RU2760491C1

RU2760491C1 - Method for transmitting messages over free-space optical communication

Info

Publication number: RU2760491C1
Application number: RU2020119260A
Authority: RU
Inventors: Андрей Андреевич Катанович; Вячеслав Александрович Цыванюк; Юрий Викторович Шокин
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-11-25

Abstract

FIELD: optical communication.

SUBSTANCE: invention relates to the field of optical communication and can be used to transmit messages through an atmosphere containing optical radiation scattering formations. To do this, in the method for transmitting messages over an atmospheric optical communication line, the message transmission process begins with the emission of test optical pulses of minimum amplitude, followed by increasing their amplitude from pulse to pulse and receiving on the transmitting side the radiated test optical pulses and signals scattered by the propagation medium, and when the amplitude of these received pulses and signals exceeds the set value, the emission of test pulses and message transmission is stopped, and then resumed, repeating the specified sequence of operations, starting with the emission of test optical pulses with an amplitude increasing from the minimum value.

EFFECT: increasing the secrecy of the transmission of messages, namely, making it difficult to intercept them, detect the location of the optical transmitter and the event of message transmission.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано для передачи сообщений через атмосферу, содержащую рассеивающие оптическое излучение образования, например туманы, дымку, дождь, снегопад, облака и прочее.The invention relates to the field of optical communication and can be used to transmit messages through the atmosphere containing formations scattering optical radiation, for example, fog, haze, rain, snowfall, clouds, etc.

При передаче сообщений оптическими сигналами через атмосферу, в которой на пути распространения оптических сигналов могут появиться рассеивающие образования, например, туман, дымка, подвижные облака и прочее, возможно обнаружение рассеянных атмосферой оптических сигналов средствами оптико-электронной разведки и соответственно этому обнаружение факта передачи сообщений, местоположения передатчика и перехват сообщений. Особенно это проявляется при расположении рассеивающих образований вблизи передатчика сообщений и значительном удалении приемника этих сообщений от передатчика, например, при передаче оптических сигналов с наземного или надводного объекта на космический аппарат.When transmitting messages by optical signals through the atmosphere, in which scattering formations may appear on the path of propagation of optical signals, for example, fog, haze, moving clouds, etc., it is possible to detect optical signals scattered by the atmosphere by means of optical-electronic reconnaissance and, accordingly, to detect the fact of transmission of messages, the location of the transmitter and the interception of messages. This is especially manifested when the scattering formations are located near the transmitter of messages and the receiver of these messages is at a significant distance from the transmitter, for example, when transmitting optical signals from a ground or surface object to a spacecraft.

Известен способ и устройство (патент RU 2563968, кл. Н04В 10/10, опубл. 27.09.2015 г., Бюл. № 27-2015) для управления оптической мощностью при передаче данных по оптическим каналам связи. В этом способе совместно с сигналами данных излучают сигналы тестирования, которые отражаются от ретрорефлекторов, установленных на пути их распространения, и затем принимаются оптическим приемником передающей стороны, чтобы проверить качество работы оптического канала связи. Передача данных включает в себя наблюдение за выходной оптической мощностью оптического передатчика и оценивание, принят ли предварительно установленный сигнал управления тестированием. Если не принят, то осуществляют модулирование сигнала данных и регулирование тока смещения оптического передатчика согласно результату наблюдения за выходной мощностью оптического передатчика для реализации автоматического управления мощностью, а если сигнал управления тестированием принят, то осуществляют тестирование и наложение сигнала тестирования на сигнал данных и передачу наложенного сигнала. При передаче наложенного сигнала, то есть при тестировании, поддерживают ток смещения на предварительно установленном значении, чтобы прекратить автоматическое регулирование мощности оптического передатчика на время тестирования.The known method and device (patent RU 2563968, class Н04В 10/10, publ. 09/27/2015, bull. No. 27-2015) for controlling the optical power when transmitting data through optical communication channels. In this method, together with the data signals, test signals are emitted, which are reflected from the retroreflectors installed along their propagation path, and then are received by the optical receiver of the transmitting side in order to check the quality of the optical communication channel. The data transmission includes observing the optical transmitter output power and judging whether a preset test control signal has been received. If not received, then modulate the data signal and adjust the bias current of the optical transmitter according to the result of monitoring the output power of the optical transmitter to implement automatic power control, and if the test control signal is received, then test and superimpose the test signal on the data signal and transmit the superimposed signal ... When transmitting the superimposed signal, that is, during testing, the bias current is maintained at a predetermined value to stop the automatic power control of the optical transmitter during testing.

Данный способ может быть использован не только для передачи данных по световолоконным сетям, как это изложено в описании изобретения, но и для передачи данных с поверхности земли или воды удаленному корреспонденту, например, на космический аппарат, через атмосферу с рассеивающими образованиями переменной плотности, например, через туман или подвижные облака. При таком применении сигналы тестирования, наложенные на сигналы данных, будут возвращаться на приемник передающей стороны не искусственными ретрорефлекторами, а рассеивающими атмосферными образованиями. По результатам тестирования увеличивается мощность оптических сигналов для преодоления ослабления этих сигналов на пути к приемнику корреспондента. При этом тестовые сигналы и сигналы данных повышенной мощности, рассеиваясь на атмосферных образованиях (туманах, облаках и пр.), могут быть обнаружены оптико-электронными средствами разведки.This method can be used not only for transmitting data over optical fiber networks, as described in the description of the invention, but also for transmitting data from the surface of the earth or water to a remote correspondent, for example, to a spacecraft, through the atmosphere with scattering formations of variable density, for example, through fog or moving clouds. In this application, the test signals superimposed on the data signals will return to the receiver of the transmitting side not by artificial retroreflectors, but by scattering atmospheric formations. According to the test results, the power of optical signals is increased to overcome the attenuation of these signals on the way to the correspondent's receiver. In this case, test signals and data signals of increased power, scattering on atmospheric formations (fogs, clouds, etc.), can be detected by optoelectronic reconnaissance means.

Кроме того, повышение мощности излучения оптических сигналов может быть недостаточным для преодоления ослабления сигнала в рассеивающих средах. И тогда, даже при работе на максимальных мощностях, прием сигналов удаленным корреспондентом будет невозможен, но в то же самое время сигналы максимальной мощности, отраженные от рассеивающих сред, будет легче обнаружить оптико-электронными средствами разведки, находящимися вблизи передатчика сообщений.In addition, increasing the radiation power of optical signals may be insufficient to overcome signal attenuation in scattering media. And then, even when operating at maximum power, reception of signals by a remote correspondent will be impossible, but at the same time, signals of maximum power reflected from scattering media will be easier to detect by optoelectronic reconnaissance means located near the message transmitter.

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков заявленному способу является способ приема-передачи информации (патент RU 2304846, кл. Н04В 10/10, опубл. 20.08.2007 г. Бюл. №23-2007), который включает формирование оптических сигналов на светодиоде передатчика посредством подачи на светодиод модулирующего импульса управляющего напряжения, формирование оптического пучка, наведение его на приемное устройство другой стороны и прием оптических сигналов от светодиода передатчика другой стороны. При повышении или снижении оптической видимости и, как следствие, обнаружении изменения уровня принимаемого от другой стороны оптического сигнала соответственно повышают или снижают амплитуду излучаемых светодиодом сигналов посредством установки на светодиоде импульса управляющего напряжения соответствующей амплитуды.The closest in purpose and set of essential features to the claimed method is the method of receiving and transmitting information (patent RU 2304846, class Н04В 10/10, publ. 20.08.2007, bull. No. 23-2007), which includes the formation of optical signals on the LED the transmitter by applying a modulating pulse of a control voltage to the LED, forming an optical beam, aiming it at the receiving device of the other side and receiving optical signals from the LED of the transmitter of the other side. When the optical visibility increases or decreases and, as a consequence, a change in the level of the optical signal received from the other side is detected, the amplitude of the signals emitted by the LED is respectively increased or decreased by setting a control voltage pulse of the corresponding amplitude on the LED.

Данный способ прототипа не обеспечивает скрытную передачу сообщений через рассеивающую оптическое излучение среду, так как излученные сигналы, имеющие повышенную амплитуду, необходимую для преодоления ослабления сигнала при рассеянии его в атмосфере (тумане, дымке, облаках и прочее), могут быть обнаружены оптико-электронными средствами разведки вероятного противника, а по ним раскрыты передаваемые сообщения и обнаружено местоположение передатчика и источника сообщений. Кроме того, возможны ситуации, когда на пути оптического пучка появляются рассеивающие образования такой повышенной плотности, что повышение амплитуды оптических сигналов уже не обеспечивает компенсацию их ослабления и прием сообщений становится невозможным. Но при этом, хотя и нет приема сообщений удаленным корреспондентом, передатчиком продолжают излучаться оптические сигналы повышенной амплитуды, которые, рассеиваясь на этих плотных образованиях (туманы или облака), могут быть легко обнаружены средствами оптико-электронной разведки, находящимися вблизи рассеивающих образований. Поэтому в случаях повышенных требований к скрытности передачи сообщений целесообразно передавать сообщения лишь тогда, когда на пути лазерного пучка ослабнут рассеивающие свойства динамически неоднородной атмосферы до такого уровня, что обнаружение вероятным противником рассеянных оптических импульсов из-за их малой амплитуды станет затруднительным. Особенно это целесообразно, когда нет срочности в передаче сообщений и можно подождать пока между рассеивающими образованиями образуется просвет и в эти моменты передать сообщения с хорошим качеством приема и требуемой скрытностью связи.This prototype method does not provide a covert message transmission through a medium scattering optical radiation, since the emitted signals having an increased amplitude necessary to overcome the signal attenuation when it is scattered in the atmosphere (fog, haze, clouds, etc.) can be detected by optical-electronic means reconnaissance of a potential enemy, and according to them transmitted messages were disclosed and the location of the transmitter and the source of the messages was found. In addition, situations are possible when scattering formations of such an increased density appear on the path of the optical beam that an increase in the amplitude of the optical signals no longer provides compensation for their attenuation and the reception of messages becomes impossible. But at the same time, although there is no reception of messages by a remote correspondent, the transmitter continues to emit optical signals of increased amplitude, which, scattering on these dense formations (fogs or clouds), can be easily detected by means of optoelectronic reconnaissance located near the scattering formations. Therefore, in cases of increased requirements for the secrecy of message transmission, it is advisable to transmit messages only when the scattering properties of the dynamically inhomogeneous atmosphere are weakened on the path of the laser beam to such a level that the detection of scattered optical pulses by a probable enemy due to their small amplitude becomes difficult. This is especially advisable when there is no urgency in the transmission of messages and you can wait until a gap is formed between the scattering formations and at these moments transmit messages with good reception quality and the required communication secrecy.

Целью изобретения является повышение скрытности передачи сообщений, затруднение их перехват, а также обнаружение местоположения оптического передатчика и факта передачи сообщений при передаче сообщений через рассеивающие оптическое излучение атмосферные образования.The aim of the invention is to increase the secrecy of the transmission of messages, the difficulty of intercepting them, as well as the detection of the location of the optical transmitter and the fact of transmission of messages when transmitting messages through atmospheric formations scattering optical radiation.

Поставленная цель достигается тем, что способ передачи сообщений по атмосферной оптической линии связи, включающий в себя формирование оптических сигналов на передающей стороне посредством модуляции оптического излучения и управления амплитудой излучаемых оптических сигналов, формирование узкого оптического пучка, наведение его на приемное устройство удаленного корреспондента и прием оптических сигналов на передающей стороне, при этом процесс передачи сообщения начинают с излучения тестовых оптических импульсов минимальной амплитуды, затем повышения их амплитуды от импульса к импульсу и приема на передающей стороне рассеянных средой распространения излученных тестовых оптических импульсов и сигналов, и при превышении амплитуды этих принятых импульсов и сигналов свыше установленного значения, излучение тестовых импульсов и передачу сообщения прекращают, а затем возобновляют, повторяя указанную последовательность операций, начиная с излучения тестовых оптических импульсов с возрастающей от минимального значения амплитудой.This goal is achieved by the fact that a method for transmitting messages over an atmospheric optical communication line, which includes the formation of optical signals on the transmitting side by modulating optical radiation and controlling the amplitude of the emitted optical signals, the formation of a narrow optical beam, aiming it at the receiving device of a remote correspondent and receiving optical signals on the transmitting side, while the message transmission process begins with the emission of test optical pulses of minimum amplitude, then increasing their amplitude from pulse to pulse and receiving on the transmitting side of the emitted test optical pulses and signals scattered by the propagation medium, and when the amplitude of these received pulses is exceeded and signals exceeding the set value, emission of test pulses and transmission of the message are stopped, and then resumed, repeating the specified sequence of operations, starting with emission of test optical pulses with increasing from the minimum value with the amplitude.

Изобретение иллюстрируется рисунками фиг. 1 и фиг. 2.The invention is illustrated in Figs. 1 and FIG. 2.

На фиг. 1 изображена схема устройства, в котором реализуется предложенный способ, а на фиг. 2 приведен пример сигнальной последовательности излучаемых оптических импульсов.FIG. 1 shows a diagram of a device in which the proposed method is implemented, and FIG. 2 shows an example of a signal sequence of emitted optical pulses.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. Перед передачей сообщения блок управления 1 выдает команду старта на генератор тестовых импульсов 2, регулятор амплитуды излучаемых оптических импульсов 3 и на источник сообщения 4. По этой команде генератор тестовых импульсов 2 производит серию из определенного числа N тестовых импульсов, которые поступают на лазерный излучатель 5. Регулятор амплитуды оптических импульсов 3 формирует возрастающее напряжение, поступающее на лазерный излучатель 5. Соответственно этому лазерный излучатель 5 излучает тестовые импульсы возрастающей амплитуды от минимального значения minA до максимального значения maxА, соответствующего амплитуде оптических импульсов, которыми после излучения тестовых импульсов передают сообщение. Источник сообщения 4 по команде старта передачи тестовых импульсов подготавливается к передаче сообщения, и после окончания последнего в серии тестового импульса, имеющего максимальную амплитуду maxА, передает кодовые последовательности фиксированной длины (слова), состоящие из т двоичных символов сообщения, где i меняется от 1 до 2^m, на время-импульсный модулятор 6. Последний в соответствии с передаваемой i-ой кодовой последовательностью из m двоичных символов, формирует дискретный временной интервал T_i между предыдущим импульсом и формируемым импульсом, состоящий из немодулируемого интервала паузы Т₀ и дискретной составляющей i×T_n, где Т_n длительность одной позиции на оси времени. При этом i-й кодовой последовательности из m двоичных символов соответствует определенная i-я позиция на модулируемом интервале Т_M, содержащем 2^m позиций (T_M=2^m×T_n). Сформированные таким образом информационные импульсы, расстояние между которыми меняется в соответствии с передаваемой информацией, поступают на лазерный излучатель 5 для передачи сообщения посредством излучения оптических импульсов с максимальной амплитудой maxА. Передача сообщения начинается только после излучения последнего тестового импульса из серии N импульсов.A device that implements the proposed method operates as follows. Before transmitting the message, the control unit 1 issues a start command to the test pulse generator 2, the regulator of the amplitude of the emitted optical pulses 3 and to the message source 4. At this command, the test pulse generator 2 produces a series of a certain number of N test pulses, which are fed to the laser emitter 5. The regulator of the amplitude of optical pulses 3 generates an increasing voltage supplied to the laser emitter 5. Accordingly, the laser emitter 5 emits test pulses of increasing amplitude from the minimum value minA to the maximum value maxA, corresponding to the amplitude of the optical pulses, which transmit a message after the emission of test pulses. The source of message 4, upon the command to start the transmission of test pulses, prepares for the transmission of a message, and after the end of the last test pulse in the series having the maximum amplitude maxA, it transmits code sequences of a fixed length (words) consisting of m binary message symbols, where i varies from 1 to 2 ^m , for a time-pulse modulator 6. The latter, in accordance with the transmitted i-th code sequence of m binary symbols, forms a discrete time interval T _i between the previous pulse and the generated pulse, consisting of an unmodulated pause interval T ₀ and a discrete component i × T _n , where T _{n is the} duration of one position on the time axis. In this case, the i-th code sequence of m binary symbols corresponds to a certain i-th position on the modulated interval T _M , containing 2 ^m positions (T _M = 2 ^m × T _n ). The information pulses formed in this way, the distance between which changes in accordance with the transmitted information, are fed to the laser emitter 5 to transmit a message by emitting optical pulses with a maximum amplitude maxA. The transmission of the message begins only after the emission of the last test pulse from the series of N pulses.

Излучение, исходящее от лазерного излучателя 5, формируется телескопической оптической системой 7 в узкий пучок, который направляется блоком наведения 8 на фотоприемник корреспондента, например, на фотоприемник, находящийся на космическом аппарате с известными параметрами движения.The radiation emanating from the laser emitter 5 is formed by the telescopic optical system 7 into a narrow beam, which is directed by the aiming unit 8 to the correspondent's photodetector, for example, to the photodetector located on a spacecraft with known motion parameters.

При наличии на пути лазерного пучка рассеивающего образования, например, тумана, дымки, дождя или облака, лазерное излучение рассеивается во все стороны. Обратно рассеянные лазерные импульсы детектируют фотоприемником 9 передающей стороны и направляют на схему сравнения с установленным порогом - компаратор 10. Значение порога сравнения в компараторе 10 устанавливают регулятором уровня ограничения 11, исходя из требований заданной скрытности связи и с учетом интенсивности фоновой засветки неба (Солнца или Луны). Например, при необходимости обеспечения гарантированной скрытности или в том случае, если малейшее рассеивающее образование делает невозможным прием оптических сигналов удаленным корреспондентом из-за рассеяния лазерного излучения, устанавливают нулевое или близкое к нулевому значение порога сравнения. При превышении принимаемыми фотоприемником 9 тестовыми импульсами или импульсами сообщения установленного порога, компаратор 10 выдает команду запрета излучения, то есть команду запрета на передачу тестовых импульсов и сообщения, которая поступает на блок управления 1. Блок управления 1 блокирует излучение оптических импульсов на некоторое время, которое, например, не превышает предполагаемого времени ожидания ухода рассеивающего образования с пути лазерного пучка. По окончании блокировки блок управления 1 снова выдает команду старта, и процесс передачи сообщения повторяют, начиная с излучения тестового импульса минимальной амплитуды minA, как это описано выше.If there is a scattering formation in the path of the laser beam, for example, fog, haze, rain or cloud, the laser radiation is scattered in all directions. The backscattered laser pulses are detected by the photodetector 9 of the transmitting side and sent to the comparison circuit with a set threshold - comparator 10. The value of the comparison threshold in the comparator 10 is set by the limit level controller 11, based on the requirements of a given communication secrecy and taking into account the intensity of the background illumination of the sky (the Sun or the Moon ). For example, if it is necessary to ensure guaranteed secrecy or if the slightest scattering formation makes it impossible to receive optical signals by a remote correspondent due to the scattering of laser radiation, a zero or close to zero value of the comparison threshold is set. When the test pulses or message pulses received by the photodetector 9 exceed the set threshold, the comparator 10 issues a command to prohibit radiation, that is, a command to prohibit the transmission of test pulses and messages, which is sent to control unit 1. Control unit 1 blocks the emission of optical pulses for some time, which , for example, does not exceed the expected waiting time for the scattering formation to leave the path of the laser beam. At the end of blocking, control unit 1 again issues a start command, and the message transmission process is repeated, starting with emission of a test pulse of minimum amplitude minA, as described above.

Последовательность действий в предложенном способе и в устройстве, реализующем его, пояснена на фиг. 2, на котором представлен пример сигнальной последовательности оптических импульсов, излучаемых лазерным излучателем 5 через телескопическую оптическую систему 7 и блок наведения 8.The sequence of actions in the proposed method and in the device that implements it is illustrated in Fig. 2, which shows an example of a signal sequence of optical pulses emitted by a laser emitter 5 through a telescopic optical system 7 and a guidance unit 8.

По горизонтальной координатной оси показано текущее время t, моменты выдачи команды старта блоком управления на передачу тестовых импульсов t_S, моменты команды запрета на излучение оптических импульсов, t_Z, момент излучения последнего тестового импульса t_P и момент начала передачи оптических импульсов сообщения t_C. По вертикальной оси координат показана изменение амплитуды А излучаемых оптических импульсов. Максимальная амплитуда maxА соответствует амплитуде последнего тестового импульса из заданной серии N тестовых импульсов и совпадает с амплитудой оптических импульсов сообщения.The horizontal coordinate axis shows the current time t, the moments when the start command is issued by the control unit for the transmission of test pulses t _S , the moments of the command to forbid the emission of optical pulses, t _Z , the moment of emission of the last test pulse t _P and the moment when the transmission of optical message pulses begins t _C. The vertical coordinate axis shows the change in the amplitude A of the emitted optical pulses. The maximum amplitude maxA corresponds to the amplitude of the last test pulse from a given series of N test pulses and coincides with the amplitude of the optical pulses of the message.

Если длительность передачи сообщения существенно превышает среднестатистический интервал прозрачности оптической среды на пути лазерного пучка, то передачу сообщения большого объема можно разделить на отдельные блоки (пачки), каждый из которых передают описанным выше способом, начиная с излучения тестовых импульсов возрастающей амплитуды.If the duration of the message transmission significantly exceeds the average statistical transparency interval of the optical medium along the path of the laser beam, then the transmission of a large message can be divided into separate blocks (packs), each of which is transmitted in the manner described above, starting with the emission of test pulses of increasing amplitude.

Таким образом, данное устройство реализует предложенный способ передачи сообщений по атмосферной оптической линий связи. При этом благодаря тому, что перед передачей сообщения излучают тестовые импульсы минимальной амплитуды, которая затем возрастает от импульса к импульсу, обеспечивается требуемая скрытность передачи сообщений через рассеивающие оптическое излучение атмосферные образования. Наличие рассеивающего образования, например, плотного тумана, находящегося вблизи передатчика и демаскирующего его работу посредством рассеяния оптического излучения во все стороны, в том числе и в сторону оптико-электронных средств технической разведки вероятного противника, будет обнаружено на передающей стороне при пониженной мощности излучения передатчика, что позволит предотвратить засветку рассеивающих образований оптическими импульсами и сигналами с номинальной (или повышенной) мощностью и, соответственно этому затруднить обнаружение излучаемых оптических импульсов средствами оптико-электронной разведки, то есть обеспечить высокую скрытность передачи сообщений даже через сильно рассеивающие среды.Thus, this device implements the proposed method for transmitting messages over atmospheric optical communication lines. In this case, due to the fact that before the transmission of the message, test pulses of the minimum amplitude are emitted, which then increases from pulse to pulse, the required secrecy of the transmission of messages through atmospheric formations scattering optical radiation is provided. The presence of a scattering formation, for example, a dense fog, located near the transmitter and unmasking its operation by scattering optical radiation in all directions, including towards the optical-electronic means of technical reconnaissance of a potential enemy, will be detected on the transmitting side at a reduced radiation power of the transmitter. which will prevent the illumination of scattering formations by optical pulses and signals with a nominal (or increased) power and, accordingly, complicate the detection of emitted optical pulses by means of optoelectronic reconnaissance, that is, ensure high secrecy of message transmission even through highly scattering media.

Claims

A method for transmitting messages over an atmospheric optical communication line, including the formation of optical signals on the transmitting side by modulating optical radiation and controlling the amplitude of the emitted optical signals, forming a narrow optical beam, aiming it at the receiving device of a remote correspondent and receiving optical signals on the transmitting side due to scattering of transmitting optical signals by atmospheric formations located between the transmitting side and the remote correspondent, characterized in that, before transmitting the message, a command is generated to emit a series of a certain number of test optical pulses with an increasing amplitude from pulse to pulse from the minimum amplitude value to the maximum amplitude value corresponding to the amplitude optical pulses of transmitted messages, after the emission of test pulses, a message is transmitted, backscattered test optical pulses and messages are detected by the receiving by the device of the transmitting side and when the amplitude of these received pulses and signals exceeds the set value, the emission of test pulses and the transmission of the message are stopped, and then resumed, repeating the specified sequence of operations.