RU2227374C2 - Способ передачи информации с помощью модулированного лазерного излучения и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам оптической связи и может использоваться в атмосферных и космических лазерных линиях связи. Технический результат заключается в увеличении доли мощности лазерного излучения (ЛИ), используемой для передачи информации. Для этого уменьшают расходимость промодулированного пучка лазерного излучения, расходимость пучка ЛИ - по уровню е-2 от максимальной яркости ЛИ, выбирают как

где К<1, а_гр - граничная ошибка наведения пучка ЛИ на приемный конец линии связи, а на приемном конце линии связи ЛИ принимают матрицей из N разнесенных в пространстве оптических антенн, где N≥2, расположенной в области, ограниченной телесным углом имеющим значение не более π × а_гр2 и ориентированным из передающего конца на приемный конец линии связи. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к системам оптической связи и может быть использовано как в атмосферных, так и в космических лазерных линиях связи.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему способу передачи информации с помощью модулированного лазерного излучения является способ передачи информации с помощью модулированного лазерного излучения, который описан в [1].

Этот способ передачи информации с помощью модулированного лазерного излучения (ЛИ), заключается в том, что на передающем конце линии связи генерируют ЛИ, модулируют передаваемой информацией один из параметров ЛИ: амплитуду, частоту или поляризацию, формируют из ЛИ пучок, наводят пучок ЛИ на приемный конец линии связи, а на приемном конце линии связи принимают ЛИ, детектируют ЛИ и выделяют информацию, причем расходимость пучка ЛИ - Θ, по уровню е^-2 от максимальной яркости ЛИ, выбирают как

где α_гр граничная ошибка наведения пучка ЛИ на приемный конец линии связи.

Недостатком прототипа является невозможность увеличения доли мощности ЛИ, используемой для передачи информации.

Данный недостаток вызван следующими обстоятельствами. Наведенный на передающий конец линии связи пучок ЛИ формирует на плоскости приема распределение интенсивности I, Вт/м², промодулированного ЛИ. Для передачи информации необходимо обеспечить с одной стороны непрерывность облучения апертуры приемной антенны промодулированным ЛИ при всех возможных значениях угловой ошибки наведения пучка ЛИ на приемный конец линии связи - α, радиан, с другой стороны, такой уровень интенсивности ЛИ на апертуре приемной антенны, при которой собираемая этой антенной мощность ЛИ - Р достаточна для передачи информации с требуемым качеством. В способе прототипе в качестве компромисса между этими двумя противоречивыми требованиями предложено выбирать расходимость пучка ЛИ - Θ, по уровню е^-2 от максимальной яркости ЛИ, как

(в случае гауссовского пучка знак "≈" заменяется на "="). При этом, в рабочей области приема, ограниченной окружностью с диаметром, равным 2×α_гp × L, где L - протяженность линии связи, зависимость мощности ЛИ собираемой приемной антенной от ошибки наведения пучка ЛИ на приемный конец линии связи P(α×L) изменяется от своего максимального значения при α=0 до своего минимально допустимого значения при α=α_гр. Мощность ЛИ находящаяся в “крыльях” пучка, при α>α_гр, не используется (теряется) для передачи информации. Уменьшение расходимости пучка приводит к увеличению доли мощности ЛИ, используемую для передачи информации, но при этом уменьшается значение P(α×L) при α близких к α_гр. Увеличение расходимости пучка приводит к уменьшению доли мощности ЛИ, используемую для передачи информации и уменьшению значения P(α×L) при α близких к нулю.

Для устранения отмеченных недостатков в способе передачи информации с помощью модулированного лазерного излучения, заключающемся в том, что на передающем конце линии связи генерируют ЛИ, модулируют передаваемой информацией один из параметров ЛИ: амплитуду, частоту или поляризацию, формируют из ЛИ пучок, наводят пучок на приемный конец линии связи, а на приемном конце линии связи принимают ЛИ, детектируют ЛИ и выделяют информацию, причем расходимость пучка ЛИ - Θ, по уровню е^-2 от максимальной яркости ЛИ, выбирают как

где α_гр граничная ошибка наведения пучка ЛИ на приемный конец линии связи, расходимость пучка ЛИ - Θ уменьшают в К раз, где К>1, а на приемном конце линии связи ЛИ принимают матрицей из N разнесенных в пространстве оптических антенн, где N≥2, расположенной в области, ограниченной телесным углом, имеющим значение не более π×α $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{гр}}$ и ориентированным из передающего конца на приемный конец линии связи. Кроме того, на передающем конце линии связи формируют из ЛИ гауссовский пучок.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа, показывающие “новизну” изобретения, заключаются в следующем.

Уменьшение расходимости гауссовского пучка ЛИ в К раз, где К>1, позволяет “сжать” (увеличить максимальное значение P(α×L)=0 и крутизну функции P(α×L)) зависимость P(α×L) для одиночной оптической антенны на приемном конце линии передачи.

Прием гауссовского пучка ЛИ матрицей из N разнесенных в пространстве оптических антенн, где N≥2 позволяет при ошибках наведения не превышающих граничное значение, обеспечить прием пучка ЛИ с меньшей расходимостью (хотя бы частью из N оптических антенн).

Выполнение определенных соотношений между α_гр, Θ и размерами области пространства, в которой расположена матрица из N, где N≥2, разнесенных в пространстве оптических антенн, указанных в формуле изобретения, позволяет трансформировать зависимость P(α×L) прототипа в сторону перераспределения неиспользуемой (в прототипе) для передачи информации мощности ЛИ из области α>α_гр в рабочую область приема, при α≤α_гр.

Совокупность введенных элементов и их связи, не обнаруженные до даты подачи заявки в патентной и научной литературе, позволили увеличить долю мощности ЛИ, используемую для передачи информации. Техническое решение соответствует изобретательскому уровню.

Сущность заявленного способа поясним на работе реализующего его устройства.

Известно устройство оптической линии связи, содержащее первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый лазерный терминал содержит М оптических передающих антенных модулей, входы которых через волоконно-передающую шину связаны с выходом модуля лазерных передатчиков, четыре оптических приемных антенных модуля, выходы которых через волоконно-приемную шину связаны с фотоприемником, блок формирования информационного потока, вход которого связан с выходом фотоприемника, причем М оптических передающих антенных модулей и четыре оптических приемных антенных модуля жестко установлены на подвижной конструкции лазерного терминала, при этом оптические оси четыре оптических приемных антенных модулей параллельны, а приемные субапертуры разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, расстояние в указанной выше плоскости между наиболее удаленными границами ближайших между собой приемных субапертур должно быть не меньше утроенной величины зоны Френеля со стороны лазерного терминала, находящегося в режиме приема, а каждый из М, где М≥2, оптических передающих антенных модулей имеет ширину диаграммы направленности излучения, меньшую характерного угла нестабильности места крепления соответствующего оптического передающего антенного модуля, при этом оптические оси указанного излучения М оптических передающих антенных модулей не параллельны и смещены на угол γ, меньший ширины диаграммы направленности излучения одного оптического передающего антенного модуля [2].

Недостатком указанного устройства оптической линии связи является необходимость применения нескольких передающих апертур для увеличения доли мощности ЛИ, используемой для передачи информации, что приводит к росту стоимости системы.

Технический результат, который достигается при осуществлении заявленного устройства оптической линии связи, заключается в снижении стоимости устройства при равной доле мощности ЛИ, используемой для передачи информации.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве оптической линии связи, содержащем первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый лазерный терминал содержит М оптических передающих антенных модулей, входы которых через волоконно-передающую шину связаны с выходом модуля лазерных передатчиков, четыре оптических приемных антенных модуля, выходы которых через волоконно-приемную шину связаны с фотоприемником, блок формирования информационного потока, вход которого связан с выходом фотоприемника, причем М оптических передающих антенных модулей и четыре оптических приемных антенных модуля жестко установлены на подвижной конструкции лазерного терминала, при этом оптические оси четыре оптических приемных антенных модулей параллельны, а приемные субапертуры разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, М=1, оптический передающий антенный модуль формирует гауссовский пучок ЛИ с расходимостью 2,70×α_гp ≥ Θ ≥ 2,00×α_гр, ось которого параллельна оптическим осям четырех оптических приемных антенных модулей, а четыре оптических приемных антенных модуля расположены равномерно по окружности с диаметром D=(2,67×α_гp-0,77×Θ)×L очерченной вокруг оптического передающего антенного модуля, где L - расстояние между двумя лазерными терминалами.

Существенные отличия предлагаемого устройства оптической линии связи от прототипа, показывающие “новизну” изобретения, заключаются в следующем.

Используется один оптический передающий антенный модуль, который формирует гауссовский пучок ЛИ, ось которого параллельна оптическим осям четырех оптических приемных антенных модулей, а расходимостью Θ выбрана из условия 2,70×α_гp ≥ Θ ≥ 2,00×α_гр.

Четыре оптических приемных антенных модуля расположены равномерно по окружности с диаметром D=(2,67×α_гр-0,77×Θ)×L очерченной вокруг оптического передающего антенного модуля.

Выполнение определенных соотношений между α_гр, Θ и размерами области пространства - D, в которой расположена матрица из четырех разнесенных в пространстве оптических антенн, указанных выше, позволяет получить зависимость P(α×L) аналогичную прототипу при одном оптическом передающем модуле (вместо четырех у прототипа) и тем самым уменьшить стоимость устройства.

Совокупность введенных элементов и их связи, не обнаруженные до даты подачи заявки в патентной и научной литературе, позволили уменьшить стоимости устройства при равной доле мощности ЛИ, используемой для передачи информации.

Техническое решение соответствует изобретательскому уровню.

На фиг.1 представлена блок-схема лазерного терминала, на базе которого строится устройство оптической линии связи, реализующее предлагаемый способ, где: 1 - оптический передающий антенный модуль; 2 - волоконно-передающая шина; 3 - модуль лазерных передатчиков; 4 - подвижная конструкция лазерного терминала; 5 - оптический приемный антенный модуль; 6 - волоконно-приемная шина; 7 - фотоприемник; 8 - блок формирования информационного потока.

На фиг.2 представлена схема размещения антенных модулей лазерного терминала в плоскости приема, где d - диаметр приемных субапертур оптического приемного антенного модуля 5, м; D - диаметр окружности очерченной вокруг оптического передающего антенного модуля 1, на которой равномерно расположены четыре оптических приемных антенных модуля 5, м.

На фиг.3 представлены: 9 - прямая D=(2,67×α_гp-0,77×Θ)×L; области значений параметров Θ/α_гр и D/(α_гp × L), обозначенные как 10, 11 и 12, в которых отношение P₄(α×L=0)/P(α×L=0) составляет не менее 1,00; 1,05 и 1,10 соответственно, а P₄(α×L)≥ P(α×L) при α≤α_гp, где P₄(α×L) - зависимость мощности ЛИ принимаемой четырьмя оптическими приемными антеннами модулями 5 от ошибки наведения гауссовского пучка ЛИ противоположного терминала лазерной связи, а P(α×L) аналогичная зависимость для приемной антенны, состоящей из четырех близко расположенных оптических приемных антенных модулей. Расчет проведен для случая выполнения неравенства Θ×L>>d.

На фиг.4 представлены: 13 - зависимость P₄(α×L)/P(α×L=0); 14 - зависимость P(α×L)/P(α×L=0); 15 - зависимость Р*(α×L)/P(α×L=0), где P*(α×L) равномерное распределение в области α_гр. Зависимость P₄(α×L)/P(α×L=0) 13 построена при Θ=2,2×α_гр и D=0,976×α_гp × L для “худшего” направления изменения ошибки наведения: от оптического передающего модуля по биссектрисе угла, образованного двумя соседними оптическими приемными моделями и оптическим передающим модулем (вершина угла). Зависимость P(α×L)/P(α×L=0) 14 построена при

Устройство оптической линии связи, реализующее предлагаемый способ, содержит первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый лазерный терминал содержит М оптических передающих антенных модулей 1, входы которых через волоконно-передающую шину 2 связаны с выходом модуля лазерных передатчиков 3, четыре оптических приемных антенных модуля 5, выходы которых через волоконно-приемную шину 6 связаны с фотоприемником 7, блок формирования информационного потока 8, вход которого связан с выходом фотоприемника 7, М оптических передающих антенных модулей 1 и четыре оптических приемных антенных модуля 5 жестко установлены на подвижной конструкции лазерного терминала 4, при этом оптические оси четыре оптических приемных антенных модулей 5 параллельны, а приемные субапертуры разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, причем М=1, оптический передающий антенный модуль 1 формирует гауссовский пучок ЛИ с расходимостью 2,70×α_гp ≥ Θ ≥ 2,00×α_гр, ось которого параллельна оптическим осям четырех оптических приемных антенных модулей 5, а четыре оптических приемных антенных модуля 5 расположены равномерно по окружности с диаметром D=(2,67×α_гр-0,77×Θ)×L, очерченной вокруг оптического передающего антенного модуля 1, где L - расстояние между двумя лазерными терминалами.

Устройство, реализующее предлагаемый в качестве изобретения способ, работает следующим образом. Предварительно определяется α_гр граничная ошибка наведения гауссовского пучка ЛИ на противоположный терминал лазерной связи, например, как максимальная величина угловой нестабильности опоры терминала лазерной связи. Расходимость гауссовского пучка ЛИ по уровню е^-2 от максимальной яркости выбирается из неравенства 2,70×α_гp ≥ Θ ≥ 2,00 × α_гр, а величина D для противоположного терминала как D=(2,67×α_гp-0,77×Θ)×L, например Θ=2,20×α_гр, тогда D=0,976×α_гp × L. При α_гp=10^-3 рад и L=1000 м получим D=0,976 м.

Перед началом работы лазерные терминалы юстируются (наводятся) пространственным перемещением подвижной конструкции лазерного терминала 4 таким образом, чтобы оптические оси оптических передающих антенных модулей 1 двух лазерных терминалов совпадали.

В первом лазерном терминале модуль лазерных передатчиков 3 генерирует ЛИ, модулирует передаваемой информацией один из параметров ЛИ: амплитуду или частоту и по волоконно-передающей шине 2 передает ЛИ на вход оптического передающего антенного модуля 1. Оптический передающий антенный модуль 1 формирует из ЛИ гауссовский пучок с расходимостью Θ=2,20×α_гp, который направлен на центр окружности, на которой равномерно расположены четыре оптических приемных антенных модуля 5 противоположного лазерного терминала. Приемные субапертуры четырех оптических приемных антенных модулей 5 собирают дошедшее до них промодулированное ЛИ, которое по волоконно-приемной шине 6 доставляется до фотоприемника 7. Фотоприемник 7 преобразовывает ЛИ в электрический сигнал, который поступает на блок формирования информационного потока 8. Блок формирования информационного потока 8 проводит обработку электрического сигнала с выхода фотоприемника 7, например, по алгоритмам приведенным в [1], и выделяет передаваемую информацию.

При нулевой ошибке наведения на плоскости “приема” (плоскости, на которой “лежат” приемные субапертуры четырех оптических приемных антенных модулей 5) формируется гауссовское распределение интенсивности I, Вт/м², промодулированного ЛИ с характерным размером по уровню е^-2 от максимальной интенсивности, равным 2,20 × α_гp × L, и координатами точки с максимальной интенсивностью ЛИ, совпадающими с центром окружности, на которой равномерно расположены приемные субапертуры четырех оптических приемных антенных модулей 5 (см. фиг.2). При этом приемные субапертуры четырех оптических приемных антенных модулей 5 собирают в 1,1 раз большую мощность промодулированного ЛИ - P₄(α×L=0), чем в случае приема гауссовского распределения интенсивности I*, Вт/м², промодулированного ЛИ с характерным размером по уровню е^-2 от максимальной интенсивности, равным

четырьмя близко расположенными оптическими приемными антенными модулями 5-P(α×L=0) (см. область 10, 12 на фиг.3 и кривые 13, 14 на фиг.4). При появлении ошибки наведения, например, вследствие угловой нестабильности опоры первого терминала лазерной связи значение P₄(α×L) (кривая 13 на фиг.4) будет не менее значения P(α×L) (кривая 14 на фиг.4) при α≤α_гр.

В устройстве - прототипе для получения зависимости принимаемой мощности ЛИ от ошибки наведения гауссовского пучка аналогичной зависимости 13 (на фиг.4) требуется не менее четырех оптических передающих антенных модулей 1. Таким образом, заявленное устройство оптической линии связи позволяет уменьшить стоимость устройства (за счет использования только одного оптического передающего антенного модуля 1) при равной доле мощности ЛИ, используемой для передачи информации.

Отметим, что при реализации заявленного способа, в случае когда количестве оптических приемных антенных модулей N→∝, a расходимость пучка

, зависимость принимаемой мощности ЛИ от ошибки наведения P*(α×L) (при неизменной суммарной площади приемных субапертур) стремиться к кривой 15 на фиг.4.

Источники информации

1. Лазерная космическая связь / Под ред. М. Кацмана, -М.: Радио и связь, 1993 г., стр.10, 59, 60.

2. Патент РФ №2174741, Н 04 В 10/00, 7/185. Устройство для атмосферной оптической связи, бюл. №28 10.10.2001.

Claims (3)

1. Способ передачи информации с помощью модулированного лазерного излучения (ЛИ), заключающийся в том, что на передающем конце линии связи генерируют ЛИ, модулируют передаваемой информацией один из параметров ЛИ: амплитуду, частоту или поляризацию, формируют из ЛИ пучок, наводят пучок ЛИ на приемный конец линии связи, а на приемном конце линии связи принимают ЛИ, детектируют ЛИ и выделяют информацию, отличающийся тем, что расходимость пучка ЛИ - по уровню е^-2 от максимальной яркости ЛИ, выбирают как

где К<1, а_гр - граничная ошибка наведения пучка ЛИ на приемный конец линии связи, а на приемном конце линии связи ЛИ принимают матрицей из N разнесенных в пространстве оптических антенн, где N≥2, расположенной в области, ограниченной телесным углом, имеющим значение не более π·а $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{гр}}$ и ориентированным из передающего конца на приемный конец линии связи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на передающем конце линии связи формируют из ЛИ гауссовский пучок.

3. Устройство оптической линии связи, реализующее способ по пп.1 и 2, содержащее первый и второй лазерные терминалы, каждый из которых выполнен с возможностью функционирования в режимах приема и передачи, при этом каждый лазерный терминал содержит оптический передающий антенный модуль, вход которого через волоконно-передающую шину связан с выходом модуля лазерных передатчиков, четыре оптических приемных антенных модуля, выходы которых через волоконно-приемную шину связаны с фотоприемником, блок формирования информационного потока, вход которого связан с выходом фотоприемника, причем оптический передающий антенный модуль и четыре оптических приемных антенных модуля жестко установлены на подвижной конструкции лазерного терминала, при этом оптические оси четырех оптических приемных антенных модулей параллельны, а приемные субапертуры разнесены в плоскости, перпендикулярной их оптическим осям, отличающееся тем, что оптический передающий антенный модуль формирует гауссовский пучок ЛИ с расходимостью 2,70·а_гр ≥ θ ≥ 2,00·а_гр, ось которого параллельна оптическим осям четырех оптических приемных антенных модулей, а четыре оптических приемных антенных модуля расположены равномерно по окружности с диаметром D=(2,67·a_гp - 0,77·θ)·L, очерченной вокруг оптического передающего антенного модуля, где L - расстояние между двумя лазерными терминалами.

Images