ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
TRANCEIVING DEVICE FOR ATMOSPHERIC OPTICAL COMMUNICATION LINE

Изобретение относится к области оптической связи, в частности к лазерным атмосферным системам передачи информации, и может быть использовано для передачи информации между объектами через атмосферу, например, для организации канала связи между двумя абонентами или между абонентом и станцией абонентского доступа.
Известно приемопередающее устройство для атмосферной оптической линии связи (см. патент РФ 2120185, С1. кл. Н04В 10/10; Н04В 10/24 опубл. 10.10.1998 г.), которое состоит из передатчика, приемника, светоизлучающего устройства, фотоприемного устройства, коллимирующего зеркала передатчика и фокусирующего зеркала приемника, которые выполнены концентрично на одной подложке, причем фокусирующее зеркало приемника размещено на периферии и имеет более длинное фокусное расстояние. Фотоприемное и светоизлучающее устройства установлены в фокусах зеркал приемного и передающего трактов соответственно. Перед светоизлучающим и фотоприемным устройствами установлены взаимно ортогонально линейные поляризаторы.
Недостатком известного решения является малая скорость наведения осей диаграмм направленности оптических приемопередатчиков друг на друга и поддержание стабильности наведения с учетом меняющихся внешних условий.
Известно также приемопередающее устройство оптической атмосферной линии связи (см. патент РФ 2306673, С2. кл Н04В 10/10, опубл. 20.09.2007 г.), состоящее из приемопередающего устройства оптической атмосферной линии связи, выполненного в виде внешнего и внутреннего блоков, содержащее интерфейс, источник оптического излучения, приемник оптического излучения, фокусирующую систему и волоконный световод, один конец которого закреплен во внешнем блоке, а другой конец волоконного световода расположен во внутреннем блоке и оптически соединен с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, причем внешний блок выполнен во всепогодном варианте и в нем расположена фокусирующая система, а интерфейс, источник оптического излучения и приемник оптического излучения установлены во внутреннем блоке, выполненном для комнатных условий, устройство снабжено дополнительными световодами, первые концы которых, расположенные во внешнем блоке, объединены в пучок, образующий волоконно-оптический коллектор, а вторые концы световодов, расположенные во внутреннем блоке, оптически соединены, по крайней мере, с одним источником и приемником оптического излучения с возможностью коммутации.
Недостатком известного приемопередающего устройства является большое время наведения оптических приемопередатчиков друг на друга и относительно низкая стабильность поддержания установленных оптических осей диаграмм направленности оптических приемопередатчиков. Это объясняется тем, что при превышении допустимого углового рассогласования между внешними блоками двух абонентов при применении стандартных световодов, диаметр фокусного пятна принимаемого излучения, может оказаться не на оптической оси, и как следствие не попадет в торец волоконно-оптического коллектора. А в случае частичного попадания оптического излучения в торец волоконно-оптического коллектора, его энергетический запас может оказаться ниже требуемого значения, что снизит надежность работы устройства в целом. Кроме того, известная конструкция приемо-передающего устройства не позволяет оперативно изменять наведение оптических приемопередатчиков при отсутствии или частичном попадании оптического излучения в торец их волоконно-оптического коллектора или при резких колебаниях оптических лучей при максимальной дистанции связи.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство двусторонней оптической связи (см. патент РФ 2272358, С1. кл. Н04В 10/10, опубл. 20.03.2006 г.), состоящее из двух приемопередающих узлов, каждый из которых имеет приемопередающую оптическую систему, содержащую приемную площадку с периметром в виде окружности, центр которой совпадает с центральной осью приемопередающей оптической системы. С одной стороны приемной площадки расположены собирающие линзы, установленные равномерно по периметру приемной площадки, на оптической оси последовательно размещены лазер с источником питания и коллиматорная оптика. С другой стороны приемной площадки последовательно размещены оптический элемент с отражающий поверхностью, фокусирующая линза и фотоприемник. На оптической оси каждой собирающей линзы установлено поворотное зеркало, оптически связанное с собирающей линзой и отражающей поверхностью оптического элемента, оптически связанной с фокусирующей линзой. Чувствительный фотоприемник и светоделительная пластинка позиционно связаны между собой.
Недостатком устройства прототипа является малая скорость наведения приемопередатчиков друг на друга. Это объясняется тем, что поворотные зеркала фокусируют излучение только от собирающих линз на которые, попало оптическое излучение. При значительном отклонении в наведении приемопередающих оптических систем, особенно при максимальных дистанциях связи оптическое излучение попадет только на часть линз или на одну из них, что не позволит их суммировать на фотоприемнике, а, следовательно, определить изменение угла приходящего излучения и последующего измерения линейного отклонения изображения фокального пятна на позиционно чувствительном фотоприемнике от оптической оси для поворота приемопередающей оптической системы. Кроме того, конструкция опорно-поворотного устройства и взаимосвязь элементов в приемопередающем узле не обеспечивают автоматическую настройку и перенастройку оптической оси диаграммы направленности приемопередатчика в зависимости от изменения угла падения приходящего излучения и уровня мощности принимаемого оптического излучения на различных дистанциях связи.
Целью изобретения является разработка приемопередающего устройства атмосферной оптической линии связи, обеспечивающего повышение скорости, точности и поддержания стабильности наведения оптических приемопередатчиков друг на друга на различных дистанциях связи.
Для достижения сформулированной цели в известном устройстве двухсторонней оптической связи, содержащем два приемопередающих узла, расположенных на противоположных концах дистанции связи, каждый из которых содержит электронный блок управления (ЭБУ), опорно-поворотный механизм (ОПМ) и оптический приемопередатчик (ОПП), заключенный в корпус, на одной торцевой поверхности корпуса размещены равноудаленно друг от друга и от центральной оси ОПП J≥4 собирающие линзы, лазер с источником питания и коллиматорная оптика, а на другой стороне поверхности корпуса установлена фокусирующая линза, дополнительно введены фокусирующее зеркало, шарнирно скрепленное с механизмом его поворота и установленное на оптической оси j-ой, где j=1, 2, …, J, собирающей линзы, волоконно-оптический коллектор (ВОК), содержащий N≥40 оптических световодов (ОСВ), блок оптических ответвителей (БОО), содержащий N оптических ответвителей (ОО), блок оптических фотоприемников (БОФП), содержащий N оптических фотоприемников (ОФП). Первый выход n-го, где n=1, 2,…, N, ОО подключен к входу n-го ОФП, а второй выход n-го, где n=1, 2, …, N, ОО подключен к n-му входу оптического мультиплексора (ОМП). Выходы ОФП подключены к n-му входу ЭБУ. Первый выход ОМП подключен к управляющему входу ЭБУ, а второй выход ОМП является выходом/входом отправителя (получателя) информации. Первый управляющий выход ЭБУ, подключен к управляющему входу ОПМ, а второй управляющий выход ЭБУ подключен к управляющему входу механизма поворота фокусирующего зеркала. ОПМ состоит из двигателя ОПМ, соединенного шарнирно с механизмом поворота ОПМ, обеспечивающего поворот приемопередающего узла в горизонтальной плоскости на 360°, и поворот приемопередающего узла в вертикальной плоскости на 45°.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет введения фокусирующего зеркала, волоконно-оптического коллектора и двигателя с механизмом поворота ОПМ формируется и поддерживается устойчивое положение осей диаграмм направленности наведения приемопередающих узлов. Этим достигается повышение скорости, точности и стабильности наведения оптических приемопередатчиков друг на друга на различных дистанциях связи.
Заявленное устройство поясняется чертежами:
фиг. 1 - оптическая схема приемопередающего устройства атмосферной оптической линии связи;
фиг. 2 - схема размещения приемопередающих устройств атмосферной оптической линии связи;
фиг. 3 - схема оптического приемо-передатчика.
Заявленное устройство, показанное на фиг. 1, состоит из первого и второго оптического приемопередатчика (ОПП) 1, расположенных на противоположных концах дистанции связи (фиг. 2). Каждое приемопередающее устройство атмосферной оптической линии связи содержит ОПП 1, ВОК 16, БОО 8, БОФП 10, ОМП 7, ЭБУ 6. ОПМ 2 состоит из двигателя 3 ОПМ 2, соединенного шарнирно с механизмом поворота 4 ОПМ 2.
n.1
n
n
n.2
n
n
1
2
ОПП 1, заключено в корпус 22. На одной торцевой поверхности корпуса 22 размещены равноудаленно друг от друга и от центральной оси ОПП 1 J≥4 собирающие линзы 18, лазер 19 с источником питания 20 и коллиматорная оптика 21. На другой стороне поверхности корпуса 22 размещены фокусирующая линза 15 и фокусирующее зеркало 12. Фокусирующее зеркало 12, шарнирно соединено с механизмом его поворота 13 и установлено на оптической оси j-ой, где j=1, 2, …, J, собирающей линзы 18. Первый выход 9. n-го, где n=1, 2, …, N, ОО 9. подключен к входу n-го ОФП 11., а второй выход 9. n-го, где n=1, 2, …, N, ОО 9. подключен к n-му входу оптического мультиплексора (ОМП) 7. Выходы ОФП 11. подключены к n-му входу ЭБУ 6. Первый выход 7. ОМП 7 подключен к управляющему входу 6.1 ЭБУ 6, а второй выход 7. ОМП 7 является выходом/входом отправителя (получателя) информации. Первый управляющий выход 6.2 ЭБУ 6, подключен к управляющему входу 2.1 ОПМ 2, а второй управляющий выход 6.3 ЭБУ 6 подключен к управляющему входу механизма поворота фокусирующего зеркала 13.
ОПП 1 предназначен для преобразования электрического сигнала в оптический сигнал на передаче и обратного преобразования на приеме и обеспечивает образование дуплексного беспроводного оптического канала связи. ОПП 1 может быть реализован в различных вариантах, в частности, как показано на фиг. 1.
ОПМ 2 предназначен для крепления ОПП 1. ОПМ 2 может быть реализован в различных вариантах, например, в виде комплекта универсального монтажного [Руководство по эксплуатации МБДК.3РЭ. Аппаратура атмосферной оптической линии связи ARTOLINK].
Двигатель 3 ОПМ предназначен для обеспечения привода механизма поворота 4 ОПМ. Двигатель 3 ОПМ может быть реализован в различных вариантах, например, в виде электродвигателя Д-28А ТУ ОДС.515.248. [Антенно-поворотное устройство МИК-АПУ модуля антенного Р-431АМ. Руководство по эксплуатации ЖНКЮ.303246.001 РЭ].
Механизм поворота 4 ОПМ предназначен для пространственного наведения оптических осей диаграмм направленного действия ОПП 1 друг на друга. Механизм поворота 4 ОПМ может быть реализован в различных вариантах, например, в виде редуктора азимута, редуктора угла места и платы контроллера управления устройства антенно-поворотного МИК-АПУ модуля антенного Р-431АМ [Антенно-поворотное устройство МИК-АПУ модуля антенного Р-431АМ. Руководство по эксплуатации ЖНКЮ.303246.001 РЭ].
Электронный блок управления (ЭБУ) 6 предназначен для формирования команд на изменение наведения ОПП 1. Электронный блок управления (ЭБУ) 6 может быть реализован в различных вариантах, например, в виде платы управления устройства антенно-поворотного МИК-АПУ модуля антенного Р-431АМ [Руководство по эксплуатации ЖНКЮ.303246.001 РЭ], которая может работать автономно в режиме внешнего управления по интерфейсу RS-232 и в режиме внешнего управления от ЭВМ по интерфейсу RS-485.
Оптический мультиплексор 7 предназначен для объединения входных оптических сигналов в единый сигнал. Оптический мультиплексор 7 может быть реализован в различных вариантах, например, в виде оптического мультиплексора MT-CT-MDM-108-SB-555-хх/хх обеспечивающий объединение сорока канальных сигналов.
1
2
N
1
2
N
Блок оптических ответвителей (ОО) 8 состоит из оптических ответвителей 9., 9.,…,9., которые предназначены для ответвления заданной мощности оптического излучения между выходными полюсами. Оптические ответвители 9., 9.,…,9. могут быть реализованы в различных вариантах, например, в виде делителей типа MT-FC, позволяющих разделять входящую мощность в заданных пропорциях между портами, например, MT-FC-1×2 представляющего собой пластиковый корпус с одним входом и двумя выходами и обеспечивающего как равномерное, так и заданное деление подаваемых оптических сигналов в диапазоне длин волн 1хх0±30 нм (где "хх" может быть 31-1310 нм; 49 - 1490 нм; 55 - 1550 нм) между всеми выходами.
1
2
N
Блок оптических фотоприемников (ОФП) 10 состоит из оптических фотоприемников 11., 11., …, 11., которые предназначены для преобразования оптического излучения в электрический сигнал.
1
2
N
Оптические фотоприемники 11., 11., …, 11. могут быть реализованы на основе фоторезисторов, например ФСА-О, ФСА-4 и др. [Алексеенко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. - М.: Радио и Связь, 1987. - 296 с., ил. Стр. 47].
Механизм поворота фокусирующего зеркала 13 предназначен для поворота фокусирующего зеркала 12. Механизм поворота фокусирующего зеркала 13 может быть реализован в различных вариантах, например, в виде редуктора.
1
2
N
N
1
2
N
Волоконно-оптический коллектор 16 состоит из оптических световодов (ОСВ) 17., 17., …, 17., которые предназначены для передачи оптического излучения через ОО 9.1, 9.2,…,9. к ОФП 11., 11., …, 11. и к оптическому мультиплексору 7.
Лазер 19 с источником питания 20 предназначен для преобразования электрической энергии в световую и может быть реализован на основе полупроводниковых лазерных диодов, схемы которых известны [Оптические телекоммуникационные системы. Учебник для вузов / В.Н. Гордиенко, В.В. Крухмалев, А.Д. Моченов, Р.М. Шарафутдинов. Под ред. профессора В.Н. Гордиенко. - М: Горячая линия - Телеком, 2011. - 368. С: ил. С. 92, 93].
Приемопередающее устройство атмосферной оптической линии связи работает следующим образом.
Оптический приемопередатчик 1 первого приемопередающего узла генерирует оптическое излучение, принимаемые приемопередатчиком второго приемопередающего узла (фиг. 2). При распространении оптического излучения вдоль дистанции связи в атмосфере происходит взаимодействие оптического излучения с турбулентной газовой средой, в результате чего луч интерферирует и искривляется. Это приводит к образованию на приемной стороне зон с повышенной и пониженной интенсивностью излучения, флуктуирующих как в пространстве, так и во времени. Дополнительно с этим происходят медленные подвижки точек крепления блоков, связанные с сезонными и суточными изменениями температуры среды, качанием ретрансляционных вышек, вибрациями и колебаниями зданий и сооружений, используемых в качестве мест крепления.
1
2
N
1
2
n
В предложенной оптической схеме ОПП 1, показанной на фиг. 1, на первом приемопередающем узле импульсы излучения вырабатываются лазером 19 с источником питания 20, которые формируются коллиматорной оптикой 21 в практически параллельный пучок и направляются на приемопередающую оптическую систему второго приемопередающего узла. Излучение, попавшее на собирающие линзы 18, путем последовательного отражения от фокусирующего зеркала 12 направляется на фокусирующую линзу 15 и ВОК 16, представляющего собой один пучок N ОСВ 17., 17., …, 17. плотной сборки. Число ОСВ 17., 17., …, 17. в ВОК 16 N≥40 для обеспечения высокой точности в определении углового отклонения. Фокусные расстояния собирающей 18 и фокусирующей 15 линз подобраны так, что точка суммарного фокуса этих линз располагается на торце ВОК 16 (фиг. 3). Большая длина оптического пути, возникающая из-за применения двух отражательных элементов, позволяет использовать длиннофокусные линзы, обеспечивающие небольшие сферические аберрации изображения. На торце ВОК 16 складываются излучения с нескольких собирающих линз 18, разнесенных в пространстве (фиг. 3). Это обеспечивает увеличение площади, с которой собирается приходящее излучение. Кроме того, разнесение точек приема уменьшает влияние интерференционных процессов, что сглаживает возможное замирание сигнала. Из литературы известно (Е.Р. Милютин. А.Ю. Гумбинас. Статистическая теория атмосферного канала оптических информационных систем. М.: Радио и связь. 2002 г. С. 199-200.), что линейное сложение разнесенных приемных оптических каналов позволяет уменьшить уровень ошибок в канале оптической связи в 30-100 раз при высокой турбулентности атмосферы.
1
2
N
кр
1
2
N
и
л
из
NA
c
и
и
NA
c
и
При точном наведении принимаемое оптическое излучение, попавшее на собирающие линзы 18, путем последовательного отражения от фокусирующего зеркала 12 направляется на фокусирующую линзу 15, которая фокусирует принимаемое излучение в торец ВОК 16. Фокусное расстояние между фокусирующей линзой 15 и торцом ВОК 16 подобрано так, что точка фокуса находится в пределах числовой апертуры ОСВ 17., 17., …, 17.. NA=sinθ. Из литературы известно (Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Дианова. - М.: Сов. Радио, 1980. - 232 с., ил. стр. 82), что ОСВ 17., 17., …, 17. захватывает только те лучи, которые заключены внутри конуса с максимальным углом, определяемым полным внутренним отражением на границе между сердцевиной и оболочкой оптического волокна  Таким образом подбор геометрии источника, формы торца ВОК 16 и фокусирующей линзы 15 должны обеспечивать одновременное выполнение соотношений θ≤θ, θ≤θ, M≤(d/d). Оптимальный ввод оптического излучения с фокусирующей линзы 15 в торец ВОК 16 будет при θ≤Mθ и d=Md (Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ./ Под ред. Е.М. Дианова. - М.: Сов. Радио, 1980. - 232 с., ил. стр. 88).
1
2
N
n.1
1
2
N
1
2
N
Так как диаметр фокусного пятна равен диаметру торца ВОК 16, то оптическое излучение проходит по всем ОСВ 17., 17., …, 17. и через первые выходы ОО 9. блока ОО 8 поступает на каждый ОФП 11., 11., …, 11. блока ОФП 10 и одновременно в оптический мультиплексор 7, где объединяются в единый сигнал. С выхода оптического мультиплексора 7 оптический сигнал поступает в ЭБУ 6, где оценивается уровень сигнала. Сигналы с ОФП 11., 11., …, 11. блока ОФП 10 передаются в ЭБУ 6.
1
2
N
В случае поступления сигналов от всех ОФП 11., 11., …, 11. и требуемом уровне оптического излучения ЭБУ 6 команд на изменение наведения в двигатель 3 ОПМ не передает.
1
2
N
1
2
N
При рассогласовании наведения первого приемопередающего узла и второго приемопередающего узла, излучение, попавшее на собирающие линзы 18, путем последовательного отражения от фокусирующего зеркала 12 направляются на фокусирующую линзу 15 и ВОК 16. Однако диаметр фокусного пятна принимаемого излучения на торце ВОК сместится. Оптическое излучение пройдет по части ОСВ и через ОО 9., 9., …, 9. поступят только на часть ОФП 11., 11., …, 11.. ЭБУ 6 определяет задействованные и не задействованные ОФП 11.1, 11.2, …, 11.n. При требуемом уровне оптического излучения, принимаемом оптическим мультиплексором 7 команда на изменения наведения ЭБУ 6 не вырабатывается. Если уровень оптического излучения, принимаемом оптическим мультиплексором 7 ниже требуемого, то ЭБУ 6 вырабатывает команду на изменение положения фокусирующего зеркала 12 и передает ее в механизм поворота фокусирующего зеркала 13. Изменение положения фокусирующего зеркала 12 происходит до тех пор, пока не будет обеспечен требуемый уровень оптического излучения или фокусное пятно не будет равно размеру, диаметра торца ВОК 16. Это позволяет обеспечить повышение скорости, точности и стабильности наведения оптических приемопередатчиков друг на друга на минимальной дистанции связи.
При превышении угла изменения положения фокусирующего зеркала 12, ЭБУ 6 вырабатывает команду на изменение наведения ОПП 1, которая подается на двигатель 3 ОПМ, на поворот механизма поворота 4 ОПМ в горизонтальной и (или) в вертикальной плоскости. Это позволяет обеспечить повышение скорости, точности и стабильности наведения оптических приемопередатчиков друг на друга на максимальных дистанциях связи, т.е. достичь сформулированный технический результат.
Перемещение приемопередающего устройства атмосферной оптической линии связи в горизонтальной и (или) в вертикальной плоскости осуществляется за счет шарнирного механизма 5 ОПМ, механизма поворота 4 ОПМ и двигателя 3 ОПМ, размещенных в ОПМ 2, по командам управления, поступающих с ЭБУ 6.