PL237841B1

PL237841B1 - Hybrid free-space optical and radio communication system

Info

Publication number: PL237841B1
Application number: PL430020A
Authority: PL
Inventors: Janusz Mikołajczyk; Dariusz Szabra; Zbigniew Bielecki; Jacek Wojtas; Artur Prokopiuk; Beata Pietrzyk; Krzysztof Achtenberg
Original assignee: Wojskowa Akad Tech
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2021-05-31
Also published as: PL430020A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy układ komunikacji radiowej i optycznej w otwartej przestrzeni, posiadający dwa bloki interfejsów, każdy połączony ze swoim terminalem komunikacyjnym, oddzielny tor dwukierunkowej komunikacji radiowej, oddzielny tor dwukierunkowej komunikacji optycznej składający się z dwóch bliźniaczych jednokierunkowych torów komunikacji optycznej, przy czym tor dwukierunkowej komunikacji optycznej składa się z dwóch głowic nadawczo-odbiorczych, przy czym każda głowica nadawczo-odbiorcza połączona jest ze swoim blokiem interfejsu i składa się z modułu nadawczego i odbiorczego, każdy moduł nadawczy posiada laser, korzystnie kwantowy laser kaskadowy emitujący promieniowanie o ustalonej długości z zakresu podczerwieni, korzystnie dalekiej podczerwieni i nadawcze pozaosiowe zwierciadło paraboliczne, kierujące wiązkę promieniowania podczerwonego do modułu odbiorczego drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej hybrydowego układu, zaś każdy moduł odbiorczy posiada odbiorczy moduł detekcyjny z detektorem promieniowania podczerwonego, korzystnie z zakresu dalekiej podczerwieni i odbiorcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe, odbierające wiązkę promieniowania podczerwonego z nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego drugiej głowicy układu hybrydowego i kierujące ją do detektora promieniowania podczerwonego odbiorczego modułu detekcyjnego.The subject of the invention is a hybrid open space radio and optical communication system, having two interface blocks, each connected to its communication terminal, a separate two-way radio communication path, a separate two-way optical communication path consisting of two twin unidirectional optical communication paths, the two-way path of optical communication consists of two transceiver heads, where each transceiver head is connected to its interface block and consists of a transmitting and receiving module, each transmitting module has a laser, preferably a quantum cascade laser emitting radiation with a fixed length in the range infrared, preferably far infrared, and transmitting off-axis parabolic mirror, directing the infrared radiation beam to the receiving module of the second transceiver head of the hybrid system, and each receiving module has a receiving module A detection unit with an infrared detector, preferably in the far infrared range, and a receiving parabolic off-axis mirror, receiving the infrared radiation beam from the transmitting parabolic off-axis mirror of the second head of the hybrid system and directing it to the infrared detector of the receiving detection module.

Hybrydowy układy komunikacji radiowej i optycznej zapewnia wyższy poziom niezawodności i bezpieczeństwa w zakresie transmisji danych niż każdy z osobna układ komunikacji, tj. radiowej albo optycznej, ze względu na możliwość zmiany trybu transmisji danych poprzez adaptacyjną zmianę toru komunikacji z radiowej na optyczną i z optycznej na radiową, biorąc pod uwagę poniżej przedstawione przeciwstawne cechy w zakresie wad i zalet ww. rodzajów komunikacji.Hybrid radio and optical communication systems provide a higher level of reliability and security in the field of data transmission than each separate communication system, i.e. radio or optical, due to the possibility of changing the data transmission mode by adapting the communication path from radio to optical and from optical to radio Considering the contrasting advantages and disadvantages of the aforementioned types of communication.

Komunikacja radiowa charakteryzuje się stosunkowo szerokim pasmem transmisyjnym, lecz wrażliwym na zakłócenia elektromagnetyczne, w przeciwieństwie do komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni, odpornej na zakłócenia elektromagnetyczne, lecz mniej odpornej na zjawiska pogodowe związane z obecnością nadmiernej wilgoci (wody) w atmosferze np. w postaci mgły, mżawki, deszczu, śniegu oraz turbulencje (scyntylacje), wywołujące zmniejszenie wzajemnej widzialności modułu nadawczego i odbiorczego toru optycznego. Powyższe, niekorzystne zjawiska znacznie pogarszają stosunek mocy sygnału do mocy szumu rejestrowanego przez moduł odbiorczy toru optycznego.Radio communication is characterized by a relatively wide transmission band, but sensitive to electromagnetic interference, in contrast to optical communication in open space, resistant to electromagnetic interference, but less resistant to weather phenomena related to the presence of excessive moisture (water) in the atmosphere, e.g. in the form of fog , drizzle, rain, snow and turbulence (scintillation), causing the reduction of the mutual visibility of the transmitting and receiving module of the optical path. The above disadvantageous phenomena significantly deteriorate the ratio of the signal power to the noise power recorded by the optical path receiving module.

W przeciwieństwie do komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni, transmisja danych torem radiowym nie wymaga wzajemnej widoczności radiowego modułu nadawczego i odbiorczego. Ze względu na możliwość zastosowania wiązek laserowych o małej rozbieżności, poziom zabezpieczenia przed przechwyceniem danych transmitowanych w ramach komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni jest znacznie wyższy niż w przypadku komunikacji radiowej. Ponadto, komunikacja optyczna nie zakłóca pracy innych urządzeń elektronicznych.Contrary to optical communication in open space, data transmission via radio does not require mutual visibility of the transmitting and receiving radio module. Due to the possibility of using low divergence laser beams, the level of protection against interception of data transmitted as part of optical communication in open space is much higher than in the case of radio communication. Moreover, optical communication does not interfere with the operation of other electronic devices.

Zastosowanie w torze komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni wynika ze zmniejszonego tłumienia tego promieniowania spowodowanego pojawianiem się turbulencji (scyntylacji) oraz ww. niekorzystnymi zjawiskami pogodowymi wywołującymi spadek wzajemnej widzialności modułu nadawczego i odbiorczego optycznego toru komunikacyjnego.The use of far-infrared radiation in the open space optical communication path results from the reduced suppression of this radiation caused by the appearance of turbulence (scintillation) and the above-mentioned. unfavorable weather phenomena causing a decrease in the mutual visibility of the transmitting and receiving module of the optical communication path.

Ponadto, zastosowanie wiązki promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni jest bardziej bezpieczne dla użytkownika ze względu na większy dopuszczalny poziom ekspozycji, umożliwiając zastosowanie wiązek o większej mocy, co z kolei zapewnia dalszy zasięg lub pracę toru komunikacji optycznej w ww. trudnych warunkach atmosferycznych (zmniejszających wzajemną widzialność modułu nadawczego i odbiorczego tego toru).Moreover, the use of a beam of far infrared radiation is safer for the user due to the higher acceptable exposure level, allowing the use of higher power beams, which in turn ensures further range or operation of the optical communication path in the above-mentioned. difficult weather conditions (reducing the mutual visibility of the transmitting and receiving module of this track).

Zastosowanie kwantowych laserów kaskadowych emitujących promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni przyczyniło się do zwiększenia przepustowości i dostępności urządzeń łączności laserowej z tego zakresu promieniowania, ponieważ lasery te charakteryzują się dużą mocą emitowanego promieniowania oraz dużą częstotliwością modulacji przy zachowaniu kompaktowych rozmiarów z jednoczesnym zmniejszeniem wymagań dotyczących sterowników oraz układów chłodzenia.The use of quantum cascade lasers emitting far infrared radiation has contributed to increasing the capacity and availability of laser communication devices in this radiation range, because these lasers are characterized by a high power of emitted radiation and a high frequency of modulation while maintaining compact dimensions while reducing the requirements for drivers and systems cooling.

Zastosowanie pozaosiowych zwierciadeł parabolicznych gwarantuje uzyskanie dużej jasności wiązki sygnałów optycznych oraz wysokiej jakości ognisk (małe wymiary), co istotnie podnosi efektywność nadawania i odbioru sygnałów optycznych, biorąc pod uwagę czynniki obniżające jakość wykorzystywanego sygnału optycznego, takie jak duża rozbieżność wiązki promieniowania emitowanego z kwantowego lasera kaskadowego modułu nadawczego oraz małe rozmiary powierzchni czułej detektora optycznego promieniowania, zastosowanego w module odbiorczym.The use of off-axis parabolic mirrors guarantees high brightness of the beam of optical signals and high-quality focuses (small dimensions), which significantly increases the efficiency of transmitting and receiving optical signals, taking into account factors lowering the quality of the optical signal used, such as a large divergence of the beam of radiation emitted from a quantum laser cascade transmitting module and small size of the sensitive surface of the optical radiation detector used in the receiving module.

PL 237 841 B1PL 237 841 B1

Badania stanu techniki w celu znalezienia rozwiązań wynalazków najbliższych zgłaszanemu rozwiązaniu przeprowadzono pod kątem zastosowania w hybrydowych układach komunikacji radiowej i optycznej w otwartej przestrzeni oraz w samodzielnych układach komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni: układów hybrydowych radiowo-optycznych posiadających układy laserowej komunikacji w otwartej przestrzeni, zwłaszcza pracujących w zakresie dalekiej podczerwieni, układów laserowej komunikacji w otwartej przestrzeni pracujących w zakresie dalekiej podczerwieni, laserów, zwłaszc za kwantowych laserów kaskadowych pracujących w zakresie podczerwieni, zwłaszcza w zakresie dalekiej podczerwieni, parabolicznych zwierciadeł, zwłaszcza pozaosiowych, pracujących w zakresie podczerwieni, zwłaszcza dalekiej podczerwieni oraz urządzeń i układów kontroli mocy sygnałów optycznych.The research of the state of the art in order to find solutions to the inventions closest to the proposed solution was carried out in terms of application in hybrid radio and optical communication systems in open space and in independent optical communication systems in open space: hybrid radio-optical systems with laser communication systems in open space, especially working in the far infrared range, open space laser communication systems operating in the far infrared range, lasers, in particular quantum cascade lasers operating in the infrared range, especially in the far infrared range, parabolic mirrors, especially off-axis, operating in the infrared range, especially far infrared and optical signal power control devices and systems.

Zastosowania w układach optycznych komunikacji w otwartej przestrzeni zakresów dalekiej podczerwieni (8-12) μm albo fal o określonej długości z tego zakresu podano w zgłoszeniach patentowych: US 2004/0109692, US 2013/0315604 i US 2005/0169635, przy czym w ramach dwóch pierwszych zgłoszeń patentowych, zastosowania zakresu promieniowania w dalekiej podczerwieni w komunikacji w otwartej przestrzeni nie poparto żadnymi przykładami realizacji wynalazków. Jedynie w zgłoszen iu patentowym US 2005/0169635 opisano w ramach jednego z przykładów realizacji wynalazku zastosowanie w układzie komunikacji w otwartej przestrzeni fali z ww. zakresu, tj. fali o długości 10,6 μm (laser gazowy CO2) oraz pozaosiowych zwierciadeł parabolicznych.Applications in open space communication optical systems of the far infrared (8-12) μm ranges or wavelengths of a specific wavelength range are given in patent applications: US 2004/0109692, US 2013/0315604 and US 2005/0169635, with two In the first patent applications, the use of the far infrared radiation range in open space communication was not supported by any embodiment of the invention. Only in the patent application US 2005/0169635, in the context of one embodiment of the invention, the use of the wave of the above-mentioned in the open space communication system is described. range, i.e. the 10.6 μm wavelength (CO2 gas laser) and off-axis parabolic mirrors.

Zastosowanie w układach komunikacji w otwartej przestrzeni kwantowych laserów kaskadowych mogących pracować w zakresie fal do 70 μm w tzw. torze zapasowym podano w europejskim opisie patentowym EP 2523369. W ramach tego opisu nie przedstawiono żadnej, przykładowej konfiguracji takiego toru, a jedynie opisano jego zalety w kontekście propagacji tych fal w atmosferze, uwzględniając zmniejszony wpływ pogorszenia warunków atmosferycznych na jego pracę. W opisie tym nie podano przykładowych długości fal, które miałyby zapewnić skuteczne działanie ww. toru.The use of quantum cascade lasers in open space communication systems that can work in the wavelength range up to 70 μm in the so-called a backup track is given in EP 2523369. This description does not present any exemplary configuration of such a track, but only describes its advantages in terms of propagation of these waves in the atmosphere, taking into account the reduced impact of weather conditions deterioration on its operation. This description does not give examples of wavelengths that would ensure the effective operation of the above track.

Zastosowanie w ramach komunikacji w otwartej przestrzeni układów i urządzeń monitorowania mocy optycznych sygnałów w torach tego rodzaju komunikacji podano w następujących dokumentach patentowych: US 2004/0120719, US 2002/0167697, EP 1370014, US 2002/0122230, WO 01/35551, US 2002/0122231, US 2013/0129341. Dokumenty te obejmują praktycznie dwa rozwiązania, przy czym jedno z nich dotyczy analizy poziomu promieniowania docierającego do modułów odbiorczych (odc zytanych z samego detektora toru danych lub dodatkowego detektora monitorującego), zaś drugie - analizy informacji zapisanych w pamięci układu łącza optycznego w otwartej przestrzeni, odnoszących się do sterowania mocą modułu nadawczego.The use of systems and devices for monitoring the power of optical signals on paths of this type of communication in open space communication is described in the following patent documents: US 2004/0120719, US 2002/0167697, EP 1370014, US 2002/0122230, WO 01/35551, US 2002 / 0122231, US 2013/0129341. These documents include practically two solutions, one of them concerns the analysis of the level of radiation reaching the receiving modules (read from the data path detector itself or an additional monitoring detector), and the second - the analysis of information stored in the memory of the optical link system in open space, relating to to control the power of the transmitting module.

Podczas przeszukiwania baz patentowych w ww. przedmiotowym zakresie nie znaleziono układów komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni, w ramach których, w ich modułach nadawczych stosowana jest bezpośrednia kontrola mocy wyjściowej modułu nadawczego przy użyciu niezależne go układu monitorowania.When searching the patent databases in the above-mentioned Within the scope, no open field optical communication systems have been found in which their transmitting modules use direct control of the transmitting module's output power using an independent monitoring system.

Istota hybrydowego układu komunikacji radiowej i optycznej w otwartej przestrzeni według wynalazku polega na tym, że każdy moduł nadawczy każdej z dwóch głowicy nadawczo-odbiorczych hybrydowego układu posiada układ monitorowania mocy wiązki promieniowania podczerwonego, kierowanej przez nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe do odbiorczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego modułu odbiorczego drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej hybrydowego układu. Każdy układ monitorowania mocy wiązki promieniowania podczerwonego, kierowanej przez nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe do odbiorczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego modułu odbiorczego drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej układu hybrydowego posiada płaskie zwierciadło monitorujące umieszczone w tej wiązce, przy czym płaszczyzna odbijająca płaskiego zwierciadła monitorującego usytuowana jest skośnie do osi optycznej nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego. Płaskie zwierciadło monitorujące połączone jest ruchomo ze swobodnym końcem wydłużonego uchwytu, korzystnie w postaci pręta za pomocą połączenia, korzystnie tworzącego parę kinematyczną o trzech osiach obrotu, którego drugi koniec zamocowany jest sztywno do brzegu nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego, przy czym uchwyt ten usytuowany jest równolegle do osi optycznej nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego.The essence of the hybrid radio and optical communication system in open space according to the invention is that each transmitting module of each of the two transmitting-receiver heads of the hybrid system has a power monitoring system of the infrared radiation beam directed through the transmitting parabolic off-axis mirror to the receiving parabolic off-axis mirror of the receiving module. the second transceiver of the hybrid system. Each power monitoring system of the infrared radiation beam directed by the transmitting parabolic off-axis mirror to the receiving parabolic off-axis mirror of the receiver module of the second transceiver head of the hybrid system has a flat monitoring mirror placed in this beam, with the reflecting plane of the plane monitoring mirror located obliquely to the optical axis transmitting parabolic off-axis mirror. The flat monitoring mirror is movably connected to the free end of the elongated handle, preferably in the form of a rod, by means of a joint, preferably forming a kinematic pair with three axes of rotation, the other end of which is rigidly attached to the transmitting edge of the parabolic off-axis mirror, the handle being located parallel to the optical axis of the transmitting parabolic off-axis mirror.

Ponadto, ww. układ monitorowania mocy wiązki promieniowania podczerwonego posiada moduł detekcyjny monitorujący, którego pole widzenia obejmuje wiązkę promieniowania podczerwonego, odbitą od płaskiego zwierciadła monitorującego, docierającą do modułu detekcyjnego monitorującego, stanowiącą część wiązki promieniowania podczerwonego, kierowanej przez nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe do odbiorczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego modułu odbiorczego drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej układu hybrydowego.Moreover, the above-mentioned the infrared radiation beam power monitoring system has a monitoring detection module, the field of view of which includes an infrared radiation beam reflected from a flat monitoring mirror, reaching the monitoring detection module, being part of the infrared radiation beam directed by the transmitting off-axis parabolic mirror to the receiving parabolic off-axis mirror of the receiving module the second transceiver head of the hybrid system.

PL 237 841 B1PL 237 841 B1

Moduł detekcyjny monitorujący modułu nadawczego głowicy nadawczo-odbiorczej układu hybrydowego połączony jest kaskadowo z detektorem wartości szczytowej impulsów elektrycznych, wskazującym poziom mocy impulsów wiązki promieniowania podczerwonego, odbitej od płaskiego zwierciadła monitorującego, docierającej do modułu detekcyjnego monitorującego, zaś detektor wartości szczytowej połączony jest kaskadowo z układem przetwarzania analogowo-cyfrowego, a ten połączony jest z blokiem interfejsu połączonego z głowicą nadawczo-odbiorczą.The detection module monitoring the transmitting module of the transmitting-receiving head of the hybrid system is connected in a cascade with the detector of the peak value of electric pulses, indicating the power level of the pulses of the infrared radiation beam reflected from the flat monitoring mirror, reaching the monitoring detection module, and the peak detector is connected in a cascade with the system analog-to-digital conversion, and this is coupled to an interface block connected to the transceiver head.

Długość fali emitowanej przez laser, korzystnie kwantowy laser kaskadowy modułu nadawczego głowicy nadawczo-odbiorczej układu hybrydowego wynosi 9,3 μm.The wavelength emitted by the laser, preferably the quantum cascade laser of the transmitting module of the transceiver of the hybrid system, is 9.3 µm.

Zastosowanie w module nadawczym komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni układu monitorowania mocy wiązki promieniowania podczerwonego, kierowanej przez nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe umożliwia monitorowanie mocy emitowanej wiązki laserowej przez moduł nadawczy głowicy nadawczo-odbiorczej toru optycznego.The use of optical communication in open space in the transmitting module of the infrared beam power monitoring system, directed by the transmitting parabolic off-axis mirror, allows the power of the emitted laser beam to be monitored by the transmitting module of the transmitting-receiving head of the optical path.

Znajomość mocy emitowanej wiązki laserowej poprzez pomiar części mocy tej wiązki przez moduł detekcyjny monitorujący umożliwia zidentyfikowanie zaburzenia transmisji sygnałów optycznych i znalezienia przyczyny tych zaburzeń wywołanych np. ww. niekorzystnymi zjawiskami pogodowymi, uszkodzeniem elementów modułu nadawczego i/lub odbiorczego albo celowym działaniem osób trzecich (niepowołanych).The knowledge of the power of the emitted laser beam by measuring a part of the power of this beam by the monitoring detection module makes it possible to identify the disturbance in the transmission of optical signals and to find the cause of these disturbances caused by e.g. the above-mentioned unfavorable weather phenomena, damage to the components of the transmitting and / or receiving module, or intentional action of third parties (unauthorized).

Zastosowanie detektora wartości szczytowej w module nadawczym wraz z układem przetwarzania analogowo-cyfrowego sygnałów pozwalających określić poziom mocy wiązki emitowanej z modułu nadawczego i docierającej do odbiorczego modułu detekcyjnego drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej i porównać z wartościami poziomów mocy podanymi w opisie statusu pracy toru optycznego umożliwia implementację procedury regulacji i stabilizacji mocy wyjściowej lasera i/lub mocy promieniowania laserowego docierającego do odbiorczego modułu detekcyjnego oraz implementację procedury pełnej identyfikacji zdarzenia związanego z zaburzeniem transmisji, a nawet jej przerwaniem.The use of a peak detector in the transmitting module together with the analog-to-digital signal processing system allowing to determine the power level of the beam emitted from the transmitting module and reaching the receiving detection module of the second transceiver head and to compare it with the values of the power levels given in the description of the optical path operating status enables the implementation procedures for adjusting and stabilizing the laser output power and / or the power of laser radiation reaching the receiving detection module and the implementation of the procedure for full identification of the event related to the disturbance of transmission, or even its interruption.

A zatem, zastosowanie w module nadawczym toru optycznego komunikacji w otwartej przestrzeni według wynalazku, układu monitorowania mocy nadawanego sygnału optycznego umożliwia optymalizację transmisji danych w ramach połączenia optycznego poprzez kontrolę i dobór mocy emitowanej wiązki, gwarantujący odpowiedni poziom mocy odbieranych sygnałów przez odbiorczy moduł detekcyjny drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej. Z kolei możliwość optymalizacji poziomu mocy wiązki promieniowania zastosowanej do transmisji danych przyczynia się do zmniejszenia zapotrzebowanie na energię zasilania oraz do zwiększenia żywotności źródła promieniowania (lasera).Thus, the use of the optical signal power monitoring system in the transmitting module of the optical open-air communication path according to the invention enables the optimization of data transmission within the optical connection by controlling and selecting the power of the emitted beam, ensuring an appropriate power level of the received signals by the receiving detection module of the second head. transceiver. On the other hand, the possibility of optimizing the power level of the radiation beam used for data transmission contributes to the reduction of the demand for power energy and to the increase of the lifetime of the radiation source (laser).

Monitorowanie mocy emitowanej wiązki laserowej umożliwia również kontrolę rzeczywistego poziomu oddziaływania promieniowania laserowego na otoczenie, przez co przyczynia się do zapewnienia bezpieczeństwa użytkowania/eksploatacji toru optycznego przez jego użytkowników.Monitoring the power of the emitted laser beam also allows you to control the actual level of the impact of laser radiation on the environment, thus contributing to the safety of use / operation of the optical path by its users.

Emitowane przez laser promieniowanie podczerwone o długości 9,3 μm jest znacznie bardziej odporne na zakłócenia ze względu na ww. niekorzystne zjawiska pogodowe niż promieniowanie laserowe z zakresu bliskiej i krótkiej podczerwieni, dosyć powszechnie stosowane w komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni. Układ mocowania płaskiego zwierciadła monitorującego do nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego umożliwia sprawne i precyzyjne ustawienie zwierciadła monitorującego względem wiązki kierowanej przez nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe oraz względem modułu detekcyjnego monitorującego modułu nadawczego.The infrared radiation emitted by the laser with a length of 9.3 μm is much more resistant to interference due to the above-mentioned unfavorable weather phenomena than near and short infrared laser radiation, quite commonly used in optical communication in open space. The system of attaching the plane monitoring mirror to the transmitting parabolic off-axis mirror enables efficient and precise positioning of the monitoring mirror in relation to the beam directed by the transmitting off-axis parabolic mirror and in relation to the detection module of the monitoring transmitting module.

Przedmiot wynalazku zostanie bardziej szczegółowo objaśniony za pomocą następującego przykładu jego realizacji, pokazanym na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia uproszczony schemat blokowo-funkcjonalny hybrydowego układu komunikacji radiowej i optycznej w otwartej przestrzeni, zaś Fig. 2 przedstawia uproszczony schemat blokowo-funkcjonalny jednego z dwóch, bliźniaczych jednokierunkowych torów komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni, obejmujący moduł nadawczy jednej z głowic nadawczo-odbiorczych oraz moduł odbiorczy drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej.The subject of the invention will be explained in more detail by means of the following embodiment example, shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a simplified block-functional diagram of a hybrid radio-optical communication system in an open space, and Fig. 2 shows a simplified block-functional diagram of one of the two, twin, unidirectional optical communication paths in open space, including the transmitting module of one of the transmitting / receiving heads and the receiving module of the other transmitting / receiving heads.

Hybrydowy układ komunikacji radiowej i optycznej w otwartej przestrzeni posiada oddzielny tor dwukierunkowej komunikacji radiowej oraz oddzielny tor dwukierunkowej komunikacji optycznej. Tor dwukierunkowej komunikacji radiowej utworzony jest z dwóch radiowych modułów nadawczo-odbiorczych MNO-RF pracujących w zakresie 1,4 GHz, zaś dwukierunkowy tor komunikacji optycznej w otwartej przestrzeni składa się z dwóch optycznych głowic nadawczo-odbiorczych GNO do komunikacji w otwartej przestrzeni, przy czym każda głowica nadawczo-odbiorcza GNO posiada optyczny moduł nadawczy MN i moduł odbiorczy MO. Każdy z radiowych modułów nadawczo-odbiorczych MNO-RF oraz optycznych modułów MN i MO głowic nadawczo-odbiorczych GNO jest połączony ze swoim blokiem interfejsu BI. Każdy optyczny moduł nadawczy MN posiada sterownik SL kwantowego lasera kaskadowego QCL osadzonego w głowicy laserowej GL, emitującego promieniowanie impulsowe o długościThe hybrid system of radio and optical communication in an open space has a separate path for two-way radio communication and a separate path for two-way optical communication. The two-way radio communication path is made of two MNO-RF radio transceiver modules operating in the 1.4 GHz range, while the two-way open space optical communication path consists of two GNO optical transceiver heads for communication in open space, where Each GNO transceiver has an MN optical transmitting module and an MO receiving module. Each of the MNO-RF radio transceiver modules and the MN and MO optical modules of the GNO transceiver heads are connected to their BI interface block. Each MN optical transmitting module has a QCL quantum cascade laser SL driver embedded in the GL laser head, emitting pulsed radiation with a length of

PL 237 841 B1 fali 9,3 μm i mocy szczytowej 400 mW oraz nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe NPZP kierujące wiązkę ww. promieniowania podczerwonego IRK do modułu odbiorczego MO drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej GNO, posiadającego odbiorcze pozaosiowe zwierciadło paraboliczne OPZP odbierające wiązkę promieniowania podczerwonego IRK z nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego NPZP i kierujące ją do odbiorczego modułu detekcyjnego OMD połączonego z blokiem interfejsu BI.Of the 9.3 μm wave and the peak power of 400 mW and the transmitting parabolic off-axis mirror NPZP directing the beam of the above-mentioned IRK infrared radiation to the MO receiver module of the second GNO transceiver head, having the OPZP receiving off-axis parabolic mirror OPZP receiving the IRK infrared radiation beam from the transmitting parabolic off-axis mirror NPZP and directing it to the OMD receiving detection module connected to the BI interface block.

Ponadto, każdy moduł nadawczy MN każdej głowicy nadawczo-odbiorczej GNO posiada układ monitorowania mocy nadawanej wiązki promieniowania podczerwonego. Układ ten składa się z modułu detekcyjnego monitorującego MDM oraz płaskiego zwierciadła monitorującego PZM usytuowanego w wiązce promieniowania podczerwonego IRK, skośnie swą płaską powierzchnią do osi optycznej nadawczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego NPZP, kierowanej w wolną przestrzeń. Wiązka promieniowania podczerwonego IRO, stanowiąca część wiązki IRK, odbita od płaskiego zwierciadła monitorującego PZM znajduje się w polu widzenia modułu detekcyjnego monitorującego MDM.Moreover, each MN transmitting module of each GNO transmitting / receiving head has a power monitoring system for the transmitted infrared radiation beam. This system consists of a detection module monitoring the MDM and a flat PZM monitoring mirror located in the IRK beam of infrared radiation, obliquely with its flat surface to the optical axis of the transmitting parabolic off-axis mirror NPZP, directed into the free space. The infrared radiation IRO beam, which is part of the IRK beam, reflected from the plane PZM monitoring mirror, is in the field of view of the MDM monitoring detection module.

Moduł detekcyjny monitorujący MDM połączony jest z detektorem wartości szczytowej DWSz impulsów elektrycznych, wskazującym poziom mocy wiązki promieniowania podczerwonego IRO, docierającej do modułu detekcyjnego monitorującego MDM. Detektor wartości szczytowej DWSz połączony jest kaskadowo z układem przetwarzania analogowo-cyfrowego ADC, a ten połączony jest z blokiem interfejsu BI dopasowującego parametry czasowe sygnałów odpowiadających protokołowi wymiany danych do parametrów zgodnych ze specyfiką charakterystyki pracy kwantowego lasera kaskadowego OCL, obejmujących zakresy czasu trwania impulsów, ich częstotliwości oraz współczynnika wypełnienia. Blok interfejsu BI zarządza konfiguracją pracy hybrydowego układu komunikacji radiowej i optycznej w otwartej przestrzeni, czyli decyduje, jakie tory realizują przesyłanie danych oraz nadzoruje pracę całego układu hybrydowego poprzez obsługę danych opisujących status pracy układu hybrydowego. Zmiana trybu komunikacji z radiowej na optyczną w otwartej przestrzeni albo z optycznej na radiową następuje w zależności od przyjętego scenariusza ich współdziałania. Współdziałanie to może uwzględniać poziom przepustowości torów, warunkowanej wpływem warunków środowiskowych na transmisję sygnałów w torze radiowym lub optycznym oraz uwzględniać ustalone przez użytkownika priorytety pracy torów komunikacyjnych a także poziom bezpieczeństwa danych.The MDM monitoring detection module is connected to the DWSz peak detector of electrical pulses, indicating the power level of the infrared radiation IRO beam reaching the MDM monitoring detection module. The DWSz peak detector is connected in a cascade with the ADC analog-to-digital conversion system, and this is connected with the BI interface block that adjusts the time parameters of the signals corresponding to the data exchange protocol to the parameters compliant with the specific characteristics of the quantum cascade laser OCL, including the pulse duration ranges, frequency and duty cycle. The BI interface block manages the configuration of the operation of the hybrid radio and optical communication system in open space, i.e. it decides which paths are carried out by data transmission and supervises the operation of the entire hybrid system by handling data describing the operating status of the hybrid system. The change of communication mode from radio to optical in open space or from optical to radio takes place depending on the adopted scenario of their cooperation. This cooperation may take into account the level of track capacity, conditioned by the influence of environmental conditions on the transmission of signals in the radio or optical track, and take into account user-defined priorities for the operation of communication tracks as well as the level of data security.

Działanie układu hybrydowego według wynalazku przebiega następująco. Z jednego z terminali T w postaci centralnej jednostki przetwarzania - komputera poprzez blok interfejsu BI przesyłane są dane zakodowane i status pracy układu hybrydowego łącza radiowo - optycznego do sterownika laserowego SL głowicy laserowej GL kwantowego lasera kaskadowego QCL, który emituje wiązkę promieniowania o długości fali 9,3 μm do nadawczego pozaosiowego zwierciadła parabolicznego NPZP modułu nadawczego MN jednej z głowic GNO. Nadawcze pozaosiowe zwierciadło paraboliczne NPZP kieruje wiązkę promieniowania laserowego IRK do odbiorczego parabolicznego zwierciadła pozaosiowego OPZP modułu odbiorczego MO drugiej głowicy GNO. Część promieniowania IRK kierowanego przez nadawcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe NPZP odbija się od płaskiego zwierciadła monitorującego PZM modułu nadawczego MN i dochodzi w postaci wiązki promieniowania podczerwonego IRO do modułu detekcyjnego monitorującego MDM, który, przekształca ją na sygnał elektryczny i przesyła do detektora wartości szczytowej DWSz przetwarzającego amplitudę sygnału elektrycznego na stały sygnał elektryczny. Poziom tego sygnału stałego odnosi się do poziomu mocy promieniowania podczerwonego wiązki IRK kierowanej przez nadawcze pozaosiowe zwierciadło paraboliczne NPZP. Z detektora wartości szczytowej DWSz stały sygnał elektryczny kierowany jest do układu przetwarzania analogowo-cyfrowego ADC, z którego w postaci cyfrowej przesyłany jest do bloku interfejsu BI, w którym zostaje określona moc promieniowania wiązki emitowanej przez moduł nadawczy MN. Niniejszy blok interfejsu BI nadzoruje pracę kwantowego lasera kaskadowego QCL. Dane dotyczące poziomu nadawanego sygnału optycznego zapisane są jako dane opisujące status pracy całego jednokierunkowego toru optycznego.The operation of the hybrid system according to the invention is as follows. From one of the T terminals in the form of a central processing unit - a computer, through the BI interface block, encoded data and the operating status of the radio-optical link hybrid system are sent to the SL laser driver of the GL laser head of the QCL quantum cascade laser, which emits a beam of radiation with a wavelength of 9, 3 μm to the transmitting off-axis parabolic mirror NPZP of the transmitting module MN of one of the GNO heads. The transmitting off-axis parabolic mirror NPZP directs the IRK laser beam to the receiving parabolic off-axis mirror OPZP of the receiving module MO of the second GNO head. Part of the IRK radiation directed by the transmitting parabolic off-axis mirror NPZP is reflected from the plane PZM monitoring mirror of the transmitting module MN and arrives in the form of a beam of infrared radiation IRO to the detection module monitoring MDM, which converts it into an electrical signal and sends it to the DWSz peak detector that processes the amplitude electrical signal to constant electrical signal. The level of this constant signal refers to the level of the infrared radiation power of the IRK beam directed by the transmitting off-axis parabolic mirror NPZP. The constant electrical signal from the DWSz peak detector is directed to the ADC analog-to-digital conversion system, from which it is digitally transmitted to the BI interface block, where the radiation power of the beam emitted by the transmitting module MN is determined. This BI interface block oversees the operation of the QCL quantum cascade laser. The data on the level of the transmitted optical signal is recorded as data describing the operating status of the entire unidirectional optical path.

Dochodząca do modułu odbiorczego MO drugiej głowicy nadawczo-odbiorczej GNO główna część wiązki promieniowania IRK kierowana jest przez odbiorcze paraboliczne zwierciadło pozaosiowe OPZP do odbiorczego modułu detekcji OMD przekształcającego sygnały optyczne na elektryczne, przesyłane dalej do bloku interfejsu Bj, który ostatecznie przekazuje dane dopasowane do przyjętego protokołu transmisji do terminala T w postaci centralnej jednostki przetwarzania komputera. Dane związane z poziomem sygnałów rejestrowanych przez odbiorczy moduł detekcyjny OMD są pozyskiwane w bloku interfejsu BI w trakcie procedury ich przetwarzania na postać cyfrową. Zapisane ww. dane opisują status pracy jednokierunkowego toru optycznego.The main part of the IRK beam coming to the receiving module MO of the second GNO transceiver head is directed through the receiving parabolic off-axis mirror OPZP to the receiving OMD detection module converting optical signals into electrical, forwarded to the interface block Bj, which finally transmits the data adapted to the adopted protocol transmission to terminal T in the form of a central processing unit of a computer. Data related to the level of signals recorded by the OMD receiving detection module are acquired in the BI interface block during the process of digitizing them. Saved above. the data describes the operating status of the unidirectional optical path.

Claims

1. Hybrid open space optical and radio communication system, having two interface blocks, each connected to its communication terminal, a separate two-way radio communication path, a separate two-way optical communication path consisting of two twin unidirectional optical communication paths, with a two-way communication path optical head consists of two transmitting-receiving heads, each transmitting-receiving head is connected to its interface block and consists of a transmitting and receiving module, each transmitting module has a laser, preferably a quantum laser, cascade emitting radiation of a predetermined length in the range infrared, preferably far infrared and transmitting off-axis parabolic mirror, directing the infrared radiation beam to the receiving module of the second transceiver head of the hybrid system, and each receiving module has a receiving detection module with a detector emitting infrared radiation, preferably in the far infrared range, and a receiving parabolic off-axis mirror, receiving a beam of infrared radiation from the transmitting parabolic off-axis mirror of the second head of the hybrid system and directing it to the infrared radiation detector of the receiving detection module, characterized in that each transmitting module (MN) of each from the two transmitting and receiving heads (GNO) of the hybrid radio communication system in the open space, it has a power monitoring system of the infrared radiation beam, directed (IRK) through the transmitting parabolic off-axis mirror (NPZP) to the receiving parabolic off-axis mirror (OPZP) of the receiving module (MO) of the second the transceiver head (GNO) of the hybrid system, whereby each power monitoring system of the infrared radiation beam (IRK) has a flat monitoring mirror (PZM) placed in it, the reflecting plane of which is located it is oblique to the optical axis of the transmitting parabolic off-axis mirror (NPZP) and the monitoring detection module (MDM), the field of view of which includes the infrared radiation beam reflected (IRO) from the flat monitoring mirror (PZM), reaching the monitoring detection module (MDM), forming part of the infrared radiation beam directed (IRK) to the receiving parabolic off-axis mirror (OPZP) of the receiving module (MO) of the second emitter-receiving head (GNO) of the hybrid system.

Hybrid open-air optical and radio communication system according to claim 1, characterized in that the detection module (MDM) of the transmitting module (MN) of the transmitting / receiving head (GNO) is cascaded with a peak value detector (DWSz) of electric pulses , indicating the power level of the pulses of the infrared radiation beam reflected (IRO) from the flat monitoring mirror (PZM), reaching the monitoring detection module (MDM), and the peak value detector (DWSz) is connected in a cascade with the analog-to-digital conversion system (ADC), and this one is connected to an interface block (BI).

Free space hybrid radio-optical communication system according to Claim 1, characterized in that the wavelength emitted by the laser, preferably the quantum cascade laser (QCL) of the transmitting module (MN) of the transmitting-receiver head (GNO) is 9.3 gm .

Free space hybrid radio and optical communication system, according to claim 1, characterized in that the plane monitoring mirror (PZM) is movably connected to the free end of the elongated handle (1), preferably in the form of a rod by means of a connection, preferably forming a kinematic pair with three axes of rotation, the other end of which is rigidly attached to the transmitting edge of the off-axis parabolic mirror (NPZP), the holder (1) being located parallel to the optical axis of the transmitting parabolic off-axis mirror (NPZP).