ПЕРЕГОВОРНОЕ УСТРОЙСТВО НА БАЗЕ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА
INTERCOM SYSTEM BASED ON LASER DIODE

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике, касается переговорного устройства на базе полупроводникового лазерного диода, которое может быть использовано в бортовых приемно-передающих терминалах лазерных систем передачи и приема закодированной информации между экипажами самолетов, вертолетов, надводных кораблей и подводных лодок, в режиме «радиомолчания».
В специальной технике и технической литературе, как в России [Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. // Учебник для ВУЗов. / Под редакцией проф. В.А. Неганова и С.Б. Раевского, М.: "Радиотехника", 2009, 744 с.; Григорьев-Фридман С.Н. Переговорное устройство «Луч» в оптическом диапазоне, в режиме «радиомолчания». // Научно-технический журнал «Машиностроитель», / Серия "Связь", ООО НТП "Вираж-центр", №3 (март), 2016, С. 29-40; Григорьев-Фридман С.Н. Мобильное переговорное устройство в оптическом диапазоне, в режиме "радиомолчания". // Ежемесячный научно-технический журнал «Вопросы оборонной техники» / Серия 16 «Технические средства противодействия терроризму», М.: НТЦ "Информтехника", СП(б): "Любавич", Выпуск 7-8 (97-98), 2016, с. 115-123; Григорьев-Фридман С.Н. Мобильное переговорное устройство в оптическом диапазоне в режиме "радиомолчания". // Ежемесячный межотраслевой научно-технический журнал «Автоматизация. Современные технологии», М.: "Машиностроение", №12 (декабрь), 2016, с. 6-14; Григорьев-Фридман С.Н. Мобильное переговорное устройство на базе лазерного диода. // Ежемесячный научно-технический журнал «Машиностроитель» / Серия «Связь», М.: НТП "Вираж-Центр", №4 (апрель), 2017, с. 39-48; Минаев И.В., Мордовин А.А., Шереметьев А.Г. Лазерные информационные системы космических аппаратов. М.: "Машиностроение", 1981, С. 84-86; Чуковский Н.Н., Крюкова И.В. Состояние и перспективы межспутниковой оптической связи. М.: "Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана", Серия "Приборостроение", 1998, С. 67-74; Мальцев Г.Н., Буриков С.В., Айрапетян B.C., Ушаков О.К. Физика лазеров. / Учебное пособие для ВУЗов России / Новосибирск: "СГГА", 2012, 134 с.; Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: "Наука", 1983, 336 с.; Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: "Наука", 1979, 328 с.; Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая Оптика. М.: "Наука", 2004, 656 с.; Яриев А. Квантовая электроника и нелинейная оптика. М.: "Советское радио", 1973, 455 с.; Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: "Наука", 2006, 352 с.; Справочник по лазерам. / Под редакцией A.M. Прохорова; пер. с англ. с изм. и доп. М.: "Советское радио", 1978, Т. 1, 2; Ахманов С.А., Хохлов Р.В. Об одной возможности усиления световых волн // "Журнал экспериментальной и теоретической физики", Т. 43, №1, 1962, С. 351-353; Айрапетян B.C. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения // "Вестник НГУ / Серия "Физика", №3, 2009, С. 20-24], так и за рубежом [Пратт В.К. Лазерные системы связи. Перев. с английского. М.: "Связь", 1972, С. 14-19; Звелто О. Принципы лазеров. Перев. с английского. М.: "Мир", 1990, 558 с.; Мэйтленд А., Дан М. Введение в физику лазеров. М.: "Наука", 1978, 407 с.; Siegman А.Е. An Introduction to Lasers and Masers, McCraw-Hill, New York, 1971, p. 362; Kahn W.K. Unstable optical resonators. Appl. "Optics", 1966, v. 5, p. 407; Schawlow A.L., Townes C.H., Phys. Rev., 1958, vol. 112, p. 1940; Лоундон P. Квантовая теория света. M.: "Мир", 1976, 564 с.; Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: "Наука", 1973, 720 с.], существует значительное число аналогов, содержащих разнообразные типы и виды лазерной связи как в открытом космосе, так и в различных плотных слоях атмосферы Земли, густом тумане, дожде, снеге, различных газах, озоне и т.п. Все вышеупомянутые аналоги имеют общие недостатки, состоящие в очень большой сложности, а порой даже и в громоздкости, излишнем весе и внешних габаритах, некорректной работе, при интенсивной облачности, из-за применения очень мощных лазерных установок, которые для того, чтобы "пробить", т.е. пройти сквозь толстые и оптически плотные слои земной атмосферы, озона и других сред, вынуждены уменьшать частоту, т.е. увеличивать длину поперечной электромагнитной волны, при индуцированном, когерентном излучении фотонов в лазерах или, например, в лазерном диоде. Тем самым выдаются точные координаты местонахождения, длина и частота электромагнитной волны лазерных установок, на которых работают современные виды и классы аппаратуры связи и приема информации.
При этом виде и способе лазерной связи расходуется огромное количество потребляемой электроэнергии, в силу чего себестоимость такой связи на порядок выше, чем при использовании обычной, стандартной, классической, антенно-фидерной формы передачи и приема информации. Тем самым выбранный тип связи становится весьма нерентабельным, неконкурентоспособным и дорогим.
Вывод напрашивается сам собой - необходимо ВКС РФ, переходить с радиочастот, "засекаемых" вражескими радиолокационными станциями (РЛС) слежения и наведения, на оптический диапазон электромагнитных волн инфракрасного (ИК) излучения, невидимых обычным человеческим глазом, которые в настоящее время пока что не в состоянии обнаружить и с помощью даже специальных РЛС, СВЧ и КВЧ-диапазонов. Все радиопередатчики и радиоприемники ВКС РФ как авиавоздушных систем и конструкций, так и комплексов наземного базирования (стационарных или передвижных, на базе шасси автотранспорта, БМП, БТР и т.д.), надводного (линейные корабли, корветы и крейсера, суда поддержки, быстрого реагирования и десанта морской пехоты, боевого патрулирования, обеспечения и охраны тыла военно-транспортных коммуникаций), подводного флотов и эскадр ВМФ РФ в настоящий период работают в диапазоне частот 30-520 МГц, т.е. в диапазонах СДВ, ДВ, СВ и КВ-УКВ, имеющих достаточно устойчивую, во времени и климатических условиях, способность огибания и обхода препятствий от искусственно поставляемых в радиоэфир помех. В радиотехнических войсках, комплексах связи и командного управления войсками, системах ПРО РФ используется обычная, плоская, монохроматическая, электромагнитная волна ТЕМ-типа [Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. // Учебник для ВУЗов. / Под редакцией проф. В.А. Неганова и С.Б. Раевского, М.: "Радиотехника", 2009, 744 с.; Григорьев-Фридман С.Н. Переговорное устройство «Луч» в оптическом диапазоне, в режиме «радиомолчания». // Научно-технический журнал «Машиностроитель», / Серия "Связь", ООО НТП "Вираж-центр", №3 (март), 2016, С. 29-40], обычно распространяющаяся в воздухе, газах, воде, уравнение которой запишется в виде (1):
x max
y max
z max
где E, E, E - максимальное значение амплитуды составляющей электрического поля, соответственно вдоль координатных осей (0x), (0y) и (0z);
, ,  - экспоненциальная функция огибания ВЧ-заполнения, для электрического поля, соответственно вдоль координатных осей (0x), (0y) и (0z);
- ВЧ-синусоидальное заполнение, составляющей электрического поля;
x max
y max
z max
H, H, H - максимальное значение амплитуды составляющей магнитного поля, соответственно вдоль координатных осей (0x), (0y) и (0z);
, ,  - экспоненциальная функция огибания ВЧ-заполнения, для магнитного поля, соответственно вдоль координатных осей (0x), (0y) и (0z);
- ВЧ-синусоидальное заполнение составляющей магнитного поля.
Данная плоская, монохроматическая, электромагнитная волна в открытом воздушном пространстве разлагается на взаимно ортогональные, продольные и поперечные компоненты согласно системе уравнений (2):
//
//
где E(x,t) и H(x,t) - продольная компонента составляющей соответственно электрического и магнитного полей вдоль координатной оси (0x);
⊥
E(y,t) и Н⊥(y,t) - поперечная компонента составляющей соответственно электрического и магнитного полей вдоль координатной оси (0y);
⊥
E(z,t) и Н⊥(z,t) - поперечная компонента составляющей соответственно электрического и магнитного полей вдоль координатной оси (0z).
Отсюда мы получаем два тензора для взаимно ортогональных векторов напряженностей, соответственно электрического  и магнитного  полей данной электромагнитной, плоской, монохроматической волны (1) согласно выражению (3):
В искомой электродинамической задаче требуется добиться проектирования и создания такой технологии конструкции переговорного устройства, которое бы работало и успешно функционировало в оптическом, ИК-диапазоне электромагнитных волн, в режиме соблюдения "радиомолчания".
нес.
нес.пч
Если раньше, до периода разработки конструкции переговорного устройства, для этих целей использовалось в качестве "несущей" частоты f высокочастотное (ВЧ) - колебание с выхода генератора несущей частоты, как бы выполняющего роль "извозчика", проводника и "доставщика" необходимой, срочной или полезной информации до основного потребителя (из приемника, антенно-фидерного устройства, узла фильтрации, блока усиления). Последующее детектирование, для разделения радиоцепей с ВЧ-несущей, промежуточной частотой f необходимо для выявления, получения полезного сигнала на низкой частоте (НЧ), которое уже через усилитель мощности (УМ), через наушники и аудио-видеоадаптер, предоставляет всю зашифрованную (уже декодированную!) информацию от производителя-радиопередатчика до его основного потребителя-радиоприемника.
Основной отличительной особенностью новой конструкции переговорного устройства, в отличие от их аналогов как в России [Минаев И.В., Мордовин А.А., Шереметьев А.Г. Лазерные информационные системы космических аппаратов. М.: "Машиностроение", 1981, С. 84-86; Чуковский Н.Н., Крюкова И.В. Состояние и перспективы межспутниковой оптической связи. М.: "Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана", Серия "Приборостроение", 1998, С. 67-74; Мальцев Г.Н., Буриков С.В.], так и за рубежом [Пратт В.К. Лазерные системы связи. Перев. с английского. М.: "Связь", 1972, С. 14-19.], является возможность успешно использовать монохроматическое, когерентное излучение лазерного луча, узконаправленного действия, выполненного на основе полупроводникового лазерного диода, вместо обычной, плоской, монохроматической, электромагнитной волны ТЕМ-типа в воздушном пространстве.
Для успешного и эффективного решения поставленной электродинамической задачи под вышепредставленные требования и условия задачи (1)-(3) следует применять полупроводниковый лазерный диод.
Известно, что активное излучение полупроводникового лазерного диода, выполненного по технологии, на основе полупроводниковой двойной гетероструктуры, представляет собой направленный, узкий пучок летящих квазипараллельно нейтральных частиц - фотонов.
Такое технологически надежное, устойчивое во времени и узконаправленное в пространстве излучение частиц-фотонов имеет ряд свойств:
1. Очень малая расходимость лазерного излучения в пространстве согласно научным работам [Айрапетян B.C., Ушаков О.К. Физика лазеров. / Учебное пособие для ВУЗов России / Новосибирск: "СГГА", 2012, 134 с.; Звелто О. Принципы лазеров. Перев. с английского. М.: "Мир", 1990, 558 с.; Мэйтленд А., Дан М. Введение в физику лазеров. М.: "Наука", 1978, 407 с.; Siegman А.Е. An Introduction to Lasers and Masers, McCraw-Hill, New York, 1971, p. 362; Карлов H.B. Лекции по квантовой электронике. M.: "Наука", 1983, 336 с.; Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: "Наука", 1979, 328 с.; Kahn W.K. Unstable optical resonators. Appl. "Optics", 1966, v. 5, p. 407; Schawlow A.L., Townes C.H., Phys. Rev., 1958, vol. 112, p. 1940; Лоундон P. Квантовая теория света. M.: "Мир", 1976, 564 с.]. Если, например, диаметр пятна лазерного пучка равен ∅=5 мм, а , то конический угол расходимости лазерного пучка составит всего . При расстоянии  от источника лазерного, когерентного излучения и до приемника информации диаметр пятна лазерного пучка составляет ∅=5 мм. Тогда при  получим, что ∅=8-10 мм. Контрольные испытания и замеры лазерного излучения проводились в яркую, светлую, лунную и спокойную ночь. Когда же приближаемся к "боевым" условиям, при которых противник активно применяет различные виды отравляющих веществ, густой и плотный туман, удушливые газы, "кислотные" дожди и другие виды химического оружия, то экспериментом установлено, что когерентные лучи лазерного излучения подчиняются законам геометрической оптики, т.е. закону Снеллиуса (4) согласно работам [Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая Оптика. М.: "Наука", 2004, 656 с.; Яриев А. Квантовая электроника и нелинейная оптика. М.: "Советское радио", 1973, 455 с.; Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: "Наука", 2006, 352 с.; Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: "Наука", 1973, 720 с.]:
где  - угол падения лазерного луча в пространстве на горизонтальную плоскость;
- угол отражения лазерного луча от горизонтальной плоскости обратно в пространство;
- угол преломления лазерного луча в толще (внутри!) горизонтальной плоскости;
21
n- относительный показатель преломления двух сред (второй среды - горизонтальной плоскости по отношению к первой - пространству);
1
1
2
2
2
;  - фазовая скорость, соответственно в первой и второй средах;  - волновое число; ω=υκ, ω=υκ - групповая скорость сигнала, соответственно в первой и второй средах; ε - диэлектрическая проницаемость второй среды.
-3
2. Лазерное, когерентное, узконаправленное излучение имеет очень высокую степень монохроматичности проходящего луча [Айрапетян B.C., Ушаков О.К. Физика лазеров. / Учебное пособие для ВУЗов России / Новосибирск: "СГГА", 2012, 134 с.; Звелто О. Принципы лазеров. Перев. с английского. М.: "Мир", 1990, 558 с.; Мэйтленд А., Дан М. Введение в физику лазеров. М.: "Наука", 1978, 407 с.; Справочник по лазерам. / Под редакцией A.M. Прохорова; пер. с англ. с изм. и доп. М.: "Советское радио", 1978, Т. 1, 2], так как экспериментально обнаружено, что спектр излучения состоит из одной, единственной, несущей, рабочей частоты и имеет соответствующую ей только одну, единственную, практически квазипостоянную длину волны. В силу сказанного выше, лазерное излучение занимает очень узкую полосу рабочих частот Δf≈10 Гц.
-15
-13
1имп
лазера
имп.
имп.
3. В процессе эксплуатации лазерного диода можно в широких пределах управлять длительностью излучения [Айрапетян B.C., Ушаков О.К. Физика лазеров. / Учебное пособие для ВУЗов России / Новосибирск: "СГГА", 2012, 134 с.; Звелто О. Принципы лазеров. Перев. с английского. М.: "Мир", 1990, 558 с.; Мэйтленд А., Дан М. Введение в физику лазеров. М.: "Наука", 1978, 407 с.; Справочник по лазерам. / Под редакцией A.M. Прохорова; пер. с англ. с изм. и доп. М.: "Советское радио", 1978, Т. 1, 2; Ахманов С.А., Хохлов Р.В. Об одной возможности усиления световых волн // "Журнал экспериментальной и теоретической физики", Т. 43, №1, 1962, С. 351-353; Айрапетян B.C. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения // "Вестник НГУ" / Серия "Физика", №3, 2009, С. 20-24]: от (1-3) с до (10-100)⋅10 с. Импульсы монохроматического луча с малой длительностью имеют в окружающем внешнем пространстве (воздушном, водном, газообразном, вакуумном) ничтожно малую длину волны и огромную мощность когерентного излучения. Современные марки лазерных диодов как отечественного производства (АО "Томилино", АО "Исток", АО "Алмаз-Антей" и др.), так и зарубежного изготовления ("Agilent technologies", "Avago technologies", "Anritsu Site Master" и "Rohde&Schwarz") излучают в одном импульсе энергию порядка P.≈1-3 кДж. Так, например, если энергия импульса лазерного излучения E=1 кДж, а его длительность τ=10 с=0,1 рс, то тогда мощность лазерного импульса рассчитывается по формуле (5):
Большая мощность лазерного излучения приводит к тому, что многие физические вещества могут быть нагреты до чрезвычайно высоких температур. Интенсивность сфокусированного когерентного узкого пучка лазерного излучения может достигать , при которых напряженность электрического поля в толще самого луча доходит до величины . Под действием такого сильного поля у многих физических тел и веществ происходит "вынужденная" (принудительная) ионизация атомов, при которой они расщепляются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы, т.е. происходит процесс физического разрушения тел и внутримолекулярного строения веществ.
4. Рекомендуется выполнить такую технологию создания лазерного диода, когда когерентное, лазерное излучение имело бы свою длину волны в пределах попадания в так называемые зоны или "окна прозрачности" для различных газов в атмосфере земли с , т.е. в оптическом ИК-диапазоне длин (частот) поперечных электромагнитных волн, при сохранении наибольшего, максимально возможного значения мощности, интенсивности инверсии и технологической дальности прохождения лазерного излучения в плотных слоях земной атмосферы (фиг. 1).
5. Диаграмма направленности (ДН) лазерного излучения имеет только одну область переднего фронта распространения когерентного луча, в отличие, например, от обычной, направленной антенны штыревого типа. Штыревая антенна часто применяется в современной авиации и на кораблях, где используется плоская, монохроматическая волна ТЕМ-типа, у которой помимо вышеназванного основного фронта ДН имеется значительная область с противоположной ДН, развернутой на угол θ=±π(180°). Экспериментально обнаружены многочисленные, паразитные, вредные, боковые лепестки ДН, практически излучающие в открытое пространство радиосигнал с закодированной информацией на любые углы, которые и засекаются РЛС и спутниками круглосуточного слежения и постоянного радиозондирования, для которых важно не только раскодировать и расшифровать полученную из космоса военно-секретную информацию, но и найти точное местонахождение, для передачи точных координат, скорости и траектории полета, движения военных летчиков и экипажей ВКС РФ, для наведения на них автоматических комплексов зенитно-ракетных систем.
Экспериментально установлено, что с уменьшением длины волны (увеличением частоты) резко возрастает интенсивность и мощность лазерного луча диода. При дальнейшем увеличении частоты излучения лазерного диода или с уменьшением длины волны начинают резко сказываться дисперсионные явления, при которых длина волны излучения лазерного диода начинает быть соизмеримой с геометрическими размерами атомно-молекулярной структуры препятствий или внешней среды, сквозь толщу которой и происходит проникновение и распространение электромагнитной волны лазерного луча. В итоге, наблюдается резкое снижение эффективной мощности лазерного излучения, в виду ярко выраженного рассеяния узкого, когерентного лазерного пучка фотонов в форме расходящегося сферического конуса Тиндаля, светящегося в окружающем пространстве. При этом замечено, что при длине волны λ=380-780 нм и ниже можно наблюдать природную картину свечения траектории лазерного луча. Следовательно, как со станций наземного базирования, надводного, подводного и, особенно, со спутников-шпионов постоянного мониторинга и всепогодного, круглосуточного слежения за регионами земли и "подозрительными" участками суши, вражеские РЛС, системы ПРО и патрулирующие, постоянно находящиеся в воздушном пространстве самолеты электронной разведки и прослушивания США "AWAKS" в состоянии "засечь" постоянные или временные координаты дислокации и нахождения продольной, видимой человеческим глазом и специальными приборами, например ночного видения "кошачьи глаза", координаты лазерного луча, характер, тип, интенсивность, продолжительность, и даже декодировать зашифрованную информацию при ее передаче лазерным лучом в момент сеанса оптической связи. Тем самым рассекречивается источник информации - лазерный передатчик, приемник информации и сама "засвеченная" подцветкой луча траектория скольжения монохроматического, когерентного лазерного излучения, что крайне не допустимо.
Экспериментально подтверждено, что с увеличением частоты (уменьшением длины волны) резко возрастают потери эффективной мощности лазерного излучения, а также существенно ухудшается юстировка, т.е. точность наведения лазерного луча, по которому осуществляются сеансы приема и передачи закодированной или иной засекреченной информации от источника-передатчика до приемника. Поэтому, чем ниже частота, и соответственно больше длина поперечной, электромагнитной волны, тем выше точность соосности и качество юстировки наведения лазерного луча от источника до потребителя. В итоге, с резким увеличением частоты и тем самым соответствующим уменьшением длины волны лазерного излучения, сама стереофоническая, объемная картина луча начинает "рассыпаться". Луч начинает резко расходиться радиально, рассеивая в окружающее пространство полезную мощность. Тем самым резко снижается КПД лазерного диода. Весь этот физический процесс сопровождается характерным свечением траектории прохождения лазерного луча сквозь толщу газов и атмосферы среды. Причиной этого явления является резкое увеличение числа столкновений и соударений фотонов с атомно-молекулярной структурой газов, осадков, аэрозолей и пыли в окружающей среде и атмосфере земли.
Оптическая атмосферная система лазерной связи (АЛС) между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга. В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации. Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Кроме того, в атмосфере наблюдаются турбулентные явления, которые приводят к флуктуации показателя преломления среды, колебаниям луча и оптическим искажениям принимаемого сигнала. Однако несмотря на указанные проблемы АЛС оказалась вполне надежной на расстояниях до 5 км.
Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы:
1. Поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха.
2. Ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман).
3. Флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы.
Из-за поглощения и рассеивания мощности лазерного луча молекулами газов воздуха и плотности земной атмосферы, а также по причине влияния погонного ослабления на аэрозолях и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы траектория движения фотонов представляет не прямую линию, а испытывает существенную нелинейность и характеризуется оптической кривизной, зависящей от длины волны (частоты) излучения лазерной установки, расстояния между приемником и передатчиком, плотности и состава газов в атмосфере земли, высоты атмосферных слоев и облачности над уровнем земли (моря) и др. На малых расстояниях порядка нескольких сот метров и даже нескольких километров лазерный луч имеет практически прямолинейную траекторию.
Главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности.
Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герц до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветре системы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т.д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору связи между различными потребителями.
Функциональная схема системы АЛС очень проста:
1. Блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;
2. Преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде ИК-излучения;
3. На приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;
4. Усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.
Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5°, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.
После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна АЛС может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.
Некоторые беспроводные удаленные мосты применяют для передачи данных ИК-излучение лазера. Обычно такое устройство содержит традиционный проводной Ethernet-мост и лазерный модем, обеспечивающий физическую связь. Другими словами, лазерное устройство только посылает биты данных, а всю остальную работу выполняет обычный мост. Лазерные модемы генерируют излучение с длиной волны 808-820 нм, которое не может быть обнаружено без специальных приборов. Очевидно, что для лазерных мостов излучатель и приемник должны располагаться на линии прямой видимости. Типичное расстояние между мостами составляет порядка 1-5 км и ограничивается в основном мощностью лазера.
Одним из основных преимуществ таких систем является их большая пропускная способность. Второе преимущество - достаточная помехозащищенность, поскольку ИК-излучение не взаимодействует с радиоволнами. Действительно, опытным путем подтверждается, что между поперечной электромагнитной волной, "выпущенной", излученной в открытое воздушное пространство земли обычной штыревой антенной, находящейся, например, в передней носовой части большинства истребителей, бомбардировщиков и других летательных аппаратов, вертолетах и большинства надводных судов и подводных лодок технически развитых государств мира, включая США, Россию, Китай и Индию, а также между поперечной, электромагнитной волной, выпущенной обычным полупроводниковым лазерным диодом или кристаллом твердотельного лазера, с поперечной оптической накачкой, используемым в "переговорном устройстве, в оптическом диапазоне, в режиме радиомолчания " имеется существенная разница. В первом случае поперечная, электромагнитная волна, назовем ее "штыревой" будет обязательно взаимодействовать с другими радиоволнами. Во втором случае поперечная, электромагнитная волна "лазерного" типа не взаимодействует ни с какой из радиоволн и даже с лазерной волной, работающей и передающейся в эфир, атмосферное пространство земли и космос, но с другой частотой, и соответственно на иной длине волны, отличной от 955 [нм], использующейся в искомом "переговорном устройстве, работающем в оптическом диапазоне, в режиме радиомолчания". Подобно оптоволоконным системам лазерные мосты обеспечивают высокий уровень безопасности. Для перехвата информации необходимо поместить соответствующий прибор на линии луча, что, во-первых, легко может быть обнаружено, а, во-вторых, это весьма сложно осуществить, т.к. такие системы устанавливаются на крышах высотных зданий. Недостатками систем, базирующихся на использовании лазеров является влияние на устойчивость связи погодных условий. Сильный дождь, снег или туман приводят к значительному рассеянию луча и ослаблению сигнала. На связь может повлиять также солнечный восход или заход, если канал ориентирован с востока на запад или наоборот.
Беспроводные мосты используются для постоянного соединения сетей в качестве запасного канала или как временное средство. Их производством занимаются множество компаний. Цены в зависимости от пропускной способности и расстояния связи составляют от 5000 до 75000 $ США за канал. Дорого, однако со временем такое решение может окупиться, ведь скорость потока необходимой информации достигает гигантской величины 2,5 Гбит/с и более по лазерному лучу!
Американо-канадская компания "fSONACommunications" представила новую систему беспроводной оптической связи "SONAbeam 2500-М", позволяющую достичь скорости передачи данных порядка 2,5 Гбит/с. Основа системы - четыре избыточных передатчика, работающих на длине волны 1550 нм с выходной мощностью лазерного сигнала 560 мВт. На пятикилометровом испытательном полигоне в ясную безоблачную погоду система отработала на максимальной скорости и практически без ошибок.
Численное моделирование электродинамических процессов и распространение поперечных электромагнитных волн в ближней и средней (тепловой) зонах ИК-диапазона показало, что когерентный лазерный луч имеет практически прямолинейную траекторию движения фотонов в зоне прямой видимости, при условии, что в окружающем пространстве на расстоянии уверенного приема и передачи информации, порядка 1-10 км, нет каких-либо серьезных препятствий. При наличии лобового сопротивления в виде плотной среды, газов, дыма, загрязнений, аэрозолей, пыли, песчаных бурь, густого тумана и широкого, глубокого фронта осадков, в виде крупных хлопьев снега, прямолинейная траектория лазерного луча трансформируется в параболическую линию, напоминающую дугообразную форму движения снаряда из артиллерийско-гаубичных орудий и систем залпового огня. Указанный эффект параболической формы траектории движения излучаемых фотонов следует из наличия таких факторов в атмосфере земли, как поглощение и рассеяние мощности лазерного луча молекулами газов, ослаблении на аэрозолях и флуктуации излучения на турбулентностях теплого и холодного воздушных потоков. В немалой степени образованию оптической кривизны лазерного луча способствуют многократные преломления в плотных слоях земной атмосферы и неоднородных препятствий.
Согласно данным фиг. 1 и экспериментально подтверждено, что в дальней (тепловой) зоне ИК-диапазона зафиксированы крайне низкие значения коэффициента пропускания (прохождения) поперечной электромагнитной волны когерентного, лазерного излучения и практически максимальные значения поглощения атмосферой Земли мощности лазерного луча.
2
3
2
3
Учитывая изложенное выше, предлагается техническое решение применения полупроводникового лазерного диода на основе модифицированного рубинового кристалла AlO-CrO или арсенида галлия GaAs и арсенида алюминия галлия GaAlAs, по технологии создания и монтажа на установку, как полупроводникового лазерного диода, отечественного или же зарубежного производства. При этом одним из обязательных условий является то, что длина волны конструкции спроектированного и смонтированного, полупроводникового лазерного диода должна полностью войти в зоны или "окна прозрачности" атмосферы земли. Именно при этих значениях длин волн (частотного диапазона) лазерный луч имеет наибольшую мощность, интенсивность, помехоустойчивость, надежность генерации и устойчивость инверсности цикла, а также стабильность основных технических характеристик, т.е. при оптимальном, допустимом значении мощности, в данном виде и классе лазеров имеется наибольшее значение КПД≈50-70%, что очень существенно. Иными словами полупроводниковые лазерные диоды следует выбирать, по мощности излучения луча, в которых имеются достаточно высокие значения КПД≈50-70%, значения по мощности и интенсивности, способам эффективного охлаждения активной среды - полупроводникового лазерного диода, так как именно в таких пределах обеспечивается качественная и надежная передача засекреченной информации как военного, стратегического, так и коммерческого плана, на расстоянии уверенного приема (передачи в дождь, снег, густой туман, в районе прямой видимости, составляющей порядка не более 1,5 км). Это при том, что видна только точка (в ИК-диапазоне) - пятно лазерной подцветки ∅=8-10 мм на светочувствительной матрице фотоприемного датчика, выполненного на основе фотоприемной матрицы на базе высокочувствительного фотодиода.
Источником генерации лазерного луча является полупроводниковый лазерный диод, который с помощью блока АЦП-ЦАП управляет и регулирует выходные импульсы в режиме амплитудной модуляции (AM), с коэффициентом модуляции m=30-100% и фазо-частотной модуляции (FM). Чаще всего импульсы управления приемом-передачей закодированной информации в момент оптической связи осуществляются в мкс- и нсек-диапазонах времени (в исключительных случаях и в псек-диапазоне).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации, защищенной патентом RU 2365007 С1, кл. H01S 4/00, опубл. 20.08.2009 г., принятое за ближайший аналог (прототип).
Бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации по прототипу содержит последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные лазер-передатчик, оптическую систему формирования пучка и оптическую антенну информационного канала, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк, полупрозрачное зеркало и оптическую антенну канала маяка, а также детектор поиска и слежения и систему наведения оптических антенн, причем оптический вход детектора поиска и слежения через полупрозрачное зеркало связан с оптической антенной канала маяка, выход детектора поиска и слежения связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн, а выходы системы наведения оптических антенн связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала и канала маяка, при этом дополнительно введены светоделитель, управляемый пространственный фильтр, фотодетектор и усилитель-преобразователь и используется управляемая оптическая система формирования пучка, при этом светоделитель устанавливается на оптической оси между полупрозрачным зеркалом и детектором поиска и слежения, с его помощью вход управляемого пространственного фильтра оптически связан через полупрозрачное зеркало с оптической антенной канала маяка, выход управляемого пространственного фильтра оптически связан с входом фотодетектора, выход фотодетектора через усилитель-преобразователь подключен к управляющему входу оптической системы формирования пучка, а управляющий вход пространственного фильтра связан с выходом детектора поиска и слежения. Техническим результатом изобретения является повышение качества связи при наличии ошибок наведения оптических антенн в условиях изменяющейся дальности связи.
Недостатком данного устройства является технологическая сложность, большой вес и внешние габариты, относительно большое потребление затрачиваемой электроэнергии, высокая себестоимость сеансов лазерной связи, существенное затруднение в работе интенсивной облачности, различных осадков, загрязнений и повышенного уровня задымленности, плотных слоев атмосферы земли, различные газы, шквалистый ветер с хлопьями снега, дождями, различными физическими предметами, как метеориты и другие объекты космоса, а также крайне низкой степени засекречивания и конфиденциальности передачи и приема закодированной информации, поступающей как со стороны космических спутников, так и других летательных аппаратов.
В задачу изобретения положено создание передающего устройства на базе полупроводникового лазерного диода, в котором устранены указанные недостатки.
Техническим результатом от использования изобретения является повышение эффективности и надежности работы, при интенсивной облачности, различных видов осадков в виде снега, дождя, густого тумана и т.п., а также в повышении защищенности и скрытности передаваемой закодированной информации, в момент осуществления сеанса оптически-лазерной связи.
к.
стаб.
Поставленная задача достигается тем, что переговорное устройство содержит компьютер, монитор, микрофон, блок входного трехкаскадного усилителя НЧ, блок оконечного двухконтактного усилителя мощности, блок АЦП-ЦАП, конденсатор разделительный, коммутирующее устройство-ключ, переменный резистор регулировочный, источник постоянного напряжения, полупроводниковый лазерный диод, светочувствительный фотодатчик, блок оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве, блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн, при этом компьютер, блок входного трехкаскадного усилителя НЧ, блок оконечного двухконтактного усилителя мощности, блок многоканального АЦП-ЦАП, конденсатор разделительный, коммутирующее устройство-ключ, переменный резистор регулировочный, источник постоянного напряжения, стабилизатор постоянного напряжения и полупроводниковый лазерный диод соединены последовательно друг с другом, компьютер параллельно соединен с монитором, блок входного трехкаскадного усилителя НЧ параллельно соединен с микрофоном, лазерный диод содержит корпус, в котором на одной оптической оси установлены непрозрачный отражательный диск, двойная гетероструктура из полупроводниковых кристаллов арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия со сверхтонким средним слоем p-n-перехода между ними, оптический фильтр, фокусирующая линза, регулируемый коллиматор, узкое отверстие, в котором размещается выходная оптическая система на основе собирающей фокусирующей микролинзы, поглотитель и рассеиватель фотонов, двигающихся не по прямой оптической линии, нерегулируемый стационарный коллиматор, полупроводниковый лазерный диод запитан от положительной клеммы стабилизатора напряжения на анод, а его катод соединен прямым проводом со стоком коммутирующего устройства-ключа 8, отрицательная клемма стабилизатора напряжения соединена с входным проводом источника постоянного напряжения, выходной провод которого соединен с входным проводом переменного регулировочного резистора, выходной провод которого подсоединен к стоку коммутирующего устройства-ключа, светочувствительный фотодатчик установлен на одной оптической оси с лазерным диодом, блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн установлен между регулируемым коллиматором и блоком АЦП-ЦАП, причем между компьютером и блоком АЦП-ЦАП выполнена обратная связь для анализа и амплитудно-частотной коррекции выходных импульсов управления, между компьютером, монитором, микрофоном, блоком входного, трехкаскадного усилителя НЧ, блоком оконечного двухконтактного усилителя мощности, конденсатором разделительным, коммутирующим устройством-ключом, переменным регулировочным резистором, источником постоянного напряжения, стабилизатором постоянного напряжения и регулируемым коллиматором выполнена односторонняя связь по обмену данных и определения временной неработоспособности, утечки и потери информации по каждому из вышеперечисленных блоков через блок многоканального АЦП-ЦАП, а также между компьютером, регулируемым коллиматором, блоком оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве и блоком самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн выполнена постоянная двусторонняя связь по обмену данных через блок многоканального АЦП-ЦАП; блок входного трехкаскадного усилителя НЧ содержит входной предварительный усилитель видеосигналов, а также блок специального кодера цветного изображения; коммутирующее устройство-ключ выполнено на базе полевого транзистора VT1 отечественных марок 2П769А9 или 2П7229А (2П7229А5); переменный резистор регулировочный выполнен на базе потенциометра RP1 или постоянный, проволочный резистор типа "МЛТ-0,5", "МЛТ-0,25", для ограничения предельного значения питания коммутирующего устройства - полевого транзистора VT1 по току; источник постоянного напряжения (Е=1,5-3,0 В) выполнен по схеме стабилизатора напряжения или содержит 1-2 пальчиковые батарейки; стабилизатор постоянного напряжения (U_=+5±0,25 В) выполнен на базе интегральной микросхемы российского производства марки "К142ЕН5А", "К142ЕН8В" или "К1234ЕН3"; непрозрачный отражательный диск выполнен в форме параболического фокусирующего зеркала; оптический фильтр выполнен из полупрозрачного стекла; фокусирующая линза выполнена, например, из высококачественного стекла; светочувствительный фотодатчик выполнен в виде фотоприемной матрицы на базе высокочувствительного фотодиода марки "ФД256" или составного (трехкаскадного) фототранзистора вышеуказанных марок на основе "ФТ-K"; блок оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве выполнен на основе гироскопной технологии; блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн может быть выполнен, например, на основе прототипов переносных зенитно-ракетных комплексов (ПЗРК) американского "Stinger" марки "FIM-92", британского ПЗРК "Starstreak", шведского ПЗРК "RBS 70", французского ПЗРК "Mistral", китайских ПЗРК "QW-1" и "QW-2", российского ПЗРК "Игла-1" и российского ПЗРК «Верба».
На фиг. 1 представлен график экспериментальной зависимости коэффициента пропускания (прохождения) поперечной электромагнитной волны в зонах - окнах прозрачности у разных газов в атмосфере земли для лазерного излучения и различных передатчиков в УФ, видимом, ИК и СВЧ-диапазонах.
На фиг. 2 представлена блок-схема работы переговорного устройства.
На фиг. 3 представлен принцип работы переговорного устройства, установленного непосредственно на военные самолеты ВКС РФ.
Конструктивно переговорное устройство на фиг. 2 и 3 содержит:
1 - компьютер (ЭВМ),
2 - монитор,
3 - микрофон,
4 - блок входного, трехкаскадного усилителя НЧ,
5 - блок оконечного двухконтактного усилителя мощности - блок-УМ,
6 - блок многоканального АЦП-ЦАП,
7 - конденсатор разделительный С1,
8 - коммутирующее устройство-ключ VT1,
9 - переменный регулировочный резистор,
10 - источник постоянного напряжения,
11 - стабилизатор постоянного напряжения,
12 - корпус полупроводникового, лазерного диода,
13 - непрозрачный, отражательный диск,
14 - верхняя гетероструктура на основе полупроводникового кристалла из арсенида галлия (GaAs),
15 - нижняя гетероструктура на основе полупроводникового кристалла из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs),
16 - сверхтонкий средний слой p-n-перехода,
17 - анод полупроводникового, лазерного диода,
18 - катод полупроводникового, лазерного диода,
19 - оптический фильтр (полупрозрачное стекло),
20 - фокусирующую линзу,
21 - регулируемый коллиматор, т.е. устройство, необходимое для собирания и фокусировки расходящихся лучей фотонов в узкий, параллельный главной, основной, оптической оси пучок фотонов,
22 - узкое отверстие, в котором размещается выходная оптическая система на основе собирающей, фокусирующей микролинзы,
23 - поглотитель и рассеиватель фотонов, двигающихся не по прямой, оптической линии,
24 - нерегулируемый, стационарный коллиматор,
25 - монохроматический луч лазерного излучения,
26 - светящееся "видимое" пятно лазерной подсветки.
27 - светочувствительный фотодатчик,
28 - блок оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве,
29 - блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн.
Компьютер (ЭВМ) 1, блок входного трехкаскадного усилителя НЧ 4, блок оконечного двухконтактного усилителя мощности (блок-УМ) 5, блок многоканального АЦП-ЦАП 6, конденсатор разделительный 7, коммутирующее устройство-ключ VT1 8, переменный резистор регулировочный 9, источник постоянного напряжения 10, стабилизатор постоянного напряжения 11 и лазерный диод VD1 соединены последовательно друг с другом.
Компьютер (ЭВМ) 1 параллельно соединен с монитором 2.
Блок входного трехкаскадного усилителя НЧ 4 параллельно соединен с микрофоном 3.
Полупроводниковый лазерный диод VD1 содержит корпус 12, в котором на одной оптической оси установлены непрозрачный отражательный диск 13, двойная гетероструктура из полупроводниковых кристаллов арсенида галлия 14 и арсенида алюминия-галлия 15 со сверхтонким средним слоем p-n-перехода 16 между ними, оптический фильтр 19, фокусирующая линза 20, регулируемый коллиматор 21, узкое отверстие, в котором размещается выходная оптическая система на основе собирающей фокусирующей микролинзы 22, поглотитель и рассеиватель фотонов, двигающихся не по прямой оптической линии 23, нерегулируемый стационарный коллиматор 24.
Полупроводниковый лазерный диод запитан от положительной клеммы стабилизатора напряжения 11 на анод 17, а его катод 18 соединен прямым проводом со стоком коммутирующего устройства-ключа 8.
Отрицательная клемма стабилизатора напряжения 11 соединена с входным проводом источника постоянного напряжения 10, выходной провод которого соединен с входным проводом переменного регулировочного резистора 9, выходной провод которого подсоединен к стоку коммутирующего устройства-ключа 8, выполненного, например, на основе полевого транзистора.
Светочувствительный фотодатчик 27 установлен на одной оптической оси с полупроводниковым лазерным диодом.
Блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн 29 установлен между регулируемым коллиматором 21 и блоком АЦП-ЦАП 6.
Между компьютером (ЭВМ) 1 и блоком АЦП-ЦАП 6 выполнена обратная связь для анализа и амплитудно-частотной коррекции выходных импульсов управления, позволяющая программному обеспечению оперативно регулировать тактовую частоту следования управляющих импульсов, поступающих из блока АЦП-ЦАП 6 на затвор коммутирующего устройства-ключа VT1 8.
Между компьютером (ЭВМ) 1, монитором 2, микрофоном 3, блоком входного, трехкаскадного усилителя НЧ 4, блоком оконечного двухконтактного усилителя мощности 5, конденсатором разделительным, коммутирующим устройством-ключом VT1 8, переменным, регулировочным резистором 9, источником постоянного напряжения 10, стабилизатором постоянного напряжения 11 и регулируемым коллиматором 21 выполнена односторонняя связь по обмену данных и определения временной неработоспособности, утечки и потери информации по каждому из вышеперечисленных блоков через блок многоканального АЦП-ЦАП 6.
Также между компьютером (ЭВМ) 1, регулируемым коллиматором 21, блоком оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве 28 и блоком самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн 29 выполнена постоянная двусторонняя связь по обмену данных, через блок многоканального АЦП-ЦАП 6.
Блок входного трехкаскадного усилителя НЧ 4 может содержать входной, предварительный усилитель видеосигналов, а также блок специального кодера цветного изображения.
Коммутирующее устройство-ключ 8 может быть выполнен на базе полевого транзистора VT1, например, отечественных марок 2П769А9 или 2П7229А (2П7229А5).
Переменный резистор регулировочный 9 может быть выполнен на базе потенциометра, для ограничения предельного значения питания коммутирующего устройства - полевого транзистора VT1 8 по току.
к.
Источник постоянного напряжения 10 (Е=1,5-3,0 В) выполнен по схеме стабилизатора напряжения или содержит 1-2 пальчиковые батарейки.
стаб.
Стабилизатор постоянного напряжения (U_=+5±0,25 В) 11 выполнен, например, на базе интегральной микросхемы российского производства марки "К142ЕН5А", "К142ЕН8В" или "К1234ЕН3".
Непрозрачный отражательный диск 13 выполнен в форме параболического, фокусирующего зеркала.
Оптический фильтр 19 выполнен из полупрозрачного стекла.
Фокусирующая линза 20 выполнена, например, из высококачественного стекла. Светочувствительный фотодатчик 27 выполнен в виде фотоприемной матрицы на базе высокочувствительного фотодиода, например, марки "ФД256" или составного (трехкаскадного) фототранзистора, например, на основе "ФТ-К".
Предложено использование фотодиодов отечественной марки "ФД256" или трехкаскадного, составного фототранзистора, например, марок LTR 4206Е, ARDUINO зарубежных фирм: "Vishay", "Kingbright", "AvagoTechnologies" и др. или отечественных марок ФТ-1К гр.1, ФТ-1К гр.2, ФТ-1К-01, ФТ-1К-02, ФТ-2К гр. А, ФТ-2К гр.Б, спроектированного по схеме с ОЭ, у которого высокий коэффициент чувствительности (восприимчивости) и усиления входного светосигнала согласно формуле (6):
Блок оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве 28 выполнен на основе гироскопной технологии.
Блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн 29 может быть выполнен, например, на основе системы (головки) самонаведения прототипов переносных зенитно-ракетных комплексов (ПЗРК) американского "Stinger" марки "FIM-92", британского ПЗРК "Starstreak", шведского ПЗРК "RBS 70", французского ПЗРК "Mistral", китайских ПЗРК "QW-1" и "QW-2", российского ПЗРК "Игла-1" и новейшего, российского ПЗРК «Верба».
Предлагаемое переговорное устройство работает следующим образом.
борт. сети
3
5
7
8
10
11
21
Сеанс связи в режиме «радиомолчания» и передачи закодированной информации и/или сообщения осуществляют в условиях только прямой, электромагнитной связи, в невидимой части спектра поперечных электромагнитных волн (чаще всего в ИК-диапазоне). За редким исключением возможен ультрафиолетовый (УФ)-диапазон, который не применим в среде озонового слоя атмосферы Земли, из-за сильного поглощения волн средой озона. Информационный сигнал может быть закодирован программой, состоящей как основным программным обеспечением в программном комплексе радиомолчания "Луч", организационно собранного из компьютера (ЭВМ) 1 и монитора 2, специальным военным кодером-шифровальщиком и передаваться в блок входного, трехкаскадного усилителя НЧ 4, в котором также может быть в наличии входной, предварительный усилитель видеосигналов, а также блок специального кодера цветного изображения. Следует иметь в виду, что сами военные летчики, члены экипажей авиагрупп и эскадрилий, моряки и подводники вправе передавать свою отдельную информацию в виде НЧ-радиосигнала через обычный микрофон 3 (для случая заражения вирусом программного обеспечения, зависания или непредвиденного сбоя в автоматическом режиме и экстренного перевода программного комплекса "Луч" в ручной режим работы), который также передается в блок специального кодера-шифровальщика военно-секретной информации, располагающегося в блоке предварительного входного усилителя НЧ 4. Далее радиосигнал из блока предварительного входного усилителя НЧ 4 передается окончательно в блок оконечного двухтактного усилителя мощности (блок-УМ) 5, где он усиленный, как аналоговый сигнал, до своего максимально-номинального значения поступает в многоканальный блок АЦП-ЦАП 6, для преобразования последнего в цифровой формат, необходимого для формирования импульсов управления и последующую их передачу, через разделительный конденсатор 7, на управляющий электрод - затвор коммутирующего устройства-ключа 8, выполненного, например, на основе полевого транзистора VT1. Между блоком многоканального АЦП-ЦАП 6 и ЭВМ-компьютером 1 выполнена обратная связь (ОС) для анализа и амплитудно-частотной коррекции выходных импульсов управления, позволяющая программному обеспечению "Луч" оперативно регулировать тактовую частоту следования управляющих импульсов, поступающих из многоканального блока АЦП-ЦАП 6 на затвор коммутирующего устройства-ключа 8. Переменный, регулировочный резистор 9, выполненный, например, на базе стандартного потенциометра, ограничивает предельное значение питания коммутирующего устройства - ключа VT1 8 по току. Общее напряжение питания производят от источника постоянного напряжения 10, например, от бортового источника постоянного напряжения самолета или корабля U=27 В, через понижающий трансформатор или автотрансформатор. Анализ и постоянный контроль нормальной работы и номинального функционирования основных узлов и блоков, входящих в переговорное устройство, предусматривается за счет взаимной обратной связи основных блоков (ОС, ОС, ОС, OC, ОС, ОС и ОС) с программным обеспечением "Луч", компьютером (ЭВМ) 1 и монитором 2, через блок многоканального АЦП-ЦАП 6.
в
В корпусе полупроводникового лазерного диода 12 устанавливают слева непрозрачный отражательный диск 13, к которому справа монтируют верхнюю гетероструктуру на основе полупроводникового кристалла из арсенида галлия (GaAs) 14 и нижнюю гетероструктуру на основе полупроводникового кристалла из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) 15. Между верхней 14 и нижней 15 гетероструктурами, каждая состоящая из отдельного, полупроводникового кристалла, расположена (образована) промежуточная зона, состоящая из сверхтонкого, среднего слоя p-n-перехода 16 лазерного диода. Анод 17 и катод 18 полупроводникового, лазерного диода, располагаются соответственно на верхней 14 и нижней 15 полупроводниковыми гетероструктурами. В едином корпусе полупроводникового лазерного диода размещают выходную оптическую систему на основе оптического фильтра (полупрозрачного стекла) 19, собирающей, фокусирующей линзы 20, а также регулируемого коллиматора 21 (т.е. устройства, необходимого для собирания и фокусировки расходящихся лучей фотонов в узкий, параллельный главной, основной, оптической оси, пучок фотонов), узкое отверстие, в котором размещается выходная оптическая система на основе собирающей фокусирующей микролинзы 22, поглотитель и рассеиватель фотонов, двигающихся не по прямой оптической линии 23, нерегулируемый, стационарный коллиматор 24, через который испускается в открытое, окружающее пространство монохроматический, когерентный луч лазерного излучения 25. Лазерный, когерентный, узконаправленный пучок фотонов имеет длину волны, близкую к так называемым зонам или "окнам прозрачности" в плотных слоях атмосферы, например λ=955 нм, который не видим человеческому глазу и может быть обнаружен только с помощью специальной радиотехнической аппаратуры связи и точной нелинейной оптики. Частота этого лазерного излучения с закодированным секретным сообщением синхронизирована с тактовой частотой следования управляющих импульсов, поступающих на затвор коммутирующего устройства-ключа VT1 8 из блока АЦП-ЦАП 6. Интенсивность, инверсность, мощность и сила лазерного излучения сильно зависят от диапазона рабочих частот входного сигнала. Для быстродействия и уменьшения времени задержки фронтов импульсов, современные фототранзисторы чаще всего изготавливаются на основе диодов Шотки. Монохроматический, когерентный луч лазерного излучения 25 доносит зашифрованную секретную информацию от лазерного передатчика до своего аббонента в виде пульсирующих вспышек, которые регистрируются в форме светящегося в ИК-диапазоне, видимого пятна лазерной подцветки 26, находящегося на поверхности светочувствительного фотодатчика 27, выполненного, например, в виде фотоприемной матрицы, на базе высокочувствительного фотодиода или составного (трехкаскадного) фототранзистора.
Блок АЦП-ЦАП 6 является многоканальным преобразователем и "переводчиком" (translator) поступающих сигналов из аналогового формата в цифровой и обратно, с последующей передачей в компьютер (ЭВМ) 1, где программы по обработке входных данных, в цифровом формате, ПО (программное обеспечение) "Луч", производят анализ, сравнение и амплитудно-частотную коррекцию импульсов управления для последующей передачи необходимых команд в третий канал между блоком оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве 28 лазерного передатчика и приемником информации - абонентом связи (фиг. 2).
Аналоговый сигнал поступает из оптического датчика регулируемого коллиматора 21 в блок самонаведения и удержания военно-гражданской цели по лазерному лучу в ИК-диапазоне электромагнитных волн 29 и одновременно получает команды внешней системы обнаружения и целеуказания, коррекции с помощью управляющих импульсов, поступающих из блока АЦП-ЦАП 6. Из-за сильного поглощения электромагнитных волн в озоновом слое атмосферы земли и большой вероятности случайного облучения и поражения кожных покровов, лицевой части и головы летных экипажей применение блока самонаведения и удержания цели по лазерному лучу в УФ-диапазоне электромагнитных волн 29 крайне не желательно!
Следует помнить, что полупроводниковый лазерный диод VD1 последовательно запитывают от положительной клеммы питающего источника постоянного напряжения 10 "+" через стабилизатор 11 на анод 17, а его катод 18 - отрицательная клемма "-" подсоединяется к истоку полевого транзистора VT1, представляющего коммутирующее устройство 8. Такой тип подачи напряжения на полупроводниковый лазерный диод называется прямым (положительным) смещением. Если же поменять местами полярность рабочего напряжения, то полупроводниковый лазерный диод 12 будет запертым, так как для перехода через узкую запрещенную зону ΔW необходимо затратить большую энергию, чтобы преодолеть возросший потенциальный барьер в самой структуре p-n-перехода 16 полупроводникового лазерного диода. Таким образом, узкая запрещенная зона ΔW по своей величине начинает резко увеличиваться и становиться соизмеримой с двумя (верхней 14 и нижней 15), более широкими запрещенными зонами. Такая форма подачи рабочего напряжения считается обратным (отрицательным) смещением. Таким образом оно будет запирающим для большинства современных полупроводниковых лазерных диодов, основанных на перспективной технологии двойной гетероструктуры.
Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в сверхтонком, среднем слое 16. Предположительно это означает, что большая концентрация электронно-дырочных пар будет давать основной вклад в усиление коэффициента инжекции (лазерного излучения) фотонов, в виду того, что меньшее количество их останется на периферии, в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет также отражаться от самих гетеропереходов, то есть лазерное излучение будет целиком заключено в области с максимально эффективным коэффициентом усиления. Таким образом, свет как бы будет зажат между двумя тесными и относительно длинными, полупроводниковыми стенками-структурами 14 и 15 сверхтонкого слоя p-n-перехода 16 полупроводникового лазерного диода, находясь таким образом и многократно переотражаясь в оптическом волноводе. Толщина этого полупроводникового слоя, т.е. ширина узкой запрещенной зоны 16 обычно равняется порядка от нескольких микрон до единиц ангстрем.
Напротив, в так называемых квантовых стабилитронах, основанных на технологии двойной гетероструктуры, основным рабочим напряжением смещения будет как раз обратное (отрицательное) смещение, так как основным, рабочим участком квантового стабилитрона на вольтамперной характеристике (ВАХ) считается ее отрицательная ветвь.
В итоге всей этой манипуляции, полупроводниковый лазерный диод 12 начинает мигать и излучать мощными импульсными вспышками в такт задающей тактовой частоте управляющих импульсов, поступающих из блока многоканального АЦП-ЦАП 6.
В предлагаемом переговорном устройстве возможно использование трех лазерных каналов связи в ближней зоне ИК-диапазона электромагнитных волн:
1) канал передачи закодированной информации посредством лазерного луча, от первого источника-передатчика ко второму приемнику;
2) канал приема закодированной информации, поступающей с приемом лазерного луча, от второго источника-передатчика к первому приемнику;
3) независимый, автономный канал оптической юстировки, точного наведения и соосности двух лазерных систем, для постоянного обмена информации, в виде коротких импульсов, подтверждающих точные координаты взаимного расположения абонентов в пространстве, а также определение по системе кодирования и зашифрованного пароля "свой - чужой" вражеского самолета, беспилотного летательного аппарата или иного воздушного судна, в отечественном воздушном пространстве.
На самолетах, вертолетах, кораблях и подводных судах стабилизатор точного горизонтального и вертикального положения в пространстве 28 устанавливают на одной балансирующейся плоскости, например на боковой обшивке корпуса самолета или корабля, с остальными узлами переговорного устройства - полупроводниковым лазерным диодом 12 и светочувствительным фотодатчиком 27 (фиг. 3). Все три вышеупомянутых узла рассредотачивают друг относительно друга на некотором расстоянии. В стационарном варианте устанавливают все три узла в одном месте, в одном корпусе. В мобильном варианте, из-за вибрации и небольшой несоосности на момент фокусировки и юстировки лазерных лучей, их устанавливают в разных местах корпуса самолета или корабля.
Между блоком оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве 28 самолета или корабля, выполненного на основе гироскопной технологии, компьютером (ЭВМ) 1 с программным обеспечением - управляющим комплексом "Луч" и монитором 2 выполнена постоянно действующая связь, путем преобразования аналогового сигнала в цифровой формат и обратно, через интерфейсный тип соединений. Компьютер (ЭВМ) 1, с активным применением управляющего комплекса "Луч" и монитора, осуществляет постоянный мониторинговый контроль и визуальную коррекцию поступающей видео- и аудиоинформации в форме потока закодированных импульсов, с определенной последовательностью, амплитудой и частотой следования. При таких условиях оптическая связь наиболее эффективна, качественна и надежна, без существенных искажений и затуханий, т.е. монохроматический, когерентный луч 25 полупроводникового лазерного диода 12 точно попадает на светопоглощающую поверхность и зачерненные специальные стекла светочувствительного фотодатчика 27 с достаточно высокими показателями степени черноты и крайне низкой возможностью отражения лазерного луча обратно, в окружающее пространство. При этом свечение и подцветка траектории движения лазерного луча от источника (полупроводникового лазерного диода 12) до фотоприемной матрицы светочувствительного фотодатчика 27, выполненного, например, на базе высокочувствительного, составного фототранзистора не подсвечиваются в воздушном и в водном пространствах.
в
=
Таким образом, использование в переговорном устройстве полупроводникового лазерного диода 12, генерирующего лазерный, когерентный, узконаправленный луч с длиной волны λ955 нм, близкой к так называемым зонам или "окнам прозрачности" в плотных слоях атмосферы, который не видим человеческому глазу и может быть обнаружен только с помощью специальной радиотехнической аппаратуры связи и точной нелинейной оптики, а также наличие блока оптического стабилизатора точного наведения и горизонтально-вертикального положения в пространстве способствует повышению эффективности и надежности работы переговорного устройства при интенсивной облачности, различных видах осадков в виде снега, дождя, густого тумана и т.п., а также обеспечивает повышение защищенности и скрытности передаваемой закодированной информации, в момент осуществления сеанса оптически-лазерной связи.