DE102012011789A1

DE102012011789A1 - Freistrahl-Kommunikationsterminal zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation

Info

Publication number: DE102012011789A1
Application number: DE201210011789
Authority: DE
Inventors: Joachim Horwath; Dirk Giggenbach; Markus Knapek
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation, mit einer optischen Quelle (106), mit der ein modulierbarer optischer Strahl Sa erzeugbar ist, der von dem Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) ausendbar ist und/oder mit einem optischen Empfänger (107), mit dem ein modulierter optischer Strahl Se empfangbar ist. Das erfindungsgemäße Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) weist eine Optik (101) auf, durch die der Strahl Sa unmittelbar in eine Umgebung des Freistrahl-Kommunikationsterminals (100) austritt und/oder durch die der Strahl Se unmittelbar aus der Umgebung in das Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) eintritt. Die Optik (101) ist fest mit dem Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) verbunden und relativ dazu unbeweglich. Weiterhin weist die Optik (101) einen Sichtbereich auf, der einen Azimuthwinkelbereich von 360° und einen Elevationswinkelbereich von zumindest 180° abbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Freistrahl-Kommunikationsterminal zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation, wobei das Freistrahl-Kommunikationsterminal aufweist: eine optischen Quelle, mit der ein modulierbarer optischer Strahl S_a erzeugbar ist, der von dem Freistrahl-Kommunikationsterminal ausendbar ist und/oder mit einem optischen Empfänger, mit dem ein modulierter optischer Strahl S_e empfangbar ist.
Derartige mobile optische Freistrahl-Kommunikationsterminals dienen der Realisierung einer optischen Datenübertragung, insbesondere zwischen mobilen Freistrahl-Kommunikationsterminals, bspw. einer optischen Datenübertragung zwischen mobilen Kommunikationspartnern (bspw. Flugzeug-Flugzeug oder Satellit-Satellit oder Flugzeug-Satellit etc.) Natürlich eignen sie sich ebenfalls zur optischen Datenübertragung zwischen immobilen Kommunikationspartnern (bspw. Bodenstation-Bodenstation etc.) oder zwischen einem immobilen und einem mobilen Kommunikationspartner (bspw. Bodenstation-Flugzeug etc.).
Zur Datenübertragung wird ein entsprechend modulierter optischer Strahl S_a (insbesondere ein Laserstrahl) von einem ersten Freistrahl-Kommunikationsterminal in Richtung eines zweiten Freistrahl-Kommunikationsterminals ausgesandt. In dem zweiten Freistrahl-Kommunikationsterminal wird der modulierte optische Strahl S_a als modulierter Strahl S_e empfangen und demoduliert. Damit liegen im zweiten Freistrahl-Kommunikationsterminal die vom ersten Freistrahl-Kommunikationsterminal übertragenen Daten vor.
Für eine zuverlässige Freistrahlkommunikation zwischen zwei Freistrahl-Kommunikationsterminals, wobei zumindest ein Freistrahl-Kommunikationsterminal mobil ist, muss der optische Strahl S_a mittels eines optischen Abbildungs- und Ausrichtesystems über einen möglichst großen Raumbereich hochpräzise ausgerichtet werden. Typischerweise ist der Strahl S_a ein stark gebündelter Laserstrahl mit einer Divergenz von zirka 0,01° und darunter. Je geringer die Divergenz umso höher die Signalintensität beim Empfänger des den Strahl empfangenden Freistrahl-Kommunikationsterminals. Gleichzeitig muss (für bidirektionale Kommunikation) ein derartiges Signal vom zweiten Kommunikationspartner empfangen werden, d. h. die Optik des zweiten Freistrahl-Kommunikationsterminals muss auf das sendende erste Freistrahl-Kommunikationsterminal ausgerichtet werden.
Gegenüber konventionellen Techniken der Datenübertragung zwischen mobilen Kommunikationspartnern bspw. dem Richtfunk, hat die optische Freistrahl-Datenübertragung folgende Vorteile:

– es sind Datenübertragungsraten von über 1 Gbps bei gleichzeitig geringem Leistungsverbrauch und kleinen Antennen möglich,
– optische Datenverbindungen benötigen im Gegensatz zu RF-Techniken keine Frequenzzulassung, und
– durch die geringe Strahldivergenz sind Laser-Verbindung nur schwer abzuhören und fast nicht zu stören (Jamming).

Eine hierbei auftretende technische Herausforderung liegt in der Bauform der entsprechenden Ausrichte- und Bündelungsoptik. Diese sollte für mobilen Einsatz möglichst klein, leicht und robust sein. Weiterhin ist eine hochgenaue Ausrichtung der Sende-/Empfangsoptiken erforderlich.
Strahlausrichtsysteme umfassen heute typischerweise eine Strahlgrobausrichteeinheit, eine Strahlfeinausrichteeinheit, Tracking-Sensoren, und eine sogenannte Beaconquelle welche nachfolgend kurz beschrieben werden.
Bekannte Strahlausrichtesysteme von Freistrahl-Kommunikationsterminals umfassen typischerweise eine Strahlgrobausrichteeinheit (sog. „Coarse Pointing Assembly”, CPA), welche es ermöglicht, den Sendestrahl S_a oder ebenso die Beobachtungsrichtung (für einen zu empfangenden Strahl S_e) auf einen möglichst großen Raumwinkelbereich auszurichten, typisch hemisphärisch oder größer. Der erforderliche Sichtbereich hängt vom Einsatzszenario ab. Die Genauigkeit der CPA liegt heute bei etwa 0,1° bis 0,01°. Es sind zwei typische Strahlausrichtesysteme (CPA-Bauformen) bekannt, zum einen eine sogenannte Periskop- oder Coude-Bauform und zum anderen eine stabilisierte Plattform (eine sogenannte „Turret”-Bauform).
Bei der Periskop- oder Coude-Bauform bilden ein, zwei oder vier- drehbare plane Spiegel ein nach außen offen bewegtes optisches System, welches in alle Raumrichtungen blicken kann. Die fokussierende/abbildende Optik ist als Linsen- oder Spiegelteleskop zusätzlich danach angeordnet. Die 4-Spiegel-Coude-Bauform hat den Vorteil, dass die Senderaperturposition unabhängig von der Blickrichtung immer an der gleichen Steife bleibt, während diese bei der mechanisch etwas weniger aufwendigen Periskop-Bauform mit der Azimuthachse mit dreht. Ein Beispiel für eine Periskop-Bauform kann bspw. dem Artikel von: Horwath Joachim, Knapek Markus, Epple Bernhard, Brechtelsbauer Martin und Wilkerson Brandon (2006): „Broadband Backhaul Communication for Stratospheric Platforms: The Stratospheric Optical Payload Experiment (STROPEX)" in Proceedings of SPIE, Volume 6304, SPIE Optical Press Free-Space Laser Communications VI, 2006, San Diego, California, USA ISBN 0-8194-6383-3. ISSN 0277.786X entnommen werden.
Ein Beispiel für eine Coude-Bauform kann bspw. dem Artikel von Horwath Joachim, und Fuchs Christian (2009): „Aircraft to Ground Unidirectional Laser-Communication – Terminal for High Resolution Sensors" in Free-Space Laser Communication Technologies XXI. Vol. 7199 (7199-10), Free-Space Laser Communications Technologies XXI, 2009, San Jose. CA (USA). ISBN 978-0-8194-7445-2. ISSN 0277-786X entnommen werden. Weitere Beispiele hierzu können den Druckschriften DE 10 2007 006 414 A1 („Vorrichtung zur Grobausrichtung eines optischen Freiraumstrahls”) und DE 20 2007 012 193 U1 („Vorrichtung für ein optisches Freiraum-Übertragungssystem”) entnommen werden.
Die stabilisierte Plattform („Turret”-Plattform) ist eine aktiv und passiv in der Raumlage stabilisierte mechanische Plattform, welche typischerweise in einem kugelförmigen bzw. domartigen Gehäuse untergebracht ist, und dient als Basis für die eigentliche Kommunikationsterminal-Struktur. Turret-Plattformen werden seit längerem für die Luftaufklärung eingesetzt, bspw. für Wärmebildkameras auf Polizeihubschraubern. Ein Beispiel einer solchen Turret-Plattform kann der US 5,897,223 A entnommen werden.
Die Strahlfeinausrichteeinheit (sog. „Fine Pointing Assembly”, FPA) wird optional bei einigen Freistrahl-Kommunikationsterminals genutzt, um die Präzision der Strahlsteuerung des Strahls S_a um mehrere Größenordnungen zu verbessern (bis unter 0,001°) und die Ausrichtegeschwindigkeit zu erhöhen. Letzteres ist insbesondere bei mobilen Anwendungen (bspw. zur Vibrationsausregelung) wichtig.
Die Trackingsensor(en) dienen der Steuerung des CPA und ggf. des FPA.
Die Beaconquelle liefert ein optisches Referenz(laser)signal, welches in Richtung eines das Signal empfangenden Kommunikationspartners abgestrahlt wird und das diesem erlaubt, über Trackingsensoren den Ort des das Signal aussendenden Terminals zu ermitteln und damit die Richtung zu diesem Terminal zu verfolgen und darüber hinaus mit diesen Daten seine CPA und FPA anzusteuern. Weitere Details sind dem Fachmann aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt.
Bekannte CPAs nach der Periskop-, Coude-, oder Turret-Bauform haben folgende Nachteile:

– nach außen zugängliche bewegliche Teile (wie bspw. Drehspiegel oder ganzer Turret-Dom) des Freistrahl-Kommunikationsterminals sind leicht beschädig- oder sabotierbar;
– unsymmetrische und bewegliche Teile des Freistrahl-Kommunikationsterminals verändern den Luftstrom und damit die Luftlasten (was bei Flugzeuganwendungen ungünstig ist);
– das Verhältnis zwischen effektiv nutzbarer optischer Aperturfläche zu Gesamtfläche bzw. -Volumen (das gesamte Volumen sollte aus Effizienzgründen minimiert werden) ist bei bekannten Freistrahl-Kommunikationsterminals suboptimal;
– die elektromechanische Konstruktion (zwei präzise Stellmotoren mit entsprechender Ansteuerungselektronik) ist aufwendig;
– die Elevationsachse sitzt typischerweise auf der Azimuthachse und erhöht daher die Masse der Elevationsstelleinheit;
– alle Signale und Energieleitungen zur beweglichen Teilen müssen über Schleifkontakte zugeführt werden (Schleifringe verringern die Wartungsintervalle und die sog. „Mean Time to Failure”);
– Spiegel bzw. Turrets müssen über große Winkelbereiche nachgeführt bzw. bewegt werden, was den Energieaufwand erhöht und größere Beschleunigungen bzw. Winkelgeschwindigkeiten erfordert, und
– aufgrund der hohen bewegten Massen der beweglichen Teile des Freistrahl-Kommunikationsterminals, speziell bei Turrets, welche immer die gesamte Nutzlast einschließt, also das gesamte optische Terminal, entsteht ein nicht zu vernachlässigendes Gegendrehmoment, das bei kleinen Flugträgern oder Satelliten problematisch ist bzw. deren Lageregelungssystem beeinflusst.

Demgegenüber besteht die Aufgabe ein Freistrahl-Kommunikationsterminal zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation anzugeben, das die vorgenannten Nachteile überwindet oder zumindest verringert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einem Freistrahl-Kommunikationsterminal zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation, mit einer optischen Quelle, mit der ein modulierbarer optischer Strahl S_a erzeugbar ist, der von dem Freistrahl-Kommunikationsterminal ausendbar ist und/oder mit einem optischen Empfänger, mit dem ein modulierter optischer Strahl S_e empfangbar ist, gelöst. Das erfindungsgemäße Freistrahl-Kommunikationsterminal umfasst hierzu eine Optik, durch die der Strahl S_a unmittelbar in eine Umgebung des Freistrahl-Kommunikationsterminals austritt und/oder durch die der Strahl S_e unmittelbar aus der Umgebung in das Freistrahl-Kommunikationsterminal eintritt. Die Optik zeichnet sich dadurch aus, dass diese fest mit dem Freistrahl-Kommunikationsterminal verbunden und relativ dazu unbeweglich ist, und diese einen Sichtbereich aufweist, der einen Azimuthwinkelbereich von 360° und einen Elevationswinkelbereich von zumindest 180° (eineindeutig auf eine Fokalebene der Optik) abbildet.
Kern der Erfindungsidee ist der Einsatz einer Optik, die einen Sichtbereich (erfassbarer Raumwinkelbereich der Umgebung) von 360° Azimuth und zumindest 180° Elevation aufweist, und diesen innerhalb des Freistrahl-Kommunikationsterminals auf eine Fokalebene abbildet, wobei die Optik quasi als „Transformationsoptik” oder „optischer Hebel” wirkt, mit der der Sichtbereich von 360° Azimuth und ≥ 180° durch die Optik auf einen erheblich geringeren Abbildungswinkelbereich innerhalb des Freistrahl-Kommunikationsterminals verringert wird. Die Optik bildet weiterhin für die Strahlen S_a und S_e ein nach außen unbewegtes robustes symmetrisches Interface des Freistrahl-Kommunikationsterminals.
Eine geeignete Bauform der Optik ist ein (extrem-) Weitwinkelobjektiv für fotografische Zwecke, wie es bspw. aus der Druckschrift US 3,737,214 A bekannt ist, welches einen Sichtbereich von 360° Azimuth und 210° Elevation realisiert und diesen auf eine Bildebene abbildet. Der Vorteil dieser Bauform ist der unbeschränkte Sichtbereich zur Seite bzw. leicht nach ”hinten”, aber auch direkt in axialer Richtung. Damit können prinzipiell fast alle relevanten optischen Linkszenarien bedient werden. Ein Nachteil ist allerdings die geringe effektive Aperturfläche zur Seite bzw. leicht nach hinten, da das Weitwinkelobjektiv hier prinzipbedingt lichtschwach ist. Daher bietet sich diese Optik-Variante insbesondere an, wenn der Kommunikationspartner in einem bekannten Winkelbereich – der deutlich kleiner als 180° ist – bleibt. Grundsätzlich können Weitwinkelobjektive auch den Erfordernissen der hier benötigten Transformationsoptik angepasst werden: größere Lichtstärke bei großen Elevationswinkeln. Eine bevorzugte Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich daher dadurch aus, dass die Optik ein Weitwinkel-Objektiv ist.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich dadurch aus, dass die Optik zumindest eine Linse mit einer optische Achse aufweist, wobei das Linsenmaterial der Linse einen Brechungsindex aufweist, der zumindest in einem Randbereich der Linse mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse zunimmt. Dies ermöglicht einerseits eine Erweiterung des Sichtbereichs der Linse auf einen Elevationsbereich bis zumindest 210° andererseits eine Verbesserung der Lichtstärke bei größeren Elevationswinkeln.
Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich dadurch aus, dass das Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal keine beweglichen Teile zur Beeinflussung eines Strahlengangs des Strahls S_a und/oder des Strahls S_e (innerhalb des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals) aufweist. Das bedeutet insbesondere, dass keinerlei Teile einer Optik (Spiegel, Linsen, Prismen. etc.), die Einfluss auf den Strahlengang eines Strahls S_a oder eines Strahls S_e des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals haben, beweglich sind.
Dies kann bspw. durch eine Kombination der Optik mit einem flächigen Detektorarray (Empfänger) erreicht werden. Aus verschiedenen Raumrichtungen eintreffende Strahlen S_e erzeugen dabei wie bei einer konventionellen Linse in der Fokusebene der Optik Brennpunkte an verschiedenen Orten. Durch ein in der Fokusebene angeordnetes Detektorarray kann ein sich bewegender Kommunikationspartner (anderes Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal) durch Umschalten zwischen den Arrayelementen verfolgt werden. Damit ist zum Empfang des Strahls S_e kein optomechanisches Stellglied notwendig. Analog kann zur Erzeugung eines auszusendenden Strahls S_a bspw. ein direkt modulierbares Array von Lichtquellen (bspw. ein Laserarray) genutzt werden.
Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der optischen Quelle und der Optik und/oder dem optischen Empfänger und der Optik ein optomechanisches Stellglied zur Strahlablenkung der Strahlen S_a und/oder S_e angeordnet ist. Bevorzugt weist das optomechanische Stellglied einen Kippspiegel auf, der um zwei Kippachsen kippbar ist, oder das optomechanische Stellglied weist zwei Kippspiegel auf, die jeweils um eine unterschiedliche Achse (insbesondere orthogonale Achsen) kippbar sind.
Eine Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich dadurch aus, dass der/die Kippspiegel in einem Winkelbereich von [–15°, +15°], [–10°, +10°], oder [–5°, +5°] oder [–3°, +3°] aus einer Ruhelage kippbar sind. Die erfindungsgemäße Optik ist dabei bevorzugt auf den Winkelbereich des/der Kippsiegel/s angepasst, so dass bspw. ein ausgehender Strahl S_a durch das Zusammenwirken der Strahllenkung durch den/die im Strahlengang des ausgehenden Strahls S_a der Optik vorgeschalteten Kippspiegel/s und der Ablenkungsverstärkung durch die Optik, der Strahl S_a in jedwede Richtung des Sichtbereichs der Optik ausgesandt werden kann.
Eine Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich dadurch aus, dass das Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal als optische Quelle ein flächiges Strahlenquellenarray mit einer Vielzahl von Strahlenquellen zur Erzeugung des Strahls S_a und/oder als optischen Empfänger ein flächiges Detektorarray mit einer Vielzahl von Detektorelementen zur Detektion des Strahls S_e aufweist. Bevorzugt ist dabei der Sichtbereich der Optik eineindeutig auf den flächigen Detektors abgebildet. Als Strahlenquelle kommt hierbei insbesondere eine Laserarray in Betracht.
Eine Weiterbildung des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals zeichnet sich dadurch aus, dass die Optik einen Elevationswinkelbereich von bis 220°, insbesondere 190°, oder 180° oder 200° oder 210° abbildet.
Das erfindungsgemäße Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal weist folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:

– insbesondere ein erfindungsgemäßes Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal mit keinen beweglichen Teilen oder mit nur einem Aktuator zur Verstellung eines Kippspiegels im Strahlengang verringert die Komplexität, das Gewicht und den Leistungsverbrauch des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals gegenüber dem Stand der Technik erheblich;
– das erfindungsgemäße Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals ermöglicht den Aufbau von mehreren optischen Datenverbindungen gleichzeitig über nur eine Optik;
– das erfindungsgemäße Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal besitzt nach außen keinerlei bewegliche Teile, sondern nur eine starre und kostengünstige Objektivoptik, die fest mit dem in sich starren Gehäuse des das erfindungsgemäße Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals befestigt ist. Insgesamt kann sich daher keine Änderung des Luftwiderstandes des Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals ergeben, was von Vorteil für aeronautische Anwendungen ist, weiterhin sind Beschädigungen nach außen hin beweglicher Teile unmöglich;
– das erfindungsgemäße Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals ermöglicht ein optimales Verhältnis von Gesamtvolumen zu effektiver Aperturfläche;
– die Kommunikationsverbindungsrichtung ist von außen nicht anhand von aktuellen CPA-Stellungen oder Spiegelstellungen erkennbar;
– eine Aktivität des optischen Links ist nicht durch CPA-Bewegung erkennbar, so dass eine verdeckte Nutzung und damit eine Detektionssicherheit erzielbar ist; im Beschädigungsfall reicht ggf. der Austausch nur (des äußersten Teils) der Optik aus;
– das erfindungsgemäße Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals ermöglicht eine bessere Miniaturisierbarkeit und Skalierbarkeit als bei konventionellen CPA-Bauformen (diese sind durch ihre Motoren und sonstige Mechaniken in der Miniaturisierbarkeit begrenzt, während hier nur die erfindungsgemäße Optik, verkleinert werden muss;
– Aktuatoren zur Bewegung des/der Kippspiegel/s mit nur kleinem Winkelstellbereich von < 10° sind heute extrem schnell. Da der (die) zu bewegenden Kippspiegel sehr klein sind, muss nur eine geringe Spiegelmasse bewegt werden. Die Übersetzung von Winkel und Strahldurchmesser durch die Optik erspart also große bewegte Teile im erfindungsgemäßen Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
1 einen schematisierten Aufbau eines erfindungsgemäßen Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals
1 zeigt einen schematisierten Aufbau eines erfindungsgemäßen Freiraumstrahl-Kommunikationsterminals 100 zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation, mit einer optischen Quelle 106, mit der ein madulierbarer optischer Strahl 5a erzeugbar ist, der von dem Freistrahl-Kommunikationsterminal 100 ausendbar ist und/oder mit einem optischen Empfänger 107, mit dem ein modulierter optischer Strahl S_e empfangbar ist. Weiterhin umfasst das Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal 100 einen Trackingsensor 105 bspw. ein CCD-Array. Dargestellt und nicht weiter bezeichnet sind Strahllenkungseinheiten wie optische Linsen und mit dem Bezugszeichen 108 bezeichnete Prismenanordnungen zur Strahllenkung. Das Freistrahl-Kommunikationsterminal 100 umfasst eine Optik 101, die nur schematisiert dargestellt ist. durch die der Strahl S_a unmittelbar in eine Umgebung, d. h. vorliegend die freie Atmosphäre, des Freistrahl-Kommunikationsterminals 100 austritt und/oder durch die der Strahl S_e unmittelbar aus der Umgebung in das Freistrahl-Kommunikationsterminal 100 eintritt. Beispielhaft sind die Strahlen 102 angegeben, die einen schematischen Strahlengang durch die Optik 101 angeben und die jeweils sowohl einen Strahl S_a oder S_e repräsentieren können. Die Optik 101 ist fest mit dem Freistrahl-Kommunikationsterminal 100 verbunden und relativ dazu unbeweglich. Weiterhin weist die Optik 101 einen Sichtbereich auf, der einen Azimuthwinkelbereich von 360° und einen Elevationswinkelbereich von zumindest 180° eineindeutig auf eine Fokalebene 103 der Optik 101 abbildet. Im Strahlengang befindet sich vorliegend ein Kippspiegel 104 der um zwei orthogonal zueinander Achsen beweglich ist und dessen Auslenkungen um diese Achsen maximal jeweils 10° betragen. Die Steuerung des Kippspiegels 104, bzw. von den den Kippspiegel 104 bewegenden Aktuatoren erfolgt durch Steuersignale des Tracking-Sensors 105.
Der Kippspiegel 104 erzeugt bspw. eine erste Richtungsablenkung eines ausgehenden Strahls S_a. Nach der Richtungsablenkung durch den Kippspiegel 104 tritt der ausgehende Strahl S_a in die Optik 101 ein und verlässt die Optik 101 in die freie Atmosphäre. Beim Durchlaufen der Optik erfährt der Strahl eine weitere von der Eintrittsrichtung in die Optik 101 anhängende Richtungsänderung. Die Optik 101 und der Kippspiegel 104 bzw. dessen Kippbereich sind aufeinander abgestimmt, so dass ein auszusendender Strahl S_a in jede Richtung des Sichtbereichs der Optik ausgesandt werden kann.
Analog kann ein eingehender Strahl S_e aus jeder Richtung des Sichtbereichs der Optik 101 mit dem optischen empfangen werden, wobei die Eintreffrichtung des Strahls S_e eineindeutig bestimmt wird.
Wird anstelle einer Lichtquelle 106 ein Lichtquellenarray, bspw. einer Laserarray, verwendet, so ist auch die gleichzeitige Aussendung von mehreren Strahlen S_a, die auch unterschiedlich moduliert sein können und mithin unterschiedliche Dateninhalte übermitteln, an unterschiedliche Empfänger-Freistrahl-Kommunikationsterminals möglich. Zudem ist ein zeitparalleles Aussenden von Strahlen S_a und Empfangen von Strahlen S_e möglich.
Bezugszeichenliste

100: Freistrahl-Kommunikationsterminal
101: Optik
102: Strahlen S_a und oder S_e
103: Fokusebene der Optik
104: Kippspiegel, optomechanisches Stellglied
105: Trackingsensor
106: optische Quelle, Leuchtquelle, Laser, Laserarray
107: optischer Empfänger, Detektor, Detektorarray
108: Prismen zur Strahllenkung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007006414 A1 [0010]
DE 202007012193 U1 [0010]
US 5897223 A [0011]
US 3737214 A [0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Horwath Joachim, Knapek Markus, Epple Bernhard, Brechtelsbauer Martin und Wilkerson Brandon (2006): „Broadband Backhaul Communication for Stratospheric Platforms: The Stratospheric Optical Payload Experiment (STROPEX)” in Proceedings of SPIE, Volume 6304, SPIE Optical Press Free-Space Laser Communications VI, 2006, San Diego, California, USA ISBN 0-8194-6383-3. ISSN 0277.786X [0009]
Horwath Joachim, und Fuchs Christian (2009): „Aircraft to Ground Unidirectional Laser-Communication – Terminal for High Resolution Sensors” in Free-Space Laser Communication Technologies XXI. Vol. 7199 (7199-10), Free-Space Laser Communications Technologies XXI, 2009, San Jose. CA (USA). ISBN 978-0-8194-7445-2. ISSN 0277-786X [0010]

Claims

Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) zur mobilen optischen Freistrahlkommunikation, mit einer optischen Quelle (106), mit der ein modulierbarer optischer Strahl S_a erzeugbar ist, der von dem Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) ausendbar ist und/oder mit einem optischen Empfänger (107), mit dem ein modulierter optischer Strahl S_e empfangbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) eine Optik (101) umfasst, durch die der Strahl S_a unmittelbar in eine Umgebung des Freistrahl-Kommunikationsterminals (100) austritt und/oder durch die der Strahl S_e unmittelbar aus der Umgebung in das Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) eintritt, – die Optik (101) fest mit dem Freistrahl-Kommunikationsterminal (100) verbunden und relativ dazu unbeweglich ist, und – die Optik (101) einen Sichtbereich aufweist, der einen Azimuthwinkelbereich von 360° und einen Elevationswinkelbereich von zumindest 180° abbildet.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) keine beweglichen Teile zur Beeinflussung eines Strahlengangs des Strahls S_a und/oder des Strahls S_e aufweist.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optischen Quelle (106) und der Optik (101) und/oder dem optischen Empfänger (107) und der Optik (101) ein optomechanisches Stellglied (104) zur Strahlablenkung der Strahlen S_a und/oder S_e angeordnet ist.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optomechanische Stellglied (104) einen Kippspiegel (104) umfasst, der um zwei Kippachsen kippbar ist, oder dass das optomechanische Stellglied (104) zwei Kippspiegel (104) aufweist, die jeweils um eine Achse kippbar sind.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kippspiegel (104) in einem Winkelbereich von [–15°, +15°], [–10°, +10°], oder [–5°, +5°] oder [–3°, +3°] aus einer Ruhelage kippbar sind.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) als optische Quelle (106) ein flächiges Strahlenquellenarray mit einer Vielzahl von Strahlenquellen zur Erzeugung des Strahls S_a und/oder als optischen Empfänger (107) ein flächiges Detektorarray mit einer Vielzahl von Detektorelementen zur Detektion des Strahls S_e aufweist.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (101) ein Weitwinkel-Objektiv ist.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (101) zumindest eine Linse mit einer optische Achse umfasst, deren Linsenmaterial einen Brechungsindex aufweist, der zumindest in einem Randbereich der Linse mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse zunimmt.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (101) einen Elevationswinkelbereich von bis 220°, insbesondere 190°, oder 180° oder 200° oder 210° abbildet.
Freiraumstrahl-Kommunikationsterminal (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sichtbereich der Optik (101) eineindeutig auf einen flächigen Detektor abbildbar ist.