RU2155450C1

RU2155450C1 - Device for two-way optical communication

Info

Publication number: RU2155450C1
Application number: RU99113518A
Authority: RU
Inventors: Ю.И. Зеленюк; И.В. Огнев; С.Ю. Поляков; С.Е. Широбакин
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2000-08-27

Abstract

FIELD: industrial physics, in particular, optical communication systems, applicable for creation of optical systems of two-way optical communication with automatic control of laser radiation power. SUBSTANCE: optical system of guidance of the received beam to the photodetector has at least three lenses located around the edges of the receiving stage, with the transmitting laser located in the center of it. The reflecting surface and rotary mirrors located at an angle to the optical axis of the collecting lens (5^°≤a≤10^°) provide for alignment of the optical system. It reduces the negative effect of solar exposure, provides for an enhanced signal-to-noise ratio and serviceability in any atmospheric conditions and conditions of mechanical effects. EFFECT: expanded dynamic range of photodetector and enhanced signal-to-noise ratio due to stabilization of mean power and modulation amplitude of the light legitimate signal at the photodetector input at atmospheric fluctuations, as well as due to elimination of the effect of solar exposure. 4 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к области технической физики, а именно к системам оптической связи, и может быть использовано для создания оптических систем двусторонней оптической связи с автоматическим регулированием мощности лазерного излучения. The invention relates to the field of technical physics, namely to optical communication systems, and can be used to create optical systems for two-way optical communication with automatic control of laser radiation power.

Известна оптическая система связи с лазерным регулированием, которая содержит лазерный диод, схему регулирования тока смещения и тока модуляции лазерного диода (см. заявка ЕПВ N 0141192, кл. H 04 В 9/00, опубл. 15.5.85 г. ). В этой системе для передачи импульсных сигналов содержится относительно низкочастотный пилот - сигнал для регулирования токов смещения и модуляции. Во время фазы включения могут возникать ошибки при установке рабочей точки лазерного диода током смещения. Среднее значение световой энергии, отдаваемое лазерным диодом, используется для управления модулирующим током, а амплитуда пилот - сигнала - для регулирования тока смещения. Во время этой фазы регулирования тока смещения не производится и неуправляемый дополнительный ток зависит от поступающего напряжения для изменения тока модуляции. Known optical communication system with laser regulation, which contains a laser diode, a circuit for regulating the bias current and modulation current of the laser diode (see application EPO N 0141192, class. H 04 V 9/00, publ. 15.5.85). In this system for the transmission of pulsed signals contains a relatively low-frequency pilot signal to regulate bias currents and modulation. During the switching phase, errors can occur when the operating point of the laser diode is set with a bias current. The average value of the light energy given by the laser diode is used to control the modulating current, and the amplitude of the pilot signal to control the bias current. During this phase of regulation of the bias current is not performed and uncontrolled additional current depends on the incoming voltage to change the modulation current.

К недостаткам этого устройства следует отнести низкое соотношение сигнал/шум. Кроме того, при изменении атмосферных воздействий выходное излучение лазера будет изменяться, тогда как излучение лазера, поступающее на контрольный диод, останется неизменным. Это приведет к тому, что сигнал передатчика не будет корректироваться в зависимости от вредных атмосферных воздействий. The disadvantages of this device include a low signal to noise ratio. In addition, when the atmospheric effects change, the laser output will change, while the laser radiation supplied to the control diode will remain unchanged. This will lead to the fact that the transmitter signal will not be corrected depending on harmful atmospheric influences.

Известна лазерная система связи с пилот - сигналом с улучшенным соотношением сигнал/шум, которая содержит лазер, схему гетеродинного фотодетектирования, в которой функции гетеродина выполняет пилот - сигнал (см.пат.США N 3.546465, кл.250-199, опубл.8.12.70 г.). При прохождении этих световых сигналов через атмосферу они подвергаются одинаковому воздействию. Разность этих сигналов не будет зависеть от влияния атмосферы. В приемном устройстве этой системы применены два усилителя широкополосный и узкополосный. Подобное построение схемы приемного устройства позволяет сделать отношение сигнал/шум практически независимым от квантовой эффективности фотодетектора. A known laser communication system with a pilot signal with an improved signal to noise ratio, which contains a laser, a heterodyne photodetection scheme in which the pilot signal performs the function of a local oscillator (see Pat. USA N 3.546465, class 250-199, publ. 8.12. 70 g.). When these light signals pass through the atmosphere, they are exposed to the same effect. The difference of these signals will not depend on the influence of the atmosphere. The receiver of this system uses two amplifiers, broadband and narrowband. Such a construction of the receiver circuit makes it possible to make the signal-to-noise ratio practically independent of the quantum efficiency of the photodetector.

Недостатком данного устройства является наличие дополнительного светового сигнала, что усложняет систему связи с пилот - сигналом. Кроме того, не устраняются ошибки, связанные с изменением информационного сигнала из-за нестабильности лазерного излучения и амплитуды модуляции. The disadvantage of this device is the presence of an additional light signal, which complicates the communication system with the pilot signal. In addition, errors associated with a change in the information signal due to the instability of the laser radiation and the modulation amplitude are not eliminated.

Наиболее близким по технической сущности является устройство двусторонней оптической связи, содержащее два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллимирующую оптику и фотоприемник, и схему обработки и регулирования через исполнительный элемент (см. пат. Японии N 25122 кл.96(1)FO, опубл. 23.10.69 г.). Эта система предусматривает автоматическую компенсацию возмущений положения светового пучка, возникающих в результате вариаций метеорологических условий. Исполнительным устройством в этой системе является сервопривод для изменения углового положения коллиматора. Смещение луча лазера после прохождения по трассе фиксируется верхним и нижним фотодетекторами. Разностный сигнал между этими фотоприемниками корректирует угловое положение соответствующего коллиматора. The closest in technical essence is a two-way optical communication device containing two transceiver nodes, each of which has a transceiver optical system, including a laser with a power source, collimating optics and a photodetector, and a processing and regulation circuit through an actuator (see Japanese Pat. N 25122 cl. 96 (1) FO, publ. 10/23/69). This system provides for automatic compensation of perturbations in the position of the light beam resulting from variations in meteorological conditions. The actuator in this system is a servo for changing the angular position of the collimator. The laser beam displacement after passing along the track is fixed by the upper and lower photodetectors. The difference signal between these photodetectors corrects the angular position of the corresponding collimator.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что устройство не реагирует на изменения уровня сигнала, возникающие в результате снижения интенсивности лазерного излучения (поглощения) при прохождении по трассе в атмосфере, что снижает соотношение сигнал/шум. The disadvantages of this device include the fact that the device does not respond to changes in signal level resulting from a decrease in the intensity of laser radiation (absorption) when passing along a path in the atmosphere, which reduces the signal-to-noise ratio.

Кроме того, наиболее существенным недостатком каждого из вышеприведенных устройств (1,2,3) является малый динамический диапазон работы системы при передаче данных с высокой скоростью, равной и более 100 Мбит/с. Он ограничен динамическим диапазоном фотоприемника и составляет на этих частотах порядка 20 дБ по отношению к сигналу, соответствующему передаче данных с вероятностью ошибки не более 10^-9.In addition, the most significant drawback of each of the above devices (1,2,3) is the small dynamic range of the system when transmitting data with a high speed equal to and more than 100 Mbit / s. It is limited by the dynamic range of the photodetector and amounts to about 20 dB at these frequencies with respect to the signal corresponding to data transmission with an error probability of no more than 10 ^-9 .

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Задача изобретения состоит в создании устройства двусторонней оптической связи с расширенным динамическим диапазоном работы и повышенным соотношением сигнал/шум. The objective of the invention is to provide a two-way optical communication device with an extended dynamic range of operation and an increased signal to noise ratio.

Технический результат может быть получен за счет стабилизации средней мощности и амплитуды модуляции светового полезного сигнала на входе фотоприемника при атмосферных флуктуациях, а также за счет расширения динамического диапазона фотоприемника путем устранения влияния солнечной засветки. The technical result can be obtained by stabilizing the average power and modulation amplitude of the light useful signal at the input of the photodetector during atmospheric fluctuations, as well as by expanding the dynamic range of the photodetector by eliminating the influence of solar illumination.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве двусторонней оптической связи, содержащем два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллиматорную оптику, фотоприемник, схему обработки и регулирования через исполнительный элемент; схема обработки и регулирования выполнена на микроконтроллере, двух формирователях импульсов пилот и полезного сигналов, двух управляющих формирователях импульсов пилот и полезного сигналов и двух усилителей, а в лазер и источник питания соответственно введены контрольный фотоэлемент и исполнительный элемент, управляющий током лазера, при этом первый и второй выходы формирователя импульсов пилот-сигнала подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя импульсов полезного сигнала, первый вход последнего подключен к первому выходу микроконтроллера, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму входам управляющего формирователя импульсов пилот-сигнала, вход управляющего формирователя полезного сигнала подключен к четвертому выходу микроконтроллера, пятый вход которого подсоединен через первый усилитель к контрольному фотоэлементу лазера, второй усилитель входами соединен с фотоприемником оптической системы, а выходом подключен ко второму входу формирователя импульсов полезного сигнала и ко входу формирователя импульсов пилот-сигнала, а выходы управляющих формирователей импульсов пилот и полезного сигналов соединены с исполнительным элементом управления током лазера. The technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known two-way optical communication device containing two transceiver nodes, each of which has a transceiver optical system including a laser with a power source, collimator optics, a photodetector, a processing and regulation circuit through an actuating element; the processing and regulation circuit is performed on a microcontroller, two pilot and driver pulse shapers, two pilot and driver control pulse shapers, and two amplifiers, and a control photocell and an actuator that controls the laser current are introduced into the laser and power supply, the first and the second outputs of the pilot pulse shaper are connected respectively to the first and second inputs of the microcontroller, the third and fourth inputs of which are connected respectively with the first and second outputs of the useful pulse shaper, the first input of the latter is connected to the first output of the microcontroller, the second and third outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the pilot pulse shaper, the input of the useful driver shaper is connected to the fourth output of the microcontroller, fifth the input of which is connected through the first amplifier to the control photocell of the laser, the second amplifier by inputs is connected to the photodetector of the optical system we, and the output is connected to the second input of the useful signal pulses driver and to an input of the pilot signal pulses, and outputs the pilot control pulse shapers and useful signals are connected to the actuating current of laser control.

Кроме того, приемопередающая оптическая система устройства выполнена в виде, по крайней мере, трех собирающих линз, расположенных равномерно по периметру приемной площадки, на центральной оси которой с внешней стороны установлен лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а с внутренней последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник, а на оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, которая также оптически связана с фокусирующей линзой, при этом каждое поворотное зеркало установлено к оптической оси собирающей линзы под углом 5^o ≤ α ≤ 10^o.In addition, the transceiver optical system of the device is made in the form of at least three collecting lenses located uniformly around the perimeter of the receiving platform, on the central axis of which there is a laser with a power source and collimator optics on the outside, and an optical element with a reflecting surface, a focusing lens and a photodetector, and a rotary mirror optically coupled to the collecting lens and a reflecting surface is mounted on the optical axis of each collecting lens the optical element, which is also optically connected with the focusing lens, with each rotary mirror mounted to the optical axis of the collecting lens at an angle of 5 ^o ≤ α ≤ 10 ^o .

А также, оптический элемент выполнен в виде отражающей n-гранной призмы, где n - количество установленных собирающих линз, основание которой повернуто к приемной площадке, а зеркальные грани оптически связаны с поворотными зеркалами и фокусирующей линзой, при этом зеркальные грани с основанием составляют угол 3^o ≤ β ≤ 6^o.And also, the optical element is made in the form of a reflecting n-sided prism, where n is the number of installed collecting lenses, the base of which is turned to the receiving platform, and the mirror faces are optically connected with rotary mirrors and a focusing lens, while the mirror faces with the base make an angle of 3 ^o ≤ β ≤ 6 ^o .

И, кроме того, оптический элемент выполнен в виде линзы с выпуклой зеркальной поверхностью, которая оптически связана с поворотными зеркалами и фокусирующей линзой. And, in addition, the optical element is made in the form of a lens with a convex mirror surface, which is optically coupled to rotary mirrors and a focusing lens.

Стабильность средней мощности и амплитуды модуляции полезного сигнала обеспечиваются путем автоматического включения на рабочую точку и изменением в желаемую сторону амплитуды модуляции лазерного диода по сигналу ошибки, передаваемому пилот-сигналом, распространяющимся от передатчика к приемнику в атмосфере одновременно с полезным сигналом. The stability of the average power and modulation amplitudes of the useful signal are ensured by automatically switching on the operating point and changing the desired modulation amplitude of the laser diode by the error signal transmitted by the pilot signal propagating from the transmitter to the receiver in the atmosphere simultaneously with the useful signal.

Благодаря введенному микроконтроллеру оценивается уровень мощности, принимаемой приемным узлом системы. В микроконтроллере вырабатывается сигнал ошибки и по пилот-сигналу передается команда передающей стороне об изменении средней мощности и амплитуды модуляции. Кроме того, микроконтроллер приемной стороны формирует управляющее напряжение U_упр (по пилот-сигналу передающей стороны), изменяя тем самым в нужную сторону амплитуду модуляции и среднюю мощность соответствующего лазерного диода. При этом обеспечивается стабильность светового поля на входе фотоприемников при изменении условий распространения излучения в атмосфере, что улучшает соотношение сигнал/шум системы.Thanks to the introduced microcontroller, the level of power received by the receiving node of the system is estimated. An error signal is generated in the microcontroller and the pilot sends a command to the transmitting side about the change in the average power and modulation amplitude. In addition, the microcontroller of the receiving side generates a control voltage U _CPR (according to the pilot signal of the transmitting side), thereby changing the modulation amplitude and the average power of the corresponding laser diode in the desired direction. This ensures the stability of the light field at the input of the photodetectors when changing the propagation conditions of the radiation in the atmosphere, which improves the signal-to-noise ratio of the system.

Кроме того, использование предлагаемой оптической системы, в которой по крайней мере три собирающие линзы расположены симметрично по периметру приемной площадки, а фотоприемник находится на центральной оси системы, обеспечивает работу фотоприемника в сходящихся лучах, что приводит к увеличению спектральной селективности системы (снижения фоновой засветки) и формированию селективного угла зрения приемника. Это достигается тем, что в оптической системе наведения луча на приемную площадку, установка поворотных зеркал производится под углом 5-10^o, а отражающих поверхностей оптического элемента под углом 3-6^o градусов позволяет направить все принимаемое излучение на площадку фотоприемника при минимальных габаритах устройства, что повышает в устройстве соотношение сигнал/шум в условиях механических воздействий.In addition, the use of the proposed optical system, in which at least three collecting lenses are located symmetrically along the perimeter of the receiving platform, and the photodetector is located on the central axis of the system, ensures the operation of the photodetector in converging rays, which leads to an increase in the spectral selectivity of the system (reducing background illumination) and forming a selective angle of view of the receiver. This is achieved by the fact that in the optical system of guiding the beam to the receiving platform, the installation of rotary mirrors is carried out at an angle of 5-10 ^o , and the reflecting surfaces of the optical element at an angle of 3-6 ^o degrees allows you to direct all received radiation to the photodetector area with the minimum dimensions of the device, which increases the signal-to-noise ratio in the device under mechanical stress.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all existing features of the claimed invention, and the determination from the list of identified analogues of the prototype as the closest in terms of the totality of features of the analogue made it possible to identify the set of essential technical the result of the distinguishing features set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлено устройство двусторонней оптической связи, в котором схема обработки и регулирования обеспечивала бы высокое соотношение сигнал/шум за счет стабилизации средней мощности лазерного излучения и стабилизации амплитуды модуляции полезного сигнала при атмосферных флуктуациях. И, кроме того, не выявлена приемопередающая оптическая система, обеспечивающая расширение динамического диапазона фотоприемника за счет устранения влияния солнечной засветки при высокой механической стабильности, что увеличивает соотношение сигнал/шум. To verify the conformity of the claimed invention to the requirements of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art, since a two-way optical communication device has not been identified in which the processing and regulation circuit would provide high signal-to-noise ratio due to stabilization of the average laser radiation power and stabilization of the modulation amplitude of the useful signal ala under atmospheric fluctuations. And, in addition, a transceiving optical system has not been identified that provides an extension of the dynamic range of the photodetector by eliminating the influence of solar illumination with high mechanical stability, which increases the signal-to-noise ratio.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "Изобретательский уровень" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "Inventive step" under applicable law.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства двусторонней оптической связи. In FIG. 1 is a block diagram of a two-way optical communication device.

На фиг. 2 приведена схема обработки и регулирования приемопередающего узла. In FIG. 2 is a diagram of the processing and regulation of the transceiver unit.

На фиг.3 показана оптическая схема приемопередающего узла для n=4. Figure 3 shows the optical scheme of the transceiver node for n = 4.

На фиг.4 показана внешняя сторона оптической площадки приемопередающего узла. Figure 4 shows the outer side of the optical platform of the transceiver assembly.

На фиг. 5 показан оптический элемент, выполненный в виде линзы с выпуклой зеркальной поверхностью. In FIG. 5 shows an optical element made in the form of a lens with a convex mirror surface.

На фиг. 6 представлено распределение интенсивности принятого лазерного излучения по приемной площадке фотоприемника. In FIG. Figure 6 shows the intensity distribution of the received laser radiation over the receiving area of the photodetector.

На фиг. 7 показано распределение интенсивности луча на фотоприемнике от одной линзы. In FIG. 7 shows the distribution of the beam intensity at the photodetector from a single lens.

На фиг. 8 представлена зависимость мощности от угла зрения для неселективной (осесимметричной) оптической системы и для предлагаемой оптической схемы (фиг. 3). In FIG. 8 shows the dependence of power on the angle of view for a non-selective (axisymmetric) optical system and for the proposed optical design (Fig. 3).

Предлагаемое устройство двусторонней оптической связи (фиг. 1) содержит приемопередающие узлы 1,2, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему 3, включающую лазер 4 с источником питания 5, коллиматорную оптику 6, и фотоприемник 7, и схему обработки и регулирования 8 через исполнительный элемент 9, встроенный в источник питания. The proposed device for two-way optical communication (Fig. 1) contains transceiver nodes 1,2, each of which has a transceiver optical system 3, including a laser 4 with a power source 5, collimator optics 6, and a photodetector 7, and a processing and regulation circuit 8 through an executive element 9, built into the power source.

Схема обработки и регулирования 8 (фиг. 2) включает микроконтроллер 10, два формирователя импульсов пилот-сигнала 11 и полезного сигнала 12. Формирователь импульсов пилот-сигнала содержит последовательно соединенные фильтр низкой частоты 13 (ФНЧ), усилитель 14 (У) и компаратор (КП) 15. Кроме того, устройство содержит два управляющих формирователя импульсов пилот-сигнала 16 и полезного сигнала 17, первый 18 и второй 19 усилители, контрольный фотоэлемент 20, встроенный в лазер 4, при этом первый и второй выходы формирователя импульсов пилот-сигнала подключены соответственно к первому и второму входам микроконтроллера, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя импульсов полезного сигнала 12, содержащего фильтр высокой частоты 21(ФВЧ), компараторы 22 и 23 и трансформатор 24 T₂; первые входы пороговых компараторов 22 и 23 подключены к первому выходу микроконтроллера 10, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму входам управляемого формирователя импульсов пилот-сигнала 16, содержащего источник тока G₃ 25. Управляющий формирователь импульсов полезного сигнала 17, содержащий два источника тока 26,27 различной полярности G₁ и G₂ и трансформатор T₁ 28, подключен к четвертому выходу микроконтроллера, пятый вход которого соединен с контрольным фотоэлементом 20 через первый усилитель 18, а второй усилитель 19 входами подсоединен к фотоприемнику 7, а выходом - ко входам формирователей импульсов пилот 11 и полезного 12 сигналов. Выходы управляющих формирователей импульсов пилот 16 и полезного сигналов 17 подключены к исполнительному элементу 9 управления током, расположенному в источнике питания лазера 5. Вход и выход информации осуществляется в согласующем устройстве 29.The processing and control circuit 8 (Fig. 2) includes a microcontroller 10, two pulse shapers of the pilot signal 11 and a useful signal 12. The pulse shaper of the pilot signal contains a low-pass filter 13 (LPF), an amplifier 14 (U), and a comparator ( CP) 15. In addition, the device contains two control pulse shapers of the pilot signal 16 and the useful signal 17, the first 18 and second 19 amplifiers, a control photocell 20 built into the laser 4, while the first and second outputs of the pulse shaper of the pilot signal are connected respectively, to the first and second inputs of the microcontroller, the third and fourth inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the pulse shaper of the useful signal 12, containing a high-pass filter 21 (HPF), comparators 22 and 23 and a transformer 24 T ₂ ; the first inputs of the threshold comparators 22 and 23 are connected to the first output of the microcontroller 10, the second and third outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the controlled pulse shaper of the pilot signal 16, containing a current source G ₃ 25. The control pulse shaper of the useful signal 17, containing two a 26.27 current source of different polarity G ₁ and G ₂ and a transformer T ₁ 28 connected to the fourth output of the microcontroller, the fifth input of which is connected to the control photocell 20 through the first amplifier 18, and the second A swarm amplifier 19 inputs connected to the photodetector 7, and the output to the inputs of the pulse shapers pilot 11 and useful 12 signals. The outputs of the control pulse shapers pilot 16 and the useful signals 17 are connected to the actuator 9 of the current control located in the power source of the laser 5. Input and output of information is carried out in the matching device 29.

Кроме того, приемопередающая оптическая система 3 выполнена в виде четырех собирающих линз 30 (фиг.3), расположенных равномерно по периметру приемной площадки 31, на центральной оси 32 которой с внешней стороны установлены лазер 4 с источником питания 5 и коллиматорная оптика 6, а с внутренней последовательно размещены оптический элемент 33 с отражающей поверхностью 34, фокусирующая линза 35 и фотоприемник 7, а на оптической оси 36 каждой собирающей линзы 30 установлено поворотное зеркало 37, оптически связанное с собирающей линзой 30 и отражающей поверхностью 34 оптического элемента 33, которая также оптически связана с фокусирующей линзой 35, при этом каждое поворотное зеркало 37 установлено к оптической оси собирающей линзы 30 под углом 5^o ≤ α ≤ 10^o.In addition, the transceiver optical system 3 is made in the form of four collecting lenses 30 (Fig. 3), arranged uniformly around the perimeter of the receiving platform 31, on the central axis 32 of which is installed on the outside 32 a laser 4 with a power source 5 and collimator optics 6, and with an optical element 33 with a reflecting surface 34, a focusing lens 35 and a photodetector 7 are sequentially placed inside, and a rotary mirror 37 is mounted on the optical axis 36 of each collecting lens 30, which is optically coupled to the collecting lens 30 and reflecting rhnostyu 34 of the optical element 33, which is also optically coupled to the focusing lens 35, each rotary mirror 37 is set to the optical axis of the converging lens 30 at an angle of 5 ^o ≤ α ≤ 10 ^o.

При этом оптический элемент 33 может быть выполнен как в виде 4-х гранной призмы (для n=4), так и в виде отражающей выпуклой поверхности - линзы с отражающим покрытием (фиг. 5). В случае выполнения ее в виде призмы угол, образованный зеркальной гранью с основанием призмы, выдерживается в пределах 3^o ≤ β ≤ 6^o.In this case, the optical element 33 can be made both in the form of a 4-sided prism (for n = 4), and in the form of a reflecting convex surface - a lens with a reflective coating (Fig. 5). If it is made in the form of a prism, the angle formed by the mirror face with the base of the prism is maintained within 3 ^o ≤ β ≤ 6 ^o .

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Лазерное излучение поступает от одного приемопередающего узла 1 на приемную оптическую площадку 31 (фиг.4) другого приемопередающего узла 2 и собирающими линзами 30 фокусируется на поворотные зеркала 37, которые направляют излучение на оптический элемент 33. Отражающая поверхность 34 оптического элемента 33 направляет излучение на линзу 35, которая фокусирует излучение на приемную площадку фотоприемника 7. Излучение с выхода фотоприемника преобразуется в электрический сигнал, усиливается усилителем 19 и поступает на фильтры высокой 21 (ФВЧ) и низкой 13 (ФНЧ) частоты. Низкочастотная составляющая сигнала представляет собой пилот-сигнал. Высокочастотный - полезный сигнал, выделяемый ФВЧ, поступает на компараторы 22 и 23, обеспечивающие работу раздельно отрицательных и положительных импульсов, и на третий и четвертый входы микроконтроллера 10. Laser radiation comes from one transceiver node 1 to the receiving optical platform 31 (Fig. 4) of the other transceiver node 2 and by collecting lenses 30 it focuses on rotary mirrors 37, which direct the radiation to the optical element 33. The reflecting surface 34 of the optical element 33 directs the radiation to the lens 35, which focuses the radiation on the receiving platform of the photodetector 7. The radiation from the output of the photodetector is converted into an electrical signal, amplified by an amplifier 19, and fed to high 21 (HPF) filters and low Coy 13 (LPF) frequencies. The low-frequency component of the signal is a pilot signal. High-frequency - the useful signal emitted by the HPF is fed to comparators 22 and 23, which ensure the operation of separately negative and positive pulses, and to the third and fourth inputs of the microcontroller 10.

Низкочастотный пилот-сигнал с выхода ФНЧ 13 поступает на усилитель 14 и на первый и второй входы микроконтроллера 10, причем на первый вход поступает постоянная составляющая фотоприемника. В микроконтроллере 10 производится измерение постоянной составляющей принимаемого напряжения фотоприемника 7 и вырабатывается управляющее напряжение U_упр2 для корректировки среднего значения тока лазера по формуле:
I₃ = γ(U_упр2+U_{пилот-c.}),
где γ - константа; U_упр2 - напряжение управления, U_{пилот-с} - напряжение пилот-сигнала.The low-frequency pilot signal from the output of the low-pass filter 13 is fed to the amplifier 14 and to the first and second inputs of the microcontroller 10, and the constant component of the photodetector is fed to the first input. In the microcontroller 10, the DC component of the received voltage of the photodetector 7 is measured and a control voltage U _{CPR2 is generated} to adjust the average value of the laser current according to the formula:
I ₃ = γ (U _upr2 + U _pilot-s. ),
where γ is a constant; U _upr2 - control voltage, U _pilot-s - pilot voltage.

С второго и третьего выходов микроконтроллера U_упр2 поступает на управляющий формирователь импульсов пилот- сигнала 16, также как и U_{пилот-с}, увеличивая (уменьшая) среднее значение тока I₃, поступающего на исполнительный элемент 9, управляющий током источника питания лазерного диода.From the second and third outputs of the microcontroller, U _{control 2 is} supplied to the control pulse shaper of the pilot signal 16, as well as the U _{pilot s} , increasing (decreasing) the average value of the current I ₃ supplied to the actuator 9, which controls the current of the laser diode power source.

Различной полярности высокочастотные составляющие сигнала с выхода формирователя импульсов полезного сигнала 12 поступают на третий и четвертый входы микроконтроллера 10. Здесь вырабатывается сигнал U_упр1, который поступает с четвертого выхода микроконтроллера на управляющий формирователь импульсов полезного сигнала 17, на источники тока различной полярности 26, 27, увеличивая (уменьшая) амплитуду модуляции.Of different polarity, the high-frequency components of the signal from the output of the pulse shaper of the useful signal 12 are supplied to the third and fourth inputs of the microcontroller 10. Here, the signal U _{control1 is generated} , which comes from the fourth output of the microcontroller to the control pulse shaper of the useful signal 17, to current sources of different polarity 26, 27, increasing (decreasing) the amplitude of the modulation.

С выхода управляющего формирователя импульсов полезного сигнала 17 токи I₁ и I₂ поступают на исполнительный элемент 9. Таким образом, на исполнительный элемент лазерного диода поступают три тока
I_d = I₃+I₁-I₂,
где I₁ - ток источника питания G₁; I₂ - ток источника питания G₂; I₃ - ток источника питания G₃,
регулируя среднее значение тока и амплитуду модуляции.From the output of the control pulse shaper of the useful signal 17, the currents I ₁ and I ₂ are supplied to the actuating element 9. Thus, three currents are supplied to the actuating element of the laser diode
I _d = I ₃ + I ₁ -I ₂ ,
where I ₁ is the current of the power source G ₁ ; I ₂ - current power supply G ₂ ; I ₃ - current power supply G ₃ ,
adjusting the average value of the current and the amplitude of the modulation.

Таким образом, взаимная работа обращенных друг к другу приемопередатчиков 1,2, образующих полную двустороннюю линию оптической связи, корректируется, не искажая основной информации в канале связи. Кроме того, расширяется динамический диапазон работы фотоприемника и повышается соотношение сигнал-шум, причем не только за счет функциональной схемы, но за счет предлагаемой оптической схемы (фиг.3). Thus, the mutual operation of the transceivers 1.2 facing each other, forming a full two-way optical communication line, is corrected without distorting the basic information in the communication channel. In addition, the dynamic range of the photodetector is expanded and the signal-to-noise ratio is increased, not only due to the functional scheme, but due to the proposed optical scheme (Fig. 3).

Угол выставления поворотного зеркала 37 5-10^o и угол выставления отражающей поверхности 34 отражающего элемента 33 выбираются из условия уменьшения осевых габаритов системы и с целью направления излучения на фокусирующую линзу 35 в фотоприемник 7. Увеличение углов приводит к уменьшению сигнал-шум из-за увеличения механической нестабильности системы, а их уменьшение не позволяет обеспечить желаемого распределения интенсивности излучения по площадке фотоприемника. Предлагаемое выполнение оптической схемы позволяет получить распределение интенсивности лазерного излучения по приемной площадке фотоприемника 7 такое, как показано на фиг.6. Окружность 38 представляет собой фотоприемную площадку 31, по поверхности которой равномерно распределена интенсивность лазерного излучения в случае, если бы использовалась осесимметричная оптическая система. Вытянутые эллипсы 39 фиг.4 иллюстрируют распределение интенсивности в случае использования 4-х приемных линз 30, поворотных зеркал 37, отражающей поверхности 34 оптического элемента 33 и фокусирующей линзы 35. Эллипсы перекрываются в центре окружности, так что здесь наблюдается максимальная освещенность (фиг. 7).The angle of exposure of the rotary mirror 37 5-10 ^o and the angle of exposure of the reflecting surface 34 of the reflecting element 33 are selected from the condition of decreasing the axial dimensions of the system and in order to direct the radiation to the focusing lens 35 in the photodetector 7. An increase in the angles leads to a decrease in signal-to-noise ratio due to the increase mechanical instability of the system, and their decrease does not allow to provide the desired distribution of radiation intensity over the site of the photodetector. The proposed implementation of the optical scheme allows you to get the distribution of the intensity of the laser radiation at the receiving site of the photodetector 7 such as shown in Fig.6. The circle 38 is a photodetector pad 31, on the surface of which the laser radiation intensity is evenly distributed if an axisymmetric optical system was used. The elongated ellipses 39 of FIG. 4 illustrate the intensity distribution in the case of using 4 receiving lenses 30, rotary mirrors 37, a reflective surface 34 of the optical element 33, and a focusing lens 35. The ellipses overlap in the center of the circle, so that maximum illumination is observed here (FIG. 7 )

Зависимость интенсивности излучения от угла зрения в плоскости, проходящей через любую пару линз (для n=4), приведена на фиг. 8, кривая 40. Кривая 41 соответствует зависимости интенсивности излучения от угла зрения для осесимметричной системы. В процессе юстировки лазерной системы оптической связи очень важной характеристикой является допустимый угол зрения системы связи, который определяется диаметром приемной площадки и приведенным фокусным расстоянием оптической системы. Чем больше угол зрения, тем легче съюстировать устройство, но при этом усиливается вредное влияние солнечной засветки, снижающее динамический диапазон фотоприемника. Показанная на фиг. 5 кривая 40, зависимость интенсивности излучения от угла зрения системы связи, позволяет, сохранив требуемый угол зрения для юстировки системы, снизить принимаемый солнечный фон за счет резкого снижения принимаемой мощности при больших углах отклонения от оси. Это позволяет снизить влияние солнечной засветки, увеличить динамический диапазон фотоприемника и устройства в целом и повысить соотношение сигнал/шум устройства двусторонней оптической связи. The dependence of the radiation intensity on the angle of view in the plane passing through any pair of lenses (for n = 4) is shown in FIG. 8, curve 40. Curve 41 corresponds to the dependence of the radiation intensity on the angle of view for an axisymmetric system. In the process of adjusting the laser optical communication system, a very important characteristic is the permissible angle of view of the communication system, which is determined by the diameter of the receiving area and the reduced focal length of the optical system. The larger the angle of view, the easier it is to align the device, but at the same time, the harmful effect of solar illumination is amplified, which reduces the dynamic range of the photodetector. Shown in FIG. 5, curve 40, the dependence of the radiation intensity on the viewing angle of the communication system, while maintaining the required viewing angle for aligning the system, reduces the received solar background due to a sharp decrease in the received power at large angles of deviation from the axis. This allows you to reduce the effect of sunlight, increase the dynamic range of the photodetector and the device as a whole and increase the signal-to-noise ratio of the two-way optical communication device.

Приводим пример, доказывающий возможность практической реализации лазерной системы связи с устройством корректировки вредного влияния атмосферных условий:
- длина волны лазерного излучения - 0,785 мкм
- средняя мощность лазерного излучения - 25 мВт
- частота следования импульсов полезного сигнала - 100 МГц
- частота следования импульсов пилот-сигнала - 1 кГц.We give an example proving the feasibility of the practical implementation of a laser communication system with a device for adjusting the harmful effects of atmospheric conditions:
- wavelength of laser radiation - 0.785 microns
- average laser radiation power - 25 mW
- pulse repetition rate of the useful signal - 100 MHz
- the pulse repetition rate of the pilot signal is 1 kHz.

Приемопередающий узел лазерной системы связи выполнен в виде цилиндра, размещенного на подставке. Габариты узла - ⌀ 220 х 350 мм. The transmitter-receiver unit of the laser communication system is made in the form of a cylinder placed on a stand. Dimensions of the unit - ⌀ 220 x 350 mm.

Характеристики лазерной системы связи:
- величина цифровой ошибки 10^-9BER
- дальность действия 5000 м.Characteristics of a laser communication system:
- digital error value 10 ^-9 BER
- range of 5000 m.

Приведенный пример показывает, что заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость". The above example shows that the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability".

Claims

1. A two-way optical communication device containing two transceiver nodes, each of which has a transceiver optical system, including a laser with a power source, collimator optics, a photodetector, a processing and regulation circuit through an actuating element, characterized in that the processing and regulation circuit is made on a microcontroller generating a control voltage for adjusting the laser current, a pilot pulse shaper, a useful signal pulse shaper, controlling a driver a pilot pulse generator, controlling a useful signal pulse generator, two amplifiers, and a control photocell and an actuation element are respectively introduced into the laser and power supply circuits, while the first and second inputs of the pilot pulse generator are connected to the first and second inputs of the microcontroller, the third and fourth inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the pulse shaper of the useful signal, the first input of the latter is connected to the first output rocker controller, the second and third outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the control pulse shaper of the pilot signal, the first input of the control pulse shaper of the useful signal is connected to the fourth output of the microcontroller, the fifth input of which is connected through the first amplifier to the control photocell of the laser, the output of the control pulse shaper the useful signal and the output of the pilot pilot pulse shaper are connected to the power supply actuator I have a laser to control the laser current, and the photodetector of the optical system is connected to a second amplifier, the output of which is connected to the input of the pilot pulse shaper and the second input of the useful pulse shaper, the third and fourth outputs of the latter are connected respectively to the first and second inputs of the matching device, the first and the second outputs of which are respectively connected to the second and third inputs of the control pulse shaper of the useful signal.

2. The device according to claim 1, characterized in that the transceiving optical system contains a receiving pad with a perimeter in the form of a circle, the center of which coincides with the central axis of the system, at least three collecting lenses are installed on one side of the pad, installed uniformly around the perimeter the receiving platform and a laser with a power source and collimator optics sequentially placed on the axis, and on the other side of the platform, an optical element with a reflecting surface, a focusing lens and a photo reception are sequentially placed mannik, on the optical axis of each collecting lens there is a rotary mirror optically coupled to the collecting lens and the reflective surface of the optical element, which is also optically connected to the focusing lens, with each rotating mirror mounted to the optical axis of the collecting lens at an angle of 5 ≤ α ≤ 10 ^o .

3. The device according to claim 2, characterized in that the optical element is made in the form of a reflecting n-facet prism, where n is the number of installed collecting lenses, the base of which is turned to the receiving platform, and the mirror faces are optically connected with the corresponding rotary mirrors and the focusing lens , while the mirror faces with the base of the prism make an angle of 3 ≤ β ≤ 6 ^o .

4. The device according to claim 2, characterized in that the optical element is made in the form of a lens with a convex mirror surface, which is optically connected with rotary mirrors and with a focusing lens.