АППАРАТУРА ПОДВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
UNDERWATER OPTICAL COMMUNICATION APPARATUS

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в системах двусторонней оптической связи.
Из уровня техники известна система и метод для подводной оптической связи (Патент США №7953326 В2, 31.05.2011). Система содержит оптический передатчик, выполненный в виде массива излучателей световых волн, расположенных на полусферической поверхности и обеспечивающих всенаправленное излучение в большом апертурном угле, фотоприемное устройство, имеющее также полусферическую форму и обеспечивающее прием электромагнитных волн с любого направления в пределах полусферы. Приемник и передатчик физически разнесены друг от друга. Рабочая длина волны системы лежит в диапазоне от 300 до 800 нм. К недостаткам данной системы подводной связи можно отнести невысокую дальность связи из-за широкого угла излучения передатчика, ограничение скорости передачи из-за необходимости одновременного модулирования большого количества излучателей большой мощности, а также взаимное влияние различных каналов связи, образованных такими системами друг на друга при близком их расположении.
Наиболее близким по технической сущности является метод и аппаратура для подводной беспроводной оптической связи (Patent application publication US 2005/02326338 A1, 20.10.2005), которая и выбрана в качестве прототипа. Аппаратура содержит в своем составе оптический преобразователь, в который входит один или несколько светоизлучающих диодов, обеспечивающих излучение в диапазоне 400-700 нм, один или несколько оптических фотодетекторов, обеспечивающих прием сигнала в указанном диапазоне, переднюю панель с установленными на ней линзами перед фотодетекторами, водонепроницаемый кожух с установленными внутри него электронными блоками, обеспечивающими работу передатчика и приемника, а также контроллер, обеспечивающий работу системы в выбранном протоколе связи, например IRDA. Данная система имеет большой угол излучения света и соответственно большое угловое поле зрения приемника. Это приводит к большим потерям мощности передатчика при распространении излучения в беспроводном канале. Другой недостаток аппаратуры в том, что при использовании нескольких таких систем совместно происходит взаимное их влияние друг на друга из-за больших апертурных углов приемника и передатчика.
Техническим результатом изобретения является улучшение функциональных возможностей системы подводной оптической связи.
Технический результат достигается за счет того, что аппаратура подводной оптической связи состоит из водонепроницаемого кожуха с передней панелью, с установленными внутри кожуха оптическим передатчиком, работающим в спектральном диапазоне 400-700 нм, оптическим приемником, обеспечивающим прием сигналов в указанном диапазоне, а также блоком электроники, обеспечивающим работу приемника и передатчика. При этом приемник и передатчик установлены внутри корпуса на поворотном устройстве, обеспечивающем их угловое перемещение по двум ортогональным координатам и с закрепленным на нем и жестко связанным с передатчиком позиционно-чувствительным элементом, в состав электронных блоков введен контроллер определения координат и управления, вход которого соединен с позиционно- чувствительным элементом, а выход с поворотным устройством, при этом угловые апертуры оптических устройств подчиняются соотношению:
t
R
p
θ<θ<θ,
t
где θ - угол расходимости излучения передатчика;
R
θ - угловое поле зрения приемника;
p
θ - угловое поле зрения позиционно-чувствительного элемента. При этом передняя панель кожуха выполняется из прозрачного материала и может иметь форму в виде части сферы. В этом случае оси вращения поворотного устройства пересекаются в геометрическом центре сферы. Позиционно-чувствительный элемент может быть выполнен в виде матричного фотоприемника с установленной перед ним фокусирующей системой.
Устройство аппаратуры
На фиг.1 изображено устройство аппаратуры подводной беспроводной линии связи, где:
1 - водонепроницаемый кожух;
2 - поворотное устройство;
3 - оптический передатчик;
4 - блок электроники, обеспечивающий работу приемника и передатчика;
5 - позиционно-чувствительный элемент;
6 - оптический приемник;
7 - кронштейн жесткой связи между приемником и позиционно- чувствительным элементом;
8 - передняя панель;
9 - контроллер определения координат и управления поворотным устройством.
Аппаратура оптической беспроводной подводной связи состоит из оптического передатчика 3 и оптического приемника 6, которые электрически соединены с блоком электроники 4, обеспечивающим работу передатчика и приемника по выбранному протоколу связи, например Ethernet. Приемник и передатчик закреплены на несущем кронштейне 7. На этом же кронштейне жестко закреплен позиционно-чувствительный элемент 5, который может быть выполнен в виде матричного приемника с оптической системой.
При этом оптические угловые апертуры приемника, передатчика и позиционно чувствительного фотоприемника подчиняются соотношению:
t
R
p
θ<θ<θ,
t
где θ - угол расходимости излучения передатчика;
R
θ - угловое поле зрения приемника;
p
θ - угловое поле зрения позиционно-чувствительного фотоприемника, а их оптические оси выполнены параллельными.
В свою очередь кронштейн установлен в поворотном устройстве 2. Поворотное устройство обеспечивает угловое перемещение кронштейна, а значит, и всей оптической системы в двух ортогональных плоскостях. На фиг.1 это соответствует вращению вокруг вертикальной оси и вокруг горизонтальной оси. Поворотное устройство электрически соединено с выходом контроллера определения координат и управления, который обеспечивает угловые перемещения вокруг указанных осей по встроенному алгоритму. Данные о текущем положении цели поступают на вход контроллера от позиционно-чувствительного элемента.
Все составные части аппаратуры подводной связи помещены и закреплены внутри водонепроницаемого герметичного кожуха 1. На одной из стенок кожуха, напротив оптической системы установлена передняя панель 8. Она выполнена из прозрачного материала для диапазона длин волн излучения 400-700 нм. На фиг.1 показан вариант с плоской панелью. В другом варианте форма панели может быть исполнена в виде части сферы. В этом случае оси вращения поворотного устройства проходят через геометрический центр сферы.
Работа устройства
Для обеспечения связи используются два комплекта аппаратуры, которые размещаются на разных концах линии связи.
Оптический передатчик направляет в канал сколлимированные световые импульсы излучения сигналов связи на длине волны в диапазоне от 400 до 700 нм. Этот диапазон лежит в окне прозрачности водной среды. Оптическая система приемника оптического излучения собирает прошедшее через канал излучение на соответствующие фоточувствительные устройства.
При распространении света вдоль дистанции происходит его ослабление как за счет геометрического расширения пучка, так и за счет рассеяния и поглощения излучения. Оптический канал распространения излучения в водной среде, по сравнению, например, с атмосферным, является каналом с очень сильным рассеянием. Основное ослабление излучения происходит именно по этой причине. Однако индикатриса рассеяний имеет сильно вытянутую вперед форму, что подтверждается проведенными измерениями. На фиг.2 приведены фотографии работающей аппаратуры подводной связи на расстоянии около 10 метров в подводных условиях. На фиг.2 видно, что пучок света в целом сохраняет свое форму по мере распространения, хотя заметно и сильное рассеяние. Пучок хорошо просматривается с боковой стороны. Кроме того, на фотографиях можно заметить, что центр излучения пятна хорошо фиксируется и определяется. Это означает, что, используя позиционно-чувствительный фотоприемник и контроллер определения координат и управления приводом, можно всегда навести свой передатчик на точку свечения удаленного передатчика. Для этого контроллер, используя первичные данные от позиционно-чувствительного элемента, определяет точку свечения, выделяет ее координаты и выдает сигналы управления на поворотное устройство. Так как позиционно-чувствительный элемент жестко связан с передатчиком, то его излучение всегда точно попадает в противоположный терминал связи. Фото 6 на фиг.2 иллюстрирует тот случай, когда удаленный передатчик направил свое излучение практически точно на приемную апертуру ближнего приемника.
Таким образом, введением в аппаратуру позиционно- чувствительного фотоприемника, жестко связанного с передатчиком информационного канала, двухкоординатного поворотного устройства и контроллера, поддерживающего наведение передатчика на точку свечения удаленного передатчика, можно обеспечить эффективную пространственную селекцию целей за счет сужения диаграммы направленности передатчика. Кроме того, уменьшение угловой ширины пучка излучения передатчика обеспечивает увеличение энергетического запаса аппаратуры и увеличивает дальность связи. Использование узких пучков позволяет также работать с одним источником излучения лазерного типа, а значит, существенно поднять скорость передачи информации, т.к. в этом случае не требуется модуляция массива мощных всенаправленных источников света на основе светодиодов, как указано в прототипе и аналоге.
Для максимальной реализации этих преимуществ в предлагаемой аппаратуре подводной оптической беспроводной связи минимальную угловую апертуру имеет передатчик. Угловое поле зрения приемника информационного канала имеет большее значение. За счет этого снижаются требования к точности взаимного поддержания параллельности оптических осей приемника и передатчика и увеличивается доля принимаемой мощности, т.к. приемник начинает воспринимать и часть рассеянных лучей света. Угловое поле зрения позиционно-чувствительного фотоприемника должно быть еще шире, т.к. он должен «видеть» удаленный источник в процессе наведения, т.е. в период, когда аппаратура еще не наведена точно друг на друга - в моменты поиска и захвата (фиг.2, фото 1-5). Конкретные значения апертурных углов определяются многими факторами эксплуатационными, техническими, экономическими, но практически они лежат в пределах от 0,1 углового градуса до 3-5 градусов. Уменьшение этих значений ведет к резкому увеличению требований к точности работы системы, не всегда оправданных в условиях работы в сильно рассеивающей среде. Увеличение апертурных углов ведет также к большим потерям на геометрическое ослабление и снижению эффективности пространственной селекции. Кроме того, увеличивается фоновая засветка приемников, что снижает их чувствительность.
Работа с малыми углами требует принятия специальных мер к оптическим системам. С целью увеличения углов обзора аппаратуры, что особенно актуально при ее установке на подвижных подводных объектах, использование плоской передней панели становится нерациональным. Габариты панели резко возрастают. Использование панели сферической формы решает эту задачу. Но панель является границей раздела между водной средой с показателем преломления около 1,35 и воздухом внутри кожуха с показателем преломления около 1. Выпуклая криволинейная поверхность является в этой ситуации отрицательной линзой. Если ось вращения поворотного устройства не совпадает с геометрическим центром сферы, то при повороте будет меняться угол падения пучков на поверхность раздела и их отклонение от первоначального направления. Это вызывает нарушение параллельности пучков, что в дальней зоне может привести к резкому снижению уровня принимаемого сигнала. При вращении оптической системы вокруг геометрического центра угол падения при любом положении будет приблизительно одинаков и энергетика канала не уменьшается.
Практическая реализация
На фиг.3 приведена фотография практической реализации предложенной аппаратуры со снятым защитным кожухом.
Передатчик 1 выполнен на основе полупроводникового лазера с длиной волны 455 нм. Средняя мощность излучения составляет 150 мВт. Передатчик излучает модулированный свет и обеспечивает канальную скорость передачи информации 131 Мбит/с. Угол расходимости передатчика составляет 3 милирадиана или около 0,2 угловых градуса.
Приемник 2 выполнен на основе кремниевого PIN фотодиода с размером площадки 400 микрон и угловым полем зрения 8 милирадиан. Приемник и передатчик подключены к блоку электроники 3, который обеспечивает их работу, а также производит согласование формы представления сигнала в беспроводном канале со стандартным стыком Fast Ethernet по протоколу IEEE802.3u, т.е. осуществляет функции кодера-декодера.
Между приемником и передатчиком на жестком кронштейне 4 размещен позиционно-чувствительный элемент 5. Он выполнен на базе ПЗС матрицы с количеством пикселей 640x480. Перед матрицей установлена оптическая система с переменным фокусным расстоянием, обеспечивающим изменение углового поля зрения от 17 до 2 угловых градусов.
Все оптические подсистемы закреплены в поворотном устройстве 6. Оно обеспечивает угловое перемещение вокруг горизонтальной оси на 60 градусов, а вокруг вертикальной оси на 180 градусов. Сигналы с позиционно-чувствительного фотоприемника обрабатываются на плате контроллера 7. Там же установлены драйверы приводов поворотного устройства. В верхней части аппаратуры установлены блоки питания и разъемы для подключения к кабелю.
-9
Испытания прототипа аппаратуры подводной оптической беспроводной связи подтвердили его высокие эксплуатационные характеристики. Энергетический бюджет составил более 47 дБ, скорость передачи данных 125 Мбит/с в режиме полного дуплекса при уровне цифровых ошибок 10 и дальности 50 метров, угол обзора составил +/- 15 градусов и был ограничен только размерами плоской передней панели. Аппаратура поддерживает два режима работы - режим поиска и режим удержания. В режиме поиска ПЗС матрица работает в качестве датчика изображения и обеспечивает передачу видеоизображения на регистрирующее оборудование. Управление поворотным устройством в этом режиме осуществляется вручную оператором. В режиме удержания матрица переходит в состояние датчика угловых координат. Данные с матрицы обрабатываются в контроллере, выделяются целеуказания, которые далее направляются на драйверы приводов поворотного устройства. В этом режиме аппаратура в автоматическом режиме удерживает наведение на противоположный терминал связи с точностью 0,2 мрад. При этом допускается взаимное угловое смещение терминалов со скоростью до 1 град/сек.