бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации

Формула изобретения

Бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные лазер-передатчик, оптическую систему формирования пучка и оптическую антенну информационного канала, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк, полупрозрачное зеркало и оптическую антенну канала маяка, а также детектор поиска и слежения и систему наведения оптических антенн, причем оптический вход детектора поиска и слежения через полупрозрачное зеркало связан с оптической антенной канала маяка, выход детектора поиска и слежения связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн, а выходы системы наведения оптических антенн связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала и канала маяка, отличающееся тем, что в устройство введены светоделитель, управляемый пространственный фильтр, фотодетектор и усилитель-преобразователь и используется управляемая оптическая система формирования пучка, при этом светоделитель устанавливается на оптической оси между полупрозрачным зеркалом и детектором поиска и слежения, с его помощью вход управляемого пространственного фильтра оптически связан через полупрозрачное зеркало с оптической антенной канала маяка, выход управляемого пространственного фильтра оптически связан со входом фотодетектора, выход фотодетектора через усилитель-преобразователь подключен к управляющему входу оптической системы формирования пучка, а управляющий вход пространственного фильтра связан с выходом детектора поиска и слежения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в бортовых приемно-передающих терминалах лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов.

Узкие диаграммы направленности оптических антенн, обеспечивающие эффективное использование выходной мощности лазерных передатчиков и высокую пространственную скрытность передачи информации по лазерным каналам, приводят к проблеме наведения в лазерных системах передачи информации. Особенно остро эта проблема стоит в лазерных системах передачи информации космических и летательных аппаратов, движение которых приводит к необходимости наведения лазерных пучков на движущийся объект и к непрерывному изменению условий связи.

В условиях, когда имеют мести ошибки наведения оптических антенн, уменьшение их влияния становится возможным при адаптации к текущему состоянию канала передачи информации, которое зависит от величины ошибок наведения и дальности связи. При этом существует оптимальное соотношение между шириной лазерного пучка и среднеквадратической ошибкой его наведения, обеспечивающее при заданном уровне принимаемых оптических сигналов наилучшее качество связи, характеризующееся минимальной вероятностью ошибочного приема информационного символа. При движении объектов, которые поддерживают связь по лазерному каналу, условия связи вследствие изменения дальности связи и уровня принимаемых оптических сигналов изменяются, и для обеспечения наилучшего качества связи необходимо обеспечить адаптацию ширины лазерного пучка, излучаемого лазерным передатчиком, к текущим условиям.

Наличие в лазерных системах передачи информации оптимального соотношения между шириной лазерного пучка и среднеквадратической ошибкой его наведения физически объясняется тем, что, с одной стороны, при увеличении ширины лазерного пучка уменьшаются флуктуации принимаемых оптических сигналов, связанные с ошибками наведения, и качество связи улучшается, с другой стороны, увеличение ширины пучка при фиксированной выходной мощности лазерного передатчика ведет к уменьшению уровня принимаемых оптических сигналов и снижению качества связи. В этих условиях необходимо выбирать оптимальное значение ширины лазерного пучка, которое в динамично меняющихся условиях функционирования лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов может изменяться в широких пределах. Если же при выборе ширины лазерного пучка не учитывать изменения оптимального соотношения между шириной лазерного пучка и среднеквадратической ошибкой его наведения при изменении условий связи, то для повышения качества связи необходимо увеличивать энергетический потенциал системы, что для бортовых приемно-передающих терминалов космических и летательных аппаратов может быть сопряжено с техническими ограничениями.

Известны стационарные наземные лазерные системы передачи информации, у которых фиксированная ширина лазерного пучка выбирается на этапе установки приемно-передающих терминалов и в процессе функционирования системы остается неизменной [1]. Такие системы эффективны только в стационарных условиях связи, когда ошибки наведения лазерных пучков и расстояние между терминалами остаются неизменными. При правильном выборе ширины лазерного пучка в них возможно достижение и поддержание наилучшего (потенциально возможного для данных условий) качества связи.

Известны бортовые лазерные системы передачи информации космических и летательных аппаратов, работающие на этапе поиска и вхождения в связь с широким лазерным пучком, а после перехода в режим автосопровождения - с узким лазерным пучком, по которому осуществляется передача информации [2]. Угловые размеры широкого и узкого лазерных пучков выбираются на этапе предполетной подготовки, исходя из ожидаемых условий связи, и на этапе применения не изменяются. Недостатком таких систем является то, что при отклонениях условий связи от ожидаемых вследствие изменения дальности между объектами, которые поддерживают связь, качество связи ухудшается по сравнению с потенциально возможным.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации с наведением узких лазерных пучков, по которым передается информация, по сигналам специальных лазерных маяков, входящих в состав приемно-передающих терминалов [3]. Структурная схема такого устройства приведена на фиг.1. Устройство включает последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные лазер-передатчик 1, оптическую систему формирования сигнала 2 и оптическую антенну информационного канала 3, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк 4, полупрозрачное зеркало 5 и оптическую антенну канала маяка 6, а также детектор поиска и слежения 7 и систему наведения оптических антенн 8. Оптический вход детектора поиска и слежения 7 через полупрозрачное зеркало 5 связан с оптической антенной канала маяка 6, выход детектора поиска и слежения 7 связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн 8, а выходы системы наведения оптических антенн 8 связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала 3 и канала маяка 6.

Устройство функционирует следующим образом. Выходное излучение лазерного передатчика 1 проходит через оптическую систему формирования пучка 2 и излучается оптической антенной информационного канала 3. Тем самым формируется узкий лазерный пучок информационного канала, по которому передается информация, и его ширина в процессе работы устройства не изменяется. Одновременно работает лазерный маяк 4, излучение которого проходит через полупрозрачное зеркало 5 и излучается оптической антенной канала маяка 6. Тем самым формируется широкий лазерный пучок канала маяка, по нему осуществляется наведение оптических антенн объекта, с которым поддерживается связь. Наведение оптических антенн информационного канала 3 и канала маяка 6 осуществляется системой наведения оптических антенн 8. Сигналы, управляющие наведением оптических антенн, формируются в детекторе поиска и слежения 7, на оптический вход которого через оптическую антенну канала маяка 6 и полупрозрачное зеркало 5 поступают сигналы лазерного маяка, установленного на объекте, с которым поддерживается связь. Полупрозрачное зеркало 5 пропускает излучение лазера маяка 4 в направлении оптической антенны канала маяка 6, а принимаемое излучение лазера маяка от объекта, с которым поддерживается связь, пропускает в направлении оптического входа детектора поиска и слежения 7. В детекторе поиска и слежения 7 по сигналу, принимаемому оптической антенной канала маяка, выделяется ошибка наведения оптических антенн и вырабатываются сигналы управления, поступающие на электрический вход системы наведения оптических антенн 8. В течение всего сеанса связи детектор поиска и слежения 7 и система наведения оптических антенн 8 осуществляют сопровождение объекта, с которым поддерживается связь, лазерными пучками информационного канала и канала маяка, а в начале сеанса связи и в случае срыва сопровождения они осуществляют поиск объекта в соответствии с заложенным в детектор поиска и слежения 7 алгоритмом поиска. Ширина лазерного пучка информационного канала определяется оптической системой формирования пучка 2 и в процессе работы устройства остается неизменной.

Недостатком известного устройства в реальных условиях связи с космическими и летательными аппаратами при изменении в процессе передачи информации дальности связи является ухудшение качества связи по сравнению с потенциально возможным. Это обусловлено тем, что при изменении дальности связи изменяется уровень принимаемых оптических сигналов, а в изменяющихся условиях связи фиксированная ширина лазерного пучка информационного канала не является оптимальной. Для того чтобы в таких условиях обеспечить наилучшее (потенциально возможное для текущих условий) качество связи, необходимо в соответствии с изменяющимися условиями связи управлять шириной лазерного пучка информационного канала, что в известном устройстве не предусмотрено.

Целью изобретения является повышение качества связи при наличии ошибок наведения оптических антенн в условиях изменяющейся дальности связи.

Указанная цель достигается тем, что в бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные лазер-передатчик, оптическую систему формирования пучка и оптическую антенну информационного канала, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк, полупрозрачное зеркало и оптическую антенну канала маяка, а также детектор поиска и слежения и систему наведения оптических антенн, причем оптический вход детектора поиска и слежения через полупрозрачное зеркало связан с оптической антенной канала маяка, выход детектора поиска и слежения связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн, а выходы системы наведения оптических антенн связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала и канала маяка, введены светоделитель, управляемый пространственный фильтр, фотодетектор и усилитель-преобразователь и используется управляемая оптическая система формирования пучка, при этом светоделитель устанавливается на оптической оси между полупрозрачным зеркалом и детектором поиска и слежения, с его помощью вход управляемого пространственного фильтра оптически связан через полупрозрачное зеркало с оптической антенной канала маяка, выход управляемого пространственного фильтра оптически связан со входом фотодетектора, выход фотодетектора через усилитель-преобразователь подключен к управляющему входу оптической системы формирования пучка, а управляющий вход пространственного фильтра связан с выходом детектора поиска и слежения.

Структурная схема предлагаемого бортового передающего устройства лазерной системы передачи информации приведена на фиг.2. Устройство включает последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные лазер-передатчик 1, управляемую оптическую систему формирования пучка 2 и оптическую антенну информационного канала 3, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк 4, полупрозрачное зеркало 5 и оптическую антенну канала маяка 6, а также детектор поиска и слежения 7, систему наведения оптических антенн 8, светоделитель 9, управляемый пространственный фильтр 10, фотодетектор 11 и усилитель-преобразователь 12. Оптический вход детектора поиска и слежения 7 через полупрозрачное зеркало 5 связан с оптической антенной канала маяка 6, светоделитель 9 установлен между полупрозрачным зеркалом 5 и оптическим входом детектора поиска и слежения 7, с его помощью вход управляемого пространственного фильтра 10 через полупрозрачное зеркало 5 также связан с оптической антенной канала маяка 6. Выход детектора поиска и слежения 7 связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн 8 и управляющим входом управляемого пространственного фильтра 10, выходы системы наведения оптических антенн 8 связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала 3 и канала маяка 6, выход управляемого пространственного фильтра 10 связан со входом фотодетектора 11, а выход фотодетектора 11 через усилитель-преобразователь 12 подключен к управляющему входу управляемой оптической системы формирования пучка 2.

Устройство функционирует следующим образом. Выходное излучение лазерного передатчика 1 проходит через управляемую оптическую систему формирования пучка 2 и излучается оптической антенной информационного канала 3. Тем самым формируется узкий лазерный пучок информационного канала, по которому передается информация, в процессе работы устройства его ширина может изменяться и за счет управления оптической системой формирования пучка 2. Одновременно работает лазерный маяк 4, излучение которого проходит через полупрозрачное зеркало 5 и излучается оптической антенной канала маяка 6. Тем самым формируется широкий лазерный пучок канала маяка, по этому пучку осуществляется наведение оптических антенн объекта, с которым поддерживается связь. Наведение оптических антенн информационного канала 3 и канала маяка 6 осуществляется системой наведения оптических антенн 8. Сигналы, управляющие наведением оптических антенн, формируются в детекторе поиска и слежения 7, на оптический вход которого через оптическую антенну канала маяка 6 и полупрозрачное зеркало 5 поступают сигналы лазерного маяка, установленного на объекте, с которым поддерживается связь. Полупрозрачное зеркало 5 пропускает излучение лазера маяка 4 в направлении оптической антенны канала маяка 6, а принимаемое излучение лазера маяка от объекта, с которым поддерживается связь, пропускает в направлении оптического входа детектора поиска и слежения 7. Часть энергии сигнала, принимаемого оптической антенной канала маяка, с помощью светоделителя 9 через управляемый пространственный фильтр 10 направляется на вход фотодетектора 11. По уровню этого сигнала оценивается дальность связи (предполагается, что выходные мощности лазерных передатчиков и лазерных маяков бортовых приемно-передающих терминалов лазерной системы передачи информации имеют фиксированную выходную мощность). Выходной сигнал фотодетектора 11, пропорциональный уровню принимаемого оптического сигнала, поступает на вход усилителя-преобразователя 12, выходной сигнал которого управляет оптической системой формирования пучка 2. Передаточная характеристика усилителя-преобразователя 12 соответствует установленной на этапе проектирования системы зависимости между уровнем принимаемого оптического сигнала и оптимальной шириной лазерного пучка, обеспечивающей при данном уровне сигнала и точностных характеристиках системы наведения оптических антенн 8 наилучшее качество связи. В детекторе поиска и слежения 7 по сигналу, принимаемому оптической антенной канала маяка, выделяется ошибка наведения оптических антенн и вырабатываются сигналы управления, поступающие на электрический вход системы наведения оптических антенн 8 и на управляющий вход управляемого пространственного фильтра 10. В течение всего сеанса связи детектор поиска и слежения 7 и система наведения оптических антенн 8 осуществляют сопровождение объекта, с которым поддерживается связь, лазерными пучками информационного канала и канала маяка, а в начале сеанса связи и в случае срыва сопровождения они осуществляют поиск объекта в соответствии с заложенным в детектор поиска и слежения 7 алгоритмом поиска. За счет управления пространственным фильтром 10 его угловое поле отслеживает направление прихода сигнала в канале маяка и тем самым осуществляется фильтрация фонового шума и устранение его влияния на работу фотодетектора 11 и усилителя-преобразователя 12. В результате за счет управления оптической системой формирования пучка 2 ширина лазерного пучка информационного канала поддерживается оптимальной для текущих условий связи.

Благодаря введению новых элементов - светоделителя, управляемого пространственного фильтра, фотодетектора, и усилителя-преобразователя - и связей между ними и другими элементами, а также использованию управляемой оптической системы формирования пучка в предлагаемом устройстве достигается положительный эффект по сравнению с известным устройством: повышается качество связи при наличии ошибок наведения оптических антенн в условиях изменяющейся дальности связи.

При использовании предлагаемого устройства в лазерных системах передачи информации космических и летательных аппаратов в динамично изменяющихся условиях связи, обусловленных движением объектов, между которыми поддерживается связь, на основе оценки текущей дальности связи в течение всего сеанса связи поддерживается оптимальная ширина лазерного пучка информационного канала, обеспечивающая наилучшее (потенциально возможное для текущих условий) качество связи, характеризуемое минимальной вероятностью ошибочного приема информационного символа. Таким образом, достигается цель предлагаемого изобретения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Пратт В.К. Лазерные системы связи: Пер. с англ. - М.: Связь, 1972. - С.14-19.

2. Минаев И.В., Мордовин А.А., Шереметьев А.Г. Лазерные информационные системы космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1981. - С.84-86.

3. Чуковский Н.Н., Крюкова И.В. Состояние и перспективы межспутниковой оптической связи. - М.: Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение, 1998. - С.67-74.