Устройство двусторонней оптической связи

Устройство двусторонней оптической связи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в системах двусторонней оптической связи.

Из уровня техники известно устройство двусторонней оптической связи (Патент Японии №25122, 1969 г.), содержащее два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, включающую лазер с источником питания, коллимирующую оптику и фотоприемник, а также схему обработки и регулирования через исполнительный элемент. Эта система предусматривает автоматическую компенсацию возмущений положения светового пучка, возникающих в результате изменения метеорологических условий. Исполнительным устройством в этой системе является сервопривод для изменения углового положения коллиматора. Смещение луча лазера после прохождения по трассе фиксируется верхним и нижним фотодетекторами. Разностный сигнал между этими фотоприемниками корректирует угловое положение соответствующего коллиматора. К недостаткам данного устройства можно отнести малый динамический диапазон работы системы при передаче данных с высокой скоростью.

Наиболее близким по технической сущности является устройство двусторонней оптической связи (Патент РФ №2155450, 2000 г.), которое и выбрано в качестве прототипа. Приемопередающая оптическая система устройства выполнена в виде, по крайней мере, трех собирающих линз, расположенных равномерно по периметру приемной площадки, на центральной оси которой с внешней стороны установлен лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а с внутренней стороны последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник, а на оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, которая также оптически связана с фокусирующей линзой, при этом каждое поворотное зеркало расположено к оптической оси собирающей линзы под углом 5°≤α≤10°. К недостаткам данного устройства двусторонней оптической связи можно отнести малый динамический диапазон работы системы и невысокую надежность связи.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства двусторонней оптической связи, а именно, уменьшение минимального и увеличение максимального размера дистанции связи.

Технический результат достигается за счет того, что устройство двусторонней оптической связи содержит два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, содержащую приемную площадку с периметром в виде окружности, центр которой совпадает с центральной осью приемопередающей оптической системы. С одной стороны приемной площадки расположены собирающие линзы, установленные равномерно по периметру приемной площадки. А также на центральной оси приемопередающей оптической системы последовательно размещены лазер с источником питания и коллиматорная оптика. С другой стороны приемной площадки последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник. На оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, оптически связанной с фокусирующей линзой. При этом вновь введены оптически связанные между собой позиционно чувствительный фотоприемник и светоделительная пластинка, последовательно установленные между оптическим элементом и фокусирующей линзой. Причем, оптическая длина пути от собирающей линзы до позиционно чувствительного фотоприемника и наклон поворотного зеркала выбраны так, что фокус каждой собирающей линзы совпадает с центром позиционно чувствительного фотоприемника. Между фокусирующей линзой и фотоприемником может быть установлена диафрагма, выполненная с возможностью перемещения вдоль оси, соединяющей центры фокусирующей линзы, диафрагмы и фотоприемника.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства двусторонней оптической связи. Устройство двусторонней оптической связи состоит из первого приемопередающего узла 1 и второго приемопередающего узла 2, расположенных на противоположных концах дистанции связи. Каждый из узлов включает приемопередающую оптическую систему 3, электронный блок управления 4 и опорно-поворотное устройство 5 для крепления на объекте.

На фиг.2 изображена оптическая схема приемопередающей оптической системы устройства двусторонней оптической связи, где

3 - приемопередающая оптическая система;

6 - приемная площадка;

7 - центральная ось;

8 - собирающая линза;

9 - лазер;

10 - источник питания;

11 - коллиматорная оптика;

12 - оптический элемент;

13 - отражающая поверхность;

14 - фокусирующая линза;

15 - фотоприемник;

16 - оптическая ось собирающей линзы;

17 - поворотное зеркало;

18 - позиционно чувствительный фотоприемник;

19 - светоделительная пластинка;

20 - диафрагма;

21 - ось, соединяющая центры фокусирующей линзы и фотоприемника.

Устройство двухсторонней оптической связи содержит два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему 3, содержащую приемную площадку 6 с периметром в виде окружности, центр которой совпадает с центральной осью 7 приемопередающей оптической системы 3. С одной стороны приемной площадки расположены собирающие линзы 8, установленные равномерно по периметру приемной площадки 6. А также на центральной оси 7 приемопередающей оптической системы последовательно размещены: лазер 9 с источником питания 10 и коллиматорная оптика 11. С другой стороны приемной площадки 6 последовательно размещены оптический элемент 12 с отражающей поверхностью 13, фокусирующая линза 14 и фотоприемник 15. На оптической оси 16 каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало 17, оптически связанное с собирающей линзой 8 и отражающей поверхностью оптического элемента 12, оптически связанной с фокусирующей линзой 14.

При этом в схему вновь введены оптически связанные между собой позиционно чувствительный фотоприемник 18 и светоделительная пластинка 19, последовательно установленные между оптическим элементом 12 и фокусирующей линзой 14. Причем, оптическая длина пути от собирающей линзы 8 до позиционно чувствительного фотоприемника 18 и наклон поворотного зеркала 17 выбраны так, что фокус каждой собирающей линзы 8 совпадает с центром позиционно чувствительного фотоприемника 18.

Между фокусирующей линзой 14 и фотоприемником 15 может быть установлена плоская круглая диафрагма 20, выполненная с возможностью перемещения вдоль оси 21, соединяющей центры фокусирующей линзы 14, диафрагмы 20 и фотоприемника 15.

Устройство двусторонней оптической связи работает следующим образом. Оптический передатчик первого приемопередающего узла 1 генерирует световые импульсы, принимаемые приемником оптического излучения второго приемопередающего узла 2. При распространении света вдоль дистанции в атмосфере происходит взаимодействие излучения с турбулентной газовой средой, в результате чего луч интерферирует и искривляется. Это приводит к образованию на приемной стороне зон с повышенной и пониженной интенсивностью излучения, флуктуирующих как в пространстве, так и во времени. Дополнительно с этим происходят медленные подвижки точек крепления блоков, связанные с сезонными и суточными изменениями температуры среды, качанием ретрансляционных вышек, вибрациями и колебаниями зданий и сооружений, используемых в качестве мест крепления.

В предложенной оптической схеме приемопередающей оптической системы, показанной на фиг.2, на первом приемопередающем узле 1 импульсы излучения вырабатываются лазером 9 с источником питания 10, которые формируются коллиматорной оптикой 11 в практически параллельный пучок и направляются на приемопередающую оптическую систему второго приемопередающего узла 2. Излучение, попавшее на собирающие линзы 8, путем последовательного отражения от поворотного зеркала 17 и оптического элемента 12 направляется на фокусирующую линзу 14 и фотоприемник 15. Фокусные расстояния собирающей 8 и фокусирующей 14 линз подобраны так, что точка суммарного фокуса этих линз располагается на поверхности фотоприемника 15. Большая длина оптического пути, возникающая из-за применения двух отражательных элементов, позволяет использовать длиннофокусные линзы, обеспечивающие небольшие сферические аберрации изображения. На фотоприемнике 15 складываются излучения с нескольких собирающих линз 8, разнесенных в пространстве. Это обеспечивает увеличение площади, с которой собирается приходящее излучение. Кроме того, разнесение точек приема уменьшает интерференционные явления, что обеспечивает уменьшение замирания сигнала. Из литературы известно (Е.Р.Милютин. А.Ю.Гумбинас. Статистическая теория атмосферного канала оптических информационных систем. М.: Радио и связь. 2002 г. с.199-200.), что линейное сложение разнесенных приемных оптических каналов позволяет уменьшить уровень ошибок в канале оптической связи в 30-100 раз при высокой турбулентности атмосферы.

Для обеспечения точного наведения первой приемопередающей системы 1 на вторую приемопередающую систему 2 введена светоделительная пластинка 19 и позиционно чувствительный фотоприемник 18. Часть лучей принимаемого излучения отражается светоделительной пластинкой 19, установленной перед фокусирующей линзой 14, на позиционно чувствительный фотоприемник 18, расположенный в точке фокуса собирающей линзы 8. Если происходит изменение угла падения приходящего излучения, то изменяется положение фокального пятна на позиционно чувствительном фотоприемнике 18. Из геометрической оптики известно (Б.М.Яворский. А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука, 1965 г., стр.576.), что линейное отклонение изображения в фокальной плоскости параллельного пучка света, падающего на линзу от оптической оси, определяется выражением

Δx=F·ΔΘ,

где Δx - линейное отклонение;

F - фокусное расстояние линзы;

ΔΘ - угловое отклонение падающего излучения от оптической оси.

Из приведенного выражения следует, что при данном угловом отклонении линейное отклонение тем больше, чем больше фокусное расстояние. В приведенном устройстве двусторонней оптической связи собирающая линза 8 имеет максимальное фокусное расстояние. Излучение от собирающих линз 8 путем юстировки поворотных зеркал 17 совмещается между собой. Это обеспечивает уменьшение влияния интерференции пучка излучения в атмосфере на точность определения углового отклонения, поскольку замирание сигнала во времени различно для лучей, попавших на позиционно чувствительный фотоприемник 18 от собирающих линз, разнесенных в пространстве. Позиционно чувствительный фотоприемник 18 (например, 4-секторный фотодиод или телевизионная полупроводниковая матрица) вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный линейному отклонению изображения фокального пятна от оптической оси. Измеряя эту величину и поворачивая всю систему в ту или иную сторону, можно добиться минимального значения этого рассогласования и, тем самым, с высокой точностью навести оба приемопередающих узла друг на друга.

При использовании телевизионной полупроводниковой матрицы с шагом 7 мкм и фокусным расстоянием собирающей линзы 700 мм в результате проведенных экспериментов получена точность наведения узлов друг на друга не хуже 10^-5 радиана.

При изменении дистанции связи и погодных условий уровень мощности принимаемого излучения на фотоприемнике может изменяться более чем в 100000 раз (>60 дБ). Эта величина может значительно превышать динамический диапазон линейной работы фотоприемника 15 и приводить к появлению ошибок в канале связи. Для исключения возможной перегрузки фотоприемника 15 в данную конструкцию может быть введена круглая диафрагма 20, установленная между фокусирующей линзой 14 и фотоприемником 15, выполненная с возможностью перемещения вдоль оси 21, соединяющей центры фокусирующей линзы 14, диафрагмы 20 и фотоприемника 15.

На фиг.3 показан принцип работы устройства двусторонней оптической связи с диафрагмой.

Излучения 22, 23 от собирающих линз 8 поступают на фотоприемник 15. При этом на оси 24, перпендикулярной приемной поверхности фотоприемника 15, излучение отсутствует. Поэтому круглая плоская диафрагма 20 может либо полностью пропускать все лучи от всех собирающих линз 8, либо полностью перекрывать их. Эти два крайних положения диафрагмы 20 показаны позициями 25 и 26 на фиг.3. В промежуточных положениях перемещения диафрагмы 20 при ее незначительном смещении можно получить необходимый уровень ослабления излучения. Осевое перемещение диафрагмы может осуществляться, например, с помощью привода. Привод осевого перемещения может быть как ручным, так и от системы электронного управления. Сравнение расчетных значений ослабления подобного устройства с экспериментальными данными приведено на фиг.4, которая ярко демонстрирует зависимость ослабления излучения от положения диафрагмы 20 на оси 24.

Увеличение точности наведения за счет введенных элементов позволяет уменьшить расходимость приемопередающей оптической системы в 3-10 раз. Это приводит к увеличению максимального размера дистанции связи также в 3-10 раз. С другой стороны, введение диафрагмы 20 обеспечивает надежную работу канала связи при уменьшении минимального размера дистанции связи.

Эксперименты показали, что введение в устройство двусторонней оптической связи дополнительных элементов позволяет обеспечить надежную связь на расстоянии от 10 метров до 7 километров, в то время как при отсутствии данных элементов это возможно только в диапазоне от 200 метров до 15000 метров (в ясную погоду).

1. Устройство двухсторонней оптической связи, содержащее два приемопередающих узла, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, содержащую приемную площадку с периметром в виде окружности, центр которой совпадает с центральной осью приемопередающей оптической системы, с одной стороны приемной площадки расположены собирающие линзы, установленные равномерно по периметру приемной площадки, и последовательно размещенные на центральной оси приемопередающей оптической системы лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а с другой стороны приемной площадки последовательно размещены оптический элемент с отражающей поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник, на оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, которая также оптически связана с фокусирующей линзой, отличающееся тем, что в него вновь введены оптически связанные между собой позиционно чувствительный фотоприемник и светоделительная пластинка, последовательно установленные между оптическим элементом и фокусирующей линзой, при этом оптическая длина пути от собирающей линзы до позиционно чувствительного фотоприемника и наклон поворотного зеркала выбраны так, что фокус каждой собирающей линзы совпадает с центром позиционно чувствительного фотоприемника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между фокусирующей линзой и фотоприемником установлена диафрагма, выполненная с возможностью перемещения вдоль оси, соединяющей центры фокусирующей линзы, диафрагмы и фотоприемника.