Бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в бортовых приемно-передающих терминалах лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов. Техническим результатом изобретения является повышение качества связи при наличии ошибок наведения оптических антенн в условиях изменяющейся дальности связи. Бортовое передающее устройство лазерной системы передачи информации содержит 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, при этом дополнительно 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. 2 ил.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ядерной и экспериментальной физике и может быть использовано в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для получения направленного импульсного пучка когерентного гамма излучения. .

Изобретение относится к лазерам гамма-излучения и технике формирования мощных когерентных электронных пучков. .

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к области технологии и техники обработки материалов микролептонным излучением. .

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано в акустических системах, а также в целях создания высокотемпературной сверхпроводимости. .

Использование: для получения когерентного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения когерентного излучения, основанный на явлении вынужденных квантовых переходов, включает внешнее воздействие на активную квантовую систему с инверсной населенностью состояний резонансным излучением и в качестве активной среды применяют специально выбранные двух- или трехатомные молекулярные соединения, обладающие следующим отличительным свойством: атомное ядро, которое может быть образовано при полном слиянии ядер всех атомов, входящих в состав рассматриваемых молекул, должно иметь возбужденное резонансное состояние при энергии, близкой к полной энергии молекулярной системы; другими словами, энергия ядерного резонанса должна быть близка к порогу развала ядра на фрагменты, представляющие собой ядра атомов, образующих данную молекулу. Технический результат: обеспечение возможности инжекции когерентного излучения без энергетической накачки среды. 2 ил.

Способ возбуждения и регистрации оптических фононов включает в себя нанесение на острие иглы кантилевера АСМ слой активного материала. В нём производят возбуждение активирующим импульсом фемтосекундного лазера оптических фононов. Фононы отражаются от границы раздела слоя активного материала/поверхность образца. В этом же слое активного материала происходит регистрация отраженных оптических фононов с помощью зондирующего импульса фемтосекундного лазера. Далее, с помощью обработки полученной информации и расчетов происходит восстановление энергетического спектра оптических фононов в исследуемом образце. Технический результат заключается в получении энергетического спектра оптических фононов, а также в возможности анализа химического состава поверхности с нанометровым пространственным разрешением. 1 ил.

Изобретение относится к области создания источников когерентного гамма-излучения и может быть использовано в различных физических приложениях. Способ создания инверсной заселенности ядерных уровней в материале активной среды и инициирования однопроходного когерентного гамма-излучения включает в себя перевод некоторой доли ядер в возбужденное метастабильное состояние и заключается в том, что в качестве материала активной среды используется радионуклид, причем переход ядер из возбужденного метастабильного состояния осуществляется через гамма-излучение, в качестве материала активной среды используют радионуклид, в котором осуществляется бета-распад ядер вида X(A,Z)→Y(A,Z-1) с сохранением четности начального и промежуточного возбужденного состояний, радионуклид помещают в сильное продольное однородное магнитное поле такое, что уровни энергии материнских и дочерних ядер радионуклида приобретают в этом магнитном поле сверхтонкую энергетическую структуру с квантовыми характеристиками подуровней, обусловливающими избирательное ускорение процесса бета-распада для части материнских ядер и поддержание устойчивости промежуточных возбужденных состояний дочерних ядер, на время, не превышающее время жизни метастабильного состояния рабочего промежуточного уровня энергии дочерних ядер, но достаточное для создания необходимой инверсии заселенности этого уровня, инжектируют радиоимпульсы поперечного магнитного возбуждения в материал активной среды в следующей последовательности: подают π/2-радиоимпульс малой амплитуды, после окончания действия π/2-радиоимпульса следует четвертьпериод фазовой релаксации, по истечении четвертьпериода фазовой релаксации подают π-радиоимпульс малой амплитуды, после окончания действия π-радиоимпульса следует полупериод фазовой релаксации, по истечении полупериода фазовой релаксации подают короткий радиоимпульс большой амплитуды. Технический результат - повышение эффективности использования материала активной среды для генерации однопроходного когерентного гамма-излучения. 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Однопроходный гамма-лазер содержит материал активной среды в виде твердого вещества цилиндрической формы, с одной стороны которого установлена заглушка, и соленоид для создания сильного однородного продольного магнитного поля. Источник электропитания соленоида подключен к соленоиду, внутри соленоида и соосно с соленоидом расположен полый диэлектрический цилиндр, внутри полого диэлектрического цилиндра помещается материал активной среды. Открытые полосковые полеобразующие системы для создания поперечного магнитного поля проходят внутри соленоида поверх и вдоль полого диэлектрического цилиндра попарно симметрично относительно оси соленоида и подключены по своим входам через симметрирующее устройство к источнику радиочастотных сигналов, а по своим выходам - к согласующим нагрузкам открытых полосковых полеобразующих систем. Количество открытых полосковых полеобразующих систем равно или больше двух, причем в качестве материала активной среды используется радионуклид, в котором осуществляется бета-распад ядер вида X(A, Z)→Y (A, Z-1). Технический результат заключается в увеличении плотности мощности выходного когерентного гамма-излучения. 2 ил.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую в тонкопленочных полупроводниковых солнечных элементах. Способ контроля структурного качества тонких пленок для светопоглощающих слоев солнечных элементов заключается в том, что регистрируют излучение пленок при импульсном лазерном возбуждении, при этом уровень возбуждения устанавливают в диапазоне 10-200 кВт/см2 для возникновения стимулированного излучения с полушириной спектра Δλ~10 нм, и сравнивают интенсивности и полуширины спектров стимулированного излучения для определения относительного структурного качества пленок. Технический результат заключается в упрощении контроля структурного качества тонких пленок для светопоглощающих слоев солнечных элементов. 4 ил.
Наверх