Система беспроводной оптической связи вне прямой видимости в инфракрасном диапазоне длин волн Российский патент 2024 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к области передачи информации по беспроводному каналу связи вне прямой видимости источника приемником и может использоваться в системах связи в инфракрасном (ИК) диапазоне.

Известно устройство, относящееся к системам оптической связи в ИК диапазона. Это устройство позволяет передавать информацию в сложных метеоусловиях с использованием лазерного источника и в условиях нормальной метостабильности с использованием светодиодного источника. (см. патент РФ №2223604, МПК H04B 10/10, опубл. 10.02.2004 г.). Для этого в качестве основного передающего устройства выступает светодиодный излучатель, а в качестве вспомогательного передающего устройства используется лазерный излучатель, который работает при отсутствии сигнала на приемнике от светодиодного источника. Светодиодный источник и лазер соединены с конвертером и блоком определения уровня принимаемого сигнала, предназначенного для переключения передающей части на лазерный излучатель. Также в передающей части системы применяется светоделительное устройство для совмещения излучения светодиодного излучателя и лазера, а в приемной части используется светоделительное устройство для разделения принимаемого лучистого потока от видимой части света и направления на приемник. В качестве светодиодного излучателя выступает полупроводниковый инфракрасный светодиод C2-880 с длиной волны излучения 870 нм совместно с усилителем мощности на транзисторе КТ 919 А, а в качестве лазерного излучателя используется полупроводниковый лазерный светодиод АТС-С500-100-ООО-808-10 с рабочей оптической мощностью 500 мВт и длиной волны генерации 808 нм совместно с усилителем мощности. В качестве приемника используется полупроводниковый фотодиод Hamamatsu S6468 с трансимпедансным усилителем и операционный усилитель на микросхеме Hewlett Packard IVA 8028.

Недостатком этой системы является возможность передачи информации на небольших дистанциях связи. Кроме, того при наличии на линии связи посторонних объектов, перекрывающих излучение от передатчика, оптическая связь прерывается. Также не предусмотрена возможность мобильного использования системы.

Известно также приемно-передающее устройство для связи на рассеянном излучении с отсутствием прямой видимости в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне запатентованное в Китайской базе данных (см. патент CN104539369, МПК H04B 10/40, опубл. 22.04.2015 г.). Приемо-передающее устройство содержит матрицу светоизлучающих диодов, линзы на передающей и приемной сторонах и оптический приемник. Принцип работы системы связи построен следующим образом: матрица светоизлучающих диодов отправляют в атмосферный канал сигналы в угле расходимости излучения, формируемом линзой. Приемной системой фиксируется УФ рассеянное излучение от области пересечения угла расходимости излучения передатчика и угла поля зрения приемника. Недостатком этой системы является возможность передачи данных на небольших дистанциях связи из-за использования светодиодных излучателей формирующих излучение в широком угле расходимости излучения, что на больших дистанциях связи приведет к значительному ослаблению информационного сигнала.

Известно изобретение, относящееся к устройствам связи и может использоваться в оптической беспроводной системе связи через атмосферную среду (патент РФ №2588005, МПК H04B 1/00, опубл. 27.06.2016 г.). Это устройство позволяет обеспечить передачу информации с помощью оптического излучения в условиях пересеченной местности. Для этого в систему оптической связи включены следующие устройства: лазерный источник излучения, приемник излучения, устройство кодирования сигнала, устройство дешифровки сигнала с приемника. Источник и приемник направлены так, чтобы область пересечения оптических осей была сопряжена с внешним отражающим или светорассеивающим объектом. Излучение лазерного источника модулируется по амплитуде и частоте устройством кодирования сигнала и направляется на внешний объект (например, стену здания). Часть излучения отражается или рассеивается и фиксируется приемником излучения, а после этого дешифруется в устройстве дешифровки сигнала. В качестве источника используется лазер с длиной волны излучения 455 нм и полезной мощностью 1 Вт. Отмечается, что в дальнейшем предполагается усовершенствовать систему, применив лазер в диапазоне 220-280 нм. Приемник оптического излучения, состоит из собирающего конденсора и фотодиода. Устройство кодирования сигнала состоит из кодирующей микросхемы и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Устройство дешифровки сигнала состоит из декодирующей микросхемы.

Недостатком этой системы является малая дальность связи из-за использования фотодиодного приемного устройства, которое менее чувствительное, чем ФЭУ, а также использование канала связи на отраженном или рассеянном излучении от поверхностей объектов, который менее защищен от несанкционированного вмешательства, чем канал связи с атмосферным рассеянием.

Наиболее близкой к предлагаемой системе является система передачи информации в ультрафиолетовом (УФ) оптическом канале связи, которая может быть использована для беспроводного управления мобильными объектами в движении и в статическом положении между наземными объектами (патент РФ №2776660, МПК H04B 10/11, опубл. 22.07.2022 г.). Устройство связи позволяет повысить помехоустойчивость и надежность благодаря согласованию углов наклона оптических осей источника и приемника, а также установкой на приемной стороне электрического полосового фильтра. Система передачи информации по оптическому каналу связи, содержащая источник направленного в широкий телесный угол излучения, приемник излучения, устройства кодирования и декодирования, конденсор, состоящий из нескольких линз, фокусирующих рассеянное атмосферное излучение на фотоприемнике и фильтра. Кроме того, применены устройства управления оптической осью источника излучения и устройство управления оптической осью приемника излучения, которые согласованы между собой и обеспечивают пересечение оптических осей источника и приемника излучения в атмосфере на высоте, не превышающей дальности связи. Принцип работы системы связи организован следующим образом, электрические сигналы поступают на вход источника излучения, представляющего собой полупроводниковый светодиодный излучатель УФ диапазона волн. В зависимости от напряжения на входе излучателя изменяется интенсивность светового излучения, которое направляется в атмосферу. Часть рассеянного атмосферой излучения попадает на конденсор фокусирующий излучение на фотоприемнике, в качестве которого может использоваться фотодиод или ФЭУ, чувствительные к УФ излучению. Данная система выбрана за прототип.

Основным недостатком прототипа, является возможность передачи информации на небольших дистанциях связи до 1 км. Кроме того, к недостаткам также можно отнести использование модуляции оптического сигнала по амплитуде, так как на больших дистанциях связи импульс уширяется за счет рассеивающих свойств среды, что приводит к уменьшению амплитуды принимаемого сигнала и увеличению вероятности приема ошибочной информации.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении дальности передачи данных по сравнению с системой оптической связи вне прямой видимости в УФ диапазоне, а также в возможности осуществлять связь при высокой мутности атмосферы, т.е. при наличии тумана, смога, осадков в виде дождя или снега.

Технический результат достигается за счет использования лазерного источника в ИК диапазоне, позволяющего генерировать излучение с высокой энергией в импульсе в малом угле расходимости лазерного луча на дистанциях связи более 1 км, устройств кодирования и декодирования сигнала по схеме время-импульсной модуляции, фотоприемного устройства ФЭУ регистрирующего слабые сигналы в ИК диапазоне от рассеивающего объема за счет изменения характеристики усиления устройства и полосового светофильтра с центральной длиной волны пропускания излучения на 1064 нм.

Система беспроводной оптической связи, с отсутствием прямой видимости построенная по бистатической схеме (т.е. передающее и приемное устройства разнесены друг относительно друга) (фиг. 1), состоит из электронно-вычислительных машин (ЭВМ) с программным обеспечением (1) и (11); устройства кодирования сигнала (3); блока управления лазерным излучателем (2); лазерного излучателя на длине волны 1064 нм (4) линзового рефрактора (5) содержащего собирающую линзу, полосовой оптический фильтр и полевую диафрагму; оптоволоконного кабеля (6); ФЭУ (7); блока управления ФЭУ (8); усилитель электрического сигнала (9); устройства декодирования сигнала (10).

Устройство работает следующим образом.

В передающей части системы управление параметрами лазерного излучения и запуск лазера производились с помощью программного обеспечения на ЭВМ (1). Из буфера устройства кодирования сигнала (3) отправляются символы от 0 до 255 на блок управления лазерным излучателем (2). Устройство кодирования сигнала (3) формирует электрические импульсы по схеме время - импульсной модуляции сигнала с частотой повторения 30 кГц и длительностью импульса 100 нс на блоке управления лазером (2), который запускается от сети 220 В. Преобразование электрического сигнала в оптический производится на лазерном диоде с волоконным выводом, который размещен в блоке управления лазерным излучателем (2), и через оптоволоконный кабель на лазерный источник (4) отправляется оптический сигнал на длине волны 808 нм и длительностью импульса 6 нс. Оптико-электронные элементы на лазерном излучателе (4) преобразуют сигнал с лазерного диода в оптический сигнал с расходимостью 2,2 мрад на длине волны 1064 нм и средней мощностью в импульсе до 30 кВт. Далее после взаимодействия лазерного излучения со средой, такой как дым, облако, туман или осадки фиксируется рассеянное излучение приемной системой. Рассеянный информационный сигнал поступает на оптоволоконный кабель (6) диаметром 1см через оптическую систему (5) состоящую из собирающей стеклянной линзы диаметром 10 см и фокусным расстоянием 20 см, полевой диафрагмы и полосового светофильтра с центральной длиной волны пропускания излучения на 1064 нм. С выхода оптоволоконного кабеля (6) излучение фокусируется собирающей линзой на фотокатоде и преобразуется из оптического сигнала в электрический на ФЭУ (7). Питание ФЭУ и регулировка параметра усиления осуществлялось на блоке управления ФЭУ (8). Электрический сигнал с ФЭУ из-за слабых характеристик, усиливается на усилителе электрического сигнала (9). После этого сигнал декодируется на демодуляторе (10) и записывается на ЭВМ (11). По значениям характеристик связи оценивалось качество передачи данных по каналу с рассеянием.

Кодирование информационного сигнала в представленной системе связи по схеме время - импульсной модуляции осуществлялось следующим образом. Закодированный сигнал, как «синхроимпульс», «0» или «1» в модуляторе или демодуляторе шифруется по задержке электрического импульса с буфера модулятора или ФЭУ. Для этого были заданы неизменяющиеся временные интервалы ∆t между импульсами соответствующие «синхроимпульсу», «1» или «0». Один переданный символ от 0 до 255 в десятичной системе счисления содержит 8 «0» или «1» в двоичной системе счисления.

Качество передачи данных по каналу связи оценивалось с использованием величины P_E, которая позволяет оценить вероятность ошибочно принятого символа в пакете с переданными данными. Ошибочно принятый символом, это символ, в котором ошибочно принят хотя бы один бит информации в двоичной системе счисления. Тогда величина P_E определяется следующим образом:

где m – общее количество символов в пакете.

Среднеквадратичное отклонение (СКО) для P_E имеет вид:

В системе беспроводной оптической связи с отсутствием прямой видимости при ее реализации возможно использование следующего оборудования. В качестве источника, импульсный лазер Solar JX 310 с длиной волны излучения 1064 нм и средней мощностью до 10 Вт. В качестве приемника модуль ФЭУ Hamamatsu H10330-75 со спектральным диапазоном работы фотокатода от 950 нм до 1700 нм и спектральной чувствительностью фотокатода на длине волны 1500 нм – 24 мА/Вт. Для фильтрации оптического излучения на приемнике возможно применение полосового фильтр Thorlabs FL1064-10 с центральной длиной волны пропускания излучения на 1064 нм и шириной пропускания 10 нм. Кодирование и декодирование сигналов производилось на электронных платах.

Представленная система беспроводной оптической связи прошла лабораторные и полевые испытания при различных условиях мутности среды. В лабораторных экспериментах в аэрозольной камере показано, что в условиях чистой атмосферной среды возможна связь только при компланарной геометрии системы, а при наличии водно-глицеринового аэрозоля в камере возможна связь при некомпланарной геометрии системы. В полевых условиях возможна оптическая связь в ночное время через шлейф дыма на дистанциях связи до 3,45 км.

Изобретение относится к области передачи информации по беспроводному каналу в атмосфере в оптическом диапазоне при отсутствии прямой видимости источника приемником. Технический результат заключается в увеличении дальности передачи данных по сравнению с системой оптической связи вне прямой видимости в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, а также в возможности осуществлять связь при высокой мутности атмосферы. Упомянутый технический результат достигается за счет использования в системе беспроводной оптической связи вне прямой видимости лазерного источника в ИК-диапазоне, позволяющего генерировать излучение с высокой энергией в импульсе в малом угле расходимости лазерного луча на дистанциях связи более 1 км, устройств кодирования и декодирования сигнала по схеме время-импульсной модуляции, фотоприемного устройства ФЭУ, регистрирующего слабые сигналы в ИК-диапазоне от рассеивающего объема за счет изменения характеристики усиления устройства, и полосового светофильтра с центральной длиной волны пропускания излучения на 1064 нм. 1 ил.

Система беспроводной оптической связи вне прямой видимости, содержащая разнесенные в пространстве передатчик, состоящий из устройства кодирования сигнала и источника излучения, преобразующего электрический сигнал в оптический, и приемник излучения, включающий в себя оптическую систему для фокусировки и фильтрации излучения, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий оптический сигнал в электрический, отличающаяся тем, что в составе передатчика в качестве источника излучения используется лазерный источник, работающий в ИК-диапазоне, соединенный через блок управления лазерным излучателем с устройством кодирования сигнала, а в составе приемника ФЭУ выполнен с возможностью регистрировать сигналы в ИК-диапазоне и соединен с устройством декодирования сигнала через усилитель электрического сигнала, а также с оптической системой для фокусировки и фильтрации излучения, содержащей полосовой светофильтр, пропускающий излучение в ИК-диапазоне с центральной длиной волны пропускания излучения на 1064 нм, причем устройство кодирования сигнала выполнено с возможностью осуществления время-импульсной модуляции сигнала.