СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ОТКРЫТОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СРЕДЕ МЕЖДУ ПЕРЕМЕЩАЮЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INFORMATION TRANSMISSION IN OPEN OPTICAL ENVIRONMENT BETWEEN MOVING OBJECTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Настоящее изобретение относится к системам оптической связи в открытом (свободном) пространстве, представляющем собой некоторую среду с известными спектральными характеристиками, например вакуум, воздух, газы, жидкости и т.п.
Известные способы и устройства такой связи (передачи информации) реализуются либо с использованием когерентных оптических излучателей, а именно лазеров (или лазерных диодов), либо с использованием некогерентных излучателей, а именно светодиодов.
Применение когерентных излучателей, несмотря на достигнутый прогресс в совершенствовании их характеристик, для передачи информации между перемещающимися (мобильными) объектами трудно реализуемо по причинам:
- необходимости точного совмещения апертур передающей и приемной частей для каждого объекта и его поддерживания при взаимном перемещении объектов, что реализовать на практике сложно и громоздко;
- влияния флюктуаций оптической среды на качество связи;
- снижения скорости передачи информации из-за необходимости включения в канал значительного объема служебной информации;
- особых требований по безопасности при производстве и эксплуатации когерентных систем.
Учитывая изложенное, остановимся на рассмотрении систем оптической связи в открытом (свободном) пространстве, допускающих использование некогерентных (диффузных) излучателей, а именно светодиодов.
Известно устройство передачи информации, описанное в патенте RU 2494544 (опубл. 27.09.2013) «Устройство передачи информации», которое заключается в том, что N светодиодов и N светочувствительных элементов размещаются напротив друг друга с оптической изоляцией их апертур друг от друга. Устройство обеспечивает передачу информации по нескольким каналам.
Но в данном устройстве светоизлучающие и светочувствительные элементы не только оптически, но и механически связаны друг с другом и, хотя и выполнены с возможностью взаимного вращения, но не позволяют реализовать связь между перемещающимися друг относительно друга объектами, а также не учитывают спектральные характеристики оптической среды.
Соответственно и способ передачи информации, реализованный в данном устройстве, имеет аналогичный недостаток.
Известна «Система непрямой оптической связи в свободном пространстве и способ высокоскоростной широкополосной передачи данных» (RU 2388156, опубл. 27.04.2010), в которой для исключения помех в соседних приемниках используют либо свет (излучение) с разными длинами волн, либо соответствующим образом выбирают их апертуры. Способ высокоскоростной широкополосной передачи данных и система непрямой оптической связи в свободном пространстве, его реализующая, обеспечивают непрямую оптическую широкополосную высокоскоростную передачу данных и включает в себя передатчик, содержащий источник модулируемого света, и приемник, содержащий фотодетектор для приема излучаемого передатчиком света и преобразования его в электрический сигнал. Передатчик и приемник направлены, по меньшей мере, на одну общую для них поверхность, которая отражает излучаемый передатчиком свет, прежде чем этот свет попадет в приемник.
Известный способ не позволяет создать систему связи между перемещающимися объектами и не учитывает параметры оптической среды.
Наиболее близким по своей технической сути к заявляемым способу и устройству является техническое решение, описанное в патенте на изобретение RU 2296425 (опубл. 27.03.2007) «Способ передачи информации в открытой оптической системе связи и устройство для его реализации», в котором предложен способ передачи информации в открытых оптических системах связи, заключающийся в пространственном совмещении двух потоков на передающей стороне - опорного и промодулированного. Для опорного потока формируют одну плоскость поляризации, а для промодулированного потока формируют плоскость поляризации, перпендикулярную первой. При выделении передаваемой информации на приемной стороне разделяют потоки с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации при помощи пространственного разделителя по поляризации. Эти потоки падают на соответствующие фотоприемники, выполненные в виде одноэлементных фотоприемников, и получают выходной сигнал передаваемой информации путем формирования отношения измеренных величин сигналов с указанных фотоприемников.
Известный способ имеет ряд недостатков, в частности:
- не учитывает спектральные характеристики оптической среды;
- не обеспечивает стабильное разделение потоков излучения при взаимном перемещении объектов связи;
- имеет низкую энергетическую эффективность из-за того, что используются электромагнитные волны (оптического диапазона) только с одним видом поляризации в каждом канале.
Реализующее известный способ устройство для передачи информации в открытой оптической системе связи состоит из передатчика и приемника, который включает в себя объектив, демодулятор, два фотоприемника, делитель выделенных сигналов. Передатчик содержит два источника излучения, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, светоделительный кубик и собирающие линзы, оптически связанные между собой. Первый источник формирует опорный поток, второй - поток, промодулированный сигналом передаваемой информации. Демодулятором является пространственный разделитель по поляризации, выходы которого оптически связаны с входами одноэлементных фотоприемников.
Известное устройство имеет ряд существенных недостатков. В частности, оно не учитывает спектральные характеристики оптической среды и использует только один вид поляризации электромагнитных волн (оптического диапазона) в каждом канале, что снижает энергетическую эффективность устройства в целом. Также должна быть обеспечена достаточная точность взаимного расположения источника и приемника информации, что исключает случай их взаимного движения и несоблюдения соосности. К недостаткам также можно отнести сложность и большую стоимость входящих в состав элементов, например, источника излучения с поляризованным излучением в вертикальной и горизонтальной плоскостях светоделительного кубика, пространственного разделителя по поляризации; измерителя отношений электрических сигналов и др.
Технический результат заявляемого способа и устройства направлен на повышение эффективности способа и устройства за счет учета спектральных характеристик оптической среды и стабильности разделения потоков при взаимном перемещении объектов связи.
Другим техническим результатом является повышение энергетической эффективности за счет использования полного спектра излучения точечных источников.
1
2
1
2
1
2
k
Это достигается тем, что способ передачи информации в открытой оптической среде между перемещающимися объектами с пространственным совмещением двух потоков на передающей стороне, один из которых является опорным, а второй - информационным, и разделением их на приемной стороне, отличается тем, что на передающей стороне опорный поток излучается точечными излучателями, количество которых равно k, на длине волны λ, модулируется синхронизирующей и служебной информацией для каждого из перемещающихся объектов, количество которых равно или меньше 2, а основной информационный поток излучается матрицей точечных излучателей на длине волны λ, при этом длины волн излучения λ и λ выбирают так, чтобы коэффициент ослабления оптической средой излучения с длиной волны λ был больше коэффициента ослабления излучения с длиной волны λ, на приемной стороне потоки подвергают спектральной фильтрации, преобразуют оптическое излучение в электрические сигналы, которые дешифрируют в синхронизирующую, служебную и основную информацию.
1
2
А устройство передачи информации в открытой оптической среде между перемещающимися объектами, содержащее приемную и передающую части, отличается тем, что приемная часть состоит из телевизионной камеры, чувствительной к поступающим пространственно совмещенным потокам, выход которой соединен с вычислительным устройством, а передающая часть содержит первый модулятор, выходы которого подключены к k точечным излучателям с длиной волны излучения λ, и второй модулятор, выход которого соединен с входом матрицы точечных излучателей с длиной волны излучения λ, при этом первый выход вычислительного устройства подключен к входу первого модулятора, второй выход - к входу второго модулятора, а на третьем выходе вычислительного устройства формируется синхронизирующая, служебная и основная информация, при этом приемная и передающая части конструктивно связаны друг с другом.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами,
где на чертеже изображена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ.
1
2
1
2
Способ реализуется с помощью устройства для передачи информации в открытой оптической среде между перемещающимися объектами (см. фиг.), состоящего из приемной 1 и передающей 2 частей, конструктивно связанных друг с другом. Приемная часть 1 включает высокоскоростную дихроичную телевизионную камеру 11, чувствительную к составляющим пространственно совмещенного потока, состоящего из информационного и опорного потоков. Выход телевизионной камеры 11 соединен с входом вычислительного устройства 12, обрабатывающего видеосигнал телевизионной камеры 11, реализующего протокол связи между перемещающимися объектами и дешифрирующего получаемую информацию. Передающая часть 2 содержит первый модулятор 23, выходы которого подключены к k точечным излучателям 2.1, 2.2, …, 2.k с длиной волны излучения λ, и второй модулятор 24, выход которого соединен с входом матрицы точечных излучателей 25 с длиной волны излучения λ, при этом первый выход вычислительного устройства 12 подключен к входу первого модулятора 23, второй выход - к входу второго модулятора 24, а на третьем выходе вычислительного устройства 12 формируется синхронизирующая, служебная и основная информация. Причем коэффициент ослабления оптической средой излучения с длиной волны λ должен быть большим коэффициента ослабления излучения с длиной волны λ.
Устройство для передачи информации в открытой оптической среде между перемещающимися объектами работает следующим образом.
Поскольку передача информации происходит между перемещающимися в пространстве объектами, на каждом из которых установлено заявляемое устройство, рассмотрим его работу на примере двух объектов, т.е. когда k равно 1. Передающая часть 2 устройства одного объекта передает на приемную часть 1 другого перемещающегося объекта два пространственно совмещенных оптических потока. Один из этих потоков промодулирован модулятором 23 (см. фиг.) служебной информацией, в качестве которой используется синхросигнал от телевизионной камеры 11, индивидуальный двоичный номер объекта (из числа k) и сигнал протокола связи.
Второй поток передаваемой информации модулируется модулятором 24.
1
2
Точечными излучателями для первого и второго потоков являются светодиоды, имеющие угол излучения, меньший или равный углу (полю) зрения телевизионной камеры 11 приемной части 1 другого объекта, а длины волн λ и λ, на которых излучаются упомянутые потоки, определяются спектральной характеристикой среды, в которой будет работать два перемещающихся объекта.
1
2
1
2
Ослабление излучения для длины волны синхронизирующего потока должно быть больше, чем ослабление на длине волны информационного потока. Так, например, для воздушной среды λ может быть выбрана в сине-зеленой области спектра, а λ - в красной или ближней инфракрасной области. Для морской воды λ может лежать в зелено-оранжевой области, а λ - в сине-зеленой. В этом случае при установлении устойчивого приема и дешифрации синхронизирующего потока на приемной стороне можно считать, что качество приема информационного потока будет не хуже, а может быть и лучше опорного (синхронизирующего).
Это обстоятельство позволяет использовать для передачи информации изохронный режим, не содержащий во время передачи различных вставок, снижающих скорость передачи информации.
Пройдя сквозь оптическую среду, оба излучаемых потока принимаются высокоскоростной (с высокой частотой чтения кадров и, соответственно, «окон интереса») дихроичной телевизионной камерой 11 второго устройства. Данная телевизионная камера 11 осуществляет спектральную фильтрацию, преобразует оптическую информацию в электрический видеосигнал и передает его в вычислительное устройство 12.
Аналогично формируют ответный пространственно совмещенный поток, который поступает на приемную часть устройства, установленную на первом перемещающемся объекте.
Скорость передачи информации в рассматриваемой системе определяется произведением количества светодиодов в матрице 25 одного устройства связи на скорость чтения кадров («окон интереса») телевизионной камеры 11 другого устройства. Так, например, при формате матрицы 16×16 светодиодов и частоте кадров камеры 200000 к/с скорость передачи информации составит 48,8 Мбит/с.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют учитывать спектральные характеристики оптической среды, обеспечивают стабильность разделения совмещенного излучаемого потока его спектральной фильтрацией на приемной стороне, которая не зависит от взаимного положения (перемещения) объектов связи в пределах угла (поля) зрения ТВ камеры и повышает энергетическую эффективность излучения пространственного потока благодаря использованию длин волн с любой поляризацией.