ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
DIGITAL ATMOSPHERIC OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к технике оптической связи и передачи информации и может быть использовано для организации связи между различными подвижными и стационарными наземными, надводными, воздушными и подводными объектами, а также в аппаратуре атмосферной и космической связи.
Известны системы оптической связи, обеспечивающие обмен информацией между наземными, воздушными, надводными и подводными объектами, состоящие из передающего канала, включающего в себя источник излучения в виде светодиода или лазера и оптическую систему, формирующую оптический пучок или оптический импульс заданной формы, и из приемного канала, включающего в себя объектив и фотоприемник в виде линейки или матрицы чувствительных элементов [1. Патент RU 2703797 от 05.02.2019; 2. Патент RU 2697389 от 22.03.2018; 3. Патент RU 2451397 от 14.10.2009; 4. Патент RU 2608757 от 15.10.2012; RU 2653528 от 19.09.2016. 5. Заявка RU 2020101994 от 17.01.2020].
Наиболее близким к заявляемой системе оптической связи является цифровая система оптической связи [Волков С.А., Овсянкин С.В. Особенности демодуляции современных оптических сигналов // Техника радиосвязи. - 2016. - №1. - С. 64-71], содержащая модулятор и оптический передатчик, соединенные последовательно, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, соединенные последовательно, при этом выход оптического передатчика и вход оптоэлектронного приемника соединены оптическим каналом связи.
Недостатками аналогов и прототипа являются следующие:
- передача и прием информационных сигналов осуществляются на одной несущей частоте, что не обеспечивает требуемое отношение сигнал/шум в принимаемом сообщении;
- невозможность передачи и приема информационных сигналов на нескольких несущих одновременно;
- существующие оптоэлектронные приемники не могут одновременно работать и в ультрафиолетовом, и в инфракрасном диапазонах длин волн оптического излучения;
- низкая помехозащищенность при работе в дневных условиях, характеризуемых высоким уровнем фотонного шума, обусловленного солнечным излучением;
- демаскировка факта оптической связи в видимом диапазоне оптического излучения.
Задача изобретения - повышение помехозащищенности и пропускной способности системы оптической связи и обеспечение скрытности ее работы.
Технический результат достигается за счет того, что в цифровую систему оптической связи, содержащую последовательно соединенные модулятор и оптический передатчик, последовательно соединенные оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, при этом выход оптического передатчика соединен с оптическим каналом связи, введены блок контроллеров оптического передатчика, соединенный с управляющими входами оптического передатчика, и блок перестраиваемых оптических фильтров, установленный между входом оптоэлектронного приемника и выходом оптического канала связи, при этом оптоэлектронный приемник выполнен в виде оптически последовательно оптически сопряженных приемной оптической системы и набора приемников ультрафиолетового и инфракрасного рабочих спектральных диапазонов оптического излучения, выходы которых являются входами аналого-цифрового преобразователя, который выполнен многоканальным, оптический передатчик выполнен в виде набора перестраиваемых по частоте ультрафиолетового и инфракрасного лазеров, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами контроллера оптического передатчика, информационным сигналом модулируют одновременно излучение оптического передатчика на нескольких несущих частотах, которое одновременно принимают несколькими ультрафиолетовыми и инфракрасными приемниками, при этом несущие частоты излучения оптического передатчика согласованы по электромагнитному спектру с фраунгоферовыми линиями поглощения в ультрафиолетовом и в инфракрасном диапазонах оптического излучения, а оптоэлектронный приемник обеспечивает прием информационных сигналов на несущих частотах ультрафиолетового и инфракрасного излучения в нескольких спектральных диапазонах, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения.
Блок перестраиваемых оптических фильтров выполнен в виде набора узкополосных интерференционных светофильтров, согласованных по спектру с несущими частотами принимаемых информационных сигналов.
Оптоэлектронный приемник обеспечивает прием информационных сигналов на несущих частотах ультрафиолетового и инфракрасного излучения в нескольких спектральных диапазонах, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения. При этом передача и прием информационных сигналов осуществляются через атмосферный и/или через космический оптический канал связи.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:
- фиг. 1 - функциональная схема цифровой системы атмосферной оптической связи;
- фиг. 2 - блок оптического передатчика.
1
2
1
2
УФ
ИК
УФ
ИК
1
2
Функциональная схема включает в себя следующие функциональные элементы (см. фиг. 1, 2): 1 - входной информационный сигнал; 2 - модулятор оптического излучения; 3 - оптический передатчик; 3 - перестраиваемый по частоте ультрафиолетовый (УФ)-лазер; 3 - перестраиваемый по частоте инфракрасный (ИК)-лазер; 4 - блок контроллеров оптического передатчика; 4 - контроллер УФ-лазера; 4 - контроллер ИК-лазера u=[u, u] - вектор управляющих сигналов контроллера оптического передатчика; u - управляющий сигнал ультрафиолетового лазера; u - управляющий сигнал инфракрасного лазера; 5 - атмосферный оптический канал связи; 6 - цифровой оптический приемник; 7 - блок перестраиваемых оптических фильтров; 8 - приемная оптическая система; 9 - блок приемников УФ- 9 и ИК- 9 излучения; 10 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 - цифровой демодулятор; 12 - выходной цифровой сигнал, - при этом блок контроллеров оптического передатчика соединен с управляющими входами оптического передатчика 3, блок перестраиваемых оптических фильтров установлен на входе оптоэлектронного приемника, оптоэлектронный приемник выполнен в виде последовательно оптически сопряженных приемной оптической системы и блока приемников ультрафиолетового и инфракрасного рабочих спектральных диапазонов оптического излучения, выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, который выполнен многоканальным, оптический передатчик выполнен в виде набора перестраиваемых по частоте ультрафиолетового и инфракрасного лазеров, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами контроллера УФ-лазера и контроллера ИК-лазера.
1
2
n
1
2
n
1
2
n
В заявляемой цифровой системе атмосферной оптической связи предусмотрена передача информационного сигнала на нескольких несущих частотах оптического диапазона, которые совпадают со спектральными диапазонами, соответствующими спектральным диапазонам фраунгоферовых линий поглощения. Это позволяет, с одной стороны, избавиться от влияния фонового (фотонного) шума от солнечного излучения на фраунгоферовых линиях, то есть существенно улучшить помехозащищенность системы связи, а, с другой стороны, еще больше увеличить отношение сигнал/шум, так как при приеме одного и того же информационного сигнала на n несущих частотах сигналы суммируются линейно, а аддитивные шумы в смеси с полезным сигналом - среднеквадратично, в результате чего отношение сигнал/шум на выходе оптоэлектронного приемника возрастает в корень квадратный из n. Рассмотрим систему уравнений, представляющих собой выходные сигналы u, u, …, u приемников УФ- и ИК-излучения, выраженные суммой полезных сигналов S, S, …, S и шумов N, N, …, N:
Найдем отношение сигнал/шум S/N:
0,5
Из последнего выражения следует, что отношение сигнал/шум в принятом информационном сигнале возрастает в n раз. Так, например, при использовании 9 несущих частот для передачи информационного сигнала отношение сигнал/шум в принятом сообщении возрастет в 3 раза.
1
2
Заявляемая цифровая система атмосферной оптической связи работает следующим образом. Лазерное излучение оптического передатчика 3, промодулированное информационным сигналом 1 в модуляторе 2, на нескольких длинах волны, соответствующих линиям поглощения Фраунгофера и заданных, в зависимости от состояния атмосферного канала связи, контроллерами 4 или 4, пройдя среду распространения в виде слоя атмосферы 5, поступает в блок перестраиваемых оптических фильтров 7, где производится фильтрация фотонного шума от фонового солнечного излучения. Далее информационный сигнал на нескольких несущий частотах поступает в приемную оптическую систему в и далее - в оптоэлектронный приемник 9, преобразующий лазерное излучение в электрический сигнал. Многоканальный АЦП 10 преобразует информационный сигнал в цифровую форму и демодулируется в цифровом демодуляторе 11, выходной сигнал 12 которого подвергается дальнейшей обработке (например, автоматическому распознаванию). При высокой прозрачности атмосферы возможно использование как УФ-, так и ИК-диапазона. В случае замутненной атмосферы использование ИК-диапазона более предпочтительно.
Благодаря применению передачи информационного сигнала с помощью нескольких несущих оптического излучения на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения, для передачи информации достигают максимально возможного значения отношения сигнал/фотонный шум, увеличенного в корень квадратный из числа используемых несущих частот. Увеличение пропускной способности достигается за счет перехода в терагерцевый частотный диапазон, характерный для оптического излучения.
Технический результат заключается в повышении помехозащищенности, в увеличении пропускной способности и отношения сигнал/шум в принимаемом сообщении и в обеспечении скрытности работы системы оптической связи при визуальном наблюдении.