Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen freiräumlichen optischen Übertragung.
Bei der im Stand der Technik bekannten freiräumlichen optischen Übertragung von Daten, Sprach-, Ton- und Bildinformationen werden im Allgemeinen zwei Sendeeinheiten und zwei Empfangseinheiten eingesetzt. Es werden also 4 Geräte benötigt. Diese Art der Übertragung ist sehr umständlich, weil sowohl für die Hinübertragung als auch für die Rück-übertragung paarweise eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit benötigt wird. Somit müssen unabhängig voneinander zwei Übertragungsstrecken justiert werden.
Die bekannten Geräte funktionieren erfahrungsgemäss nur bei guten bis sehr guten Witterungs- und Sichtverhältnissen. Sobald leichter Nebel oder starker Regen auftritt, wird die genannte Übertragung negativ beeinträchtigt oder verunmöglicht. Mit den bekannten Geräten sind Übertragungen über Distanzen von etwa 1 km möglich. Mit den bekannten Geräten sind bei den besten Witterungs- und Sichtverhältnissen Übertragungen über Distanzen von mehr als 2,5 km nicht möglich.
Diese Geräte weisen im Allgemeinen einen grossen Stromverbrauch von mehreren Amperestunden auf. Zudem werden in den bekannten Geräten ungeeignete Modulationsverfahren verwendet, wie sie in "Lasertechnik" 2. Auflage, 1984, Hüthig Verlag Heidelberg, Seiten 429 bis 441, und in "Laser" 4. Auflage, 1979, Vogel-Verlag Würzburg, Seiten 91 bis 99, beschrieben sind.
Zur Verbesserung der Übertragung bei schlechtem Wetter wurden bisher ungenügende oder extrem aufwändige Massnahmen ergriffen. Beispielsweise ist es aus der DE 1 268 528 bekannt, zur optischen Informationsübertragung eine Wellenlänge mit minimaler Absorption bei atmosphärischer Feuchtigkeit zu wählen und darüber hinaus die Atmosphäre mit einem hochenergetischen Laserstrahl zu reinigen.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes optisches Richtfunkgerät zur freiräumlichen optischen Übertragung zur Verfügung zu stellen, mit welchem die genannten Nachteile überwunden werden können. Es ist ein wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung, Übertragungen auch bei schlechten Witterungs- und Sichtverhältnissen zu ermöglichen. Insbesondere sollen Übertragungen auch bei schlechtem Wetter über Distanzen von mehr als 2,5 km ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemässe Lösung besteht darin, dass ein optisches Richtfunkgerät mit einer gepulsten Laserlichtquelle in einem einige Nanometer breiten Spektralfenster bei 905 nm oder 267 nm ausgerüstet ist und zur Vergrösserung der wirksamen Empfangsfläche des Empfängers mindestens ein Reflektor zur Fokussierung von Sendestrahlen auf den Detektor vorgesehen ist. Durch die Wahl der Wellenlänge wird eine hervorragende Transmission besonders in feuchter Atmosphäre erzielt. Durch den gepulsten Betrieb ist eine sehr störungsunempfindliche Lichtmodulation und damit eine geringe Bitfehlerrate erreichbar. Durch den mindestens einen Reflektor kann die erforderliche Sendeleistung nochmals deutlich verringert werden und/oder die Reichweite vergrössert und/oder die Übertragungsrate erhöht werden.
Bevorzugte Ausführungsformen betreffen einen sphärischen oder parabolischen Spiegel als Reflektor, Anordnungen mit einem Empfangsreflektor für eine unidirektionale oder mit zwei Empfangsreflektoren für eine bidirektionale Kommunikation und Reflektoren mit hoher Reflektivität bei 905 nm oder 267 nm.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, dass eine Vorrichtung zur freiräumlichen optischen Übertragung zur Verfügung gestellt wird, welche auch für eine bidirektionale Übertragung nur 2 Geräte benötigt.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass nur eine Übertragungsstrecke justiert werden muss.
Vorteilhaft ist auch der geringe Stromverbrauch von beispielsweise 0,5 Ampere bei 12 V Gleichspannung im Dauerbetrieb.
Die freiräumliche optische Übertragung soll mittels einer Pulsmodulation, insbesondere einer Lichtimpuls-Flankenmodulation, einer Lichtimpuls-Phasenmodulation, einer Lichtimpuls-Frequenzmodulation oder daraus abgeleiteten weiteren Modulationsverfahren, erfolgen.
Weitere Vorteile, Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren.
Es zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemässes optisches Richtfunkgerät mit einem Empfangsspiegel für unidirektionale Kommunikation und Fig. 2 ein erfindungsgemässes optisches Richtfunkgerät mit zwei Empfangsspiegeln für bidirektionale Kommunikation.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein optisches Richtfunkgerät, das insbesondere zur freiräumlichen optischen Übertragung von Daten-, Sprach-, Ton- und Bildinformationen geeignet ist. Es umfasst einen Sender 2, 2a, 2b mit einem Laser und einen Empfänger 8, 8a, 8b mit einem Detektor. Es ist erfindungswesentlich, dass der Laser entweder eine Wellenlänge in einem Bereich zwischen 898 nm und 912 nm, bevorzugt 901 nm-909 nm, besonders bevorzugt 904 nm-906 nm, insbesondere eine Wellenlänge von 905 nm, oder eine Wellenlänge in einem Bereich zwischen 260 nm und 274 nm, bevorzugt 263 nm-271 nm, besonders bevorzugt 266 nm-268 nm, insbesondere eine Wellenlänge von 267 nm, aufweist, ein gepulster Betrieb des Lasers vorgesehen ist und zur Vergrösserung der wirksamen Empfangsfläche des Empfängers 8, 8a, 8b mindestens ein Reflektor 7, 7a, 7b zur Fokussierung von Sendestrahlen 5,
5a, 5b auf den Detektor vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist der Reflektor ein sphärischer Spiegel 7, 7a, 7b, ein Parabolspiegel 7, 7a, 7b oder ein anderweitig fokussierender Spiegel 7, 7a, 7b. Es können eine Grösse, insbesondere ein Durchmesser, und eine Brennweite des Reflektors 7, 7a, 7b nach Massgabe einer erforderlichen optischen Empfangsleistung gewählt werden. Mit Vorteil ist der Detektor in einem Brennpunkt 7' des Reflektors 7, 7a, 7b positioniert und/oder der Detektor mit einer zusätzlichen Empfangsoptik 9, 9a, 9b versehen.
Der Reflektor 7, 7a, 7b sollte eine hohe Reflektivität in einem der bevorzugten Lichtfrequenzbereiche von 905 nm oder 267 nm aufweisen. Der Detektor kann mit einem Lichtfilter ausgerüstet sein, welcher die Bandbreite des Lichtfrequenzspektrums zu Gunsten einer besseren Ausnützung der bevorzugten Lichtfrequenz von 905 nm oder 267 nm einschränkt und welcher insbesondere ein Bandpassfilter ist.
Im Detail zeigt Fig. 1 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Das Richtfunkgerät 1 beinhaltet wenigstens einen Senderteil 2, 2a, 2b mit einem Sendemodul, umfassend eine Laserdiode und eine Kollimationsoptik 3, sowie einen Empfängerteil 8, 8a, 8b mit einem Reflektor 7, 7a, 7b in Form eines IR- oder UV-Empfangsspiegels in parabolischer Ausführung, und mit einem Empfangsmodul, umfassend einen IR- oder UV-Detektor 9, 9a, 9b.
Durch den Reflektor wird die wirksame Empfangsfläche des Detektors 9, 9a, 9b wesentlich vergrössert und dadurch der optische Leistungsbedarf gesenkt. Mit dem Reflektor kann also ein grösserer Lichtkegel 6 empfangen werden und der durch unvermeidliche Strahldivergenz von typisch 2-3 mrad bedingte Sendestrahlkegel 5, 5a, 5b besser ausgenutzt werden.
Die Anordnung gemäss Fig. 1 (a) zeigt eine unidirektionale Verbindung mit dem Empfängerteil 8 ausserhalb der optischen Achse 4 des Senderteils 2. Die Anordnung gemäss Fig. 1 (b) zeigt eine unidirektionale Verbindung mit dem Empfängerteil 8 innerhalb der optischen Achse 4 des Senderteils 2. Die erste Ausführung ist besonders für kleine Parabolspiegel oder Umlenkstrecken geeignet. Die zweite Ausführung hingegen erlaubt eine kompakte Bauweise für grosse Parabolspiegel.
Gemäss Fig. 2 ist das optische Richtfunkgerät 1 auch zur bidirektionalen Kommunikation zweier Einheiten 2a, 8b; 2b, 8a mit je einem Sender 2a, 2b und einem Empfänger 8a, 8b geeignet. Dabei ist jede Einheit 2a, 8b; 2b, 8a mit einem Reflektor 7, 7a, 7b ausgerüstet. Insbesondere ist je ein Sender 2a; 2b und ein Empfänger 8b; 8a in einem gemeinsamen, lang gestreckten Bauteil untergebracht, das in Längsrichtung auf einer optischen Achse 4 der Verbindungsstrecke zwischen den Reflektoren 7, 7a, 7b angeordnet ist.
Im Detail stellt Fig. 2 eine bidirektionale Verbindung auf der optischen Achse 4 zwischen zwei u. U. unterschiedlichen Parabolspiegeln 7a, 7b dar. Eine Übertragungsstrecke wird durch einen Sendeteil 2a mit Laserdiode und gegebenfalls Kollimationsoptik 3a auf der einen Seite und einem Reflektor 7a und einem Empfängerteil 8a mit Empfangsmodul und Detektor 9a auf der anderen Seite gebildet. Die andere Strecke umfasst die analogen Elemente Sendeteil 2b, Laserdiode und gegebenfalls Kollimationsoptik 3b, Reflektor 7b, Empfängerteil und Detektor 9b.
An Stelle einer Laserdiode kann auch ein beliebiger Laser mit Emission im gewünschten Wellenlängenbereich verwendet werden. Als Detektor wird mit Vorteil eine Avalanche-Photodiode verwendet. Zur Vereinfachung der Justierung kann eine Navigationshilfe und/oder eine mechanisch-optische oder elekt-ronische Zieleinrichtung, insbesondere ein herkömmliches Zielfernrohr, im Richtfunkgerät integriert sein.
Insgesamt offenbart die Erfindung ein freiräumliches optisches Richtfunkgerät, welches sich durch eine weit gehende Wetterunabhängigkeit und damit grosse Reichweite und hohe Übertragungsrate bei geringer Laserleistung auszeichnet. Weitere Vorteile betreffen die grosse Störungssicherheit, Abhörsicherheit und Anpeilsicherheit. Mögliche Anwendungsgebiete sind u.a. der zivile und militärische Richtfunk (mobil und/oder stationär), das Mobiltelefonnetz und die Telefonie im Allgemeinen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren zur freiräumlichen Laserkommunikation ist auch als Alternative zur Verlegung optischer Fasern von Nutzen, insbesondere für die Überbrückung schwierigen Geländes. Bezugszeichenliste
1 Optisches Richtfunkgerät
2, 2a, 2b Sender, Sendeteil
3, 3a, 3b Sendemodul, Laserdiode mit Kollimationsoptik
4 Optische Achse
5, 5a, 5b Sendestrahlkegel
6 Empfangsstrahlkegel
7, 7a, 7b Reflektor, IR-Empfangsspiegel, UV-Empfangsspiegel, Parabolspiegel
7' Brennpunkt
8, 8a, 8b Empfänger, Empfängerteil
9, 9a, 9b Empfangsmodul, IR-Detektor, UV-Detektor
The present invention relates to a device for wireless free-space optical transmission.
In the free-space optical transmission of data, voice, sound and image information known in the prior art, generally two transmitter units and two receiver units are used. So 4 devices are required. This type of transmission is very cumbersome because a transmitting unit and a receiving unit are required in pairs both for forward transmission and for retransmission. This means that two transmission links must be adjusted independently of one another.
Experience has shown that the known devices only work in good to very good weather and visibility. As soon as light fog or heavy rain appears, the transmission mentioned is negatively affected or impossible. With the known devices, transmissions over distances of approximately 1 km are possible. With the known devices, transmissions over distances of more than 2.5 km are not possible in the best weather and visibility conditions.
These devices generally have a large power consumption of several ampere-hours. In addition, unsuitable modulation methods are used in the known devices, as described in "Laser Technology" 2nd edition, 1984, Hüthig Verlag Heidelberg, pages 429 to 441, and in "Laser" 4th edition, 1979, Vogel-Verlag Würzburg, pages 91 to 99.
So far, insufficient or extremely complex measures have been taken to improve the transmission in bad weather. For example, it is known from DE 1 268 528 to choose a wavelength with minimal absorption at atmospheric moisture for optical information transmission and also to clean the atmosphere with a high-energy laser beam.
It is the aim of the present invention to provide an improved directional radio device for free-space optical transmission, with which the disadvantages mentioned can be overcome. It is an important object of the present invention to enable transmissions even in bad weather and visibility. In particular, transmissions should be made possible even in bad weather over distances of more than 2.5 km. According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1.
The solution according to the invention is that an optical directional radio is equipped with a pulsed laser light source in a spectral window a few nanometers wide at 905 nm or 267 nm, and at least one reflector is provided to enlarge the effective receiving area of the receiver to focus transmission beams onto the detector. The choice of wavelength enables excellent transmission, especially in a humid atmosphere. Due to the pulsed operation, a very interference-free light modulation and thus a low bit error rate can be achieved. By means of the at least one reflector, the required transmission power can again be significantly reduced and / or the range increased and / or the transmission rate increased.
Preferred embodiments relate to a spherical or parabolic mirror as a reflector, arrangements with a reception reflector for unidirectional or with two reception reflectors for bidirectional communication and reflectors with high reflectivity at 905 nm or 267 nm.
An advantage of the present invention is also that a device for free-space optical transmission is provided, which also requires only 2 devices for bidirectional transmission.
Another advantage is that only one transmission link needs to be adjusted.
The low power consumption of, for example, 0.5 amperes at 12 V DC in continuous operation is also advantageous.
The free-space optical transmission is to take place by means of pulse modulation, in particular light pulse edge modulation, light pulse phase modulation, light pulse frequency modulation or further modulation methods derived therefrom.
Further advantages, embodiments and applications result from the dependent claims and the following description in connection with the figures.
1 shows an optical directional radio device according to the invention with a reception mirror for unidirectional communication, and FIG. 2 shows an optical directional radio device according to the invention with two reception mirrors for bidirectional communication.
Fig. 1 and Fig. 2 show an optical directional radio, which is particularly suitable for the free-space optical transmission of data, voice, sound and image information. It comprises a transmitter 2, 2a, 2b with a laser and a receiver 8, 8a, 8b with a detector. It is essential to the invention that the laser either has a wavelength in a range between 898 nm and 912 nm, preferably 901 nm-909 nm, particularly preferably 904 nm-906 nm, in particular a wavelength of 905 nm, or a wavelength in a range between 260 nm and 274 nm, preferably 263 nm-271 nm, particularly preferably 266 nm-268 nm, in particular a wavelength of 267 nm, a pulsed operation of the laser is provided and at least to enlarge the effective receiving area of the receiver 8, 8a, 8b a reflector 7, 7a, 7b for focusing transmission beams 5,
5a, 5b is provided on the detector.
The reflector is preferably a spherical mirror 7, 7a, 7b, a parabolic mirror 7, 7a, 7b or another focusing mirror 7, 7a, 7b. A size, in particular a diameter, and a focal length of the reflector 7, 7a, 7b can be selected in accordance with a required optical reception power. The detector is advantageously positioned at a focal point 7 'of the reflector 7, 7a, 7b and / or the detector is provided with additional receiving optics 9, 9a, 9b.
The reflector 7, 7a, 7b should have a high reflectivity in one of the preferred light frequency ranges of 905 nm or 267 nm. The detector can be equipped with a light filter which limits the bandwidth of the light frequency spectrum in favor of better utilization of the preferred light frequency of 905 nm or 267 nm and which is in particular a bandpass filter.
1 shows a particularly preferred exemplary embodiment. The directional radio device 1 includes at least one transmitter part 2, 2a, 2b with a transmitter module, comprising a laser diode and collimation optics 3, and a receiver part 8, 8a, 8b with a reflector 7, 7a, 7b in the form of an IR or UV reception mirror in parabolic design, and with a receiving module comprising an IR or UV detector 9, 9a, 9b.
The effective reception area of the detector 9, 9a, 9b is substantially increased by the reflector and the optical power requirement is thereby reduced. A larger light cone 6 can thus be received with the reflector and the transmission beam cone 5, 5a, 5b, which is caused by the inevitable beam divergence of typically 2-3 mrad, can be better utilized.
The arrangement according to FIG. 1 (a) shows a unidirectional connection with the receiver part 8 outside the optical axis 4 of the transmitter part 2. The arrangement according to FIG. 1 (b) shows a unidirectional connection with the receiver part 8 inside the optical axis 4 of the transmitter part 2. The first version is particularly suitable for small parabolic mirrors or deflection sections. The second version, on the other hand, allows a compact design for large parabolic mirrors.
2, the optical directional radio 1 is also for bidirectional communication between two units 2a, 8b; 2b, 8a each with a transmitter 2a, 2b and a receiver 8a, 8b suitable. Each unit 2a, 8b; 2b, 8a equipped with a reflector 7, 7a, 7b. In particular, a transmitter 2a; 2b and a receiver 8b; 8a housed in a common, elongated component which is arranged in the longitudinal direction on an optical axis 4 of the connecting path between the reflectors 7, 7a, 7b.
In detail, Fig. 2 shows a bidirectional connection on the optical axis 4 between two u. U. different parabolic mirrors 7a, 7b. A transmission path is formed by a transmitter part 2a with a laser diode and possibly collimation optics 3a on one side and a reflector 7a and a receiver part 8a with receiver module and detector 9a on the other side. The other section includes the analog elements transmitter part 2b, laser diode and possibly collimation optics 3b, reflector 7b, receiver part and detector 9b.
Instead of a laser diode, any laser with emission in the desired wavelength range can also be used. An avalanche photodiode is advantageously used as the detector. To simplify the adjustment, a navigation aid and / or a mechanical-optical or electronic aiming device, in particular a conventional telescopic sight, can be integrated in the directional radio.
Overall, the invention discloses an open-space optical directional radio, which is characterized by extensive weather independence and thus a large range and high transmission rate with low laser power. Other advantages relate to the high level of interference security, security against eavesdropping and aiming security. Possible areas of application include civil and military radio relay (mobile and / or stationary), the mobile phone network and telephony in general. The device according to the invention and the method according to the invention for open-space laser communication is also useful as an alternative to laying optical fibers, in particular for bridging difficult terrain. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 directional optical radio
2, 2a, 2b transmitter, transmitting part
3, 3a, 3b transmitter module, laser diode with collimation optics
4 Optical axis
5, 5a, 5b transmit beam cone
6 receive beam cones
7, 7a, 7b reflector, IR receiving mirror, UV receiving mirror, parabolic mirror
7 'focus
8, 8a, 8b receiver, receiver part
9, 9a, 9b receiver module, IR detector, UV detector