ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2021 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к системам связи и навигации и может быть использовано для оперативной доставки команд управления и коррекции инерциальных навигационных комплексов автономных обитаемых подводных объектов (ПО), например, подводных аппаратов, находящихся на рабочих глубинах погружения, а также для доставки служебной информации с погруженных ПО в центры управления (подводного, надводного, наземного или воздушного базирования).

Оптические каналы связи (ОКС) с погруженными подводными объектами развиваются по двум основным направлениям - односторонний ОКС с ПО, предназначенный для своевременного доведения информации и двусторонний ОКС для обмена данными в между объектами.

Двусторонний ОКС позволяет осуществить высокоскоростной обмен данными, передать на ПО целеуказания, навигационную информацию и получать от ПО квитанцию и различные сообщения без всплытия его на поверхность водоема и без использования буксируемых устройств, ограничивающих маневренность ПО. [«DARPA pushes submarine laser communications technology for ASW operations)). - Military@aerospace Electroics, Jan 31, 2010].

Рассмотрим принципы построения двустороннего ОКС для высокоскоростной передачи и приема данных, целеуказания и других сообщений на погруженный ПО с высокой скоростью передачи с использованием летательных (ЛА), в том числе космических. В этих ОКС для уточнения местоположения ПО в квадрат неопределенности местоположения ПО размером порядка 200-300 км предварительно передают малоинформативные имитозащищенные вызывные сигналы. Для этого используют высокочастотный импульсный лазер, передающий вызывные сигналы и сканирующий узким пучком по зоне неопределенности местоположения ПО. Фотоприемник ЛА, ожидая передачи ответных сигналов с ПО, имеет поле зрения, совпадающее с угловой шириной излучения лазера. На ПО, декодировав вызывные сигналы, излучают ответные сигналы, и устанавливается процесс связи. При этом взаимно отслеживается местоположение ПО и ЛА. Высокая скорость передачи сообщений из-под воды сохраняется лишь до тех пор, пока яркость узкого не рассеянного водой пучка более чем на порядок превышает яркость рассеянной составляющей, то есть пока еще можно выделить направление на источник оптического излучения ЛА, чтобы в этом направлении переизлучить ответные сигналы с ПО. Построенной на основе расчета пространственно-угловой структуры лазерного пучка, прошедшего через толщу морской воды, показано, как меняется соотношение между мощностью нерассеянного и рассеянного излучения при возрастании глубины погружения ПО в морских водах средней прозрачности. С глубины 50 м еще можно выделить направление на ЛА, но уже на глубине 100 м величина узкой части диаграммы яркости принимаемого от ЛА излучения, позволяющей определить направление на ЛА, становится настолько мало, что определить точное направление на ЛА не представляется возможным.

Для отделения «прямого» (нерассеянного) излучения от рассеянного в фотоприемнике ПО необходимо использовать оптико-электронное устройство, которое позволит анализировать угловую диаграмму яркости принимаемого излучения и выделить наиболее узкий участок в ней, соответствующий направлению на ЛА.

Передача в восходящем направлении узкими лазерными лучами может быть осуществлена с использованием различных технических решений. В работах: Катенина В.А. и др. «К вопросу об использовании лазеров космического базирования для подводной навигации. Военная мысль, вып. 2, 2010 г.». В патенте РФ №2390098 от 20.05.2010 г. «Способ координатно-информационного обеспечения подводных мобильных объектов» предложены технические решения по наведению узкого пучка на ЛА через взволнованную поверхность моря. Техническое решение состоит из оптической системы, фотодетектора, управляющей схемы, модулятора и многоэлементного лазера.

Но оно мало эффективно для компенсации расширения лазерного пучка в условиях мелкоструктурной ряби, когда с возрастанием глубины диаметр лазерного пучка от лазерного передатчика ПО на поверхности моря (1-2 см) становится сравним с длиной ветровой волны. Поэтому можно применять и другие технические решения по формированию волнового фронта выходящего из-под воды излучения, например, самообращение волнового фронта принимаемых на ПО лазерных сигналов на основе нелинейных явлений в мощном лазерном усилителе ПО. Можно также использовать методы адаптивной оптики, когда волновой фронт ответных сигналов от маломощного лазера ПО формируется на основе измерения волнового фронта принимаемых на ПО лазерных импульсов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Патент РФ №2696626 от 05.08.2019 Бюл. №22. Приемо-передающее оптическое устройство состоящее из оптической системы, фотодетектора, управляющей схемы, модулятора и многоэлементного лазера, световолоконного кабеля, светоделителя, фотодетекторов и формирующей оптической системы, причем оптическая система приемника соединена с фокальной плоскостью световолоконного кабеля, который соединен со светоделителем, а светоделитель соединен с фотодетекторами, выходы которых соединены с управляющей схемой и модуляторами, которые через многоэлементный лазер соединен с формирующей оптической системой, причем управляющая система также соединена с источником сообщения который соединен с модуляторами, при этом оптическое излучение через оптическую систему приемника поступает в фоконую плоскость световолоконного кабеля, в котором разделяется на каналы, пройдя светоделитель, излучение поступает на фотодетекторы, в которых принимается решение о превышении в них сигналов порога, установленного по принимаемому фоновому излучению, причем управляющая схема декодирует вызывные сигналы и выдает управляющий сигнал на источник сообщения, который выдает разрешение на открытие модулятора в случае необходимости передачи двоичного символа «1», при этом открывается тот элемент модулятора, на который поступает сигнал с фотодетектора, в соответствии с этим включается соответствующий элемент многоэлементного лазера и ответное излучение, пройдя формирующую оптическую систему, поступает на тот элемент светоделителя, по которому прошло сигнальное излучение от летательного аппарата, поэтому ответное излучение поступает на источник вызывных сигналов, то есть на летательный аппарат, по тому же пути, по которому пришло излучение с летательного аппарата. Недостатком прототипа является недостаточная компенсация равномерного лазерного пучка

Цель изобретения компенсации расширенного лазерного пучка. Поставленная цель достигается тем, что приемо-передающее оптическое устройство, состоящее из оптической системы, фотодетектора, управляющей схемы, модулятора, многоэлементного лазера, световолоконного кабеля, светоделителя, фотодетекторов и формирующей оптической системы, причем оптическая система приемника соединена с фокальной плоскостью световолоконного кабеля, который соединен со светоделителем, а светоделитель соединен с фото детекторами, выходы которых соединены с управляющей схемой и модуляторами, которые через многоэлементный лазер соединен с формирующей оптической системой, причем управляющая система также соединена с источником сообщения который соединен с модуляторами, при этом оптическое излучение через оптическую систему приемника поступает в фоконую плоскость световолоконного кабеля, в котором разделяется на каналы, пройдя светоделитель, излучение поступает на фотодетекторы, в которых принимается решение о превышении в них сигналов порога, установленного по принимаемому фоновому излучению, причем управляющая схема декодирует вызывные сигналы и выдает управляющий сигнал на источник сообщения, который выдает разрешение на открытие модулятора в случае необходимости передачи двоичного символа «1», при этом открывается тот элемент модулятора, на который поступает сигнал с фотодетектора, в соотвествии с этим включается соответствующий элемент многоэлементного лазера и ответное излучение пройдя формирующую оптическую систему, поступает на тот элемент светоделителя, по которому прошло сигнальное излучение от ЛА, поэтому ответное излучение поступает на источник вызывных сигналов, то есть на ЛА, по тому же пути, по которому пришло излучение с ЛА, при этом каждый волоконно-оптический кабель выполнен пропускательного типа (бинарным) с возможностью дискретного изменения коэффициента пропускания оптического излучения от k_i≠0 до 1, 0, где i=1, 2, 3, …, n, причем коэффициенты пропускания (k_i) различны.

На фиг. 1 приведено приемо-передающее оптическое устройство, оно состоит из:

1 - оптической системы приемника;

2 - фокальной плоскости световолоконного кабеля;

3 - светоделителя;

4 - фото детекторов;

5 - управляющей схемы;

6 - источника сообщения;

7 - модулятора;

8 - многоэлементного лазера;

9 - формирователя оптической системы.

На фиг. 2 приведено устройство для компенсации расширенного лазерного пучка, оно состоит из:

1 - оптической системы приемника;

2 - фокальной плоскости световолоконного кабеля;

10 - световодного кабеля (световоды) выполненные из кварцевого материала с сердцевиной и окружающей ее оболочки;

11 - бинарного волоконно- оптического датчика (ВВОД);

4 - фотодетектора;

5 - управляющей схемы.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Принимаемое с ЛА оптическое излучение через оптическую систему приемника 1 поступает в фокальную плоскость световолоконного кабеля 2, в котором разделяется на каналы. Оптическая система 1 может находиться в штатном выдвижном устройстве ПО (или на рубке ПО), чтобы быть ближе к поверхности воды. Пройдя светоделитель 3, излучение поступает на фотодетекторы 4, в которых принимается решение о превышении в них сигналом порога, установленного по принимаемому фоновому излучению. Управляющая схема 5 декодирует вызывные сигналы и выдает управляющий сигнал на источник сообщения 6, который выдает разрешение на открытие модулятора 7 в случае необходимости передачи двоичного символа «1». При этом открывается тот элемент модулятора, на который поступает сигнал с фото детектора 4. В соответствии с этим включается соответствующий элемент многоэлементного лазера 8 и ответное излучение, пройдя формирующую оптическую систему 9, поступает на тот элемент светоделителя, по которому прошло сигнальное излучение от ЛА. Поэтому ответное излучение поступает на источник вызывных сигналов, то есть на ЛА, по тому же пути, по которому пришло излучение с ЛА.

Так как передача из-под воды осуществляется узким пучком, автоматически возвращаемым и направленным на ЛА, то нет необходимости в разработке сложной системы наведения на ПО, а требования к мощности лазера ПО значительно снижены.

Для того чтобы осуществить двустороннюю связь необходимо предварительно по одностороннему ОКС передать ПО сигнал для подвсплытия ее на глубину порядка 60 м или выпуска им на глубину порядка 15 м буксируемого кабеля с оптической антенной. Формула изобретения

Приемо-передающее оптическое устройство, состоящее из оптической системы, фотодетектора, управляющей схемы, модулятора и многоэлементного лазера, отличающееся тем, что в него введены световолоконный кабель, светоделитель, фотодетекторы и формирующая оптическая система, причем оптическая система приемника соединена с фокальной плоскостью световолоконного кабеля, который соединен со светоделителем, а светоделитель соединен с фото детекторами, выходы которых соединены с управляющей схемой и модуляторами, которые через многоэлементный лазер соединен с формирующей оптической системой, причем управляющая система также соединена с источником сообщения который соединен с модуляторами, при этом оптическое излучение через оптическую систему приемника поступает в фоконую плоскость световолоконного кабеля, в котором разделяется на каналы, пройдя светоделитель, излучение поступает на фотодетекторы, в которых принимается решение о превышении в них сигналов порога, установленного по принимаемому фоновому излучению, причем управляющая схема декодирует вызывные сигналы и выдает управляющий сигнал на источник сообщения, который выдает разрешение на открытие модулятора в случае необходимости передачи двоичного символа «1», при этом открывается тот элемент модулятора, на который поступает сигнал с фотодетектора, в соответствии с этим включается соответствующий элемент многоэлементного лазера и ответное излучение, пройдя формирующую оптическую систему, поступает на тот элемент светоделителя, по которому прошло сигнальное излучение от летательного аппарата, поэтому ответное излучение поступает на источник вызывных сигналов, то есть на летательный аппарат, по тому же пути, по которому пришло излучение с летательного аппарата.

На фиг. 2 приведена функциональная схема компенсации расширенного лазерного пучка. В состава схемы входят последовательно соединенные оптическая система приемника 1, фокальные плоскости световодного кабеля 2, световодный кабель (световоды) 10, бинарные волоконно-оптические датчики (ВВОД) пропускательного типа 11, световоды, выполненные из кварцевого материала с сердцевиной и окружающей ее оболочкой, фотодетектора 4 и управляющей схемы 5.

Каждый из ВВОД 11 представляет собой герметичный баллон с выходящими из него световодами 10. Внутри баллона световоды расположены соосно с некоторым зазором между торцами. Там же находятся две ферромагнитные пластины, на одной из которых крепится шторка. В первом состоянии датчика (при отсутствии электромагнитного поля) шторка находится вне зазора между световодами. Во втором состоянии (при наличии электромагнитного поля) шторка находится в зазоре между торцами световодов.

Шторка датчика выполнена из прозрачного материала. Коэффициенты пропускания оптического излучения материалов шторок датчиков 11 равны 1/2, 1/3 и 1/4 соответственно.

Блок 5 управляющая схема представляет собой функциональный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии отсутствует внешнее воздействие на устройство. Излучение от источника 1 вводится в фокальную плоскость 2 и в световодный кабель- световод 10, проходит без потерь (за исключением потерь, обусловленных неидеальностью элементов системы) через датчики 11 по световодам 10 на вход фотодетектора 4. Датчики 11 при этом находятся в первом состоянии, и шторки не перекрывают излучение. В фотодетекторе 4 оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал. В блоке 5 этот сигнал преобразуется в параллельный цифровой код, соответствующий общему коэффициенту пропускания оптического излучения датчиками 11, который в данном состоянии системы равен единице.

Если датчик 11 регистрирует внешнее воздействие, в нашем случае пороговое значение напряженности электромагнитного поля, происходит замыкание ферромагнитных пластин. При этом шторка, которая крепится к одной из пластин, попадает в зазор между торцами световодов 10 в датчике 11. Излучение источника 1 ослабляется в соответствии с коэффициентом пропускания шторки датчика 11 в 2 раза. Этот оптический сигнал регистрируется фото детектором 4, преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход блока 5. На выходе блока 5обработки формируется код, соответствующий новому общему коэффициенту пропускания датчиков 2-4, равному 1/2.

Если датчик 11, регистрирует внешнее воздействие, они оба переходят во второе состояние. При этом излучение источника 1 ослабляется в датчике 11 в 2 раза, а затем во втором датчике 11 - в 3 раза. Общий коэффициент пропускания датчиков 11 равен 1/6, что регистрируется фотодетекторои 4 и преобразуется в блоке 5 в код, соответствующий новому состоянию системы.

Аналогично работает система при любых других из восьми возможных комбинаций состояний датчиков. Если, например, датчик 11 находится в первом состоянии, а второй датчики 11 - во втором, общий коэффициент пропускания излучения равен 1/12, что отображается на выходе блока 5 обработки в виде цифрового параллельного кода.

При разнесении датчиков 11 в пространстве устройство позволяет получать информацию о пространственном разделении электромагнитного поля.

Изобретение относится к системам связи и навигации и может быть использовано для оперативной доставки команд управления и коррекции инерциальных навигационных комплексов автономных обитаемых подводных объектов (ПО). Техническим результатом является компенсация расширенного лазерного пучка. Это достигается тем, что каждый волоконно-оптический кабель выполнен пропускательного типа с возможностью дискретного изменения коэффициента пропускания оптического излучения от k_i≠0 до 1, где i=1, 2, 3, …, n, причем коэффициенты пропускания кабеля k различны. 2 ил.

Приемо-передающее оптическое устройство, состоящее из последовательно соединенных оптической системы, фокальной плоскости световолоконного кабеля, световолоконного кабеля и светоделителя, а также последовательно соединенных фотодетектора, управляющей схемы, модулятора, многоэлементного лазера и формирующей оптической системы, которая через последовательно соединенные светоделитель и фокальную плоскость световолоконного кабеля соединены с выходом оптической системы, отличающееся тем, что между выходом светоделителя и входом фотоприемника введены бинарные волоконно-оптические датчики (ВВОД) с различным коэффициентом пропускания оптического излучения, равным 1/2, 1/3 и 1/4 соответственно, и представляющие собой герметичный баллон с выходящими из него световодами, причем управляющая система выполнена с возможностью декодирования вызывных сигналов и выдачи управляющего сигнала на источник сообщения для передачи ответного излучения на источник сигналов летательного аппарата по тому же пути, по которому пришло излучение с летательного аппарата.