин волн ближнего ИК-диапазона. ВБР с управляемыми параметрами позволяет оперативно изменять ширину полосы приема и квантового усиления лазерного излучения, а также величину центральной частоты полосы приема для компенсации доплеровского сдвига частоты.

Представленный на фиг.7 вариант исполнения АКФПЧ на основе полупроводникового лазерного (оптического) усилителя на диапазон λ=1÷1,5 мкм позволяет за счет использования отражательной ВБР 7-3 и двухпроходного режима усиления лазерного излучения в полупроводниковом лазерном усилителе поз.7-1, фиг.7 обеспечить высокий коэффициент усиления порядка 10³ в полосе 100-300 МГц с перестройкой центральной частоты полосы приема и усиления в пределах нескольких нанометров, что позволяет компенсировать доплеровские сдвиги частоты при взаимных скоростях движения базовой и бортовой частей комплекса до десятков км/с в диапазоне λ=1÷1,5 мкм.

Блок измерения оптической частоты (фиг.8) выполнен на основе стандартных элементов и узлов. На фиг.8 приведена блок-схема блока измерения оптической частоты (поз.12 и 22 на фиг.1), который содержит следующие элементы:

8-1 и 8-2 - первая и вторая входные диафрагмы;

8-3 - светоделительный элемент;

8-4 - фотоприемник;

8-5 - усилитель промежуточной частоты;

8-6 - измеритель частоты.

Светоделительный элемент 8-3 осуществляет суммирование двух оптических потоков излучения - с выхода источника измеряемого лазерного излучения (ЛГПЧ или АКФПЧ) и с выхода эталонного генератора лазерного излучения 17 (фиг.1). Принцип работы блока измерения оптической частоты эквивалентен принципу работы известного лазерного доплеровского измерителя скорости [18]. Фотоприемник поз.8-4, фиг.8 выполняет роль оптического смесителя и формирует на своем выходе сигнал биений, частота которого f_и равна сдвигу измеряемой оптической частоты f_л лазерного излучения на первом входе (входная диафрагма 1) относительно оптической частоты f₀ эталонного генератора лазерного излучения на втором входе (входная диафрагма 8-2, фиг.8): f_и=f_л-f₀.

Далее после усиления этого сигнала в усилителе промежуточной частоты 8-5 осуществляют измерение величины частоты f_и в измерителе частоты 8-6, с выхода которого в цифровой форме информация о величине f_и, соответствующая величине сдвига частоты Δν=f_и, поступает в блок управления комплекса 25. Измеритель частоты 8-6 представляет собой стандартный электронный прибор для измерения величины частоты электрического сигнала и может быть выполнен, например, на основе набора узкополосных резонансных фильтров, регистрирующих, частоту поступающего электрического сигнала. Возможно также использование электронного цифрового измерителя частоты, основанного на оцифровке электрического сигнала и подсчете числа импульсов, заполняющих период измеряемого электрического сигнала.

Блок многоканальной лазерной связи (БМЛС) поз.11 на фиг.1 представляет собой оптический супергетеродинный приемник лазерных сигналов с частотным уплотнением каналов на оптической несущей частоте f₀ - основной рабочей оптической частоте ЛГПЧ.

На фиг.9 представлена схема блока многоканальной лазерной связи, содержащего следующие элементы:

9-1 - входная диафрагма;

9-2 - светоделитель;

9-3 - оптический аттенюатор - лазерный гетеродин - ЛГПЧ во втором варианте;

9-4 - фотоприемник;

9-5 - первый усилитель промежуточной частоты;

9-6 - смеситель радиодиапазона;

9-7 - гетеродин;

9-8 - многоканальный усилитель промежуточных частот;

9-9 - многоканальный демодулятор;

9-10 - отражательное зеркало;

9-11 - акустооптический модулятор;

9-12 - вторая входная диафрагма.

Данный блок (БМЛС) реализует прием лазерных информационных сигналов по методу лазерного гетеродинирования и преобразования принимаемого сигнала на оптической несущей частоте в сигнал радиодиапазона, с последующим его усилением в усилителе промежуточной частоты радиодиапазона (например, СВЧ - диапазона) и демодуляцией принятого и усиленного широкополосного сигнала с частотным уплотнением каналов.

В качестве лазерного гетеродина в первом варианте выполнения данного блока многоканальной лазерной связи (БМЛС) поз.11 использован эталонный генератор лазерного излучения поз.17, фиг.1, излучение с выхода которого посредством полупрозрачного зеркала 19, фиг.1 и отражательного зеркала 18 поступает на второй оптический вход БМЛС 11 - на вторую входную диафрагму 9-12 фиг.9. Далее данное излучение поступает на оптический вход фотоприемника 9-4 через акустооптический модулятор 9-11 и через оптический аттенюатор поз.9-3, а также поступает посредством отражательного зеркала 9-10 и светоделителя 9-2. Акустооптический модулятор 9-11 фиг.9 подключен своим управляющим входом к блоку управления комплекса 25. Данный акустооптический модулятор 9-11 служит для изменения (сдвига) оптической частоты лазерного излучения от эталонного генератора лазерного излучения 17 фиг.1, что необходимо для установления необходимой оптической частоты лазерного гетеродина, в качестве которого в данном варианте исполнения БМЛС использован эталонный генератор лазерного излучения 17. Оптический аттенюатор 9-3 фиг.9 выполняет функцию управляемого ослабления лазерного излучения, что необходимо для установления оптимального режима лазерного гетеродинирования при регистрации с помощью фотоприемника 9-4 на фиг.9 биений излучения лазерного гетеродина от эталонного источника лазерного излучения 17 и принимаемого излучения, поступающего на первую входную диафрагму поз.9-1 фиг.9 БМЛС. Управление сдвигом оптической частоты и ослаблением лазерного излучения осуществляют по командам от блока управления комплекса 25 фиг.1, поступающим на акустооптический модулятор 9-11 ив оптический аттенюатор 9-3 фиг.9. В качестве последнего использован, например, блок оптических фильтров, перемещаемых шаговым электродвигателем. В блок 9-3 (фиг.9) входит также дополнительная линза, фокусирующая излучение в плоскость фотоприемника 9-4. Во втором варианте выполнения БМЛС 11 в качестве лазерного гетеродина используют лазерный генератор с перестройкой частоты, аналогичный ЛГПЧ фиг.3, поз.21 фиг.1, управляющие блоки которого подсоединены к блоку управления комплекса 25. Данный ЛГПЧ в этом втором варианте занимает позицию 9-3 на фиг.9. Далее при описании работы блока БМЛС 11 приведен именно этот второй вариант исполнения лазерного гетеродина, при котором под позицией 9-3 на фиг.9 следует понимать ЛГПЧ, описание которого представлено в тексте заявки и на фиг.3.

При этом в основном чертеже комплекса фиг.1 приведен более общий случай выполнения БМЛС 11, при котором в качестве лазерного гетеродина используют эталонный источник лазерного излучения 17, а для сдвига частоты лазерного гетеродина используют акустооптический модулятор 9-11 фиг.9, управляемый от блока управления комплекса 25. Представленное далее описание работы БМЛС 11 отражает оба представленных варианта выполнения лазерного гетеродина в виде или отдельного ЛГПЧ или в виде эталонного генератора лазерного излучения 17.

Усиленное в АКФПЧ 5 фиг.1 лазерное излучение поступает на оптический вход БМЛС 11 через оптический фильтр 6 и полупрозрачные зеркала 13, 14, 15 и соответственно на входную диафрагму поз.9-1 на фиг.9. Далее лазерное излучение поступает на фоточувствительную площадку фотоприемника 9-4 фиг.9, выполняющего функцию смесителя оптического диапазона. Одновременно на фотоприемник 9-4 поступает лазерное излучение от лазерного гетеродина 9-3 через отражательное зеркало 9-10 и светоделитель 9-2. Первый усилитель промежуточной частоты 9-5 осуществляет усиление сигнала биений и всей полосы частот многоканального сигнала, которая может составлять порядка 200-300 МГц. Далее с помощью смесителя радиодиапазона 9-6 и гетеродина 9-7 радиодиапазона осуществляют второе преобразование и понижение частоты принимаемого информационного сигнала. В результате второго преобразования формируется многоканальный сигнал с частотным уплотнением каналов передачи информации, который далее усиливается многоканальным усилителем промежуточных частот 9-8.

Далее осуществляют демодуляцию сигналов в каждом из каналов с помощью многоканального демодулятора 9-9, с выходов которого в цифровой форме (или в аналоговой форме) информация поступает в блок 27 получатель информации и в блок управления комплекса 25. Информация с выхода блока 9-9 фиг.9 поступает в блок-получатель информации 27 фиг.1 через блок управления комплекса 25.

В качестве лазерного гетеродина 9-3 фиг.9 используют лазерный генератор с перестройкой частоты, аналогичный ЛГПЧ 21 фиг.1. Управление частотой излучения лазерного гетеродина 9-3 фиг.9 осуществляют по сигналам от блока управления комплекса 25. Величину частоты лазерного гетеродина 9-3 f_Г устанавливают в соответствии со следующим соотношением:

где f_ПЧ1 - промежуточная частота первого усилителя промежуточной частоты 9-5 фиг.9, лежащая в общем случае в СВЧ-диапазоне и определяемая частотой поднесущей модулирующего сигнала, поступающего на модулятор лазерного излучения 30 фиг.1 в базовой (или соответственно бортовой) части комплекса при модуляции лазерного излучения информационным передаваемым сигналом; f_пр - оптическая частота принимаемого лазерного излучения.

При приеме излучения в бортовой части комплекса согласно (6) f_пр равна:

При приеме лазерного излучения в базовой части комплекса согласно

Таким образом, в базовой и бортовой частях комплекса при одинаковой величине промежуточной частоты f_ПЧ1 устанавливают различные величины оптической частоты f_г лазерного гетеродина 9-3.

При приеме излучения в бортовой части комплекса необходимая оптическая частота лазерного гетеродина 9-3 f_ЛГ2 равна:

При приеме лазерного излучения в базовой части комплекса необходимая оптическая частота лазерного гетеродина 9-3 f_ЛГ1 равна:

Данное различие частот лазерного гетеродина 9-3 обусловлено тем, что в базовой части комплекса осуществляют предварительную компенсацию доплеровского сдвига оптической частоты как при излучении лазерного сигнала (излучения) в сторону бортовой части, так и при приеме лазерного излучения от бортовой части комплекса путем сдвига центральной частоты полосы приема лазерного излучения в АКФПЧ 5 фиг.1. В бортовой части комплекса прием лазерного излучения и генерацию лазерного излучения, несущего информационный сигнал, осуществляют вначале на частоте f₀ рабочего лазерного перехода. При этом частоту лазерного гетеродина 9-3 выбирают равной f_ЛГ2=f₀-f_ПЧ1.

Далее в бортовой части комплекса после определения величины сдвига оптической частоты Δν₂ (7) частоту лазерного гетеродина устанавливают равной

В результате реализуется точная компенсация доплеровского сдвига при приеме и демодуляции лазерного излучения в блоке многоканальной лазерной связи фиг.9 методом лазерного гетеродинирования, при которой полоса и несущая частота биений на выходе фотоприемника 9-4 фиг.9 точно соответствует промежуточной частоте и параметрам первого усилителя промежуточной частоты 9-5 фиг.9.

В базовой части комплекса частоту лазерного гетеродина 9-3 f_ЛГ1 сразу устанавливают в соответствии с величиной (39), определяемой первоначально измеренной величиной доплеровского сдвига (1). После определения в бортовой части комплекса оптического сдвига Δν₂ и изменения в соответствии с этим измеренным сдвигом оптической частоты f_Г2 лазерного излучения, генерируемого в бортовой части комплекса и излучаемого в направлении базовой части комплекса, реализуется точная компенсация доплеровского сдвига при приеме лазерного излучения от бортовой части комплекса в базовой части комплекса, в результате чего установленное в базовой части комплекса значение частоты лазерного гетеродина f_ЛГ1 (39) является оптимальным и обеспечивает полное и точное согласование полосы и частоты сигнала биений на выходе фотоприемника 9-4 фиг.9 в базовой части комплекса с частотой и параметрами первого усилителя промежуточной частоты 9-5 фиг.9.

Далее в базовой и бортовой частях комплекса с помощью смесителя радиодиапазона 9-6 и гетеродина 9-7 фиг.9 осуществляют второе частотное преобразование принимаемого информационного сигнала с выхода первого усилителя промежуточной частоты 9-5 и обеспечивают точную настройку этого сигнала на соответствующие частоты многоканального усилителя промежуточной частоты 9-8. После этого осуществляют раздельную демодуляцию в каждом из каналов с выхода многоканального усилителя промежуточной частоты 9-8 с помощью соответствующих элементов многоканального демодулятора 9-9 фиг.9.

Следует отметить, что в бортовой части комплекса на первом этапе приема лазерного излучения при установленном первичном значении частоты лазерного гетеродина f_ЛГ2 в соответствии с (38) вследствие неполной компенсации реального доплеровского сдвига частоты часть каналов многоканального принимаемого информационного сигнала может оказаться вне полосы высокочувствительного приема лазерного излучения в АКФПЧ 5. В этом случае на первом этапе в бортовой части комплекса возможен прием только ограниченного объема информации с помощью блока лазерной многоканальной связи фиг.9 за счет нескольких каналов, попадающих в полосу приема и усиления в АКФПЧ 5. Этого достаточно для передачи технической информации от базовой части комплекса к бортовой части комплекса, необходимой на первом этапе для вхождения в режим космической связи. На втором этапе после компенсации измеренной величины сдвига Δν₂ оптической частоты в бортовой части комплекса в базовой и бортовой частях комплекса установлен режим приема информационного сигнала в блоке многоканальной лазерной связи 11 фиг.1, обеспечивающий передачу полномасштабного широкополосного сигнала с частотным уплотнение каналов и большим объемом передаваемой информации, соответствующим потенциальным возможностям лазерного информационного сигнала.

Первый и второй фотоприемные блоки (ФПБ) 9, 10 выполнены на основе стандартных двумерных фотоприемных матриц, имеющих диапазон чувствительности, соответствующий используемой длине волны λ₀ активной среды ЛГПЧ. Многоканальные выходы от ФПБ 9, 10 подсоединены через соответствующий интерфейс к блоку управления комплекса 25. Первый ФПБ 9 предназначен для приема координатной информации и определяет двумерные координаты принимаемого лазерного излучения в фокусе первой линзы 7, которые в блоке управления комплекса 25 используют для выработки управляющих сигналов, поступающих в цифровой форме в ОПУ 3 для более точного направления осей приемной 1 и передающей 4 оптических антенн в сторону бортовой (или соответственно базовой) части комплекса.

Второй фотоприемный блок 10 предназначен для приема и демодуляции принимаемого лазерного излучения, усиленного в АКФПЧ 5. Каждый чувствительный элемент в ФПБ 10 снабжен электронным усилителем, выход которого подключен к соответствующему индивидуальному аналого-цифровому преобразователю. Выходы ФПБ 10 так же, как и поз.9, подключены к соответствующим интерфейсам блока управления комплекса 25. ФПБ 10 осуществляет демодуляцию принятого лазерного излучения, промодулированного передаваемым цифровым сигналом по амплитуде или поляризации. Для демодуляции лазерного излучения с модуляцией по поляризации ФПБ 10 снабжен поляризационным оптическим фильтром, установленным перед фоточувствительной матрицей в ФПБ 10.

При этом информация снимается с того элемента (или группы элементов) в фоточувствительной матрице в ФПБ 10, на который в данный момент попадает (поступает) лазерное излучение, принятое оптической приемной антенной 1. При смещении принимаемого пятна (лазерного излучения) в фокусе линзы 8 вследствие неточного наведения оси приемной оптической антенны 1 на корреспондента - бортовую (базовую) часть комплекса информация снимается с соседнего элемента (группы элементов) в матрице ФПБ 10. Таким образом, наличие в ФПБ 10 многоэлементной двумерной матрицы позволяет компенсировать неточность наведения оптической оси приемной оптической антенны 1 на передающую антенну корреспондента (передатчика) без дополнительного устройства наведения, как в устройстве-прототипе [5].

Блок определения параметров движения поз.26 на фиг.1 содержит стандартную электронно-вычислительную машину, осуществляющую вычисление скорости движения бортовой части комплекса относительно базовой части (и наоборот) по траекторным параметрам, или другим данным, поступающим от блока внешнего целеуказания 29.

Блок определения параметров движения 26 дополнительно снабжен радиолокатором, установленным совместно с оптическими приемной и передающей антеннами на базовом конструктивном элементе поз.2 фиг.1. Данный радиолокатор имеет свое опорно-поворотное устройство, позволяющее ориентировать визирную ось радиолокатора в направлении соответственно бортовой или базовой частей комплекса по данным внешнего целеуказания, аналогично предварительной ориентации приемной и передающей оптических антенн. Предполагается использование стандартного радиолокатора, который обеспечивает подсвет бортовой (базовой) части комплекса излучением электромагнитной волны в сантиметровом или миллиметровом диапазоне, прием и обработку отраженного сигнала, определение пространственных координат и радиальной скорости V₁ бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса и соответственно скорости базовой части относительно бортовой части комплекса [15]. Полученная информация о величине V₁ поступает далее в блок управления комплекса 25.

Оптический фильтр поз.6 фиг.1 предназначен для фильтрации от фоновых и помеховых излучений в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн и выполнен из оптического стекла с заданной характеристикой спектрального пропускания и ослабления проходящего излучения.

Блок управления комплекса поз.25 на фиг.1 выполнен на базе стандартной ЭВМ с соответствующими блоками сопряжения с элементами устройства - базовой или бортовой частей комплекса. В данном блоке 25 формируют управляющие сигналы, определяющие работу отдельных элементов комплекса, а также распределение полученных информационных сигналов и принятие решения о переводе комплекса в соответствующий режим работы.

Одним из вариантов определения (оценки) скорости движения V₁ бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса является прямое определение (оценка) в базовой части комплекса величины скорости V₁ и соответственно доплеровского сдвига частоты Δf_d. Для осуществления этого варианта определения V₁ в стадии установления космической связи после взаимной ориентации антенн в базовой и бортовой частях комплекса в бортовой части комплекса осуществляют генерацию лазерного излучения с помощью ЛГПЧ на частоте f₀ - основной рабочей частоте используемого активного вещества ЛГПЧ и АКФПЧ в обеих частях комплекса, которая хорошо известна. Далее в базовой части комплекса осуществляют прием и квантовое усиление данного излучения и осуществляют определение сдвига частоты данного принятого излучения относительно эталонной оптической частоты f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения с помощью первого блока измерения оптической частоты 12 Δf₀₁. Данный полученный сдвиг частоты используют для определения скорости V₁ по формуле .

Соответственно в качестве величины доплеровского сдвига частоты Δf_d используют в данном случае величину полученной оценки Δf₀₁ измеренного сдвига частоты: Δf_d=Δf₀₁. Данную оценку Δf_d используют далее вместо оценки доплеровского сдвига по формуле (1).

Определение скорости V₁ на основании траекторных данных в блоке определения параметров движения 26 осуществляют следующим образом. В блок 26 от блока внешнего целеуказания поз.29 фиг.1 поступают данные, характеризующие траекторию движения бортовой части комплекса поз.2 фиг.2 - траекторию движения космического аппарата поз.4 фиг.2, на борту которого находится бортовая часть комплекса. Данные представлены в виде массива информации S(t)={x(t),y(t),z(t)}, характеризующего координаты бортовой части комплекса в зависимости от параметра t - единого времени в системе координат относительно базовой части комплекса. При расположении базовой части комплекса на поверхности Земли параметры траектории S(t) бортовой части комплекса относительно Земли являются непосредственно результатами расчета параметров движения в космическом пространстве относительно Земли бортовой части комплекса для единого текущего времени, которые выполняются в центре управления полетами космических аппаратов для каждого запуска КА в космическое пространство и которые используются для слежения за движением КА, контроля выполнения КА заданных функций космического полета и для осуществления космической связи с КА. В случае совместного и одновременного движения в космическом пространстве бортовой и базовой частей комплекса в центре управления полетами космических аппаратов осуществляют расчет параметров движения по отдельности бортовой и базовой частей комплекса относительно Земли и по этим данным вычисляют траекторию движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса (и наоборот). Как отмечено, данный массив информации S(t)={x(t),y(t),z(t)} поступает от блока внешнего целеуказания 29 в блок определения параметров движения 26, в котором по известным стандартным алгоритмам определяют параметры вектора скорости V(t) движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса в виде, например, соответствующих производных по времени для любого момента t единого времени:

Далее в блоке 26 для любого момента времени t определяют составляющую скорости V₁ бортовой части комплекса по линии взаимного визирования относительно базовой части комплекса на основе вектора скорости V(t), характеризуемого тремя компонентами вектора скорости по трем осям декартовой системы координат (x, y, z). При этом линия визирования является известной и определяется для каждого момента времени t по направляющим косинусам вектора направления от базовой части комплекса в бортовую часть комплекса с координатами {x(t), y(t), z(t)}. Далее полученное значение относительной радиальной скорости V₁ используют для определения доплеровского сдвига Δf_d оптической частоты.

Определение параметров траектории движения космических аппаратов осуществляют по известным алгоритмам, приведенным в литературе по исследованию движения космических объектов и спутников [16].

Таким образом, определение скорости V₁ движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса может быть осуществлено следующими тремя способами:

1. Определение скорости V₁ на основе вычисления, исходя из параметров траектории движения бортовой части относительно базовой части комплекса.

2. На основе определения скорости V₁ с помощью стандартного радиолокатора, входящего в состав блока определения параметров движения поз.26 фиг.1.

3. На основе определения скорости V₁ путем измерения сдвига оптической частоты лазерного излучения, излученного в бортовой части комплекса на известной частоте f₀ рабочего лазерного перехода и принятого в базовой части комплекса.

Каждый из этих способов определения скорости V₁ имеет свои преимущества при установлении лазерной космической связи в соответствующих условиях. Например, при установлении дальней космической связи целесообразно использовать информацию о траектории бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса и определять скорость V₁ на основе расчета по параметрам траектории, полученным по данным внешнего целеуказания.

При установлении лазерной связи с КА, входящим в плотные слои атмосферы при посадке на Землю, целесообразно использовать определение скорости V₁ с помощью радиолокатора, входящего в состав блока определения параметров движения 26.

Соответственно используемому варианту определения скорости движения V₁ блок определения параметров движения 26 может иметь различный состав.

Блок определения параметров движения 26 содержит стандартную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ, ПК), в которой осуществляют определение скорости V₁ на основе траекторных данных, поступающих от блока внешнего целеуказания 29. Дополнительно в состав блока определения параметров движения 26 введен радиолокатор, обеспечивающий определение скорости V₁ локационным методом [15], то есть путем анализа параметров сигнала, отраженного от бортовой части комплекса при ее облучении данным радиолокатором. Определение скорости V₁ бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса, в состав блока 26 которой введен данный радиолокатор, осуществляют по известным алгоритмам, позволяющим на основе обработки радиолокационного сигнала определять скорость V₁ лоцируемого объекта, в данном случае скорость бортовой части комплекса [15].

Входящий в состав блока определения параметров движения 26 фиг.1 радиолокатор может быть установлен на базовом элементе 2 совместно с приемной и передающей оптическими антеннами или может иметь отдельное ОПУ и устанавливается на платформе КА 32 фиг.1.

Высокая чувствительность приема информационных лазерных сигналов, реализованная в предлагаемом комплексе ЛКС, а также высокая помехозащищенность комплекса по отношению к внешним фоновым засветкам позволяет эффективно использовать его для создания специальных систем космической связи.

Важной областью применения комплекса лазерной космической связи является использование его для осуществления связи с космическим кораблем (КК), входящим в плотные слои атмосферы при посадке КК на Землю, а также и при посадке на поверхность других планет, обладающих атмосферой, например, на поверхность Венеры. Вследствие высокой скорости вхождения КК в атмосферу вокруг его корпуса возникает плазма, препятствующая прохождению электромагнитных волн радиодиапазона, вследствие чего в момент посадки КК на Землю всегда имеет место перерыв радиосвязи. Этот перерыв исключает возможность осуществлять переговоры между экипажем КК и командным пунктом на Земле, а также препятствует приему на КК и передаче на Землю телеметрической информации.

В то же время электромагнитное излучение видимого и ближнего ИК-диапазона свободно проходит через плазменный слой, образующийся вокруг КК при его движении в атмосфере Земли, что обеспечивает возможность осуществления непрерывной связи с КК в течение всего периода его посадки на поверхность Земли.

На фиг.10 приведена схема организации лазерной связи с КК во время его посадки на Землю с использованием предложенного комплекса лазерной космической связи.

На фиг.10 приведены следующие элементы комплекса лазерной космической связи (ЛКС).

10-1. Базовая часть комплекса ЛКС, установленная на космическом аппарате 10-2, находящемся на орбите вокруг Земли.

10-3. Приемная и передающая оптические антенны базовой части комплекса.

10-4. Блок определения параметров движения базовой части комплекса, содержащий радиолокатор.

10-5. Космический корабль (КК), осуществляющий посадку на поверхность Земли 10-8 и проходящий через плотные слои атмосферы Земли.

10-6. Бортовая часть комплекса лазерной космической связи, установленная на борту КК 10-5.

10-7. Иллюминатор, установленный вровень с корпусом КК 10-5 для вывода и приема лазерного излучения оптических антенн бортовой части комплекса лазерной космической связи.

Таким образом, согласно приведенной на фиг.10 схеме связь с КК 10-5, совершающим посадку на Землю, осуществляют через космический аппарат 10-2, несущий базовую часть комплекса лазерной космической связи. КА 10-2 находится на околоземной орбите и обеспечивает ретрансляцию связи с КК 10-5 через соответствующие каналы связи на Землю. Возможно также использование базового комплекса лазерной космической связи, установленного на поверхности Земли и обеспечивающего лазерную связь с КК 10-5 непосредственно с поверхности Земли. При осуществлении лазерной космической связи с КК 10-5 радиолокатор, входящий в блок определения параметров движения 10-4 в базовой части комплекса ЛКС, обеспечивает базовую часть комплекса информацией о направлении на КК 10-5 и величине радиальной скорости V₁ КК 10-5 относительно КА 10-2, что необходимо, как было показано выше, для вхождения в режим лазерной связи и установления оптимального режима лазерной связи между движущимися базовой и бортовой частями комплекса ЛКС.

Для снижения веса, габаритов и энергопотребления аппаратуры, находящейся на борту КК 10-5, в бортовой части комплекса ЛКС использованы лазерный генератор (ЛГ) и АКФ без перестройки частоты, работающие на фиксированной частоте f₀. В этом случае реализуется первый или второй модифицированный вариант рассмотренного выше способа лазерной космической связи. Одним из вариантов сокращения объемов аппаратуры бортовой части комплекса ЛКС является исключение из его состава лазерного генератора (ЛГ). При этом для передачи информации с борта КК 10-5 от бортовой части комплекса к базовой части комплекса используют модулятор лазерного излучения поз.30 на фиг.1, выполненный в отражательном исполнении.

При этом модулятор лазерного излучения 30 фиг.1 осуществляет модуляцию лазерного излучения от базовой части комплекса, принятую передающей оптической антенной 4, которая в этом случае работает как приемная антенна и улавливает излучение, идущее от базовой части комплекса - от передающей оптической антенны базовой части комплекса.

В этом режиме работы модулятора лазерного излучения 30 падающее на него лазерное излучение от передающей оптической антенны 4 подвергается модуляции информационным сигналом от блока 25 и от источника информации 28, далее отражается от зеркала, нанесенного в виде покрытия на вторую внешнюю грань модулятора 30. В обратном ходе промодулированное лазерное излучение проходит через передающую оптическую антенну 4 и излучается в сторону базовой части комплекса. Таким образом, реализуется передача информации от бортовой к базовой части комплекса путем модуляции внешнего лазерного излучения (источника) от базовой части комплекса без использования собственного ЛГПЧ. При этом лазерный генератор ЛГПЧ в базовой части комплекса работает в импульсно-периодическом режиме, при котором часть времени осуществляют модуляцию лазерного излучения от ЛГПЧ информационным передаваемым сигналом, а вторую часть времени модуляция лазерного излучения в базовой части комплекса не производится, а осуществляют модуляцию этого лазерного излучения информационным сигналом в бортовой части комплекса, после чего модулированное лазерное излучение отражается назад в сторону базовой части комплекса, в котором осуществляют прием этого излучения с помощью приемной оптической антенны, усиление излучения в ЛГПЧ и его демодуляцию обычным способом в фотоприемном блоке 10, или в блоке многоканальной лазерной связи 11. На фиг.11 приведена схема модулятора лазерного излучения в отражательном исполнении, где обозначены следующие элементы:

11-1 - модулятор лазерного излучения, выполненный, например, на основе электрооптического кристалла;

11-2 - отражательное зеркало, нанесенное на вторую грань модулятора;

11-3 - фокусирующая линза, обеспечивающая фокусировку принимаемого немодулированного лазерного излучения от базовой части комплекса на отражательное зеркало 11-2;

11-4 - блок управления модулятором 11-1;

11-5 - отраженное модулированное лазерное излучение.

Для работы модулятора лазерного излучения 30 в отражательном режиме необходима дополнительная фокусирующая линза (поз.11-3), установленная между передающей оптической антенной 4 и модулятором 30, обеспечивающая обратное отражение излучения точно в направлении излучения, пришедшего от базовой части комплекса. Данный предложенный режим работы комплекса лазерной космической связи без использования в бортовой части комплекса лазерного генератора (передатчика) ЛГПЧ реализован благодаря высокой чувствительности АКФПЧ, достигающей предельной однофотонной квантовой чувствительности, ограниченной квантовым пределом. Данная реализованная экспериментально чувствительность АКФПЧ [7] позволяет обеспечить уверенный прием лазерного информационного сигнала на уровне 2-3 фотона на один бит информации за время порядка Δτ=3 нс на входной апертуре приемной оптической антенны.

Высокая помехозащищенность комплекса по отношению к внешним фоновым засветкам обусловлена достаточно узкой оптической полосой приема и квантового усиления излучения в АКФПЧ, что позволяет обеспечить прием лазерных информационных сигналов на фоне таких космических источников фоновой засветки, как солнечный диск, практически без снижения чувствительности приема лазерных сигналов. В работе [17] теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность приема лазерных сигналов с помощью АКФПЧ комплекса ЛКС на уровне предельной квантовой чувствительности, при которой величина снижения чувствительности при приеме лазерных сигналов на фоне солнечного диска составляла не более 12%.

Одним из преимуществ лазерных систем космической связи перед системами космической связи радиодиапазона является возможность использования для накачки лазерных генераторов солнечного излучения, то есть использование солнечного излучения для непосредственного возбуждения активного рабочего вещества лазерного генератора - прямой солнечной накачки. Это позволяет сократить количество аппаратуры, находящейся на борту КА, за счет исключения источников электрического питания для накачки лазерных генераторов, а также в определенных пределах повысить КПД лазерных генераторов-передатчиков при использовании солнечной накачки по сравнению с вариантом использования солнечных полупроводниковых батарей и выработки электроэнергии для последующей накачки лазерных генераторов-передатчиков.

Использование прямой солнечной накачки фотодиссоционных лазерных генераторов на борту КА основано на наличии в спектре солнечного излучения полосы спектра ΔФ_H, эффективно поглощаемой рабочим веществом лазера, которое в результате этого переходит в возбужденное состояние, обеспечивающее генерацию лазерного излучения.

Для накачки, например, фотодиссоционных лазерных генераторов эффективной полосой спектра является полоса в солнечном излучении шириной ΔФ_H=250÷300 нм в ультрафиолетовом диапазоне со средней длиной волны λ_H≅270 нм. Для этой длины волны и указанной полосы ΔФ_H на уровне орбиты Земли солнечная постоянная равна: Н_λH=0,405·10^-2 Вт·см^-2. Отсюда получаем следующую оценку для энергии импульса лазерного генератора, возбуждаемого потоком солнечного излучения, при импульсно-периодической модуляции лазерного излучения:

где Н_λ - солнечная постоянная для указанного диапазона ΔФ_H на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца, то есть на уровне орбиты Земли; S_k, γ_k - площадь и коэффициент полезного действия коллектора солнечного излучения; η - КПД активного вещества лазера по оптической накачке; Δt - время накопления излучения накачки.

Таким образом, для обеспечения импульсного режима работы фотодиссоционного ЛГ с периодом Т=Δt=10 мкс при КПД γ_k=0,5 и η=0,2 с энергией излучения в импульсе

Е_n=3·10^-6 Дж необходимая площадь коллектора солнечного излучения S_k на уровне орбиты Земли составляет S_k=750 см² (d_k=31 см). Данной площади коллектора достаточно для обеспечения лазерной связи до границ солнечной системы при использовании указанных выше параметров и размеров приемной антенны на КА D_ка=0,5 м и приемопередающей антенны на орбите спутника Земли D₃=8 м.

Таким образом, использование солнечной накачки для прямого возбуждения активного вещества в фотодиссоционных ЛГ позволяет решить ряд проблем установления дальней лазерной космической связи.

Еще более эффективным является использование в лазерных космических системах связи наряду с АКФПЧ современных волоконно-оптических лазерных генераторов ближнего ИК-диапазона, указанных выше (фиг.5 -7).

Высокая чувствительность АКФПЧ комплекса лазерной космической связи и наличие компенсации доплеровского сдвига частоты позволяют использовать его для проведения ряда фундаментальных физических экспериментов в области астрофизики и космических исследований.

Далее показана возможность использования предложенного комплекса ЛКС для экспериментальной проверки теории относительности А.Эйнштейна. На фиг.12 представлена схема эксперимента для проверки выводов теории относительности, где обозначены следующие элементы. Бортовая часть комплекса поз.12-1 с оптическими приемной 12-2 и передающей 12-3 антеннами расположена в точке О₁ на оси О₁С. Вдоль оси O₁С с постоянной скоростью V движется платформа 12-10, в точках В, С и

А₁ которой установлены и жестко закреплены уголковые отражатели поз.12-5, 12-6, 12-7. В точке А на оси АС расположено светоделительное зеркало, разделяющее лазерное излучение, падающее от бортовой части 12-1, на два световых потока, распространяющихся соответственно по оси АС и в перпендикулярном направлении. Диафрагмы 12-8, 12-9 перекрывают по отдельности указанные световые потоки и позволяют раздельно принимать и измерять параметры световых потоков, отраженных от уголковых отражателей 12-6 и 12-7. Оптические антенны 12-2 и 12-3 бортовой части комплекса ориентированы вдоль оси O₁AC и обеспечивают излучение лазерных сигналов в направлении движущейся платформы 12-10 и прием лазерных сигналов, отраженных от уголковых отражателей 12-5, 12-6, 12-7.

ЛГПЧ в бортовой части комплекса 12-1 излучает последовательность коротких импульсов - импульсно-периодический лазерный сигнал, период следования которых должен быть больше времени прохождения импульсным сигналом расстояния 2АС. Соответственно длительность отдельного импульса должна быть меньше указанного времени распространения излучения на расстояние 2АС и позволять по отдельности измерять моменты времени прихода на приемную оптическую антенну 12-3 лазерных импульсов, отраженных от уголковых отражателей 12-5, 12-6, 12-7. Таким образом, излученный оптической антенной 12-2 лазерный импульс достигает платформы 12-10, отражается от уголковых отражателей 12-5, 12-6 и 12-7, возвращается назад к оптической приемной антенне 12-3 и регистрируется аппаратурой бортовой части 12-1. По измерениям моментов прихода лазерных импульсов, отраженных от указанных уголковых отражателей, можно судить о выполнении эффектов, предсказанных теорией относительности. При этом отрезки ВА=АС, угол ВАС=90°, а расстояние АА₁ значительно меньше, чем O₁А, вследствие чего отраженный сигнал от уголкового отражателя 12-5 можно считать исходящим из точки А.

Рассмотрим взаимосвязь моментов отражения импульсного лазерного излучения от уголковых отражателей 12-5, 12-6, 12-7. Момент прихода t₀ лазерного импульса от передающей оптической антенны 12-2 в точку А равен моменту времени отражения этого импульса от уголкового отражателя 12-5 и есть начальный отсчетный момент времени t₀ с точки зрения наблюдателя в бортовой части комплекса 12-1, которую условно считаем неподвижной. Платформа 12-10 движется со скоростью V по оси O₁AC относительно бортовой части поз.12-1 фиг.12. Далее считаем диафрагму 12-9 закрытой, диафрагму 12-8 открытой и рассмотрим момент времени t₂ прихода лазерного импульса, отраженного от полупрозрачного зеркала 12-4, на уголковый отражатель 12-6 (точка В) и соответственно момент отражения этого импульса обратно в точку А.

С точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с платформой 12-10, этот момент времени t₂ отстоит от момента t₀ прихода лазерного импульса от бортовой части в точку А на величину τ=l₀/с, где l₀=ВА=AC - длина отрезков платформы 12-10, с - скорость света. Соответственно t_2B=t₀+τ.

С точки зрения наблюдателя в бортовой части (неподвижного) момент времени t_B=t₀+Т прихода лазерного импульса на уголковый отражатель 12-6 соответствует приходу этого импульса в точку пространства В₁, так как платформа 12-10 движется со скоростью V относительно бортовой части комплекса 1 и за время Т=t_B-t₀ пройдет расстояние ВВ₁=VT. Отсюда из треугольника АВВ₁ имеем:

Отсюда сразу следует известное соотношение для замедления времени Т с точки зрения неподвижного наблюдателя в бортовой части комплекса относительно наблюдателя, движущегося вместе с платформой со скоростью V:

В точку А отраженный от точки В импульс придет через промежуток времени 2Т после момента времени t₀ с точки зрения наблюдателя в бортовой части комплекса:

Соответственно в бортовой части 12-1 комплекса данный импульс будет принят со сдвигом Δt₀₂ по времени относительно принятия первого импульса, отраженного в момент времени t₀ от уголкового отражателя 12-5, на величину:

Малая добавка 2T V/с образуется за счет перемещения платформы на расстояние 2TV за время обратного прихода импульса, отраженного от уголкового отражателя 12-6 обратно в точку А. Величина Δt₀₂ является измеримым параметром, в который входят известные величины l₀, V, с.

Рассмотрим далее измерение момента времени прихода на приемную оптическую антенну 12-3 бортовой части комплекса лазерного импульса, отраженного от уголкового отражателя 12-7. Для проведения этого эксперимента диафрагму 12-8 закрывают, а диафрагму 12-9 переводят в открытое состояние.

С точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с платформой 12-10, момент времени t_3C=t₀+τ достижения лазерным импульсом уголкового отражателя 12-7 - точки С равен (соответствует) моменту времени прихода t_2B=t₀+τ лазерного импульса в точку В на уголковый отражатель 12-6 от момента времени t₀ прихода лазерного импульса от оптической передающей антенны 12-2, где по-прежнему τ=l₀/с и l₀=АВ=АС.

С точки зрения неподвижного наблюдателя в бортовой части комплекса 12-1 момент времени прихода импульса излучения в точку С t_C1 отличается от момента времени прихода лазерного импульса в точку В (t_B=t₀+T) на величину сдвига фазы одновременности t_M в движущейся системе координат для точек А и С, находящихся на расстоянии l_x=АС по направлению движения платформы со скоростью V:

Здесь l_x - величина отрезка АС по направлению движения платформы, которая для неподвижного наблюдателя является априори неизвестной вследствие кажущегося уменьшения длины данного отрезка АС и подлежит дистанционному измерению путем определения моментов времени прихода лазерных импульсов, отраженных от уголковых отражателей 12-5 и 12-7. Данный сдвиг фаз одновременности можно получить как разность времен t_C-t_A прихода импульса лазерного излучения, испущенного из центра А₂ отрезка АС длиной l_x к его концам - точкам А и C с точки зрения неподвижного наблюдателя. Указанную разность времен t_C-t_A=t_M можно получить из следующих соотношений:

Отсюда момент t_C достижения лазерным импульсом точки С можно определить из следующего соотношения:

Одновременно имеем соотношение:

которое определяет длину пути, пройденного лазерным импульсом от точки А до точки С с учетом движения платформы со скоростью V. Из последних двух уравнений получаем неизвестную априори величину l_x=(АС)_н длины отрезка АС - расстояния между точкой А - полупрозрачным зеркалом-разветвителем 12-4 - и уголковым отражателем 12-7 в точке С₁ с точки зрения неподвижного наблюдателя в бортовой части 12-1 фиг.12 комплекса.

Исключая величину t_C-t₀, получаем уравнение для определения l_x:

Здесь - ранее определенная величина замедления (удлинения) времени платформы с точки зрения неподвижного наблюдателя в бортовой части 1 комплекса, τ=l₀/с, l₀=ВА=AC - размеры отрезков платформы 12-10 с точки зрения наблюдателя на платформе.

Отсюда получаем

что соответствует известной формуле сокращения длины движущегося объекта в теории относительности. Соответственно момент времени t_C достижения лазерным импульсом точки С и обратного отражения его от уголкового отражателя 12-7 равен:

В бортовой части 12-1 комплекса данный импульс, отраженный в точке С от уголкового отражателя 12-7, будет принят со сдвигом Δt₀₃ по времени относительно принятия первого импульса, отраженного от уголкового отражателя 12-5, в момент времени t₀ на следующую величину:

Здесь второе слагаемое определено перемещением в пространстве точки С - уголкового отражателя 12-7 - за время распространения лазерного импульса от точки А до точки С (фиг.12), а также собственно длиной отрезка АС=l_x с точки зрения неподвижного наблюдателя. С учетом

и

получаем:

Таким образом, сдвиг во времени лазерного импульса Δt₀₃, отраженного от уголкового отражателя 12-7 в точке С относительно лазерного импульса, отраженного от уголкового отражателя 12-5 в точке A₁, равен сдвигу по времени лазерного импульса от уголкового отражателя 12-6 в точке В фиг.12 при их приеме оптической приемной антенной 12-3 в бортовой части комплекса. В формулу для Δt₀₃, и Δt₀₂ входят все известные параметры: l₀ - длина отрезков АВ=АС платформы и V - скорость движения платформы относительно бортовой части комплекса, которая может быть измерена при приеме лазерного излучения в бортовой части по величине доплеровского сдвига частоты.

Измерение сдвигов по времени Δt₀₂ и Δt₀₃ можно осуществить в блоке управления бортовой части комплекса 25 фиг.1 по моменту прихода на фотоприемный блок лазерных амплитудно-модулированных импульсов, отраженных от уголковых отражателей платформы 12-10. Непосредственное измерение указанных временных сдвигов и сравнение их величин с теоретическими значениями по приведенным формулам позволит осуществить прямое измерение замедления времени Т для движущегося объекта и тем самым осуществить экспериментальную проверку выводов теории относительности А.Эйнштейна. При этом измерение сдвига по времени Δt₀₃ лазерного импульса, отраженного от уголкового отражателя 12-7 в точке С, следует трактовать как измерение длины l_x отрезка АС в движущейся со скоростью V платформы, так как при выводе теоретического соотношения для Δt₀₃ учтен эффект сокращения длины отрезка АС в движущейся платформе, полученный в соответствии с основными фундаментальными принципами теории относительности: постоянством и равенством скорости света в неподвижной и движущейся системах координат, а также наличием сдвигов фаз моментов одновременности для точек А и С, находящихся на прямой, параллельной вектору скорости V. Итак, предложенное устройство - комплекс лазерной космической связи - позволяет вследствие высокой чувствительности и компенсации доплеровского сдвига в оптическом диапазоне длин волн осуществить прямую экспериментальную проверку выводов теории относительности А.Эйнштейна путем реализации эксперимента по локации короткими лазерными импульсами специально изготовленной платформы с уголковыми отражателями и измерения временных сдвигов отраженных импульсов с помощью находящихся в космосе бортовой части комплекса лазерной космической связи.

Проведенный анализ показал, что основной физической сущностью теории относительности является информационный аспект: а именно получение информации о параметрах движущегося объекта неподвижным наблюдателем, то есть специальный измерительный процесс с использованием лазерного приемного устройства комплекса космической связи, позволяющий принимать лазерные импульсы, измерять их параметры и трактовать полученные данные как эффект замедления скорости течения времени и сокращения длин в движущейся платформе с точки зрения неподвижного наблюдателя. Полученные результаты сокращения длин и замедления времени можно трактовать как результат искажения информации, полученной в специфических условиях лазерной космической связи как измерительного процесса.

В качестве справочного материала приводим данные о величине изменения частоты излучения движущегося источника, определяемой эффектом Доплера [19]. Изменение частоты колебаний, воспринимаемое наблюдателем, при движении источника со скоростью V в соответствии с теорией относительности равно:

где с - скорость света; ϑ - угол между вектором скорости и волновым вектором излучаемой световой волны; f₀ - собственная частота колебаний неподвижного источника излучения.

Данная формула определяет как продольный эффект Доплера при ϑ=0 или ϑ=π при движении источника вдоль линии визирования, так и поперечный эффект Доплера при ϑ=π/2 и движении источника излучения перпендикулярно линии визирования. При небольшой величине скорости движения V источника по сравнению со скоростью света с поперечный эффект Доплера весьма мал, а формула Доплер-эффекта принимает следующий вид, соответствующий вышеприведенной формуле (l)(ϑ=0):

где f₀ V/c=Δf_d - величина доплеровского сдвига оптической частоты; V - взаимная скорость движения источника и наблюдателя по линии визирования - продольная скорость движения.

По материалам представленного способа и комплекса для его осуществления разработан экспериментальный образец приемопередающего устройства лазерной космической связи, испытания которого подтвердили высокую эффективность комплекса ЛКС при реализации режима предельной квантовой чувствительности.

Экспериментально показано, что чувствительность приема лазерных сигналов связи с помощью экспериментального образца устройства лазерной космической связи, созданного на основе АКФПЧ, остается практически неизменной при приеме сигнала на фоне любого мощного источника света естественного происхождения. При приеме сигнала лазерной космической связи на фоне солнечного диска, температура поверхности которого 6000 К, чувствительность снижается всего на 12% [17]. Проведен эксперимент по приему сигнала лазерной космической связи на фоне плазменного источника излучения с яркостной температурой, равной 40000 К. На фиг.13 представлена осциллограмма напряжения, зарегистрированного в ФПБ поз.9 на фиг.1, сигнала на фоне плазменного источника с указанной яркостной температурой. Длительность лазерного импульса τ=40 нc; момент прихода данного импульса на фиг.13 соответствует 13-й микросекунде. При пересчете отношения сигнал/шум на данной осциллограмме (q=7) к величине q=1 достигнутая чувствительность приема составляет 3 фотона вне импульса плазменного источника и 6 фотонов на фоне плазменного источника, фоновый импульс от которого простирается на осциллограмме от 8-й до 16-й микросекунды. Таким образом, экспериментально доказана реализация высокой чувствительности приема сигналов лазерной связи на фоне излучения мощного плазменного источника, превосходящего по яркости Солнце.

На фиг.14 представлена осциллограмма сигнала на выходе АКФПЧ при приеме сигнала лазерной связи в виде импульсно-периодического модулированного лазерного сигнала, сформированного лазерным передатчиком - полупроводниковым лазерным диодом, работающим на длине волны, попадающей в полосу квантового усиления АКФПЧ. Использование АКФПЧ с предельной квантовой чувствительностью и полупроводникового лазера в качестве передатчика позволяет реализовать эффективную лазерную космическую связь в ближней космической зоне Земля - Луна, а также с постоянной станцией космической связи на поверхности Луны с весьма ограниченным энергопотреблением.

На фиг.15 представлен внешний вид активного квантового фильтра (АКФ), входящего в состав экспериментального образца устройства лазерной космической связи, на котором экспериментально реализована предельная квантовая однофотонная чувствительность приема сигналов лазерной космической связи.

Предложенный способ лазерной космической связи и комплекс для его осуществления за счет реализации предельной квантовой чувствительности приема лазерных информационных сигналов посредством лазерного квантового усилителя (АКФПЧ) и за счет обеспечения компенсации доплеровского сдвига на космических протяженных трассах позволяет достигнуть следующих результатов:

- повысить дальность действия комплекса лазерной космической связи и одновременно обеспечить увеличение объемов и скорости передачи информации (порядка 300 Мбит·с^-1) между космическими аппаратами и наземными станциями в пределах солнечной системы;

- реализовать предельную квантовую чувствительность приема широкополосных лазерных информационных сигналов в условиях дальней космической связи между быстро движущимися космическими аппаратами, реализовать непрерывную связь с космическим аппаратом в момент входа КА в плотные слои атмосферы при посадке на Землю через слой плазмы, окружающий КА;

- реализовать связь с КА на фоне солнечного излучения, например лазерную связь с КА на поверхности Марса в период противостояния Марса с Землей, когда связь осуществляется вблизи солнечного диска.

Важным перспективным направлением использования предложенного способа и комплекса лазерной космической связи является его применение для решения проблемы поиска сигналов внеземных цивилизаций и установления после обнаружения непрерывной связи с ВЦ [8].

Источники информации

1. Кацман М. Лазерная космическая связь. - М.: Радио и связь, 1993, стр.50-59.

2. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир. 1969. С.141.

3. Патент РФ №2154906 от 28.06.1999, кл. Н04В, 10/00.

4. Патент США №5408351. 1995, кл. 359/186, Н04В, 10/00.

5. Патент РФ №2111617 (20.05.1998), кл. Н04В, 10/00. Прототип.

6. Земсков Е.М., Казанский В.М., Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю. Патент РФ №2133533 от 30.09.1997 г. Способ спектральной фильтрации оптических сигналов и устройство для его осуществления - активный квантовый фильтр. - Изобретения, №20, С.480 (1999).

7. Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. Лазерное приемное устройство с квантовым пределом чувствительности в ближнем ИК-диапазоне. - Квантовая электроника, 2000, Т.30, №9, С.833-838.

8. Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. - Квантовая электроника. 2007. Т.37, №7. С.С.685-690. Лазерный переход Р_3/2-P_1/2 атомарного йода и проблема поиска сигналов внеземных цивилизаций.

9. Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. Патент №2248555 РФ от 20.10.2003 г.Способ определения характеристик лазерной среды. - Изобретения. 2005. №8.

10. Аржанов В.П. и др. Йодный лазер с накачкой светом фронта ударной волны, создаваемой взрывом взрывчатого вещества. Квантовая электроника. 1992. Т.19. №2. С.135-138.

11. Теребиж В.Ю. Современные оптические телескопы. - М.: Физматлит, 2005. 80 с.

12. Большие наземные оптические телескопы, 10 м>D>3 м. - http://astrotelecope.narod.ru/tele3links.html.

13. Бредерлов Г., Филл Э., Витте К. Мощный йодный лазер. // Перевод с англ. под ред. В.С.Зуева. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 160 с.

14. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. // Перевод с англ. Под ред. Г.П.Мотулевич. М.: Наука, 1970, с.432.

15. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. - М.: Сов. радио. 1970.

16. Основы теории полета космических аппаратов. // Под. ред. акад. М.К.Тихонравова. - М.: Машиностроение, 1972.

16.1. Саврасов Ю.С.Методы определения орбит космических объектов. - М.: Машиностроение, 1981.

16.2. Патент РФ №2150414 от 01.02.99. Способ определения параметров орбиты космических аппаратов.

17. Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. Влияние мощной фоновой засветки на чувствительность ЛПУ с йодным активным квантовым фильтром. - Квантовая электроника, 2002, Т.32, №4, С.349-356.

18. Лазерные измерительные системы. // Под ред. Д.П.Лукьянова. М.: Радио и связь, 1981, стр. 169.

19. Физический энциклопедический словарь. // Под ред. А.М.Прохорова. М.: Сов. энциклопедия, 1983 г.

Изобретение относится к области космической лазерной связи и лазерной техники и предназначено для создания комплексов стационарной лазерной космической связи в ближнем космосе - до орбиты Луны, а также в дальнем космосе - на трассе Земля - Марс, и в пределах всей солнечной системы. Техническим результатом является повышение дальности действия лазерной космической связи, увеличение объемов и скорости передачи информации между космическими аппаратами (КА) и наземными станциями в пределах солнечной системы. Для этого определяют доплеровский сдвиг частоты лазерного излучения от базовой части комплекса лазерной космической связи при его приеме в бортовой части комплекса, осуществляют сдвиг оптической частоты лазерного излучения в базовой части комплекса на отрицательную величину измеренного доплеровского сдвига, осуществляют квантовое усиление лазерного излучения и измерение сдвига его оптической частоты в бортовой части комплекса, а также сдвиг центральной частоты полосы приема и квантового усиления в бортовой и базовой частях комплекса, определяют параметры качества установленной лазерной космической связи, осуществляют генерацию лазерного излучения, прием и квантовое усиление сигналов лазерной связи с установленными сдвигами оптических частот. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ лазерной космической связи, осуществляемой между базовой и бортовой частями комплекса лазерной космической связи (ЛКС), включающий последовательную генерацию и модуляцию лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса, взаимную ориентацию передающих и приемных оптических антенн и взаимный прием лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса, отличающийся тем, что до генерации лазерного излучения в базовой части комплекса определяют скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса, определяют доплеровский сдвиг частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при его приеме в бортовой части комплекса, генерирование лазерного излучения в базовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₁ на отрицательную величину доплеровского сдвига частоты Δf₁=-Δf_d, после приема этого лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют его квантовое усиление, измеряют сдвиг оптической частоты Δv₂ принятого и усиленного лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀, генерацию лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₂ на отрицательную величину измеренного сдвига оптической частоты Δv₂ принятого лазерного излучения Δf₂=-Δv₂, осуществляют дополнительную модуляцию генерируемого в бортовой части лазерного излучения величиной измеренного сдвига оптической частоты Δv₂, последующий прием и квантовое усиление лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом центральной частоты f_ф2 полосы приема на величину измеренного сдвига Δv₂ оптической частоты принятого лазерного излучения, после приема лазерного излучения от бортовой части комплекса в базовой части комплекса осуществляют его квантовое усиление со сдвигом центральной частоты f_ф1 полосы приема на величину ранее измеренного доплеровского сдвига частоты Δf_d, измеряют сдвиг Δv₁ оптической частоты принятого и усиленного в базовой части комплекса лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀, в базовой части комплекса осуществляют демодуляцию принятого от бортовой части комплекса лазерного излучения и получают информацию о величине сдвига оптической частоты Δv₂, измеренного ранее в бортовой части комплекса, на основе полученных сдвигов оптической частоты Δv₁, Δv₂ определяют параметры режима лазерной космической связи ε₁, ε₂, на основании следующих соотношений:


где Δf_d - величина доплеровского сдвига оптической частоты лазерного излучения, по параметрам ε₁ и ε₂ судят о качестве установленной лазерной космической связи и при выполнении условий
ε₁≤0,01uε₂≤0,01
принимают решение об установлении штатного режима лазерной космической связи, при котором в базовой и бортовой частях комплекса осуществляют генерацию лазерного излучения, прием и квантовое усиление лазерного излучения с установленными ранее сдвигами оптических частот генерируемого лазерного излучения и со сдвигами центральных частот полос приема лазерного излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при невыполнении хотя бы одного из условий ε₁≤0,01 и ε₂≤0,01 в качестве величины доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d используют сумму измеренных величин Δv₁, Δv₂ сдвигов оптической частоты:
Δf_d=Δν₁+Δν₂.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нем определение доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при приеме в бортовой части комплекса осуществляют в соответствии с формулой

где с - скорость света, V₁ - скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса по направлению линии взаимного визирования, связывающей базовую и бортовую части комплекса; f₀ - оптическая частота лазерного излучения, генерируемого в базовой части комплекса и соответствующая оптической частоте рабочего квантового перехода активного вещества, используемого при осуществлении генерации лазерного излучения и при осуществлении квантового усиления лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нем в качестве эталонной оптической частоты f₀ лазерного излучения принимают оптическую частоту рабочего квантового перехода активного вещества, используемого при осуществлении генерации лазерного излучения и квантового усиления лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса.

5. Комплекс лазерной космической связи (ЛКС), состоящий из идентичных базовой и бортовой частей, размещенных на разных космических аппаратах (КА), каждая из которых содержит приемную и передающую оптические антенны, установленные на базовом элементе и жестко с ним соединенные, опорно-поворотное устройство (ОПУ), кинематически соединенное с базовым элементом, оптический фильтр, первый и второй фотоприемные блоки (ФПБ), модулятор лазерного излучения с блоком управления, блок - источник информации и блок - получатель информации, блок управления комплекса, управляющий вход ОПУ, выходы первого и второго ФПБ, блока - получателя информации и блока - источника информации подключены к блоку управления комплекса, блок управления модулятором лазерного излучения подсоединен к блоку управления комплекса, отличающийся тем, что в каждую из идентичных частей комплекса введены активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ), лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ), блок многоканальной лазерной связи, первый и второй блоки измерения оптической частоты, эталонный генератор лазерного излучения, блок определения параметров движения, первая и вторая линзы, три отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом оптический вход АКФПЧ связан с оптическим выходом приемной оптической антенны, оптический выход АКФПЧ связан с оптическим входом первого ФПБ через оптический фильтр, первое полупрозрачное зеркало и первую линзу, а с оптическим входом второго ФПБ через оптический фильтр, первое и второе полупрозрачные зеркала и вторую линзу, дополнительно оптический выход АКФПЧ связан с оптическими входами блока многоканальной лазерной связи и первого блока измерения оптической частоты через оптический фильтр и первое, второе, третье полупрозрачные зеркала и первое отражательное зеркало, оптический выход ЛГПЧ связан с оптическим входом передающей оптической антенны через модулятор лазерного излучения и с оптическим входом второго блока измерения оптической частоты посредством шестого полупрозрачного зеркала и третьего отражательного зеркала, оптический выход эталонного генератора лазерного излучения оптически связан со вторыми оптическими входами второго блока измерения оптической частоты, первого блока измерения оптической частоты посредством четвертого и пятого полупрозрачных зеркал, и блока многоканальной лазерной связи через четвертое, пятое полупрозрачные зеркала и второе отражательное зеркало, при этом управляющие входы АКФПЧ и ЛГПЧ подсоединены к блоку управления, входы которого подключены к первому и второму блокам определения оптической частоты и к блоку многоканальной лазерной связи, выход блока определения параметров движения подсоединен к блоку управления и к выходу блока внешнего целеуказания.

6. Комплекс ЛКС по п.5, отличающийся тем, что в нем активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, входное полупрозрачное зеркало, кювету с прозрачными входным и выходным окнами и активным веществом и блоком накачки, оптическую пластину с блоком позиционирования, акустооптический модулятор с блоком управления, выходное полупрозрачное зеркало, пьезоэлемент с блоком управления, соединенный с выходным полупрозрачным зеркалом, блок управления частотой спектральной линии, соединенный с кюветой с активным веществом, при этом управляющие входы блока накачки, блока позиционирования, блока управления акустооптическим модулятором, блока управления пьезо-элементом и блока управления частотой спектральной линии подсоединены к блоку управления комплекса.

7. Комплекс ЛКС по п.5, отличающийся тем, что в нем лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ) содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные выходную диафрагму, полупрозрачное зеркало резонатора, кювету с активным веществом, блоком накачки, блок управления частотой генерации, соединенный с кюветой с активным веществом, оптическую пластину с блоком позиционирования, отражательное зеркало резонатора, при этом управляющие входы блока накачки, блока управления частотой генерации и блока позиционирования подсоединены к блоку управления комплекса.

8. Комплекс ЛКС по п.5, отличающийся тем, что в нем блок многоканальной лазерной связи содержит последовательно соединенные фотоприемник, первый усилитель промежуточной частоты, смеситель радиодиапазона с гетеродином, многоканальный усилитель промежуточных частот, многоканальный демодулятор, а также оптически связанные оптический аттенюатор и акустооптический модулятор, при этом вход оптического аттенюатора посредством отражательного зеркала и светоделителя оптически связан с оптическим входом фотоприемника, а вход акустооптического модулятора оптически связан с выходом эталонного генератора лазерного излучения посредством отражательного и полупрозрачного зеркал, управляющий электрический вход оптического аттенюатора и управляющий вход акустооптического модулятора подсоединены к выходу блока управления комплекса, выход многоканального демодулятора подключен ко входу блока управления комплекса.

9. Комплекс ЛКС по п.5, отличающийся тем, что в нем активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) выполнен на основе волоконно-оптического квантового усилителя, содержащего активное оптическое волокно, вход которого через оптический разветвитель и первую волоконно-оптическую брэгговскую решетку оптически связан с входной линзой, а выход которого через вторую волоконно-оптическую брэгговскую решетку оптически связан с выходной линзой, второй вход оптического разветвителя подсоединен к блоку полупроводниковой лазерной накачки, первая и вторая волоконно-оптические брэгговские решетки (ВБР) подсоединены к блоку управления параметрами.

10. Комплекс ЛКС по п.5, отличающийся тем, что в нем лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ) содержит активное оптическое волокно, вход которого через первую волоконно-оптическую решетку оптически связан с блоком полупроводниковой лазерной накачки, а выход оптически связан через вторую волоконно-оптическую решетку с входной линзой, первая и вторая волоконно-оптические решетки соединены с блоком управления параметрами.

11. Комплекс ЛКС по п.5, отличающийся тем, что в нем активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) содержит полупроводниковый лазерный усилитель, сопряженный с оптическим волокном, оптический вход которого через оптический разветвитель и сопрягающие элементы связан с входной и выходной линзами, а оптический выход связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой, подсоединенной к блоку управления параметрами.