УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к технике передачи оптических сигналов, в том числе кодированных, и может быть использовано для передачи сигналов тревоги, предупреждения и управления в различных областях, например, в морском флоте, на железнодорожном транспорте, в космической связи и т.д. Изобретение может быть использовано также для передачи сигналов оптической помехи и сигналов информационного воздействия при испытаниях различных приборов с оптическим каналом передачи информации.
Известно устройство для передачи информации с помощью оптического излучения, основанное на использовании лазерного модулированного излучения с высокой степенью направленности и высокой информационной емкостью и скоростью передачи информации (см., например, Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. Отв. Ред. М.Е.Жаботинский - М., «Советская энциклопедия», 1969, с.279-281).
Недостатком известного устройства является высокая спектральная селективность лазерного излучения. Так, хорошо известно, что в силу известных физических механизмов генерация лазерного излучения практически возможна лишь в узких спектральных интервалах на фиксированных и заранее известных длинах волн. В результате лазерное излучение обладает высокой степенью монохроматичности, в связи с чем требуется соответствующий подбор приемников излучения, а канал передачи информации в целом оказывается весьма чувствительным к различного рода внешним помехам (состояние атмосферы, метеорологические явления).
Кроме того, визуальное восприятие таких сигналов весьма проблематично, т.к., во-первых, лазерное модулированное излучение обычно характеризуется очень высокой импульсной мощностью и представляет реальную опасность для органов зрения и, во-вторых, зачастую спектр лазерного излучения лежит вне спектрального диапазона чувствительности человеческого глаза.
Таким образом, известное устройство является узкоспецифичным, т.е. работоспособным в сравнительно узком диапазоне параметров.
Известно устройство для передачи оптических сигналов, содержащее корпус, источник излучения, подключенный к блоку питания, отражатель преимущественно в виде параболоида вращения (см., например, Особенности конструкций ламповых прожекторов с ИК фильтрами. «Светотехника», 2004, №3, с.31-38).
В случае необходимости кодирования передаваемой информации известное устройство может быть дополнено механическими шторками (светосигнальный прожектор).
Известное устройство основано на использовании излучения широкого спектрального состава, генерируемого дуговой газоразрядной лампой непрерывного горения. Такое излучение неселективно и может восприниматься различными приемниками, в том числе и человеческим глазом.
Недостатки известного устройства связаны с характером используемого оптического излучения.
Первый недостаток известного устройства заключается в относительно невысокой дальности действия, что обусловлено ограниченной силой излучения.
Дело в том, что даже самые мощные прожекторные системы имеют температуру излучения не более 4000…4500 К, что обусловлено возможностями используемых источников излучения (обычно это электрические лампы накаливания или дуговые газоразрядные лампы). В соответствии с этим ограничена и яркость такого источника излучения и сила света прожектора в целом.
Второй недостаток известного устройства заключается в ограниченном функциональном диапазоне применения, что обусловлено непрерывным характером излучения и трудностью модуляции такого излучения.
Этот недостаток является следствием того, что в известном устройстве применяется источник излучения непрерывного горения (дуговая ксеноновая лампа) с довольно продолжительным (несколько минут) временем разгорания и выхода на рабочий режим. После установления рабочего режима горения модуляция излучения изменением электрических параметров возможна лишь в узком диапазоне изменения параметров и практически трудновыполнима. Поэтому для модуляции такого излучения обычно применяются внешние механические устройства типа закрывающихся шторок с невысоким быстродействием (сотни миллисекунд).
Известно также устройство для передачи сигналов с помощью оптического излучения (прототип), содержащее корпус, источник излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, подключенный к блоку питания в виде накопительного конденсатора, зарядного устройства, схемы поджига и блока управления, отражатель преимущественно в виде параболоида вращения, причем импульсная газоразрядная лампа и накопительный конденсатор соединены между собой так, что образуют разрядный контур, зарядное устройство подключено к накопительному конденсатору, блок управления подключен к зарядному устройству и к схеме поджига (см. опубликованную заявку RU 2009104160).
Известное устройство свободно от недостатков устройств-аналогов, однако, тоже обладает недостатками.
В частности, максимальная сила света и максимальная дальность действия известного устройства ограничены, причем это ограничение обусловлено конструктивным выполнением и характеристиками блока питания. Дело в том, что в известном устройстве связь схемы поджига с разрядным контуром осуществляется с помощью импульсного трансформатора, вторичная (повышающая) обмотка которого является частью разрядного контура. Индуктивность вторичной обмотки импульсного трансформатора ограничивает скорость нарастания разрядного тока и амплитудное значение разрядного тока, следовательно, и максимальное значение яркости импульсной газоразрядной лампы и, в свою очередь, максимальное значение силы света и дальности действия устройства в целом.
Попытки снизить индуктивность вторичной обмотки импульсного трансформатора уменьшением числа витков или изменением конструкции оказались безуспешными, поскольку при таких изменениях снижается максимальное напряжение на обмотке и импульсная газоразрядная лампа перестает поджигаться (не происходит первичный электрический пробой межэлектродного промежутка лампы).
В результате минимальная длительность импульса тока через газоразрядную лампу и, соответственно, минимальная длительность импульса излучения известного устройства по уровню 0,5 составляет 7…10 мкс при длительности переднего фронта 5…7 мкс. Достигаемое в этих условиях максимальное значение яркости излучения ограничено величиной яркостной температуры 15000…25000 К.
Техническим результатом от использования настоящего изобретения является увеличение максимальной силы света и дальности действия за счет уменьшения индуктивности разрядного контура блока питания.
Указанный технический результат достигается тем, что в блок питания введены два вентильных элемента, первый из которых установлен в разрядном контуре в прямом направлении между накопительным конденсатором и импульсной газоразрядной лампой, второй - в обратном направлении между выводами накопительного конденсатора, при этом схема поджига подключена к импульсной газоразрядной лампе через импульсный трансформатор с разделительным конденсатором в цепи вторичной обмотки.
Такое выполнение устройства для передачи сигналов с помощью оптического излучения позволяет уменьшить длительность импульса излучения и длительность фронта нарастания импульса за счет уменьшения индуктивности разрядного контура. При неизменной величине запасенной накопительным конденсатором электрической энергии это обеспечивает увеличение яркости излучения и, следовательно, силы света и дальности действия устройства в целом.
В вариантах выполнения второй вентильный элемент может быть установлен между накопительным конденсатором и анодом импульсной газоразрядной лампы или между накопительным конденсатором и катодом импульсной газоразрядной лампы.
Еще в одном варианте выполнения в блок питания может быть введен третий вентильный элемент, установленный в разрядном контуре в прямом направлении, причем второй вентильный элемент установлен между накопительным конденсатором и анодом импульсной газоразрядной лампы, а третий - между накопительным конденсатором и катодом импульсной газоразрядной лампы.
В других вариантах выполнения каждый из вентильных элементов может быть выполнен в виде цепочки последовательно включенных полупроводниковых диодов.
В блок питания может быть также введен электронный ключ, установленный между любым выводом накопительного конденсатора и соответствующим вентильным элементом.
В варианте выполнения электронный ключ может быть выполнен в виде тиристорного коммутатора.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 изображена блок-схема предложенного устройства, на фиг.2 - пример схемы выполнения блока питания.
Предложенное устройство для передачи сигналов с помощью оптического излучения содержит корпус 1 (фиг.1), источник излучения 2, размещенный в фокусе отражателя 3, выполненного преимущественно в виде параболоидного зеркала и блока питания 4, к которому подключен источник излучения 2.
Блок питания 4 содержит, зарядное устройство 5, накопительный конденсатор 6, первый 7, второй 8 и третий 9 вентильные элементы, схему поджига 10, импульсный трансформатор 11, разделительный конденсатор 12, электронный ключ 13 и блок управления 14.
Зарядное устройство 5 подключено непосредственно к накопительному конденсатору 6, положительная обкладка которого обозначена знаком «+«.
Первый вентильный элемент 7 подключен к выводам накопительного конденсатора 6 в обратном направлении относительно полярности обкладок конденсатора. Второй 8 и третий 9 вентильные элементы включены в разрядный контур между накопительным конденсатором 6 и импульсной газоразрядной лампой 2 в прямом направлении относительно полярности обкладок накопительного конденсатора 6.
В вариантах выполнения в схеме может использоваться лишь один из вентильных элементов 8 или 9.
Схема поджига 10 подключена к импульсной газоразрядной лампе 2 через импульсный высоковольтный повышающий трансформатор 11 и разделительный конденсатор 12, установленный между выводом вторичной обмотки трансформатора 11 и анодом импульсной газоразрядной лампы 2.
В варианте исполнения между любым из выводов накопительного конденсатора 6 и первым вентильным элементом 7 установлен электронный ключ 13, преимущественно в виде тиристорного коммутатора. Наличие электронного ключа 13 в блоке питания необходимо лишь в определенных режимах работы устройства (см. далее по тексту).
Зарядное устройство 5, схема поджига 10 и электронный ключ 13 подключены к блоку управления 14.
В качестве накопительного конденсатора 6 используется, например, один или несколько импульсных малоиндуктивных конденсаторов емкостью 2 мкФ с рабочим напряжением 10 кВ.
Зарядное устройство 5 может быть выполнено различным образом, например, в виде выпрямителя и высокочастотного DC/DC преобразователя, либо в виде повышающего трансформатора и выпрямителя. Напряжение заряда накопительного конденсатора 6 в зависимости от конкретных условий применения устройства может изменяться в пределах 0,2-10 кВ.
Вентильные элементы 7, 8 и 9 в конкретном примере выполнения реализованы каждый в виде цепочки высоковольтных, малоиндуктивных и малоемкостных полупроводниковых диодов с прямым падением напряжения около 1 В. Количество диодов в цепочке определяется допустимым обратным напряжением диода и напряжением заряда накопительного конденсатора 6.
Источник излучения 2 может быть выполнен в виде импульсной лампы с колбой шаровой формы. Колба выполняется из кварцевого стекла или другого оптически прозрачного материала в широкой области спектра (для кварцевого стекла диапазон прозрачности от 185 нм до 2700 нм) и заполняется инертным газом ксеноном высокой степени очистки.
Схема поджига 10 предназначена для выработки импульсов поджига по управляющему сигналу блока управления 14 и в примере выполнения представляет собой дополнительный конденсатор, заряжаемый от внутреннего маломощного выпрямителя. В цепь разряда этого вспомогательного конденсатора включена первичная обмотка импульсного трансформатора 11 и тиристор в качестве элемента коммутации.
Разделительный конденсатор 12 - высоковольтный импульсный малоиндуктивный.
Блок управления 14 выполняется, как правило, на базе микропроцессора, который по заложенной в него программе или по внешнему входящему сигналу формирует кодовую последовательность импульсов и управляет работой зарядного устройства 5, схемы поджига 10 и электронного ключа 13.
Работа предложенного устройства для передачи сигналов будет понятна из следующего описания.
По команде блока управления 14 включается зарядное устройство 5, током которого заряжается накопительный конденсатор 6. При достижении рабочего напряжения на обкладках конденсатора 6 (обычно это 0,5…10 кВ) блок управления 14 отключает зарядное устройство 5 и подает управляющий импульс на схему поджига 10. Схема поджига 10 вырабатывает импульс поджига амплитудой несколько сотен В, что приводит к появлению на вторичной обмотке повышающего импульсного трансформатора 11 электрического импульса амплитудой 20…40 кВ. Через разделительный конденсатор 12 этот высоковольтный импульс прикладывается к электродам импульсной газоразрядной лампы 2. В контуре, образованном вторичной обмоткой импульсного трансформатора 11, разделительным конденсатором 12 и лампой 2 возникает высокочастотный (порядка 10 МГц) колебательный процесс с большой амплитудой напряжения.
Под воздействием электрического поля большой напряженности в межэлектродном промежутке лампы 2, колба которой заполнена инертным газом ксеноном, возникает первичный электрический пробой между электродами в виде проводящего канала слабоионизированной плазмы.
Далее накопительный конденсатор 6 разряжается через образовавшийся канал по разрядной цепи: плюсовая обкладка конденсатора - вентильный элемент 8 - межэлектродный промежуток лампы 2 - вентильный элемент 9 - минусовая обкладка конденсатора 6. При этом за счет значительной запасенной в конденсаторе 6 энергии разрядный ток достигает величин порядка сотен ампер и интенсивно разогревает и ионизирует газ. Образующаяся в колбе лампы 2 плазма газа излучает в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение. Тем самым формируется импульс оптического излучения широкого спектрального состава.
После разряда накопительного конденсатора 6 плазма ксенона в колбе импульсной лампы деионизируется, импульс излучения прекращается и устройство переходит в исходное состояние.
Далее процесс повторяется: заряд конденсатора - выработка высоковольтного импульса поджига - пробой межэлектродного промежутка - разряд конденсатора - образование плазмы ксенона - формирование импульса излучения.
Особенность разрядного контура устройства при характерных значениях емкости накопительного конденсатора 6, электрического сопротивления проводящей плазмы в лампе 2 и скорости протекания процессов разряда состоит в том, далеко не вся запасенная в конденсаторе 6 электрическая энергия высвечивается во время разряда. Оставшаяся часть энергии стремится перезарядить конденсатор 6 с обратной полярностью и создать тем самым условия для возникновения колебательного процесса в разрядном контуре. Вентильный элемент 7, подключенный к конденсатору 6 в обратном направлении, препятствует переполюсовке накопительного конденсатора 6 и закорачивает оставшуюся часть энергии снова на импульсную лампу 2, исключая тем самым попадание высокого напряжения на управляющие элементы вентильных устройств блока питания.
Электронный ключ 13 вообще может отсутствовать в схеме блока питания при невысокой частоте повторения импульсов излучения (до 100…200 Гц). Его необходимость проявляется при более высокой частоте повторения импульсов и особенно на частотах свыше 1 кГц. Дело в том, что в таких режимах работы газ в оболочке импульсной газоразрядной плазмы 2 не успевает полностью деионизоваться и к началу следующего цикла заряд-разряд в межэлектродном промежутке лампы 2 остается остаточная электрическая проводимость, которая не позволяет зарядить накопительный конденсатор 6. Электронный ключ 13 по управляющему сигналу блока управления 14 на время заряда конденсатора разрывает электрическое соединение лампы 2 и накопительного конденсатора 6.
Таким образом, за счет согласованной работы функциональных узлов, входящих в состав предлагаемого устройства, обеспечивается генерация импульсов оптического излучения.
Импульсное оптическое излучение, созданное импульсной лампой 2, попадает на параболоидный отражатель 3, который формирует пучок излучения. Наведение пучка излучения в заданном направлении осуществляется поворотом и наклоном корпуса 1, закрепленного на поворотном устройстве (на чертежах не показано).
При этом спектральный диапазон чувствительности приемника может лежать в любой области спектра: от ультрафиолетовой до инфракрасной. Человеческий глаз также рассматривается в качестве приемника излучения видимого диапазона.
Основной внешней выходной характеристикой предложенного устройства является осевая сила света в различных спектральных интервалах. Осевая сила света I прожекторных систем в дальней зоне определяется яркостью В источника излучения, площадью отражателя S и коэффициентом пропускания т оптической системы по известному соотношению:
I=τ·B·S
Технический результат от использования предложенного устройства для передачи сигналов с помощью оптического излучения заключается в увеличении силы света и дальности действия.
Этот результат достигается за счет того, что при выполнении устройства в соответствии с совокупностью признаков формулы изобретения разрядный контур не содержит индуктивности вторичной обмотки импульсного трансформатора, которая существенно ограничивает скорость нарастания импульса и длительность импульса излучения. В результате в опытном образце предложенного устройства длительность импульса разрядного тока и импульса излучения удалось снизить до 3…4 мкс при длительности фронта нарастания импульса 2…3 мкс. При той же по отношению к прототипу емкости накопительного конденсатора и величине запасаемой электрической энергии более короткое время высвета приводит к увеличению яркости излучения импульсной газоразрядной лампы, к увеличению силы света и дальности действия устройства в целом.
Расчеты и измерения показывают, что в одинаковых условиях яркость излучения импульсной лампы и сила света устройства по отношению к прототипу увеличилась в 1,8…2 раза, при этом дальность действия увеличивается в 1,3…1.4 раза.
Предложенное устройство позволяет передавать информацию с помощью оптического излучения, кодированному по методу фазоимпульсной или частотно-импульсной модуляции. Параметры кодирования определяются программой, заложенной в микропроцессор блока управления 14.
Очень важно, что при этом обеспечивается практически полная универсальность по отношению к большинству известных типов приемников излучения - за счет широкого и непрерывного спектра излучения, охватывающего ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области, определенная часть излученного потока гарантированно попадает в спектральную область чувствительности подавляющего большинства известных и перспективных типов приемников излучения.
Предложенное устройство может использоваться для решения следующих задач.
1) Освещение удаленных объектов для визуального наблюдения (зенитный прожектор, прожектор дальнего действия, прожектор заливающего света и т.д.).
В этом случае частоту повторения импульсов выбирают более 100 Гц. Для человеческого глаза вспышки света с такой частотой воспринимаются как непрерывное излучение очень высокой яркости. Регулировкой частоты повторения импульсов в диапазоне до нескольких кГц можно удобно подбирать необходимую для наилучших условий наблюдения освещенность объекта.
2) Передача кодированной информации (сигнальный прожектор). Частота или фаза последовательности импульсов изменяются в соответствии с выбранным методом и параметрами модуляции.
3) Создание оптических помех для работы оптических и оптико-электронных приборов различного назначения.
В таком случае применения частота последовательности импульсов выбираются в соответствии с особенностями подавляемых приборов и может принимать как фиксированные значения, так и меняющиеся во времени значения.