CN114070401B - 一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置和方法 - Google Patents

一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置，包括：发送端、接收端、自由空间通信模块；其中，发送端包括驱动电路一和光模块一，用于接收外端机发送的电信号数据，并驱动光模块一将电信号数据转化成激光信号后传输至自由空间通信模块；自由空间通信模块包括两个光学镜头和其之间形成的自由空间；自由空间用于激光信号的传输；接收端包括驱动电路二和光模块二，用于接收激光信号并驱动光模块二将激光信号解析还原成电信号数据后传输至内端机。本发明将基于光纤线缆作为光信号传输介质替换为基于自由空间作为光信号传输介质的方法，可实现不同密级网络之间保证通信基础的前提下，实现真正意义的两域物理级隔离。

Description

一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置和方法
技术领域
本发明涉及信息安全传输技术领域，具体地涉及一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置和方法。
背景技术
物理隔离是指内部网络不得直接或间接地与公共网络连接，以避免内部网络信息受到来自外部网络黑客的攻击，这样就为内部网络划定了明确的安全边界，便于管理，可控性更强，采用物理隔离的两域之间的数据通讯采用单向传输的通讯方式更为可靠、安全。
现有单向光闸产品往往采用2+1结构组成，即外端机、内端机、光单向通路。其中：
外端机与非敏感网络(或低密级网络)相连接，实现对非敏感数据的采集、抓取、接收和协议解析、封包和发送等工作；
内端机与敏感网络(或高密级网络)相连接，负责对数据的接收、解包、存储、转发等工作；
数据光单向链路由发送端、接收端、光纤跳线三部分组成。光纤跳线介于发送端和接收端之间，根据光的全反射原理，采用玻璃或塑料制成的纤维，是激光的传输媒介。鉴于单向光闸的功能特点和部署位置(部署于不同密级的两个网络之间)，其成为了不同密级网络间的衔接点。又由于光纤线缆是连接单向光闸中外端机和内端机的唯一桥梁，故光纤线缆的存在，成为了两个不同密级的网络之间无法形成完全物理隔离的唯一所在。
传统的单向光闸内部光通讯采用光纤线缆作为传输介质，光纤线缆相较电子线缆虽无法产生电磁波，亦不受电磁辐射影响，但其毕竟可作为通信信道实现高达上百Gbps的传输带宽，无法做到真正意义上的两域物理级隔离。
发明内容
为了解决上述问题，本发明将基于光纤线缆作为光信号传输介质替换为基于自由空间作为光信号传输介质的方法，可实现不同密级网络之间保证通信基础的前提下，实现真正意义的两域物理级隔离。
本发明的第一方面，提供了一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置，包括：发送端、接收端、自由空间通信模块；其中，
发送端包括驱动电路一和光模块一，用于接收外端机发送的电信号数据，并驱动光模块一将电信号数据转化成激光信号后传输至自由空间通信模块；
自由空间通信模块包括：尾纤、准直器、光学镜头、调焦支架；其中，
调焦支架包括：基座、左右微调板、上下微调板、镜头腔、调焦板，用于在左右、上下、前后方向微调所述光学镜头的焦距；其中，
基座的两侧依次对称安装左右微调板、上下微调板、镜头腔、调焦板、准直器、尾纤；
镜头腔内垂直放置和固定光学镜头；两个光学镜头之间形成自由空间；自由空间用于激光信号的传输；
接收端包括驱动电路二和光模块二，用于接收激光信号并驱动光模块二将激光信号解析还原成电信号数据后传输至内端机。
进一步的，左右微调板的侧面底部滑动安装在基座两侧，用于镜头腔左右方向的微调；
上下微调板滑动安装在左右微调板的另一侧，用于镜头腔上下方向的微调；
镜头腔固定安装在上下微调板的另一侧，用于固定光学镜头；
调焦板固定安装在镜头腔的另一侧，并设置有调焦器，用于调节光学镜头在镜头腔内的位置，实现两个光学镜头的焦距在彼此的焦距上。
进一步的，基座设置有固定部，用于固定自由空间通信模块。
进一步的，自由空间的距离长度等于两个光学镜头的焦距之和。
进一步的，左右微调板、所述上下微调板、所述镜头腔、所述调焦板的中心均设置有圆孔，其所有圆孔的圆心位于同一轴线上，用于所述激光信号的传输。
进一步的，准直器固定安装在调焦板的另一侧面，准直器的中心与调焦板圆孔的中心位于同一轴线上。
进一步的，自由空间通信模块没有方向限定，在物理隔离装置中用于激光通信的物理隔离。
进一步的，光学镜头采用石英透镜，使用波长为：185nm-2500nm。
本发明的第二方面，提供了一种基于自由空间激光通信的物理隔离方法，采用上述的物理隔离装置，包括：
外端机发送电信号数据，发送端接收，驱动电路一驱动光模块一将电信号数据以光为载体转化成激光信号，并将激光信号发送至自由空间通信模块；
激光信号通过尾纤传输至准直器，转化成发散光后发送至光学镜头，经过光学镜头转化成平行光在自由空间内平行传输，在另一光学镜头内转化成发散光，并聚焦到另一准直器还原成激光信号，通过另一尾纤将激光信号传输到接收端；
接收端接收激光信号，驱动电路二驱动光模块二将激光信号解析还原成电信号数据后传输到内端机，完成数据传输。
进一步的，光模块一与光模块二与尾纤连接。
本发明提供的一种激光通信的物理隔离装置是基于自由空间传输，实现了完全的物理隔离，保证了信息的安全。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1示出了本发明实施例的物理隔离装置的连接示意图。
图2示出了本发明实施例的自由空间通信模块的结构示意图；
图3示出了本发明实施例的自由空间通信模块调焦支架的结构示意图；
图4示出了本发明实施例的光学元件的激光传输结构示意图；
其中，图1至图4中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
01尾纤，02准直器，03光学镜头，07自由空间，08调焦支架，09基座，10左右微调板，11上下微调板，12镜头腔，13调焦板，14固定部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面参照图1至图3描述本实施例的一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置，包括：发送端、接收端、自由空间通信模块；其中，
发送端包括驱动电路一和光模块一，用于接收外端机发送的电信号数据，并驱动光模块一将电信号数据转化成激光信号后传输至自由空间通信模块；
自由空间通信模块包括：尾纤01、准直器02、光学镜头03、调焦支架08；其中，
调焦支架08包括：基座09、左右微调板10、上下微调板11、镜头腔12、调焦板13，用于在左右、上下、前后方向微调光学镜头03的焦距；其中，
基座09的两侧依次对称安装左右微调板10、上下微调板11、镜头腔12、调焦板13、准直器02、尾纤01；
镜头腔12内垂直放置和固定光学镜头03；两个光学镜头03之间形成自由空间07；自由空间07用于激光信号的传输；
接收端包括驱动电路二和光模块二，用于接收激光信号并驱动光模块二将激光信号解析还原成电信号数据后传输至内端机。
在上述实施例中，如图3所示，左右微调板10的底部滑动安装在基座09两侧，用于镜头腔12左右方向的微调；
上下微调板11滑动安装在左右微调板10的另一侧，用于镜头腔12上下方向的微调；
镜头腔12固定安装在上下微调板11的另一侧，用于放置和固定光学镜头；
调焦板13固定安装在镜头腔12的另一侧，并设置有调焦器，用于调节光学镜头03在镜头腔12内的前后位置，实现两个光学镜头03的焦距在彼此的焦距上；
在上述实施例中，基座09设置有固定部14，用于固定自由空间通信模块。
在上述实施例中，自由空间07的距离长度等于两个光学镜头03的焦距之和。
在上述实施例中，左右微调板10、上下微调板11、镜头腔12、调焦板13的中心均设置有圆孔，其所有圆孔的圆心位于同一轴线上，用于激光信号的传输。
在上述实施例中，准直器02固定在调焦板13的另一侧，准直器的中心与调焦板圆孔的中心位于同一轴线上。
调焦支架的整体作用是保证准直器和光学镜头稳定，可操作控制；实现了上下、左右、前后六个方向的微调，保证整个装置内光学镜头的焦距对准，使两个光学镜头的焦距均在对方的焦距上，也保证光学镜头与准直器内镜头的对准，从而降低和减少激光在传输中的能量损失，保证了数据传输的稳定性。
在上述实施例中，自由空间通信模块没有方向限定，在物理隔离装置中用于激光通信的物理隔离。自由空间通信模块没有方向的限制，可以随意进行连接，操作简单。只要保证发送端与接收端的准确，就可以实现激光通信的单向传输，实现物理隔离。尾纤的接口类型为LC/UPC。也可以根据实际需要和硬件要求，进行接口的调整。
在上述实施例中，光学镜头采用紫外熔融石英透镜，使用波长为：185nm-2500nm。也可以采用其他满足精准要求的透镜。
本发明的第二方面，提供了一种基于自由空间激光通信的物理隔离方法，采用上述的物理隔离装置，包括：
外端机发送电信号数据，发送端接收，驱动电路一驱动光模块一将电信号数据以光为载体转化成激光信号；
激光信号通过尾纤01传输至准直器02，转化成发散光后发送至光学镜头03，经过光学镜头03转化成平行光在自由空间内平行传输，在另一光学镜头03内转化成发散光，并聚焦到另一准直器02还原成激光信号，通过另一尾纤01将激光信号传输到接收端；接收端接收激光信号，驱动电路二驱动光模块二将激光信号解析还原成电信号数据后传输到内端机，完成数据传输。
在上述实施例中，发散光的光束发散角不超过2°。此角度的要求，是为了保证到达准直器的激光能以最大效率耦合进入到接收端。如图4所示，此处光束发散角的计算满足以下公式：tan(α)＝d/f；
其中，f是准直器镜头的焦距，d是光纤纤芯直径或是准直器到光学镜头的距离。
在上述实施例中，光模块一与光模块二与尾纤01连接。发送端的光模块一用于发光，并不接收传输来的激光信号；接收端的光模块二用于收光，只接收传输来的激光信号，不能进行发光；这样的设置就保证了光信号的单向传输，实现了装置的物理隔离。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自由空间激光通信的物理隔离装置，其特征在于，包括：发送端、接收端、自由空间通信模块；其中，
所述发送端包括驱动电路一和光模块一，用于接收外端机发送的电信号数据，并驱动所述光模块一将所述电信号数据转化成激光信号后传输至所述自由空间通信模块；所述光模块一用于将所述电信号数据转化成激光信号，并不用于接收传输来的激光信号；
所述自由空间通信模块包括：尾纤、准直器、光学镜头、调焦支架；其中，
所述调焦支架包括：基座、左右微调板、上下微调板、镜头腔、调焦板，用于在左右、上下、前后方向微调所述光学镜头的焦距；其中，
所述基座的两侧依次对称安装所述左右微调板、所述上下微调板、所述镜头腔、所述调焦板、所述准直器、所述尾纤；
所述镜头腔内垂直放置和固定所述光学镜头；两个所述光学镜头之间形成自由空间；所述自由空间用于激光信号的传输；
所述接收端包括驱动电路二和光模块二，用于接收所述激光信号并驱动所述光模块二将所述激光信号解析还原成所述电信号数据后传输至内端机；所述光模块二只用于接收传输来的所述激光信号，并将其还原成所述电信号数据，并不用于将电信号数据转化成激光信号。
2.根据权利要求1所述的物理隔离装置，其特征在于，所述左右微调板的侧面底部滑动安装在所述基座两侧，用于所述镜头腔左右方向的微调；
所述上下微调板滑动安装在所述左右微调板的另一侧，用于所述镜头腔上下方向的微调；
所述镜头腔固定安装在所述上下微调板的另一侧，用于放置和固定所述光学镜头；
所述调焦板固定安装在所述镜头腔的另一侧，并设置有调焦器，用于调节所述光学镜头在所述镜头腔内的位置，实现两个所述光学镜头的焦距在彼此的焦距上。
3.根据权利要求1所述的物理隔离装置，其特征在于，所述基座设置有固定部，用于固定所述自由空间通信模块。
4.根据权利要求1所述的物理隔离装置，其特征在于，所述自由空间的距离长度等于两个所述光学镜头的焦距之和。
5.根据权利要求1所述的物理隔离装置，其特征在于，所述左右微调板、所述上下微调板、所述镜头腔、所述调焦板的中心均设置有圆孔；其所有所述圆孔的圆心位于同一轴线上，用于所述激光信号的传输。
6.根据权利要求5所述的物理隔离装置，其特征在于，所述准直器固定安装在所述调焦板的另一侧；所述准直器的中心与所述调焦板圆孔的中心位于同一轴线上。
7.根据权利要求1所述的物理隔离装置，其特征在于，所述自由空间通信模块没有方向限定，在所述物理隔离装置中用于激光通信的物理隔离。
8.根据权利要求1所述的物理隔离装置，其特征在于，所述光学镜头采用石英透镜，使用波长为：185nm-2500nm。
9.一种基于自由空间激光通信的物理隔离方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一所述的物理隔离装置，包括：
外端机发送电信号数据，发送端接收，驱动电路一驱动光模块一将电信号数据以光为载体转化成激光信号，并将激光信号发送至自由空间通信模块；
激光信号通过尾纤传输至准直器，转化成发散光后发送至光学镜头，经过光学镜头转化成平行光在自由空间内平行传输，在另一光学镜头内转化成发散光，并聚焦到另一准直器还原成激光信号，通过另一尾纤将激光信号传输到接收端；
接收端接收激光信号，驱动电路二驱动光模块二将激光信号解析还原成电信号数据后传输到内端机，完成数据传输。
10.根据权利要求9所述的物理隔离方法，其特征在于，所述光模块一与所述光模块二分别与所述尾纤连接。
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