Способ и система защиты детектора канала оптической связи в системах космической оптической связи от засветки точечными и протяженными источниками света
METHOD AND SYSTEM FOR PROTECTION OF OPTICAL COMMUNICATION CHANNEL IN SPACE OPTICAL COMMUNICATION SYSTEMS FROM FLASHING WITH POINT AND EXTENDED LIGHT SOURCES

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное изобретение относится к способам защиты детектора в системах космической оптической связи от засветки точечными и протяженными источниками света.
Считается, что основными источниками засветки являются:
1. Точечные источники света – Солнце, Луна, звезды и планеты
2. Протяженные источники света – свечение атмосферы Земли
Оно относится также к системе защиты оптического детектора, реализующей данный способ.
Изобретение применимо, в частности, в области космической оптической связи между двумя космическими аппаратами на низкой околоземной орбите.
Уровень техники
Из уровня техники известны способы защиты оптического детектора от засветки протяженными источниками света.
Так, в патенте RU2093872С1 описывается светозащитное устройство космических телескопов и аппаратуры наблюдения космических аппаратов от засветок солнечным светом и для защиты отдельных элементов конструкции.
Светозащитное устройство космических телескопов содержит тубус и экран, соединенный с приводом, при этом привод выполнен двухстепенным с осями вращения, перпендикулярными друг другу и продольной оси тубуса, а экран соединен с приводом при помощи выносного механизма, который может быть выполнен в виде раздвижной штанги или в виде нескольких шарнирно соединенных звеньев.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- Так как тубус имеет цилиндрическую форму, излучение может рассеиваться от его боковой поверхности в зрачок телескопа приемного устройства.
Из уровня техники известны способы защиты оптического детектора от засветки точечными источниками света.
Из уровня техники известна система приема светового пучка US9689667B2, содержащая матричный детектор. Система также содержит микрозеркальный модулятор, излучение от которого отражается на матричный детектор. Излучение фильтруется микрозеркальным модулятором, управление которым производится по электрическому сигналу с источника излучения в реальном времени.
Данная система имеет следующие недостатки относительно задач космической оптической связи:
- Управление микрозеркальным модулятором производится по электрическому сигналу с источника излучения. В системах космической связи излучатель значительно удален от приемника, поэтому электрический сигнал от него невозможно использовать напрямую.
Так, в полезной модели RU169980U1 описывается матричный ослабитель потока оптического излучения, предназначенный для исключения фоновой засветки фоточувствительной поверхности за счет мощного локального ослабления потока оптического излучения от точечных высокоинтенсивных источников света.
Матричный ослабитель потока оптического излучения содержит входной объектив, матричный оптический затвор, фокусирующую оптическую систему, приемник оптического излучения, схему управления. Между входным объективом и матричным оптическим затвором установлен призменный блок, выполненный в виде призмы полного внутреннего отражения и компенсационной призмы. При этом матричный оптический затвор выполнен в виде цифрового микрозеркального устройства с элементом матрицы в виде микрозеркала, и число элементов матрицы соответствует числу элементов матрицы приемника оптического излучения.
Данная полезная модель имеет следующие недостатки относительно задач космической оптической связи:
- Быстродействие ПЗС-матрицы недостаточно для организации высокоскоростного канал связи, а использование более высокоскоростных матричных детекторов с пространственным разрешением не оправдано, так как избыточно для задач фильтрации фонового шума и создает чрезмерную нагрузку на электронные системы обработки изображений.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой заявленного решения является повышение надежности защиты детектора от засветки точечными и протяженными источниками света.
Технический результат заключается в обеспечении возможности подавления засветки без ужесточения требований на угловую точность системы наведения и удержания оптического канала связи.
Указанный технический результат достигается в способе защиты детектора приемного устройства систем оптической космической связи от паразитной засветки точечными и протяженными источниками света и содержит в себе этапы, на которых: оптическое излучение фокусируют приемным телескопом с установленными на нем посредством шарнирных креплений гибкими панелями регулируемой кривизны, сфокусированное излучение делят светоделителем на два пучка: один из них, проходя дальше по оси телескопа передается на модулятор, другой, отражаясь под углом к оси, поступает на высокочувствительную ПЗС-матрицу; задают соответствие между пикселями ПЗС-матрицы и модулятора так, что каждому пикселю или группе пикселей ПЗС-матрицы соответствует один пиксель модулятора; сигнал с пикселей ПЗС-матрицы направляют на блок управления пространственной селекцией, который задает напряжение на пикселях модулятора; устанавливают детектор канала оптической связи таким образом, что если на пиксели модулятора не подается напряжение, все излучение, отраженное от модулятора, попадает на фоточувствительную площадку детектора канала оптической связи; если на пиксели модулятора подается максимально возможное напряжение, то излучение с них не попадает на фоточувствительную площадку указанного детектора, при этом если уровень освещенности на определенном пикселе или группе пикселей ПЗС-матрицы превышает заданный, то на соответствующий пиксель модулятора подают высокое напряжение, и излучение с него не попадает на детектор канала оптической связи.
Дополнительная особенность заключается в том, что способ содержит дополнительный этап, на котором производят слежение за областями высокой освещенности ПЗС-матрицы компьютерными методами и исключают область, соответствующую излучению передающего лазера системы оптической связи.
Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве модулятора используется микрозеркальный модулятор.
Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве модулятора используется пространственный модулятор света на жидких кристаллах.
Дополнительная особенность заключается в том, что подвижные плоские пластины регулируемой кривизны управляются по сигналу обратной связи с ПЗС-матрицы.
Дополнительная особенность заключается в том, что светоделитель делит излучение на пучки неравной интенсивности.
Дополнительная особенность заключается в том, что светоделитель делит излучение на пучки равной интенсивности.
Указанный технический результат достигается также с помощью системы защиты оптического детектора, реализующая заявленный способ, содержащая: фокусирующий излучение приемный телескоп (2) с установленным на объектив узкополосным интерференционным фильтром и установленными посредством шарниров гибкими панелями регулируемой кривизны (1), светоделитель (3), осуществляющий разделение сфокусированного излучения на два пучка, ПЗС-матрицу (4) на которую поступает первый пучок излучения из указанного светоделителя (3), блок управления пространственной селекцией (7), на который передается сигнал с ПЗС-матрицы (4), модулятор (6), получающий управляющий сигнал с блока управления пространственной селекцией (7) и оптический детектор канала оптической связи (5), на который передается второй пучок излучения, переданный из указанного светоделителя (3) и отраженный от модулятора (6).
Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве модулятора используется микрозеркальный модулятор.
Дополнительная особенность заключается в том, что поверхность зеркал микрозеркального модулятора установлена таким образом, чтобы она совпадала с фокальной плоскостью объектива телескопа.
Дополнительная особенность заключается в том, что вместо микрозеркального модулятора используется пространственный модулятор света на жидких кристаллах.
Осуществление изобретения
Заявленное изобретение поясняется с использованием чертежей:
Фиг.1 - структурная схема системы защиты детектора, где:
1 - гибкие панели регулируемой кривизны ,
2 - приемный телескоп
3 - светоделитель
4 - ПЗС-матрица
5 - детектор канала оптической связи
6 - модулятор
7 - блок управления пространственной селекцией
Фиг.2 – схема работы системы защиты детектора от засветки со стороны атмосферы
Фиг.3 – схема работы системы защиты детектора от засветки со стороны Солнца, Луны, звезд и планет
Устройство предназначено для борьбы с засветками от Солнца, Луны и звезд при работе оптических линий связи между космическими аппаратами. Устройство может быть использовано и при полетах в атмосфере.
Для подавления засветки от протяженного источника света, атмосферы, используется конструкция из гибких панелей с регулируемой кривизной, предназначенная для формирования геометрической тени на объективе телескопа при попадании на него рассеянного от панелей излучения минимальной интенсивности (фиг.2).
Для подавления засветки от точечных источников света, Солнца, Луны, звезд и планет, используется оптическая схема на основе микрозеркального модулятора света для пространственно селективного подавления излучения таких источников (фиг.3).
Обычно для подавления засветки от удаленных источников света используется частотная и угловая фильтрация. Данное изобретение позволяет усовершенствовать систему угловой фильтрации. Обычно угловая фильтрация осуществляется с помощью оптической системы, выполняющей роль телескопа, устроенной так, что внутри системы имеется фокальная плоскость, на которую изображения от отдаленных светящихся объектов фокусируются в виде небольших светящихся точек. Так как звезды, Солнце и Луна находятся на большом расстоянии то их изображение в фокальной плоскости будет точечным. Это позволяет выделить с помощью диафрагмы лазерное излучение, идущее от спутника связи. Действительно, в фокальной плоскости оптической системы излучение от отдаленных объектов, которые расположены под разными углами к оси оптической системы будет фокусировано в различные места фокальной плоскости в зависимости от их углового положения. Поэтому появляется возможность поставить диафрагму (небольшое отверстие) в месте фокальной плоскости, где проходит полезное излучение, перекрыв тем самым доступ в дальнейшую часть оптической системы излучению от нежелательных источников засветки. Однако, такой способ обладает существенным недостатком — при движении спутника и светящихся объектов фокальные пятна как от лазерного источника, так и от отдаленных источников засветки смещаются по фокальной плоскости, что неизбежно приводит к требованию жесткой стабилизации летательного объекта в пространстве и как следствие резкому усложнению и удорожанию системы удержания канала оптической связи.
Предлагаемый способ и система на его основе позволяет нейтрализовать влияние колебаний и вибраций летательного аппарата на эффективность подавления засветки без ужесточения требований на угловую точность системы наведения и удержания оптического канала связи. Для этой цели в устройство вводится дополнительный элемент — микрозеркальный пространственный модулятор (Digital micromirror device, DMD), состоящий из матрицы с большим количеством микрозеркал, каждое из которых может независимо поворачиваться по команде с компьютера. Поверхность зеркал микрозеркального модулятора устанавливается таким образом, чтобы она совпадала с фокальной плоскостью объектива. Если микрозеркала не повернуты, то его зеркальная плоскость действует как обычное зеркало. При этом в некоторых местах зеркальной поверхности будут видны светящиеся точки, являющиеся изображениями объектов засветки и передатчика лазерной системы оптической связи. Компьютер определяет положения этих светящихся точек, формирует команды для поворота микрозеркал, в соответствии которыми микрозеркала, на которые попали светящиеся точки, соответствующие источникам засветки, поворачиваются, и излучение засветки не проходит дальше на детектор системы связи. Если при движении аппарата светящиеся точки от объектов засветки смещаются, то система слежения отслеживает их перемещения, компьютер формирует команды для поворота уже других, засвеченных, микрозеркал. Эти микрозеркала поворачиваются, а ранее повернутые возвращаются в исходное положение. Так как этот процесс динамический и происходит в реальном времени, то при изменении ориентации аппарата угловая фильтрация сохраняется.
Система защиты детектора от засветки со стороны точечных источников света работает следующим образом (фиг.1).
Оптическое излучение фокусируют приемным телескопом с установленными на нем посредством шарнирных креплений гибкими панелями регулируемой кривизны. Излучение в оптической системе перед фокальной плоскостью разделяется: основная его часть проходит через светоделитель (3) и фокусируется в фокальной плоскости; оставшаяся часть фокусируется в вспомогательной фокальной плоскости. В эту вспомогательную фокальную плоскость помещается ПЗС-матрица (4) или любой другой матричный приемник.
Задают соответствие между пикселями ПЗС-матрицы и модулятора так, что каждому пикселю или группе пикселей ПЗС-матрицы соответствует один пиксель модулятора; сигнал с пикселей ПЗС-матрицы направляют на блок управления пространственной селекцией, который задает напряжение на пикселях модулятора; устанавливают детектор канала оптической связи таким образом, что если на пиксели модулятора не подается напряжение, все излучение, отраженное от модулятора, попадает на фоточувствительную площадку детектора канала оптической связи; если на пиксели модулятора подается максимально возможное напряжение, то излучение с них не попадает на фоточувствительную площадку указанного детектора, при этом если уровень освещенности на определенном пикселе или группе пикселей ПЗС-матрицы превышает заданный, то на соответствующий пиксель модулятора подают высокое напряжение, и излучение с него не попадает на детектор канала оптической связи.
Так как распределение изображений источников света в главной и вспомогательной фокальных плоскостях тождественны или подобны, то по изображению, сформированном на матричном приемнике, можно определить, какие из микрозеркал микрозеркального модулятора засвечены, и подать соответствующие команды для их поворота. Таким образом, предлагаемое конструкторско-техническое решение обеспечивает эффективное непрерывное подавление засветки при любом изменении относительного положения источников засветки и положения космических аппаратов, обеспечивающих оптическую связь.
В качестве примера можно рассмотреть следующий случай. Пусть космический аппарат (КА) находится на орбите Земли и устанавливает оптический канал связи с другим КА. Приемный телескоп КА (2) направлен точно на источник оптического сигнала, а направление на Солнце входит в его поле зрения. Телескоп покрыт высокоселективным частотным фильтром, подавляющим все длины волн за исключением узкого диапазона значений около несущей длины волны излучения оптического передатчика системы связи. Тогда в обычной диафрагменной системе угловой фильтрации радиус диафрагмы уменьшается до тех пор, пока прямое солнечное излучение не перестанет попадать на детектор. Это уменьшает поле зрения телескопа, повышает требования на точность наведения телескопа на источник оптического сигнала, усугубляя тем самым влияние вибраций и колебания КА на стабильность канала связи.
В предлагаемом изобретении область, на которой сконцентрировано излучение Солнца, исключается поворотом микрозеркал, соответствующих засвеченным Солнцем пикселей ПЗС-матрицы (4). А именно, блок управления пространственной селекцией (7) считывает информацию об освещенности каждого пикселя ПЗС-матрицы (4) и поворачивает в выключенное положение те микрозеркала модулятора (6), которые соответствуют пикселям с высоким уровнем засветки Солнцем. Таким образом, поле зрения телескопа не уменьшается, и требуемая угловая точность наведения и удержания оптического канала не растет, тем самым вибрации и колебания КА не влияют на стабильность канала связи сильнее, чем в отсутствие солнечной засветки.
В околоземном пространстве существует несколько основных источников оптических шумов: Солнце (интенсивность шума 0.193мВт/кв.см./нм, Taylor M. IKONOS planetary reflectance and mean solar exoatmospheric irradiance //Space Imaging Inc.: Thornton, Colorado. – 2005.), Луна (интенсивность шума около 1e-6 мВт/кв.см./нм Karp S. et al. (ed.). Optical channels: fibers, clouds, water, and the atmosphere //Springer Science & Business Media. – 2013.), Земля (шум порядка 40% от солнечного, см. Nahar S. N. Solar Irradiance of the Earth’s Atmosphere //Climate Change and Food Security in South Asia. – Springer, Dordrecht, 2010. – С. 31-42.). Шум от планет слабее шума от Луны еще на 4 порядка, поэтому не учитывается.
Рассчитаем максимально возможный шум. Суммарно интенсивность шума будет порядка 0.27 мВт/кв.см./нм, что при пересчете в число фотонов составляет 4.3e15 1/с/нм. Так как мы работаем на частоте 1 ГГц, то на 1 такт будет приходиться 4.3e6 1/нм/нс шумовых фотонов. При использовании предлагаемой нами системы пространственной фильтрации на основе DMD можно снизить мощность шума минимум на 95% (отрезая его по уровню около 1% по мощности) с учетом конечного размера пикселя CCD-камеры и DMD, то есть 2.17e5 1/нм/нс, что может входить в динамический диапазон детектора оптической связи (например, твердотельного фотоумножителя).
Мы считаем, что шум имеет гауссовское распределение мощности, и можно сдвинуть зашумленный сигнал так, чтобы среднее шума было бы равно 0, поэтому собственно амплитудой шума за один такт можно считать дисперсию его среднего, а именно  1/нс.
Таким образом, предлагаемая система фильтрации может обеспечить работу приемника оптической информации против Солнца, однако уровень ошибки при такой работе требует отдельного расчета. Так, в работе (Песков С. Н., Ищенко А. Е. Расчет вероятности ошибки в цифровых каналах связи //Теле-спутник. – 2010. – №. 11. – С. 70.) приводится формула для битовой ошибки (20), которую для бинарной импульсной кодировки можно переписать следующим образом:
Здесь  — энергия сигнального импульса, а  — спектральная плотность шума.Так как полоса приемника ок. 1 нм, будем считать, что  — энергия шума на такт. Положим энергию сигнального импульса равной 1000 фот., а амплитуда шума равна 1.75е2 фот./с, то , откуда
Известные алгоритмы исправления ошибки (коды Рида-Соломона, турбокоды, сверточные коды и т.д. Sklar B. Reed-solomon codes – 2001. – С. 1-33.) полностью (до BER ≤ 1e-20) восстанавливают информацию при физической ошибке канала BER ≤ 1e-4.
Таким образом, для преодоления недостатков аналогов изобретения RU2093872С1 в заявленном изобретении используются подвижные гибкие пластины с регулируемой кривизной на шарнирных креплениях, управляемые по сигналам обратной связи с ПЗС-матрицы.
Для преодоления недостатка системы US9689667B2 используется ПЗС-матрица для формирования обратной связи для управления микрозеркальным модулятором без прямого электрического соединения с источником излучения.
Для преодоления недостатка полезной модели RU169980U1 излучение после приемного телескопа делится на два пучка, один из которых формирует изображение на ПЗС-матрице, сигнал с которой обрабатывается блоком управления пространственной селекцией, который формирует управляющие сигналы для микрозеркального модулятора. Другой пучок отражается от микрозеркального модулятора и поглощается детектором оптической связи, предназначенным для приема информационного сигнала. Следовательно, для фильтрации излучения используется ПЗС-матрица с малым быстродействием, а для приема информации быстродействующий детектор оптической связи.