RU2813447C2

RU2813447C2 - Optical communication system through atmosphere

Info

Publication number: RU2813447C2
Application number: RU2020139692A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Горшков
Original assignee: Александр Александрович Горшков
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2024-02-12

Abstract

FIELD: electrical communication equipment; physics.

SUBSTANCE: invention relates to communication engineering and can be used to create individual communication channels between stationary or mobile objects, as well as to create centralized telephone and video telephone communication networks, as well as broadcasting networks. System comprises a transmitting station comprising a source of a highly directional beam of monochromatic radiation, as well as a receiving station comprising a lens, in the focal plane of which there is a slit-like diaphragm and a matrix photodetector. Flat beam pattern of the receiving station is formed. Receiving station also has a device for scanning optical radiation along the spectrum in a direction perpendicular to the direction of said slit of the photodetector. When the plane of the beam pattern of the receiving station is aligned with the highly directional beam of the transmitter, communication can be established by receiving radiation scattered by atmospheric air. Angle between the optical axes of the receiver and the transmitter in said alignment plane can be arbitrary.

EFFECT: communication in the absence of direct optical visibility between the receiver and the transmitter, including in case of obstruction by tall buildings, trees or terrain and when it is impossible to install repeaters.

5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к технике связи и касается устройства для беспроводной передачи информации, которое может применяться в качестве звена непосредственной связи между отдельными абонентами, например, телефонной или видеотелефонной. Также предлагаемое устройство может быть применено в качестве звена ретрансляционной линии, или в качестве основы для создания централизованной сети связи, например телефонной сети, пейджерной системы, а также сети телевизионного вещания или сети интернет. Не исключается также возможность использования предлагаемого устройства для связи с мобильными объектами, в частности для систем телеуправления. Преимущественное применение предлагаемая система связи будет иметь в случаях ограниченности прямой оптической видимости между отдельными станциями или ретрансляторами.The invention relates to communication technology and concerns a device for wireless information transmission, which can be used as a link in direct communication between individual subscribers, for example, telephone or video telephone. Also, the proposed device can be used as a link in a relay line, or as a basis for creating a centralized communication network, such as a telephone network, a pager system, as well as a television broadcasting network or the Internet. The possibility of using the proposed device for communication with mobile objects, in particular for telecontrol systems, is also not excluded. The proposed communication system will have a primary application in cases of limited direct optical visibility between individual stations or repeaters.

В настоящее время имеется большое разнообразие средств передачи информации, или сигналов, которые совершенствуются в направлении унификации к типу передаваемой информации и возможности объединения в локальные, ведомственные и глобальные сети. Отдельные звенья этих сетей строятся на разных физических принципах, применяемых в зависимости от протяженности звена, мощности потока информации, характера применения (стационарные, мобильные) и особенностей местности и среды. При этом, в связи с освоением дециметрового и сантиметрового диапазонов электромагнитных волн и появлением высокопроизводительных средств цифровой обработки сигналов, все более широкое применение получают классические способы передачи информации по радиоканалам на сверхвысоких частотах (СВЧ). Несмотря на то, что волны дециметрового и сантиметрового диапазонов сильно отражаются от стен помещений и дают большие фазовые искажения, обусловленные многолучевостью, они нашли применение даже для высококачественного телевидения через открытое пространство с использованием комнатной антенны. Это стало возможным благодаря отказу от временного разделения элементов изображения, принятого в аналоговом телевидении и переходу на частотное разделение, осуществляемое методами высокопроизводительного цифрового сжатия информации и мультиплексирования. Из-за того, что элементы телевизионного изображения меняются медленно, каждый элемент занимает очень узкий, почти телеграфный частотный канал. Поэтому сильная многолучевость тракта открытого эфира не вызывает заметных искажений изображения, по сравнению с аналоговой передачей, где многолучевость вызывает расплывание коротких фронтов аналогового видеосигнала. Таким образом, передача видеоинформации на дециметровых и сантиметровых волнах становится возможной несмотря на то, что принимаемый в помещении СВЧ-сигнал является, по сути, результатом многократного рассеяния СВЧ-радиоволн при их прохождении через окна, двери и коридоры помещений.Currently, there is a wide variety of means of transmitting information, or signals, which are being improved towards unification of the type of information transmitted and the possibility of combining into local, departmental and global networks. Individual links of these networks are built on different physical principles, applied depending on the length of the link, the power of information flow, the nature of the application (stationary, mobile) and the characteristics of the terrain and environment. At the same time, in connection with the development of the decimeter and centimeter ranges of electromagnetic waves and the emergence of high-performance digital signal processing tools, classical methods of transmitting information via radio channels at ultrahigh frequencies (microwaves) are becoming more and more widely used. Despite the fact that waves in the decimeter and centimeter ranges are strongly reflected from the walls of rooms and produce large phase distortions due to multipath, they have found application even for high-quality television through an open space using an indoor antenna. This became possible thanks to the abandonment of the time division of image elements adopted in analogue television and the transition to frequency division, carried out by methods of high-performance digital information compression and multiplexing. Because television picture elements change slowly, each element occupies a very narrow, almost telegraphic frequency channel. Therefore, the strong multipath of the open-air path does not cause noticeable image distortion, compared to analog transmission, where multipath causes blurring of short edges of the analog video signal. Thus, the transmission of video information at decimeter and centimeter waves becomes possible despite the fact that the microwave signal received in the room is, in fact, the result of multiple scattering of microwave radio waves as they pass through the windows, doors and corridors of the premises.

Таким образом при работе на СВЧ через открытое пространство удается воспользоваться основным преимуществом радиоволн, состоящим в отсутствии необходимости прямой видимости между передатчиком и приемником. Это особенно удобно для создания связи с мобильными объектами и при отсутствии прямой оптической видимости (плотная городская застройка, деревья и т.п.).Thus, when working at microwave frequencies through open space, it is possible to take advantage of the main advantage of radio waves, which is that there is no need for direct visibility between the transmitter and the receiver. This is especially convenient for creating connections with mobile objects and in the absence of direct optical visibility (dense urban areas, trees, etc.).

Однако передача больших потоков информации с помощью СВЧ-радиоволн через открытое пространство на расстояния более нескольких километров сталкивается с проблемой сильной концентрации плотности радиоизлучения в окрестности радиопередатчика. При этом, для создания приемлемого уровня приема сигнала на расстоянии нескольких километров напряженность поля вблизи передающей антенны оказывается неприемлемой по соображениям безопасности для здоровья. При этом, в условиях города возникает необходимость ограничения напряженности СВЧ-поля. Это заставляет уменьшать мощность передатчика. Это, а также проблема доведения сигнала до всех мест затенения(закрытые помещения, подвалы и т.п) а также проблема ограниченности частотного диапазона, заставляет, для покрытия всего города с большим количеством абонентов, строить сеть достаточно плотно распределенных по площади маломощных базовых станций. Необходимость строительства большого количества базовых станций, связанных между собой в сеть, требует больших первоначальных капитальных затрат прежде, чем эти затраты начнут окупаться. Это затрудняет распространение услуг связи на районы с малой плотностью населения. Кабельные сети, включая и волоконно-оптические, при этом также обходятся не дешево. СВЧ-радиоизлучение - даже небольшой мощности, излучаемое во всех направлениях и непрерывно круглые сутки, представляет опасность для жителей городов и поселков, находящих постоянно, а большинстве случаев и всю жизнь, в поле СВЧ-излучения. Кроме того, перечисленные выше средства связи уязвимы в условиях чрезвычайных ситуаций и мало пригодны для работы спецслужб, в частности из-за наличия стационарной плохо защищенной сетевой инфраструктуры, монтируемой на возвышениях. Кроме того, эфирные каналы передачи информации незащищены от перехвата и подавления средствами радиоэлектронной борьбы.However, the transmission of large flows of information using microwave radio waves through open space over distances of more than several kilometers faces the problem of a strong concentration of radio emission density in the vicinity of the radio transmitter. At the same time, to create an acceptable level of signal reception at a distance of several kilometers, the field strength near the transmitting antenna turns out to be unacceptable for health reasons. At the same time, in urban conditions there is a need to limit the microwave field strength. This forces the transmitter power to be reduced. This, as well as the problem of delivering the signal to all shady places (closed rooms, basements, etc.) as well as the problem of limited frequency range, forces, in order to cover the entire city with a large number of subscribers, to build a network of low-power base stations fairly densely distributed over the area. The need to build a large number of base stations interconnected in a network requires large initial capital costs before these costs begin to pay off. This makes it difficult to extend communication services to areas with low population density. Cable networks, including fiber optic ones, are also not cheap. Microwave radio radiation - even of low power, emitted in all directions and continuously around the clock, poses a danger to residents of cities and towns who are constantly, and in most cases throughout their lives, in the field of microwave radiation. In addition, the communication means listed above are vulnerable in emergency situations and are of little use for intelligence services, in particular due to the presence of a stationary, poorly protected network infrastructure mounted on elevated surfaces. In addition, over-the-air channels for transmitting information are not protected from interception and suppression by electronic warfare means.

В связи с этим стоит обратить внимание на открытые оптические линии связи. В настоящее время они используются лишь в отдельных звеньях сети или в специальных линиях, где имеется прямая оптическая видимость между приемником и передатчиком. Рассмотрим в качестве прототипа простейшее оптическое атмосферное звено передачи информации. Оно содержит передатчик, представляющий собой источник слабо расходящегося луча света. Обычно при этом используется монохроматический источник света, например лазер. На пути светового луча расположен приемник, содержащий объектив и, помещенный в его фокальную плоскость, фотоприемник небольшого размера и компактной формы (см. например: А.Л. Дмитриев. «Оптические системы передачи информации». Изд. Университета информационных технологий, СП., 2007 г., стр. 17, рис. 9). Точная юстировка приемного и передающего объективов обеспечивает защиту от помех со стороны посторонних источников света.In this regard, it is worth paying attention to open optical communication lines. Currently, they are used only in individual network links or in special lines where there is direct optical visibility between the receiver and transmitter. Let us consider as a prototype the simplest optical atmospheric link for information transmission. It contains a transmitter, which is a source of a weakly diverging beam of light. Typically this uses a monochromatic light source, such as a laser. On the path of the light beam there is a receiver containing a lens and, placed in its focal plane, a photodetector of small size and compact shape (see for example: A.L. Dmitriev. “Optical systems for information transmission.” Publ. University of Information Technologies, SP., 2007, page 17, figure 9). Precise alignment of the receiving and transmitting lenses provides protection from interference from extraneous light sources.

Монохроматичность источника света позволяет дополнительно повысить отношение сигнал шум за счет сосредоточения энергии на узком участке спектра с последующей оптической фильтрацией. Таким образом, можно отстроиться от фоновой засветки и темнового тока фотоприемника. Можно также промодулировать источник света по амплитуде с выделением на приеме переменной составляющей.The monochromatic nature of the light source makes it possible to further increase the signal-to-noise ratio by concentrating the energy on a narrow portion of the spectrum with subsequent optical filtering. Thus, it is possible to tune out the background illumination and dark current of the photodetector. You can also modulate the light source in amplitude, highlighting the variable component at reception.

Преимуществом оптического канала связи по сравнению с радиоканалом является возможность использования острой диаграммы направленности передатчика и приемника при очень малых габаритах антенны, функцию которой выполняет объектив. Высокой направленностью приемной и передающей антенн, т.е. объективов, обеспечиваются малые энергозатраты на передачу, а также скрытность и устойчивость к помехам, в том числе и преднамеренным.The advantage of an optical communication channel compared to a radio channel is the ability to use a sharp radiation pattern of the transmitter and receiver with very small dimensions of the antenna, the function of which is performed by the lens. High directivity of the receiving and transmitting antennas, i.e. lenses, ensures low energy consumption for transmission, as well as secrecy and resistance to interference, including intentional ones.

Однако такая линия оптической связи требует прямой оптической видимости между приемником и передатчиком. В условиях городской застройки, а также при наличии деревьев прямая оптическая видимость обычно имеется только в небольших секторах направлений по азимуту и по высоте. Причем из низко расположенных точек эти секторы направлений ориентированы в основном с уклоном вверх, поэтому прямая оптическая видимость имеется только с близкорасположенными объектами. Так что для устройства связи на километр и более приходится ставить объектив на крыше и тянуть к нему проводной, либо радио, удлинитель. Использовать окна помещений редко когда удается из-за слишком малого угла и малой дальности сектора обзора, особенно на низких этажах зданий. Таким образом, открытая оптическая линия связи может быть полезной лишь в отдельных случаях.However, such an optical communication link requires direct optical visibility between the receiver and transmitter. In urban areas, as well as in the presence of trees, direct optical visibility is usually available only in small sectors of the azimuth and altitude directions. Moreover, from low-lying points, these direction sectors are oriented mainly with an upward slope, so direct optical visibility is available only with nearby objects. So, for a communication device for a kilometer or more, you have to place the lens on the roof and pull a wire or radio extension cord to it. It is rarely possible to use indoor windows due to the too small angle and short range of the viewing sector, especially on low floors of buildings. Thus, an open optical communication link can be useful only in certain cases.

Таким образом, открытый оптический канал связи не в состоянии полноценно заменить радиочастотную или проводную связь. Оптическая сеть в большинстве случаев потребовала бы слишком большое число ретрансляторов и проводных вставок. И это вышло бы, не дешевле, чем существующие информационные сети, сочетающие проводные и радиочастотные беспроводные звенья.Thus, an open optical communication channel is not able to fully replace radio frequency or wired communications. An optical network in most cases would require too many repeaters and wire inserts. And it would be no cheaper than existing information networks that combine wired and radio frequency wireless links.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков оптической системы связи при работе ее через открытое пространство в атмосфере, и обеспечение возможности служить существенным дополнением, или даже альтернативой, радиочастотным и проводным сетям, особенно в малонаселенных районах, а также для спецслужб и различных мобильных формирований, действующих, в частности, и в условиях отсутствия прямой оптической видимости между отдельными или всеми элементами системы связи. Т.е. ставится задача создания связи и в случаях невозможности расположения ретрансляторов, действующих на принципах прямой видимости.The purpose of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages of an optical communication system when operating through open space in the atmosphere, and to provide the ability to serve as a significant addition, or even an alternative, to radio frequency and wired networks, especially in sparsely populated areas, as well as for special services and various mobile units operating, in particular, and in the absence of direct optical visibility between individual or all elements of the communication system. Those. The task is to create communications even in cases where it is impossible to locate repeaters operating on line-of-sight principles.

Предлагается оптическая система связи, содержащая передающую станцию с устройством формирования слабо расходящегося монохроматического оптического луча и станцию приема оптического излучения, установленную с возможностью управляемого позиционирования по углам высоты и азимута. Цель изобретения достигается тем, что диаграмма направленности (далее ДН) приемной станции имеет расширенное угловое распространение, сосредоточенное в одной плоскости, т.е. ДН приемника имеет большой угол раскрытия лепестка ДН в одном направлении и несоизмеримо меньший угол раскрытия лепестка в перпендикулярном направлении. Это достигается за счет того, что в фокальной плоскости приемного объектива расположен фотоприемник, светоприемное окно которого имеет щелеобразную форму. Причем приемная станция снабжена устройством развертки принимаемого изображения по оптическому спектру в направлении, перпендикулярном направлению расположения длинной стороны указанного светоприемного окна. Если, управляя углами установки приемника, добиться совмещения плоскости ДН приемника с остронаправленным лучом передатчика, что можно сделать сочетая вращение плоскости приема с качанием этой плоскости, то мы получим приемлемую связь на рассеивании света воздухом при отсутствии прямой видимости, т.е. при работе с изломом оптической оси тракта передачи под любым углом, в том числе и под острым углом. Наиболее сильным источником шума в таком канале связи является дробовый шум от яркости дневного неба, на фоне которого производится наблюдение следа рассеяния лазерного луча. Основным способом отстройки от фона дневного неба является выделение узкой спектральной составляющей излучения передатчика, что возможно сделать только при наличии щелеобразной диафрагмы, расположенной в фокальной плоскости объектива приемника, за счет которой и формируется плоская ДН приемника. За счет того, что ДН приема излучения расширена в направлении плоскости, совпадающей с лучом передатчика, мы получаем захват в апертуру приемника значительной части длины луча передатчика. А поскольку длина луча передатчика определяется рассеянием луча в атмосфере и составляет несколько километров, то, при захвате в объектив значительной доли длины луча передатчика, освещенность объектива рассеянным излучением может оцениваться мощностью передатчика, поделенной на площадь сферы, равной радиусу средней удаленности луча передатчика от объектива приемника. Если толщину плоской ДН приемника сузить до диаметра луча передатчика, то мы минимизируем площадь фона неба, попадающую в объектив приемника. И при этом мы не урезаем площадь луча передатчика, рассеваюшую свет в апертуру приемника. Таким образом достигается максимальное отношение мощности принимаемого сигнала к мощности помех со стороны фоновой засветки, создаваемой яркостью фона неба.An optical communication system is proposed, containing a transmitting station with a device for forming a weakly diverging monochromatic optical beam and an optical radiation receiving station installed with the possibility of controlled positioning in altitude and azimuth angles. The purpose of the invention is achieved by the fact that the radiation pattern (hereinafter referred to as DP) of the receiving station has an expanded angular distribution, concentrated in one plane, i.e. The receiver pattern has a large opening angle of the pattern lobe in one direction and a disproportionately smaller opening angle of the lobe in the perpendicular direction. This is achieved due to the fact that in the focal plane of the receiving lens there is a photodetector, the light receiving window of which has a slit-like shape. Moreover, the receiving station is equipped with a device for scanning the received image along the optical spectrum in the direction perpendicular to the direction of location of the long side of the specified light-receiving window. If, by controlling the angles of installation of the receiver, we achieve alignment of the plane of the receiver's pattern with the highly directional beam of the transmitter, which can be done by combining the rotation of the receiving plane with the swing of this plane, then we will obtain acceptable communication on the scattering of light by air in the absence of line of sight, i.e. when working with a bend in the optical axis of the transmission path at any angle, including at an acute angle. The strongest source of noise in such a communication channel is shot noise from the brightness of the daytime sky, against which the scattering trace of the laser beam is observed. The main way to detune the daytime sky from the background is to isolate a narrow spectral component of the transmitter radiation, which can only be done if there is a slit-like diaphragm located in the focal plane of the receiver lens, due to which a flat receiver pattern is formed. Due to the fact that the radiation receiving pattern is expanded in the direction of the plane coinciding with the transmitter beam, we obtain the capture of a significant part of the transmitter beam length into the receiver aperture. And since the length of the transmitter beam is determined by the scattering of the beam in the atmosphere and is several kilometers, then, when a significant fraction of the length of the transmitter beam is captured in the lens, the illumination of the lens by scattered radiation can be estimated by the power of the transmitter divided by the area of the sphere, equal to the radius of the average distance of the transmitter beam from the receiver lens . If the thickness of the flat pattern of the receiver is narrowed to the diameter of the transmitter beam, then we minimize the area of the sky background falling into the receiver lens. And at the same time, we do not reduce the area of the transmitter beam that scatters light into the receiver aperture. In this way, the maximum ratio of the power of the received signal to the power of interference from background illumination created by the brightness of the sky is achieved.

Для оперативного совмещения плоскости ДН приема с лучом передатчика указанное выше щелеобразное светоприемное окно фотоприемника установлено с возможностью вращения его относительно оптической оси объектива.To quickly align the reception pattern plane with the transmitter beam, the above-mentioned slit-shaped light-receiving window of the photodetector is installed with the ability to rotate it relative to the optical axis of the lens.

С целью устранения фазовых искажений, обусловленных большим разбросом длины оптического пути в канале (т.е. многолучевостью), что необходимо в частности для качественного приема в широкой пососе частот, фотоприемник состоит из нескольких расположенных на одной прямой светочувствительных элементов, соединенных с устройством суммирования сигналов посредством линий задержки. Настройкой указанных линий задержки обеспечивается возможность компенсации разности задержек сигналов, принимаемых от отдельных фрагментов длины луча передатчика, т.е. осуществляется фазовая фокусировка сигнала. Этим обеспечивается устранение многолучевости и появляется возможность производить передачу видеосигнала наиболее простым - аналоговым способом.In order to eliminate phase distortions caused by a large spread in the length of the optical path in the channel (i.e., multipath), which is necessary in particular for high-quality reception in a wide range of frequencies, the photodetector consists of several photosensitive elements located on the same line, connected to a signal summing device via delay lines. By adjusting the specified delay lines, it is possible to compensate for the difference in delays of signals received from individual fragments of the transmitter beam length, i.e. phase focusing of the signal is carried out. This ensures the elimination of multipath and makes it possible to transmit a video signal in the simplest way - analogue.

В частном варианте выполнения фотоприемник представляет собой двухмерную матрицу фотоэлементов, обладающую функцией параллельного сдвигания накапливаемого в ней зарядового изображения в направлении, перпендикулярном указанной линейке фотоэлементов. В частности может быть применена матрица ПЗС (прибор с зарядовой связью), используемая в телевизионных камерах. При этом, в предлагаемом устройстве матрица ПЗС должна быть установлена с возможностью вращения относительно выше указанной щелевой диафрагмы фотоприемника. Этим обеспечивается возможность настройки времени задержки сигналов, принимаемых разными частями щелевой апертуры фотоприемника, т.е. реализуется система управляемых линий задержки, обеспечивающих возможность вышеуказанной фазовой фокусировки на различные геометрические конфигурации расположения элементов системы связи.In a particular embodiment, the photodetector is a two-dimensional array of photocells that has the function of parallel shifting the charge image accumulated in it in the direction perpendicular to the specified line of photocells. In particular, a CCD (charge-coupled device) matrix used in television cameras can be used. In this case, in the proposed device the CCD matrix must be installed with the possibility of rotation relative to the above-mentioned slit diaphragm of the photodetector. This makes it possible to adjust the delay time of signals received by different parts of the slit aperture of the photodetector, i.e. a system of controlled delay lines is implemented, providing the possibility of the above phase focusing on various geometric configurations of the arrangement of elements of the communication system.

Для обеспечения возможности подстройки не только под линейные, но и под криволинейные функции распределения задержки фаз, которые возникают при больших углах ДН приемника, указанная щелеобразная диафрагма фотоприемника соединяется со светочувствительной поверхностью ПЗС матрицы посредством шлейфа световодов, выходной торец которого снабжен механизмом дугообразного искривления. Этим обеспечивается возможность компенсации разброса фаз отдельных частей углового поля зрения приемного объектива во втором порядке точности, т.е. при несовпадении не только по углу, но по кривизне функции распределения задержки фаз по углу поля зрения.To ensure the possibility of adjustment not only to linear, but also to curvilinear phase delay distribution functions that arise at large angles of the receiver's pattern, the specified slit-shaped diaphragm of the photodetector is connected to the photosensitive surface of the CCD matrix through a fiber cable, the output end of which is equipped with an arcuate curvature mechanism. This makes it possible to compensate for the phase spread of individual parts of the angular field of view of the receiving lens in the second order of accuracy, i.e. when there is a mismatch not only in angle, but also in curvature of the phase delay distribution function over the angle of the field of view.

Изобретение поясняется нижеследующим детальным описанием примеров выполнения и семью фигурами.The invention is illustrated by the following detailed description of embodiment examples and seven figures.

На фиг. 1 изображена общая схема элементарного звена предлагаемой оптической системы связи в симплексном варианте.In fig. Figure 1 shows a general diagram of the elementary link of the proposed optical communication system in the simplex version.

На фиг. 2 схематично изображен вариант конструктивного выполнения приемопередатчика.In fig. 2 schematically shows a variant of the design of the transceiver.

На фиг. 3 изображена схема устройства обработки сигнала с помощью управляемых линий задержки.In fig. 3 shows a diagram of a signal processing device using controlled delay lines.

Фиг. 4 иллюстрирует оптимальные варианты закрепления шарнирного штатива приемопередатчика на основании.Fig. 4 illustrates the optimal options for attaching the articulated transceiver stand to the base.

На фиг. 5 изображен вариант устройства обработки сигнала с применением двухмерной матрицы ПЗС.In fig. 5 shows a variant of a signal processing device using a two-dimensional CCD matrix.

На фиг. 6 показан разрез плоскостью А-А, показанной на фиг. 4.In fig. 6 shows a section through plane A-A shown in FIG. 4.

На фиг. 7 проиллюстрирован вариант применения предлагаемого устройства в качестве системы связи с центральной базовой станцией, обслуживающей городской район или небольшой город.In fig. 7 illustrates the use of the proposed device as a communication system with a central base station serving an urban area or a small town.

В простейшем варианте предлагаемая оптическая система связи содержит передающую станцию 1 (фиг. 1), содержащую источник остронаправленного монохроматического излучения, например лазер. Приемная станция 2 содержит объектив 3 (см. фиг. 2), закрепленный на штативе 4, снабженном механизмом управляемого позиционирования оптической оси «а» объектива по двум сферическим углам, а также вращения объектива вокруг своей оптической оси. Механизм позционирования включает в себя шарниры 5, 6 и 7, снабженные управляемыми сервопривоприводами (сервоприводы не показаны). Объектив 3 в данном конструктивном варианте совмещен с призмой для спектральной развертки и выполнен в виде краевого сегмента плоско-выпуклой сферической линзы и изготовлен из стекла, обладающего хроматической дисперсией. Сильная хроматическая аберрация такой линзы позволяет ее использовать также и в качестве призмы для спектрального разложения света. В фокальной плоскости объектива 3 помещена диафрагма 8 с отверстием щелеобразной формы. За щелью диафрагмы 8 расположен фотоприемник 9, например фотодиод или фотоумножитель. При этом щель диафрагмы 8 расположена перпендикулярно плоскости отклонения оптической оси «а» скошенной плоской поверхностью объектива 3, выполняющей функцию призмы. В изображенном на фиг. 3 варианте выполнения фотоприемник состоит из отдельных фотоэлементов 10, электрические выходы которых присоединены к схеме 1 Суммирования сигналов посредством индивидуальных линий задержки 12 с управляемым временем задержки, что показано в виде стрелок (движков), как у потенциометров. Станция может быть выполнена как приемопередающая путем закрепления лазера 13 передатчика на корпусе объектива 3 приемника. Шарниры 5, 6 и 7 состоят из двух прямоугольных колен 14 и 15 (см. фиг. 6), образующих последовательную цепочку шарнирно соединенных звеньев, соединяющую основание 16, на котором базируется приемопередатчик с корпусом объектива. При этом каждый из шарниров цилиндрический (одноосный). Следует заметить следующие особенности ориентации шарнира 5 на основании на основании 16. Если оптическая ось станции работает в ограниченном секторе азимутов, то ось шарнира 5 должна располагаться горизонтально. При этом ось «а» объектива не попадает на полюс «о» сетки сферических углов позиционирования, как при раооте в окрестности горизонта, так и при работе в окрестности зенита. Работа в окрестности полюса «б» сетки сферических углов должна производиться в полярных координатах. Причем попадание на полюс означает вырождение одной из степеней подвижности штатива 4. Все это усложняет работу системы углового позиционирования. Если же требуется работа в круговом секторе азимутов, то полюс «б» следует перевести в положение «в» (фиг. 4). Т.е. следует повернуть ось шарнира 5, при креплении штатива к основанию 16, на 90 градусов в вертикальной плоскости.In the simplest version, the proposed optical communication system contains a transmitting station 1 (Fig. 1), containing a source of highly directional monochromatic radiation, for example a laser. The receiving station 2 contains a lens 3 (see Fig. 2), mounted on a tripod 4, equipped with a mechanism for controlled positioning of the optical axis “a” of the lens at two spherical angles, as well as rotation of the lens around its optical axis. The positioning mechanism includes hinges 5, 6 and 7, equipped with controlled servo drives (servo drives not shown). Lens 3 in this design variant is combined with a prism for spectral scanning and is made in the form of an edge segment of a flat-convex spherical lens and is made of glass with chromatic dispersion. The strong chromatic aberration of such a lens allows it to also be used as a prism for spectral decomposition of light. In the focal plane of the lens 3 there is a diaphragm 8 with a slit-shaped hole. Behind the slit of the diaphragm 8 there is a photodetector 9, for example a photodiode or a photomultiplier. In this case, the slit of the diaphragm 8 is located perpendicular to the plane of deviation of the optical axis “a” by the beveled flat surface of the lens 3, which performs the function of a prism. In the one shown in FIG. In embodiment 3, the photodetector consists of individual photocells 10, the electrical outputs of which are connected to the signal summation circuit 1 via individual delay lines 12 with a controlled delay time, which is shown in the form of arrows (sliders), like potentiometers. The station can be configured as a transceiver by attaching the transmitter laser 13 to the receiver lens housing 3. Hinges 5, 6 and 7 consist of two rectangular elbows 14 and 15 (see Fig. 6), forming a sequential chain of hinged links connecting the base 16, on which the transceiver is based, with the lens body. Moreover, each of the hinges is cylindrical (uniaxial). The following features of the orientation of the hinge 5 on the base on the base 16 should be noted. If the optical axis of the station operates in a limited sector of azimuths, then the axis of the hinge 5 should be located horizontally. In this case, the “a” axis of the lens does not fall on the “o” pole of the grid of spherical positioning angles, both when operating in the vicinity of the horizon and when working in the vicinity of the zenith. Work in the vicinity of pole “b” of the grid of spherical angles should be carried out in polar coordinates. Moreover, hitting the pole means degeneration of one of the degrees of mobility of the tripod 4. All this complicates the operation of the angular positioning system. If work is required in a circular sector of azimuths, then pole “b” should be moved to position “c” (Fig. 4). Those. When attaching the tripod to the base 16, the hinge axis 5 should be rotated 90 degrees in the vertical plane.

Если описанный приемопередатчик устанавливается на мобильном объекте (наземном, воздушном или надводном), то данный мобильный объект должен быть оборудован навигационными датчиками координат места (спутниковой или локальной), а также датчиками углов курса, тангажа и крена, например гироскопическими. Сигналы указанных датчиков должны быть поданы на вход системы управления приводами шарниров 5, 6 и 7.If the described transceiver is installed on a mobile object (ground, air or surface), then this mobile object must be equipped with navigation position sensors (satellite or local), as well as heading, pitch and roll angle sensors, for example, gyroscopic ones. The signals from these sensors must be fed to the input of the control system for the drives of hinges 5, 6 and 7.

Функционирует описанная система связи следующим образом. Передающая станция 1 формирует остро направленный луч 17 (фиг. 1) монохроматического излучения в направлении на видимый из данной точки сектор неба или другой сектор с дальностью распространения луча, составляющей значительную часть расстояния между станциями 1 и 2. При этом станция 2 осуществляет прием оптических сигналов из сектора «г» ДН, имеющего плоскую форму. Такая форма сечения ДН приемника формируется за счет щелеобразной диафрагмы 8. Поперечное сечение Б-Б лепестка ДН приемника изображено на фиг. 1, где размер «е» примерно равен диаметру остронаправленного луча 17 передатчика. Вхождение в связь может быть произведено поиском момента совмещения плоскости ДН приемника с линией луча 17 путем вращения плоскости ДН приемника вокруг оптической оси «а» объектива приемника. То есть путем вращения шарнира 7 (фиг. 2 и 4). Одновременно при этом производится сканирование оси «а» по сферическому углу, перпендикулярному плоскости ДН приемника. Данный процесс аналогичен поиску станции в радиосвязи. Возможен также и беспоисковый способ вхождения в связь, если известны координаты станций 1 и 2 и углы направленности передающего луча. Кординаты станций и углы передающего луча выполняют функцию номера телефона. При этом углы установки ДН приемной станции могут быть автоматически рассчитаны блоком управления путем простых геометрических вычислений. Однако может потребоваться небольшая подстройка углов установки приемника по максимуму сигнала, которая может производится автоматически в режиме небольших качаний ДН приемника.The described communication system operates as follows. Transmitting station 1 forms a highly directed beam 17 (Fig. 1) of monochromatic radiation in the direction of the sector of the sky visible from a given point or another sector with a beam propagation range that is a significant part of the distance between stations 1 and 2. In this case, station 2 receives optical signals from sector “g” of the DN, which has a flat shape. This cross-sectional shape of the receiver pattern is formed by a slit-like diaphragm 8. The cross section B-B of the receiver pattern lobe is shown in Fig. 1, where the size “e” is approximately equal to the diameter of the beam 17 of the transmitter. Entering into communication can be done by searching for the moment of alignment of the plane of the receiver pattern with the beam line 17 by rotating the plane of the receiver pattern around the optical axis “a” of the receiver lens. That is, by rotating the hinge 7 (Fig. 2 and 4). At the same time, the “a” axis is scanned along a spherical angle perpendicular to the plane of the receiver pattern. This process is similar to searching for a station in radio communications. A non-search method of entering into communication is also possible if the coordinates of stations 1 and 2 and the directional angles of the transmitting beam are known. Station coordinates and transmitting beam angles act as telephone numbers. In this case, the installation angles of the receiving station can be automatically calculated by the control unit using simple geometric calculations. However, a slight adjustment of the receiver installation angles to the maximum signal may be required, which can be done automatically in the mode of slight swings of the receiver pattern.

Связь осуществляется за счет того, что луч 17 передатчика, формируемый лазером 13, создает след диффузного изотропного рассеяния, который выделяется на фоне голубого неба за счет применения дополнительных мер селекции. При этом главной мерой селекции служит спектральная селекция монохроматического излучения передатчика. Для этого весь спектр принимаемого объективом приемника излучения развертывается в направлении, перпендикулярном направлению щели диафрагмы 8 фотоприемника. При этом спектральная разрешающая способность определяется шириной щели 8, т.е. степенью приближения формы ДН к идеально тонкой плоскости.Communication is carried out due to the fact that the transmitter beam 17, formed by the laser 13, creates a trace of diffuse isotropic scattering, which stands out against the blue sky due to the use of additional selection measures. In this case, the main selection measure is the spectral selection of monochromatic radiation from the transmitter. To do this, the entire spectrum of radiation received by the receiver lens is deployed in a direction perpendicular to the direction of the slit of the diaphragm 8 of the photodetector. In this case, the spectral resolution is determined by the width of the slit 8, i.e. the degree of approximation of the shape of the pattern to an ideally thin plane.

Из-за большой протяженности «L» захватываемого в поле зрения приемника луча 17 передатчика (см. фиг. 1), отдельные фрагменты «dLi» луча 17 образуют потоки сигналов с разным сдвигом во времени, т.к. проходят различный путь. Причем сигналы отдельных фрагментов луча 17 должны суммироваться при приеме, чтобы накопить как можно большее число фотонов на каждый элемент сигнала и уменьшить дробовый шум. При прямом сумировании сигналов, сдвинутых по фазе, сигнал искажается -смазывается. Для компенсации разности сдвигов, фотоприемник разбит на несколько фотоэлементов 10 (фиг. 3), сигналы с которых пропускаются через линии задержки 12 разной длины, которая выбирается такой, чтобы суммарная задержка сигналов по всему тракту канала связи, до подачи их в блок суммирования 11 была одинаковой. Требуемая величина распределения задержек по подканалам может быть рассчитана оперативно по данным о геометрии канала связи. В конфигурации, изображенной на фиг. 1 задержка определяется суммированием длин фрагментов «dLi» луча 17 с добавками рсстояний «ж» между осью луча 17 передатчика и дугой «и», соответствующей равным расстояниям до приемника.Due to the large length “L” of the transmitter beam 17 captured in the field of view of the receiver (see Fig. 1), individual fragments “dLi” of the beam 17 form signal streams with different time shifts, because go through different paths. Moreover, the signals of individual fragments of beam 17 must be summed during reception in order to accumulate as many photons as possible for each signal element and reduce shot noise. When directly summing phase-shifted signals, the signal is distorted and blurred. To compensate for the difference in shifts, the photodetector is divided into several photocells 10 (Fig. 3), the signals from which are passed through delay lines 12 of different lengths, which are selected such that the total delay of the signals along the entire path of the communication channel, before they are fed into the summing unit 11, is the same. The required value of delay distribution over subchannels can be calculated quickly using data on the geometry of the communication channel. In the configuration shown in FIG. 1, the delay is determined by summing the lengths of the fragments “dLi” of the beam 17 with the addition of distances “z” between the axis of the transmitter beam 17 and the arc “i”, corresponding to equal distances to the receiver.

Необходимость оперативной перестройки задержек сигналов требует разработки управляемых линий задержки. Проблема эта осложняется тем, что сигнал представляет собой заряды фотоэлектронов, накопленных в фотоприемнике и исчисляемых сотнями, а то и десятками электронов. Решение этой задачи обычными электротехническими схемами проблематично.The need to quickly adjust signal delays requires the development of controlled delay lines. This problem is complicated by the fact that the signal represents charges of photoelectrons accumulated in the photodetector and amounting to hundreds or even tens of electrons. Solving this problem with conventional electrical circuits is problematic.

Возможность манипулирования с малыми порциями электронов имеется в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Это реализуется в следующем варианте приемопредатчика, изображенном на фигурах 5 и 6. В этом варианте используется двухмерная матрица ПЗС, подобная применяемой в телевизионных камерах. Эта матрица (позиция 18) расположена под щелевой диафрагмой 8 и закреплена с возможностью вращения в своей плоскости относительно щелевой диафрагмы 8. Это вращение осуществляется приводом 19. Между диафрагмой 8 и матрицей ПЗС 18 расположен шлейф световодов 20, представляющий множество расположенных параллельно оптических волокон, скрепленных между собой с образованием пластины. Выходной торец шлейфа световодов снабжен механизмом управляемой дугообразной деформации. Например это может быть винтовая тяга 21 с электроприводом 22 вращения гайки. При этом края шлейфа 20 закреплены шарнирно. Светоприемная поверхность матрицы 18 расположена с малым зазором относительно выходного торца шлейфа 20.The ability to manipulate small portions of electrons is available in charge-coupled devices (CCDs). This is implemented in the following version of the transceiver, shown in figures 5 and 6. This version uses a two-dimensional CCD matrix, similar to that used in television cameras. This matrix (position 18) is located under the slit diaphragm 8 and is fixed with the possibility of rotation in its plane relative to the slit diaphragm 8. This rotation is carried out by the drive 19. Between the diaphragm 8 and the CCD matrix 18 there is a train of light guides 20, representing a plurality of optical fibers arranged in parallel, bonded between themselves to form a plate. The output end of the fiber cable is equipped with a controlled arc-shaped deformation mechanism. For example, this could be a screw rod 21 with an electric drive 22 for rotating the nut. In this case, the edges of the cable 20 are hinged. The light-receiving surface of the matrix 18 is located with a small gap relative to the output end of the cable 20.

Работает данный вариант фотоприемника следующим образом. На фиг. 6 ПЗС матрица 18 изображена в повернутом на некоторый угол «н» положении. Стрелкой «п» обозначено направление сдвигания изображения матрицы 18 в процессе считывания накопленного в ней зарядового изображения. Изображение, соответствуеющее распределению яркости луча 17 (фиг. 1) на отрезке L, записывается на матрицу в виде полоски, которая изогнута за счет изгиба шлейфа световодов 20. При этом угол «н» и изгиб должны соответствовать линейной и дугообразной составляющим функции распределения задержек сигнала, чтобы скомпенсировать разность задержек. При этом, линейная составляющая профиля задержек компенсируется за счет поворота матрицы приводом 19, а дугообразная - приводом 22. Сдвигание изображения осуществляется за счет системы параллельных шин, питаемых от трех или четырех-фазных генераторов 23 напряжения. При сдвигании изображении в направлении стрелки «п», различные элементы записанного изображения, записываемые на матрицу через щель диафрагмы 8 приходят к выходному краю матрицы 18 с запаздыванием, зависящим от от скоса выходного края матрицы 18 относительно щели диафрагмы 8, дугообразного искривления шлейфа 20 и скорости сдвигания изображения, определяемой частотой генераторов сдвигания 23. После каждого сдвигания изображения на один шаг, очередная строка, подошедшая к краю матрицы, сдвигается в ортогональном направлении, формируя на выходе видеосигнал.This version of the photodetector works as follows. In fig. 6, the CCD matrix 18 is shown rotated through a certain angle “n” position. The arrow “p” indicates the direction of shifting the image of the matrix 18 during the process of reading the charge image accumulated in it. The image corresponding to the distribution of the brightness of the beam 17 (Fig. 1) on the segment L is recorded on the matrix in the form of a strip, which is curved due to the bending of the fiber cable 20. In this case, the angle “n” and the bend must correspond to the linear and arcuate components of the signal delay distribution function to compensate for the delay difference. In this case, the linear component of the delay profile is compensated by rotating the matrix by drive 19, and the arcuate component by drive 22. The image shift is carried out by a system of parallel buses powered by three or four-phase voltage generators 23. When the image is shifted in the direction of the arrow "n", various elements of the recorded image recorded on the matrix through the slit of the diaphragm 8 come to the output edge of the matrix 18 with a delay depending on the bevel of the output edge of the matrix 18 relative to the slit of the diaphragm 8, the arcuate curvature of the cable 20 and the speed image shift, determined by the frequency of shift generators 23. After each image shift by one step, the next line that approaches the edge of the matrix is shifted in the orthogonal direction, forming a video signal at the output.

Таким образом, реализуются управляемые линии задержки, обеспечивающие возможность настройки фазовой фокусировки на различную ориентацию луча 17 и различные углы его относительно ДН приемника. Этого оказывается достаточно для устранения искажений видеосигала от сильной многолучевости, неизбежной при широкой плоскости ДН приемника.Thus, controlled delay lines are implemented, providing the ability to adjust phase focusing to different orientations of the beam 17 and its different angles relative to the receiver pattern. This turns out to be sufficient to eliminate distortion of the video signal from strong multipath, which is inevitable with a wide receiver beam plane.

Однако передача информации в широкой полосе частот осложняется большой фоновой засветкой от яркости дневного неба. Применение вышеуказанной спектральной селекции для этого, как будет показано ниже, оказывается недостаточно. Поэтому необходимо применение дополнительных мер селекции для выделения полезного сигнала на фоне дневного неба. Такой мерой селекции может быть работа передатчика короткими импульсами высокой скважности. При этом небольшая по сравнению с фоном неба средняя мощность излучения лазера будет сконцентрирована на малом отрезке времени. Это позволит стробировать также и работу приемника, принимая только те фотоны, которые принимаются в фазе наличия полезного сигнала. Стробирование приема должно производится синхронно с импульсами полезного сигнала, как это делается при синхронном детектировании или в системах с временным разделением каналов.However, the transmission of information over a wide frequency band is complicated by large background illumination from the brightness of the daytime sky. The use of the above spectral selection for this, as will be shown below, turns out to be insufficient. Therefore, it is necessary to use additional selection measures to isolate the useful signal against the background of the daytime sky. Such a selection measure could be the operation of the transmitter with short pulses of high duty cycle. In this case, the average laser radiation power, which is small compared to the sky background, will be concentrated over a short period of time. This will also allow the operation of the receiver to be gated, accepting only those photons that are received in the phase of the presence of a useful signal. Reception gating must be done synchronously with the desired signal pulses, as is done in synchronous detection or in time division systems.

Произведем количественную оценку предлагаемой системы связи, принимая во внимание только порядок величин.Let us make a quantitative assessment of the proposed communication system, taking into account only the order of magnitude.

Допустим средняя мощность излучения передатчика составляет 1 Вт, а энергия фотона около 1 электронвольта. Поскольку заряд электрона (по порядку велины) составляет 10 в минус 19 ой степени кулон, то мы получим поток фотонов, равный 10 в 19ой степени фотонов в секунду. Весь этот поток фотонов рассеивается в луче передатчика практически изотропно на пути в несколько километров. Полагая, для простоты, что мы захватываем в ДН приемника основную часть длины пути рассеивания, мы можем считать, что в точке «f» на фиг. 1 мы имеет всенаправленный источник света, мощностью 1 Вт, излучающий 10 в 19ой степени фотонов в сек. Полагая площадь объектива приемника равной 10 см кв. и расстояние от источника f до объектива приемника равным 1 километр, деля площадь сферы радиусом 1 км на площадь объектива 10 см кв, мы получим коэффициент ослабления потока фотонов в объектив приемника равный 10 в 10 ой степени. Таким образом поток рассеянных фотонов в объектив от луча 17 составит 10 в 9 ой степени в секунду, т.е. 1 миллиард фотонов на 1 Вт мощности излучения передатчика.Let's say the average radiation power of the transmitter is 1 W, and the photon energy is about 1 electronvolt. Since the electron charge (in order of magnitude) is 10 to the minus 19th power of a coulomb, we get a photon flux equal to 10 to the 19th power of photons per second. This entire stream of photons is scattered in the transmitter beam almost isotropically over a path of several kilometers. Assuming, for simplicity, that we capture the main part of the length of the scattering path in the receiver pattern, we can assume that at point “f” in Fig. 1 we have an omnidirectional light source with a power of 1 W, emitting 10 to the 19th power of photons per second. Assuming the area of the receiver lens to be 10 cm2. and the distance from the source f to the receiver lens is equal to 1 kilometer, dividing the area of a sphere with a radius of 1 km by the area of the lens 10 cm square, we obtain an attenuation coefficient of the photon flux into the receiver lens equal to 10 to the 10th power. Thus, the flux of scattered photons into the lens from beam 17 will be 10 to the 9th power per second, i.e. 1 billion photons per 1 W of transmitter radiation power.

Влияние фона дневного неба можно оценить, рассмотрев освещенность, создаваемую небом в тени в солнечный день. Примем мощность солнечного излучения за 1 кВт/м кв.. Допустим, что 10% этого света рассевается атмосферой. Тогда освещенность объектива, расположенного в тени составит 100 Вт/м кв.=10 мВт/см кв. с полусферы или 100 мВт с полусферы на объективе площадью 10 см кв. При этом в угловую апертуру объектива попадет примерно десятая часть от полусферы, т.е. 10 мВт. Если допустить, что плоскость ДН приемника имеет относительную толщину, равную 1/300, то поток от фона неба на фотоприемник снизится еще в 300 раз и составит 0,03 мВт. А поскольку энергия фотона в 1 электроновольт соответствует (порядку величины) 10 в минус 19 ой степени джоулям, то мы получим поток засветки фотоприемника фоном неба: 0,03 мВт поделить на 10 в 19 степени джоулей на фотон, т.е. 3*10 в 14ой степени фотонов в секунду.The effect of the daytime sky background can be assessed by considering the illumination produced by the shadow sky on a sunny day. Let us take the power of solar radiation as 1 kW/m2. Let us assume that 10% of this light is scattered by the atmosphere. Then the illumination of the lens located in the shadow will be 100 W/sq. m = 10 mW/cm sq. from a hemisphere or 100 mW from a hemisphere on a lens with an area of 10 cm2. In this case, approximately a tenth of the hemisphere will fall into the angular aperture of the lens, i.e. 10 mW. If we assume that the plane of the receiver pattern has a relative thickness of 1/300, then the flux from the sky background to the photodetector will decrease by another 300 times and amount to 0.03 mW. And since the photon energy of 1 electron volt corresponds (to the order of magnitude) to 10 to the minus 19th power of joules, we get the flux of illumination of the photodetector by the sky background: 0.03 mW divided by 10 to the 19th power of joules per photon, i.e. 3*10 to the 14th power of photons per second.

Далее учтем спектральную оптическую селекцию. Ее разрешение, как и толщина плоскости ДН приемника, также связана с шириной щели диафрагмы 8, т.е может ослабить фон дополнительно в 300 раз. Т.е. получим фон неба 3*10 в 14ой степени, деленные на 300, что равно 10 в 12 степени фотонов в секунду.Next, we take into account spectral optical selection. Its resolution, like the thickness of the receiver's pattern plane, is also related to the width of the diaphragm slit 8, i.e. it can weaken the background by an additional 300 times. Those. we get a sky background of 3 * 10 to the 14th power, divided by 300, which is equal to 10 to the 12th power of photons per second.

Осталась не использованной еще одна возможность ослабить фон неба - это стробирование приема сигнала по времени за счет скважного излучения передатчика. Возможная частота стробирования приема сигнала в варианте с применением ПЗС матрицы ограничивается допустимой тактовой частотой работы ПЗС. Если допустить возможность сдвигания зарядового изображения матрицы с частотой следования шагов 300 МГц, то мы получим количество фотонов от фона неба в один стробимпульс (10 в 12 ой степени, поделенные на 300 млн), равный приблизительно 3000 фотонов. Такое количество фотонов составит уровень фона от дневного неба в один импульс стробирования приема.Another opportunity to weaken the sky background remains unexploited - this is time gating of signal reception due to the downhole radiation of the transmitter. The possible gating frequency of signal reception in the version using a CCD matrix is limited by the permissible clock frequency of the CCD. If we assume the possibility of shifting the charge image of the matrix with a step frequency of 300 MHz, then we obtain the number of photons from the sky background in one strobe pulse (10 to the 12th power, divided by 300 million), equal to approximately 3000 photons. This number of photons will be the background level from the daytime sky in one reception gating pulse.

Если уровень полезного сигнала довести до такой же величины, т.е до 3000 фотонов в одном стробимпульсе приема, то общая порция фотонов составит 6000. При этом среднестатистический разброс этой величины, т.е. флуктуация составит корень квадратный из 6000, что равно 78 фотонов или 2,5% от уровня полезного сигнала.If the level of the useful signal is brought to the same value, i.e., up to 3000 photons in one reception strobe pulse, then the total portion of photons will be 6000. In this case, the average statistical spread of this value, i.e. the fluctuation will be the square root of 6000, which is equal to 78 photons or 2.5% of the useful signal level.

Такой уровень шума позволяет закодировать цветояркостные параметры одного пикселя телевизионного изображения с приемлемым качеством.This noise level makes it possible to encode the color-brightness parameters of one pixel of a television image with acceptable quality.

Один кадр телевизионного изображения среднего качества составляет примерно 600*600=360 тыс. пикселей. Обычная частота обновления кадра составляет 25 Гц. Таким образом получаем требуемую скорость передачи пикселей 360 тыс.*25=9 млн пикселей в секунду. Однако это необходимо только если каждый кадр обновляется с большой вероятностью по всем элементам. Однако глаз не воспринимает такого количества обновлений. Да их и нет в обычном телевизионном контенте. В аналоговом телевидении приходилось каждый кадр обновлять с частотой 25 Гц только из-за отсутствия возможности какой либо существенной обработки видеосигнала кроме гамма коррекции. Появление быстро действующих цифровых процессоров и емких ЗУ произвольного доступа, позволяет передавать только изменяющиеся элементы изображения в каждой строке, в каждом столбце и в каждом кадре (трехмерное сжатие информации), а также производить выравнивание потока данных посредством его буферизации в цифровом ЗУ. Это обеспечивает возможность снижения пиковой мощности потока данных, представляющий видеосигнал хорошего качества как минимум на полтора порядка. Если после такой Цифровой компрессии потока пикселей, преобразовать сами пиксели в аналоговую форму, т.е. в ту форму, в которой они и возникли в телевизионной камере, то мы получим приемлемую частоту передачи аналоговых пикселей порядка 300 кГц.One frame of an average quality television image is approximately 600*600=360 thousand pixels. The usual frame refresh rate is 25 Hz. Thus, we obtain the required pixel transmission rate of 360 thousand * 25 = 9 million pixels per second. However, this is only necessary if each frame is updated with high probability across all elements. However, the eye does not perceive so many updates. Yes, they are not in regular television content. In analog television, each frame had to be updated at a frequency of 25 Hz only due to the lack of the possibility of any significant video signal processing other than gamma correction. The advent of fast digital processors and capacious random access memories makes it possible to transmit only changing image elements in each row, in each column and in each frame (three-dimensional information compression), as well as to level the data stream by buffering it in the digital memory. This makes it possible to reduce the peak power of a data stream representing a good quality video signal by at least one and a half orders of magnitude. If, after such Digital compression of the pixel stream, the pixels themselves are converted into analog form, i.e. into the form in which they appeared in a television camera, then we get an acceptable transmission frequency of analog pixels of the order of 300 kHz.

Ранее мы получили, что принимаемый поток фотонов от передатчика в приемник составляет 1 миллиард фотонов в секунду на 1 Вт мощности полного излучения передатчика, а на каждый пиксель требуется принять 3000 фотонов. При передаче пикселей с частотой 300 кГц требуемый поток фотонов составит 3000*300 тыс/сек.=1 миллиард в секунду. Таким образом, требуемая средняя мощность излучения лазера составит, как раз 1 Вт, т.е. вычисленную выше величину. Но излучаться эта средняя мощность должна импульсами со скважностью, равной 1000, чтобы при частоте следования импульсов 300 кГц и при надлежащей синхронизации попадать в окна приема (т.к. период следования передаваемых элементов видеосигнала в 1000 раз больше длительности окна стробирования).Previously, we found that the received photon flux from the transmitter to the receiver is 1 billion photons per second per 1 W of the transmitter's total radiation power, and 3000 photons are required to be received for each pixel. When transmitting pixels with a frequency of 300 kHz, the required photon flux will be 3000*300 thousand/sec.=1 billion per second. Thus, the required average laser radiation power will be exactly 1 W, i.e. the value calculated above. But this average power must be emitted in pulses with a duty cycle of 1000, so that at a pulse repetition rate of 300 kHz and with proper synchronization, it falls into the reception windows (since the repetition period of the transmitted video signal elements is 1000 times longer than the duration of the gating window).

Предлагаемая система связи может быть применена в частности для создания городской сети вещания, а также телефонной и видеотелефонной связи. При этом для обслуживания района или небольшого города диаметром до 5 км достаточно будет одной базовой станции размещенной на высоте не превышающей самое высокое здание. При этом лучи 24 базовой станции 25 (см. фиг. 7) будут направлены немного вверх, образуя конус, располагающийся поверх всех строений на высоте от высоты самого высокого здания до 1 километра. Число лучей 24 выбирается таким, чтобы из каждого дома в любое окно был виден хотя бы один луч. При этом объективы приемников и передатчиков базовой станции располагаются неподвижно по секторам. Приемопередатчики абонентов 26 могут быть настроены на любой видимый луч за счет подходящей ориентации ДН абонентских устройств. При этом приемопередатчики могут располагаться внутри помещения вблизи окна. То же касается и расположения приемопередатчика на автомобиле.The proposed communication system can be used, in particular, to create a city broadcast network, as well as telephone and videotelephone communications. At the same time, to serve an area or small city with a diameter of up to 5 km, one base station located at an altitude not exceeding the tallest building will be sufficient. In this case, the beams 24 of the base station 25 (see Fig. 7) will be directed slightly upward, forming a cone located on top of all buildings at a height from the height of the tallest building to 1 kilometer. The number of beams, 24, is chosen so that at least one beam is visible from each house through any window. In this case, the lenses of the base station receivers and transmitters are located motionless in sectors. The transceivers of the subscribers 26 can be configured to any visible beam due to a suitable orientation of the DP of the subscriber devices. In this case, the transceivers can be located indoors near a window. The same applies to the location of the transceiver on the car.

Учитывая, что оптическая система связи не занимает частотный радиодиапазон и не лимитирована по числу и полосе каналов, она может быть использована для создания видеотелефонной сети связи произвольной структуры без базовой станции и без ограничений числа абонентов и времени работы.Considering that the optical communication system does not occupy the radio frequency range and is not limited in the number and bandwidth of channels, it can be used to create a video telephone communication network of any structure without a base station and without restrictions on the number of subscribers and operating time.

Если предполагается создание только пейджерной системы, или системы малых сообщений, то базовая станция может содержать только один непрерывно вращающийся приемопередатчик 27, который будет передавать пакеты информаци ко всем абонентам или осуществлять обмен пакетами коротких сообщений между всеми абонентами города. Одного быстро вращающегося приемопередатчика. в сочетании со сжатием голосовой информации в дискретные пакеты, будет достаточно для покрытия телефонной связью всего района или небольшого города.If it is intended to create only a pager system, or a small message system, then the base station may contain only one continuously rotating transceiver 27, which will transmit information packets to all subscribers or exchange short message packets between all subscribers in the city. One fast rotating transceiver. combined with compression of voice information into discrete packets, it will be enough to cover an entire area or small city with telephone communications.

Следует также заметить, что никакая преграда 28 (фиг. 7) между двумя абонентами 29 и 30, например высокий дом, или гора, на которой нельзя по каким либо причинам поставить ретранслятор, не может служить препятствием для связи (в отличие, например, от радиосвязи, где при этом без ретранслятора не обойтись).It should also be noted that no obstacle 28 (Fig. 7) between two subscribers 29 and 30, for example a tall house, or a mountain on which it is impossible for some reason to install a repeater, can serve as an obstacle to communication (unlike, for example, radio communications, where a repeater is indispensable).

В заключение сдует сказать об экологической безопасности предлагаемой системы связи. В данной системе лучи лазера при средней мощности 1-2 Вт распределяются по площади, составляющей от 10 до 10000 см кв. При работе в инфракрасном диапазоне спектра излучение оказывает лишь тепловое действие, определяемое средней мощностью лазера, которая оказывается не на много большей плотности солнечного луча, достигающей 1,5 кВт/м кв. В видимом диапазоне волн луч оказывает действие своей импульсной мощностью, усредняемой по времени накопления эффекта, составляющим сотые доли секунды. При этом эффективная действующая плотность светового луча превышает плотность солнечного света лишь на близком расстоянии, на котором попадание луча в глаза может быть опасно. Таким образом, предпочтительной является использование инфракрасного диапазона волн.In conclusion, it is important to talk about the environmental safety of the proposed communication system. In this system, laser beams with an average power of 1-2 W are distributed over an area ranging from 10 to 10,000 cm2. When working in the infrared range of the spectrum, the radiation has only a thermal effect, determined by the average laser power, which is not much higher than the density of the solar beam, reaching 1.5 kW/m2. In the visible wavelength range, the beam has an effect with its pulse power, averaged over the effect accumulation time of hundredths of a second. In this case, the effective effective density of the light beam exceeds the density of sunlight only at a close distance, at which the beam entering the eyes can be dangerous. Thus, it is preferable to use infrared wavelengths.

При этом важно то, что широкое распространение оптической системы связи (в отличие от СВЧ-связи) не имеет ограничений с точки зрения электромагнитной совместимости и позволит снизить электромагнитное загрязнение среды.It is important that the widespread use of optical communication systems (as opposed to microwave communications) has no restrictions from the point of view of electromagnetic compatibility and will reduce electromagnetic pollution of the environment.

Claims

1. An optical communication system through the atmosphere, containing a transmitting station with a device for forming a weakly divergent monochromatic optical beam and an optical radiation receiving station containing a lens with a photodetector located in the focal plane of the lens and installed with the possibility of controlled positioning of the optical axis of the lens at two spherical angles, different in that the light receiving window of said photodetector has a slit-like shape, and there is also a device for scanning the received image along the optical spectrum in a direction perpendicular to the direction of the long side of the slit-like window of said photodetector.

2. The optical communication system according to claim 1, characterized in that the specified slit-shaped window of the photodetector is installed with the ability to rotate it relative to the optical axis of the lens.

3. The optical communication system according to claim 1, characterized in that the photodetector consists of several photosensitive elements located on the same line, connected via delay lines to a summing circuit of electrical signals.

4. The optical communication system according to claim 1, characterized in that the photodetector is made in the form of a matrix receiver of a two-dimensional image, which has the function of step-by-step image shifting, for example, a matrix charge-coupled device (CCD), which is installed with the possibility of its rotation in the image plane, relative to the specified slit-shaped window.

5. The optical system according to claim 4, characterized in that between the specified light-receiving window and the photosensitive surface of the matrix photodetector, a flat fiber cable is installed, equipped with a mechanism for controlled arc-shaped curvature of its output end.