ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ Российский патент 2024 года по МПК H04B10/11 

Изобретение относится к технике связи и касается устройства для беспроводной передачи информации, которое может применяться в качестве звена непосредственной связи между отдельными абонентами, например, телефонной или видеотелефонной. Также предлагаемое устройство может быть применено в качестве звена ретрансляционной линии, или в качестве основы для создания централизованной сети связи, например телефонной сети, пейджерной системы, а также сети телевизионного вещания или сети интернет. Не исключается также возможность использования предлагаемого устройства для связи с мобильными объектами, в частности для систем телеуправления. Преимущественное применение предлагаемая система связи будет иметь в случаях ограниченности прямой оптической видимости между отдельными станциями или ретрансляторами.

В настоящее время имеется большое разнообразие средств передачи информации, или сигналов, которые совершенствуются в направлении унификации к типу передаваемой информации и возможности объединения в локальные, ведомственные и глобальные сети. Отдельные звенья этих сетей строятся на разных физических принципах, применяемых в зависимости от протяженности звена, мощности потока информации, характера применения (стационарные, мобильные) и особенностей местности и среды. При этом, в связи с освоением дециметрового и сантиметрового диапазонов электромагнитных волн и появлением высокопроизводительных средств цифровой обработки сигналов, все более широкое применение получают классические способы передачи информации по радиоканалам на сверхвысоких частотах (СВЧ). Несмотря на то, что волны дециметрового и сантиметрового диапазонов сильно отражаются от стен помещений и дают большие фазовые искажения, обусловленные многолучевостью, они нашли применение даже для высококачественного телевидения через открытое пространство с использованием комнатной антенны. Это стало возможным благодаря отказу от временного разделения элементов изображения, принятого в аналоговом телевидении и переходу на частотное разделение, осуществляемое методами высокопроизводительного цифрового сжатия информации и мультиплексирования. Из-за того, что элементы телевизионного изображения меняются медленно, каждый элемент занимает очень узкий, почти телеграфный частотный канал. Поэтому сильная многолучевость тракта открытого эфира не вызывает заметных искажений изображения, по сравнению с аналоговой передачей, где многолучевость вызывает расплывание коротких фронтов аналогового видеосигнала. Таким образом, передача видеоинформации на дециметровых и сантиметровых волнах становится возможной несмотря на то, что принимаемый в помещении СВЧ-сигнал является, по сути, результатом многократного рассеяния СВЧ-радиоволн при их прохождении через окна, двери и коридоры помещений.

Таким образом при работе на СВЧ через открытое пространство удается воспользоваться основным преимуществом радиоволн, состоящим в отсутствии необходимости прямой видимости между передатчиком и приемником. Это особенно удобно для создания связи с мобильными объектами и при отсутствии прямой оптической видимости (плотная городская застройка, деревья и т.п.).

Однако передача больших потоков информации с помощью СВЧ-радиоволн через открытое пространство на расстояния более нескольких километров сталкивается с проблемой сильной концентрации плотности радиоизлучения в окрестности радиопередатчика. При этом, для создания приемлемого уровня приема сигнала на расстоянии нескольких километров напряженность поля вблизи передающей антенны оказывается неприемлемой по соображениям безопасности для здоровья. При этом, в условиях города возникает необходимость ограничения напряженности СВЧ-поля. Это заставляет уменьшать мощность передатчика. Это, а также проблема доведения сигнала до всех мест затенения(закрытые помещения, подвалы и т.п) а также проблема ограниченности частотного диапазона, заставляет, для покрытия всего города с большим количеством абонентов, строить сеть достаточно плотно распределенных по площади маломощных базовых станций. Необходимость строительства большого количества базовых станций, связанных между собой в сеть, требует больших первоначальных капитальных затрат прежде, чем эти затраты начнут окупаться. Это затрудняет распространение услуг связи на районы с малой плотностью населения. Кабельные сети, включая и волоконно-оптические, при этом также обходятся не дешево. СВЧ-радиоизлучение - даже небольшой мощности, излучаемое во всех направлениях и непрерывно круглые сутки, представляет опасность для жителей городов и поселков, находящих постоянно, а большинстве случаев и всю жизнь, в поле СВЧ-излучения. Кроме того, перечисленные выше средства связи уязвимы в условиях чрезвычайных ситуаций и мало пригодны для работы спецслужб, в частности из-за наличия стационарной плохо защищенной сетевой инфраструктуры, монтируемой на возвышениях. Кроме того, эфирные каналы передачи информации незащищены от перехвата и подавления средствами радиоэлектронной борьбы.

В связи с этим стоит обратить внимание на открытые оптические линии связи. В настоящее время они используются лишь в отдельных звеньях сети или в специальных линиях, где имеется прямая оптическая видимость между приемником и передатчиком. Рассмотрим в качестве прототипа простейшее оптическое атмосферное звено передачи информации. Оно содержит передатчик, представляющий собой источник слабо расходящегося луча света. Обычно при этом используется монохроматический источник света, например лазер. На пути светового луча расположен приемник, содержащий объектив и, помещенный в его фокальную плоскость, фотоприемник небольшого размера и компактной формы (см. например: А.Л. Дмитриев. «Оптические системы передачи информации». Изд. Университета информационных технологий, СП., 2007 г., стр. 17, рис. 9). Точная юстировка приемного и передающего объективов обеспечивает защиту от помех со стороны посторонних источников света.

Монохроматичность источника света позволяет дополнительно повысить отношение сигнал шум за счет сосредоточения энергии на узком участке спектра с последующей оптической фильтрацией. Таким образом, можно отстроиться от фоновой засветки и темнового тока фотоприемника. Можно также промодулировать источник света по амплитуде с выделением на приеме переменной составляющей.

Преимуществом оптического канала связи по сравнению с радиоканалом является возможность использования острой диаграммы направленности передатчика и приемника при очень малых габаритах антенны, функцию которой выполняет объектив. Высокой направленностью приемной и передающей антенн, т.е. объективов, обеспечиваются малые энергозатраты на передачу, а также скрытность и устойчивость к помехам, в том числе и преднамеренным.

Однако такая линия оптической связи требует прямой оптической видимости между приемником и передатчиком. В условиях городской застройки, а также при наличии деревьев прямая оптическая видимость обычно имеется только в небольших секторах направлений по азимуту и по высоте. Причем из низко расположенных точек эти секторы направлений ориентированы в основном с уклоном вверх, поэтому прямая оптическая видимость имеется только с близкорасположенными объектами. Так что для устройства связи на километр и более приходится ставить объектив на крыше и тянуть к нему проводной, либо радио, удлинитель. Использовать окна помещений редко когда удается из-за слишком малого угла и малой дальности сектора обзора, особенно на низких этажах зданий. Таким образом, открытая оптическая линия связи может быть полезной лишь в отдельных случаях.

Таким образом, открытый оптический канал связи не в состоянии полноценно заменить радиочастотную или проводную связь. Оптическая сеть в большинстве случаев потребовала бы слишком большое число ретрансляторов и проводных вставок. И это вышло бы, не дешевле, чем существующие информационные сети, сочетающие проводные и радиочастотные беспроводные звенья.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков оптической системы связи при работе ее через открытое пространство в атмосфере, и обеспечение возможности служить существенным дополнением, или даже альтернативой, радиочастотным и проводным сетям, особенно в малонаселенных районах, а также для спецслужб и различных мобильных формирований, действующих, в частности, и в условиях отсутствия прямой оптической видимости между отдельными или всеми элементами системы связи. Т.е. ставится задача создания связи и в случаях невозможности расположения ретрансляторов, действующих на принципах прямой видимости.

Предлагается оптическая система связи, содержащая передающую станцию с устройством формирования слабо расходящегося монохроматического оптического луча и станцию приема оптического излучения, установленную с возможностью управляемого позиционирования по углам высоты и азимута. Цель изобретения достигается тем, что диаграмма направленности (далее ДН) приемной станции имеет расширенное угловое распространение, сосредоточенное в одной плоскости, т.е. ДН приемника имеет большой угол раскрытия лепестка ДН в одном направлении и несоизмеримо меньший угол раскрытия лепестка в перпендикулярном направлении. Это достигается за счет того, что в фокальной плоскости приемного объектива расположен фотоприемник, светоприемное окно которого имеет щелеобразную форму. Причем приемная станция снабжена устройством развертки принимаемого изображения по оптическому спектру в направлении, перпендикулярном направлению расположения длинной стороны указанного светоприемного окна. Если, управляя углами установки приемника, добиться совмещения плоскости ДН приемника с остронаправленным лучом передатчика, что можно сделать сочетая вращение плоскости приема с качанием этой плоскости, то мы получим приемлемую связь на рассеивании света воздухом при отсутствии прямой видимости, т.е. при работе с изломом оптической оси тракта передачи под любым углом, в том числе и под острым углом. Наиболее сильным источником шума в таком канале связи является дробовый шум от яркости дневного неба, на фоне которого производится наблюдение следа рассеяния лазерного луча. Основным способом отстройки от фона дневного неба является выделение узкой спектральной составляющей излучения передатчика, что возможно сделать только при наличии щелеобразной диафрагмы, расположенной в фокальной плоскости объектива приемника, за счет которой и формируется плоская ДН приемника. За счет того, что ДН приема излучения расширена в направлении плоскости, совпадающей с лучом передатчика, мы получаем захват в апертуру приемника значительной части длины луча передатчика. А поскольку длина луча передатчика определяется рассеянием луча в атмосфере и составляет несколько километров, то, при захвате в объектив значительной доли длины луча передатчика, освещенность объектива рассеянным излучением может оцениваться мощностью передатчика, поделенной на площадь сферы, равной радиусу средней удаленности луча передатчика от объектива приемника. Если толщину плоской ДН приемника сузить до диаметра луча передатчика, то мы минимизируем площадь фона неба, попадающую в объектив приемника. И при этом мы не урезаем площадь луча передатчика, рассеваюшую свет в апертуру приемника. Таким образом достигается максимальное отношение мощности принимаемого сигнала к мощности помех со стороны фоновой засветки, создаваемой яркостью фона неба.

Для оперативного совмещения плоскости ДН приема с лучом передатчика указанное выше щелеобразное светоприемное окно фотоприемника установлено с возможностью вращения его относительно оптической оси объектива.

С целью устранения фазовых искажений, обусловленных большим разбросом длины оптического пути в канале (т.е. многолучевостью), что необходимо в частности для качественного приема в широкой пососе частот, фотоприемник состоит из нескольких расположенных на одной прямой светочувствительных элементов, соединенных с устройством суммирования сигналов посредством линий задержки. Настройкой указанных линий задержки обеспечивается возможность компенсации разности задержек сигналов, принимаемых от отдельных фрагментов длины луча передатчика, т.е. осуществляется фазовая фокусировка сигнала. Этим обеспечивается устранение многолучевости и появляется возможность производить передачу видеосигнала наиболее простым - аналоговым способом.

В частном варианте выполнения фотоприемник представляет собой двухмерную матрицу фотоэлементов, обладающую функцией параллельного сдвигания накапливаемого в ней зарядового изображения в направлении, перпендикулярном указанной линейке фотоэлементов. В частности может быть применена матрица ПЗС (прибор с зарядовой связью), используемая в телевизионных камерах. При этом, в предлагаемом устройстве матрица ПЗС должна быть установлена с возможностью вращения относительно выше указанной щелевой диафрагмы фотоприемника. Этим обеспечивается возможность настройки времени задержки сигналов, принимаемых разными частями щелевой апертуры фотоприемника, т.е. реализуется система управляемых линий задержки, обеспечивающих возможность вышеуказанной фазовой фокусировки на различные геометрические конфигурации расположения элементов системы связи.

Для обеспечения возможности подстройки не только под линейные, но и под криволинейные функции распределения задержки фаз, которые возникают при больших углах ДН приемника, указанная щелеобразная диафрагма фотоприемника соединяется со светочувствительной поверхностью ПЗС матрицы посредством шлейфа световодов, выходной торец которого снабжен механизмом дугообразного искривления. Этим обеспечивается возможность компенсации разброса фаз отдельных частей углового поля зрения приемного объектива во втором порядке точности, т.е. при несовпадении не только по углу, но по кривизне функции распределения задержки фаз по углу поля зрения.

Изобретение поясняется нижеследующим детальным описанием примеров выполнения и семью фигурами.

На фиг. 1 изображена общая схема элементарного звена предлагаемой оптической системы связи в симплексном варианте.

На фиг. 2 схематично изображен вариант конструктивного выполнения приемопередатчика.

На фиг. 3 изображена схема устройства обработки сигнала с помощью управляемых линий задержки.

Фиг. 4 иллюстрирует оптимальные варианты закрепления шарнирного штатива приемопередатчика на основании.

На фиг. 5 изображен вариант устройства обработки сигнала с применением двухмерной матрицы ПЗС.

На фиг. 6 показан разрез плоскостью А-А, показанной на фиг. 4.

На фиг. 7 проиллюстрирован вариант применения предлагаемого устройства в качестве системы связи с центральной базовой станцией, обслуживающей городской район или небольшой город.

В простейшем варианте предлагаемая оптическая система связи содержит передающую станцию 1 (фиг. 1), содержащую источник остронаправленного монохроматического излучения, например лазер. Приемная станция 2 содержит объектив 3 (см. фиг. 2), закрепленный на штативе 4, снабженном механизмом управляемого позиционирования оптической оси «а» объектива по двум сферическим углам, а также вращения объектива вокруг своей оптической оси. Механизм позционирования включает в себя шарниры 5, 6 и 7, снабженные управляемыми сервопривоприводами (сервоприводы не показаны). Объектив 3 в данном конструктивном варианте совмещен с призмой для спектральной развертки и выполнен в виде краевого сегмента плоско-выпуклой сферической линзы и изготовлен из стекла, обладающего хроматической дисперсией. Сильная хроматическая аберрация такой линзы позволяет ее использовать также и в качестве призмы для спектрального разложения света. В фокальной плоскости объектива 3 помещена диафрагма 8 с отверстием щелеобразной формы. За щелью диафрагмы 8 расположен фотоприемник 9, например фотодиод или фотоумножитель. При этом щель диафрагмы 8 расположена перпендикулярно плоскости отклонения оптической оси «а» скошенной плоской поверхностью объектива 3, выполняющей функцию призмы. В изображенном на фиг. 3 варианте выполнения фотоприемник состоит из отдельных фотоэлементов 10, электрические выходы которых присоединены к схеме 1 Суммирования сигналов посредством индивидуальных линий задержки 12 с управляемым временем задержки, что показано в виде стрелок (движков), как у потенциометров. Станция может быть выполнена как приемопередающая путем закрепления лазера 13 передатчика на корпусе объектива 3 приемника. Шарниры 5, 6 и 7 состоят из двух прямоугольных колен 14 и 15 (см. фиг. 6), образующих последовательную цепочку шарнирно соединенных звеньев, соединяющую основание 16, на котором базируется приемопередатчик с корпусом объектива. При этом каждый из шарниров цилиндрический (одноосный). Следует заметить следующие особенности ориентации шарнира 5 на основании на основании 16. Если оптическая ось станции работает в ограниченном секторе азимутов, то ось шарнира 5 должна располагаться горизонтально. При этом ось «а» объектива не попадает на полюс «о» сетки сферических углов позиционирования, как при раооте в окрестности горизонта, так и при работе в окрестности зенита. Работа в окрестности полюса «б» сетки сферических углов должна производиться в полярных координатах. Причем попадание на полюс означает вырождение одной из степеней подвижности штатива 4. Все это усложняет работу системы углового позиционирования. Если же требуется работа в круговом секторе азимутов, то полюс «б» следует перевести в положение «в» (фиг. 4). Т.е. следует повернуть ось шарнира 5, при креплении штатива к основанию 16, на 90 градусов в вертикальной плоскости.

Если описанный приемопередатчик устанавливается на мобильном объекте (наземном, воздушном или надводном), то данный мобильный объект должен быть оборудован навигационными датчиками координат места (спутниковой или локальной), а также датчиками углов курса, тангажа и крена, например гироскопическими. Сигналы указанных датчиков должны быть поданы на вход системы управления приводами шарниров 5, 6 и 7.

Функционирует описанная система связи следующим образом. Передающая станция 1 формирует остро направленный луч 17 (фиг. 1) монохроматического излучения в направлении на видимый из данной точки сектор неба или другой сектор с дальностью распространения луча, составляющей значительную часть расстояния между станциями 1 и 2. При этом станция 2 осуществляет прием оптических сигналов из сектора «г» ДН, имеющего плоскую форму. Такая форма сечения ДН приемника формируется за счет щелеобразной диафрагмы 8. Поперечное сечение Б-Б лепестка ДН приемника изображено на фиг. 1, где размер «е» примерно равен диаметру остронаправленного луча 17 передатчика. Вхождение в связь может быть произведено поиском момента совмещения плоскости ДН приемника с линией луча 17 путем вращения плоскости ДН приемника вокруг оптической оси «а» объектива приемника. То есть путем вращения шарнира 7 (фиг. 2 и 4). Одновременно при этом производится сканирование оси «а» по сферическому углу, перпендикулярному плоскости ДН приемника. Данный процесс аналогичен поиску станции в радиосвязи. Возможен также и беспоисковый способ вхождения в связь, если известны координаты станций 1 и 2 и углы направленности передающего луча. Кординаты станций и углы передающего луча выполняют функцию номера телефона. При этом углы установки ДН приемной станции могут быть автоматически рассчитаны блоком управления путем простых геометрических вычислений. Однако может потребоваться небольшая подстройка углов установки приемника по максимуму сигнала, которая может производится автоматически в режиме небольших качаний ДН приемника.

Связь осуществляется за счет того, что луч 17 передатчика, формируемый лазером 13, создает след диффузного изотропного рассеяния, который выделяется на фоне голубого неба за счет применения дополнительных мер селекции. При этом главной мерой селекции служит спектральная селекция монохроматического излучения передатчика. Для этого весь спектр принимаемого объективом приемника излучения развертывается в направлении, перпендикулярном направлению щели диафрагмы 8 фотоприемника. При этом спектральная разрешающая способность определяется шириной щели 8, т.е. степенью приближения формы ДН к идеально тонкой плоскости.

Из-за большой протяженности «L» захватываемого в поле зрения приемника луча 17 передатчика (см. фиг. 1), отдельные фрагменты «dLi» луча 17 образуют потоки сигналов с разным сдвигом во времени, т.к. проходят различный путь. Причем сигналы отдельных фрагментов луча 17 должны суммироваться при приеме, чтобы накопить как можно большее число фотонов на каждый элемент сигнала и уменьшить дробовый шум. При прямом сумировании сигналов, сдвинутых по фазе, сигнал искажается -смазывается. Для компенсации разности сдвигов, фотоприемник разбит на несколько фотоэлементов 10 (фиг. 3), сигналы с которых пропускаются через линии задержки 12 разной длины, которая выбирается такой, чтобы суммарная задержка сигналов по всему тракту канала связи, до подачи их в блок суммирования 11 была одинаковой. Требуемая величина распределения задержек по подканалам может быть рассчитана оперативно по данным о геометрии канала связи. В конфигурации, изображенной на фиг. 1 задержка определяется суммированием длин фрагментов «dLi» луча 17 с добавками рсстояний «ж» между осью луча 17 передатчика и дугой «и», соответствующей равным расстояниям до приемника.

Необходимость оперативной перестройки задержек сигналов требует разработки управляемых линий задержки. Проблема эта осложняется тем, что сигнал представляет собой заряды фотоэлектронов, накопленных в фотоприемнике и исчисляемых сотнями, а то и десятками электронов. Решение этой задачи обычными электротехническими схемами проблематично.

Возможность манипулирования с малыми порциями электронов имеется в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Это реализуется в следующем варианте приемопредатчика, изображенном на фигурах 5 и 6. В этом варианте используется двухмерная матрица ПЗС, подобная применяемой в телевизионных камерах. Эта матрица (позиция 18) расположена под щелевой диафрагмой 8 и закреплена с возможностью вращения в своей плоскости относительно щелевой диафрагмы 8. Это вращение осуществляется приводом 19. Между диафрагмой 8 и матрицей ПЗС 18 расположен шлейф световодов 20, представляющий множество расположенных параллельно оптических волокон, скрепленных между собой с образованием пластины. Выходной торец шлейфа световодов снабжен механизмом управляемой дугообразной деформации. Например это может быть винтовая тяга 21 с электроприводом 22 вращения гайки. При этом края шлейфа 20 закреплены шарнирно. Светоприемная поверхность матрицы 18 расположена с малым зазором относительно выходного торца шлейфа 20.

Работает данный вариант фотоприемника следующим образом. На фиг. 6 ПЗС матрица 18 изображена в повернутом на некоторый угол «н» положении. Стрелкой «п» обозначено направление сдвигания изображения матрицы 18 в процессе считывания накопленного в ней зарядового изображения. Изображение, соответствуеющее распределению яркости луча 17 (фиг. 1) на отрезке L, записывается на матрицу в виде полоски, которая изогнута за счет изгиба шлейфа световодов 20. При этом угол «н» и изгиб должны соответствовать линейной и дугообразной составляющим функции распределения задержек сигнала, чтобы скомпенсировать разность задержек. При этом, линейная составляющая профиля задержек компенсируется за счет поворота матрицы приводом 19, а дугообразная - приводом 22. Сдвигание изображения осуществляется за счет системы параллельных шин, питаемых от трех или четырех-фазных генераторов 23 напряжения. При сдвигании изображении в направлении стрелки «п», различные элементы записанного изображения, записываемые на матрицу через щель диафрагмы 8 приходят к выходному краю матрицы 18 с запаздыванием, зависящим от от скоса выходного края матрицы 18 относительно щели диафрагмы 8, дугообразного искривления шлейфа 20 и скорости сдвигания изображения, определяемой частотой генераторов сдвигания 23. После каждого сдвигания изображения на один шаг, очередная строка, подошедшая к краю матрицы, сдвигается в ортогональном направлении, формируя на выходе видеосигнал.

Таким образом, реализуются управляемые линии задержки, обеспечивающие возможность настройки фазовой фокусировки на различную ориентацию луча 17 и различные углы его относительно ДН приемника. Этого оказывается достаточно для устранения искажений видеосигала от сильной многолучевости, неизбежной при широкой плоскости ДН приемника.

Однако передача информации в широкой полосе частот осложняется большой фоновой засветкой от яркости дневного неба. Применение вышеуказанной спектральной селекции для этого, как будет показано ниже, оказывается недостаточно. Поэтому необходимо применение дополнительных мер селекции для выделения полезного сигнала на фоне дневного неба. Такой мерой селекции может быть работа передатчика короткими импульсами высокой скважности. При этом небольшая по сравнению с фоном неба средняя мощность излучения лазера будет сконцентрирована на малом отрезке времени. Это позволит стробировать также и работу приемника, принимая только те фотоны, которые принимаются в фазе наличия полезного сигнала. Стробирование приема должно производится синхронно с импульсами полезного сигнала, как это делается при синхронном детектировании или в системах с временным разделением каналов.

Произведем количественную оценку предлагаемой системы связи, принимая во внимание только порядок величин.

Допустим средняя мощность излучения передатчика составляет 1 Вт, а энергия фотона около 1 электронвольта. Поскольку заряд электрона (по порядку велины) составляет 10 в минус 19 ой степени кулон, то мы получим поток фотонов, равный 10 в 19ой степени фотонов в секунду. Весь этот поток фотонов рассеивается в луче передатчика практически изотропно на пути в несколько километров. Полагая, для простоты, что мы захватываем в ДН приемника основную часть длины пути рассеивания, мы можем считать, что в точке «f» на фиг. 1 мы имеет всенаправленный источник света, мощностью 1 Вт, излучающий 10 в 19ой степени фотонов в сек. Полагая площадь объектива приемника равной 10 см кв. и расстояние от источника f до объектива приемника равным 1 километр, деля площадь сферы радиусом 1 км на площадь объектива 10 см кв, мы получим коэффициент ослабления потока фотонов в объектив приемника равный 10 в 10 ой степени. Таким образом поток рассеянных фотонов в объектив от луча 17 составит 10 в 9 ой степени в секунду, т.е. 1 миллиард фотонов на 1 Вт мощности излучения передатчика.

Влияние фона дневного неба можно оценить, рассмотрев освещенность, создаваемую небом в тени в солнечный день. Примем мощность солнечного излучения за 1 кВт/м кв.. Допустим, что 10% этого света рассевается атмосферой. Тогда освещенность объектива, расположенного в тени составит 100 Вт/м кв.=10 мВт/см кв. с полусферы или 100 мВт с полусферы на объективе площадью 10 см кв. При этом в угловую апертуру объектива попадет примерно десятая часть от полусферы, т.е. 10 мВт. Если допустить, что плоскость ДН приемника имеет относительную толщину, равную 1/300, то поток от фона неба на фотоприемник снизится еще в 300 раз и составит 0,03 мВт. А поскольку энергия фотона в 1 электроновольт соответствует (порядку величины) 10 в минус 19 ой степени джоулям, то мы получим поток засветки фотоприемника фоном неба: 0,03 мВт поделить на 10 в 19 степени джоулей на фотон, т.е. 3*10 в 14ой степени фотонов в секунду.

Далее учтем спектральную оптическую селекцию. Ее разрешение, как и толщина плоскости ДН приемника, также связана с шириной щели диафрагмы 8, т.е может ослабить фон дополнительно в 300 раз. Т.е. получим фон неба 3*10 в 14ой степени, деленные на 300, что равно 10 в 12 степени фотонов в секунду.

Осталась не использованной еще одна возможность ослабить фон неба - это стробирование приема сигнала по времени за счет скважного излучения передатчика. Возможная частота стробирования приема сигнала в варианте с применением ПЗС матрицы ограничивается допустимой тактовой частотой работы ПЗС. Если допустить возможность сдвигания зарядового изображения матрицы с частотой следования шагов 300 МГц, то мы получим количество фотонов от фона неба в один стробимпульс (10 в 12 ой степени, поделенные на 300 млн), равный приблизительно 3000 фотонов. Такое количество фотонов составит уровень фона от дневного неба в один импульс стробирования приема.

Если уровень полезного сигнала довести до такой же величины, т.е до 3000 фотонов в одном стробимпульсе приема, то общая порция фотонов составит 6000. При этом среднестатистический разброс этой величины, т.е. флуктуация составит корень квадратный из 6000, что равно 78 фотонов или 2,5% от уровня полезного сигнала.

Такой уровень шума позволяет закодировать цветояркостные параметры одного пикселя телевизионного изображения с приемлемым качеством.

Один кадр телевизионного изображения среднего качества составляет примерно 600*600=360 тыс. пикселей. Обычная частота обновления кадра составляет 25 Гц. Таким образом получаем требуемую скорость передачи пикселей 360 тыс.*25=9 млн пикселей в секунду. Однако это необходимо только если каждый кадр обновляется с большой вероятностью по всем элементам. Однако глаз не воспринимает такого количества обновлений. Да их и нет в обычном телевизионном контенте. В аналоговом телевидении приходилось каждый кадр обновлять с частотой 25 Гц только из-за отсутствия возможности какой либо существенной обработки видеосигнала кроме гамма коррекции. Появление быстро действующих цифровых процессоров и емких ЗУ произвольного доступа, позволяет передавать только изменяющиеся элементы изображения в каждой строке, в каждом столбце и в каждом кадре (трехмерное сжатие информации), а также производить выравнивание потока данных посредством его буферизации в цифровом ЗУ. Это обеспечивает возможность снижения пиковой мощности потока данных, представляющий видеосигнал хорошего качества как минимум на полтора порядка. Если после такой Цифровой компрессии потока пикселей, преобразовать сами пиксели в аналоговую форму, т.е. в ту форму, в которой они и возникли в телевизионной камере, то мы получим приемлемую частоту передачи аналоговых пикселей порядка 300 кГц.

Ранее мы получили, что принимаемый поток фотонов от передатчика в приемник составляет 1 миллиард фотонов в секунду на 1 Вт мощности полного излучения передатчика, а на каждый пиксель требуется принять 3000 фотонов. При передаче пикселей с частотой 300 кГц требуемый поток фотонов составит 3000*300 тыс/сек.=1 миллиард в секунду. Таким образом, требуемая средняя мощность излучения лазера составит, как раз 1 Вт, т.е. вычисленную выше величину. Но излучаться эта средняя мощность должна импульсами со скважностью, равной 1000, чтобы при частоте следования импульсов 300 кГц и при надлежащей синхронизации попадать в окна приема (т.к. период следования передаваемых элементов видеосигнала в 1000 раз больше длительности окна стробирования).

Предлагаемая система связи может быть применена в частности для создания городской сети вещания, а также телефонной и видеотелефонной связи. При этом для обслуживания района или небольшого города диаметром до 5 км достаточно будет одной базовой станции размещенной на высоте не превышающей самое высокое здание. При этом лучи 24 базовой станции 25 (см. фиг. 7) будут направлены немного вверх, образуя конус, располагающийся поверх всех строений на высоте от высоты самого высокого здания до 1 километра. Число лучей 24 выбирается таким, чтобы из каждого дома в любое окно был виден хотя бы один луч. При этом объективы приемников и передатчиков базовой станции располагаются неподвижно по секторам. Приемопередатчики абонентов 26 могут быть настроены на любой видимый луч за счет подходящей ориентации ДН абонентских устройств. При этом приемопередатчики могут располагаться внутри помещения вблизи окна. То же касается и расположения приемопередатчика на автомобиле.

Учитывая, что оптическая система связи не занимает частотный радиодиапазон и не лимитирована по числу и полосе каналов, она может быть использована для создания видеотелефонной сети связи произвольной структуры без базовой станции и без ограничений числа абонентов и времени работы.

Если предполагается создание только пейджерной системы, или системы малых сообщений, то базовая станция может содержать только один непрерывно вращающийся приемопередатчик 27, который будет передавать пакеты информаци ко всем абонентам или осуществлять обмен пакетами коротких сообщений между всеми абонентами города. Одного быстро вращающегося приемопередатчика. в сочетании со сжатием голосовой информации в дискретные пакеты, будет достаточно для покрытия телефонной связью всего района или небольшого города.

Следует также заметить, что никакая преграда 28 (фиг. 7) между двумя абонентами 29 и 30, например высокий дом, или гора, на которой нельзя по каким либо причинам поставить ретранслятор, не может служить препятствием для связи (в отличие, например, от радиосвязи, где при этом без ретранслятора не обойтись).

В заключение сдует сказать об экологической безопасности предлагаемой системы связи. В данной системе лучи лазера при средней мощности 1-2 Вт распределяются по площади, составляющей от 10 до 10000 см кв. При работе в инфракрасном диапазоне спектра излучение оказывает лишь тепловое действие, определяемое средней мощностью лазера, которая оказывается не на много большей плотности солнечного луча, достигающей 1,5 кВт/м кв. В видимом диапазоне волн луч оказывает действие своей импульсной мощностью, усредняемой по времени накопления эффекта, составляющим сотые доли секунды. При этом эффективная действующая плотность светового луча превышает плотность солнечного света лишь на близком расстоянии, на котором попадание луча в глаза может быть опасно. Таким образом, предпочтительной является использование инфракрасного диапазона волн.

При этом важно то, что широкое распространение оптической системы связи (в отличие от СВЧ-связи) не имеет ограничений с точки зрения электромагнитной совместимости и позволит снизить электромагнитное загрязнение среды.

Изобретение относится к технике связи и может быть применено для создания индивидуальных каналов связи между стационарными или мобильными объектами, а также для создания централизованных сетей телефонной и видеотелефонной связи, а также сетей вещания. Система содержит передающую станцию, содержащую источник остронаправленного луча монохроматического излучения, а также приемную станцию, содержащую объектив, в фокальной плоскости которого расположена щелеобразная диафрагма и матричный фотоприемник. При этом формируется плоская диаграмма направленности (ДН) приемной станции. Причем приемная станция содержит также устройство развертки оптического излучения по спектру в направлении, перпендикулярном направлению указанной щели фотоприемника. При совмещении плоскости ДН приемной станции с остронаправленным лучом передатчика связь может быть установлена за счет приема излучения, рассеянного воздухом атмосферы. При этом угол между оптическими осями приемника и передатчика в указанной плоскости совмещения диаграмм направленности может быть произвольным. Технический результат - осуществление связи при отсутствии прямой оптической видимости между приемником и передатчиком, в том числе в случае заслонения высокими строениями, деревьями или рельефом местности и при невозможности установки ретрансляторов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптическая система связи через атмосферу, содержащая передающую станцию с устройством формирования слабо расходящегося монохроматического оптического луча и станцию приема оптического излучения, содержащую объектив с фотоприемником, расположенным в фокальной плоскости объектива и установленным с возможностью управляемого позиционирования оптической оси объектива по двум сферическим углам, отличающаяся тем, что светоприемное окно указанного фотоприемника имеет щелеобразную форму, а также имеется устройство развертки принимаемого изображения по оптическому спектру в направлении, перпендикулярном направлению длинной стороны щелеобразного окна указанного фотоприемника.

2. Оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что указанное щелеобразное окно фотоприемника установлено с возможностью вращения его относительно оптической оси объектива.

3. Оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что фотоприемник состоит из нескольких расположенных на одной прямой светочувствительных элементов, соединенных посредством линий задержки со схемой суммирования электрических сигналов.

4. Оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде матричного приемника двухмерного изображения, обладающего функцией пошагового сдвигания изображения, например матричного прибора с зарядовой связью (ПЗС), который установлен с возможностью его вращения в плоскости изображения, относительно указанного щелеобразного окна.

5. Оптическая система по п. 4, отличающаяся тем, что между указанным светоприемным окном и светочувствительной поверхностью матричного фотоприемника установлен плоский шлейф световодов, снабженный механизмом управляемого дугообразного искривления его выходного торца.