Патент на изобретение №2222108

(54) СПОСОБ УСТАНОВКИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к системам открытой оптической связи и касается терминалов лазерной связи, предназначенных для организации линий связи между наземными станциями. Технический результат заключается в упрощении конструкции системы связи и снижении стоимости при обеспечении высоких надежности и качества. Способ включает исследование происходящих деформаций сооружения, предназначенного для установки, в отрезок времени, в течение которого происходит максимальное изменение параметров окружающей среды, влияющих на величину и характер деформаций, выявление областей сооружения, в наименьшей степени подверженных угловым смещениям, и закрепление аппаратуры в выявленных областях. 1 ил.

Изобретение относится к системам открытой (атмосферной) оптической связи и касается терминалов лазерной связи, предназначенных для организации линий связи между наземными станциями.

Одной из проблем при эксплуатации систем открытой оптической связи является то, что из-за изменения параметров окружающей среды (температуры, ветра и т. д.) происходит деформация зданий, сооружений, на которых устанавливается приемопередающая аппаратура. В результате таких деформаций происходит как линейное, так и угловое смещение передающих и приемных антенн относительно своего первоначального положения (см. David Rollins, Jeff Baars et al. “Installation environments for free-space optical terrestrial communications links: terminal base motion”, Proceedings of SPIE, 2002, vol. 4635, “Free-Space Laser Technology IV” [1]).

Из-за углового смещения передающей оптической антенны происходит пространственное смещение несущего информацию луча относительно приемной антенны, что может привести приводит либо к полной утрате связи между абонентами, либо к существенному уменьшению величины светового потока, попадающего на приемную антенну, что снижает качество связи. Угловое смещение приемной оптической антенны приводит к тому, что принимаемый ею световой поток частично либо полностью направляется мимо установленного за нею фотоприемника, предназначенного для регистрации информации, переносимой этим световым потоком.

Одним из решений этой проблемы может явиться расширение светового пучка, направленного от передатчика к приемной антенне абонента. Например, известна система открытой оптической связи (см. US 6243182, НКИ 359/171, 2001 [2]). В известном устройстве от излучателя передающего устройства направляют в сторону абонента широкорасходящийся пучок, который попадает на две приемных апертуры приемного устройства абонента, при этом апертуры разнесены на некоторое расстояние друг от друга. Соответственно, улавливаемые ими световые пучки с помощью собирающей оптики направляются на два фотодетектора, а от них сигналы поступают на общий канал обработки. Недостатком известной системы является большая потеря энергии на передачу из-за того, что большая часть широкого светового пучка не попадает в приемные апертуры. Поэтому такое решение экономически неоправданно. Оно ведет к существенному (пропорциональному квадрату диаметра пучка) возрастанию требований к мощности излучателя. Второй путь – увеличение размеров приемной оптики, также экономически нецелесообразен.

Еще одним путем решения проблемы является снабжение системы открытой оптической связи устройствами, обеспечивающими наведение светового луча от излучателя на приемную антенну абонента и его удержание на антенне. Например, известна система открытой оптической связи, которая содержит приемопередающий терминал, установленный на спутнике, вращающемся на геостационарной орбите, и оптически связанный с ним второй такой же терминал, установленный на спутнике с низкой околоземной орбитой (см. US 5610750, НКИ 359/172, 1997 [3]).

В указанных терминалах используется набор телескопических модулей малого размера (под телескопическим модулем понимается оптическая антенна с неподвижными элементами, предназначенная для формирования приемных и передающих пучков), установленных параллельно на общем базовом элементе, причем один из телескопических модулей используется в качестве антенны датчика наведения, а выходы остальных присоединены к отдельным лазерным модулям и/или к общему фотоприемному устройству.

Каждый терминал установлен на платформе, снабженной соответствующим приводом, обеспечивающим перемещение платформы по двум координатам. В случае взаимного смещения терминалов относительно друг друга следящая система выдает соответствующую команду на исполнительное устройство привода и взаимное расположение терминалов восстанавливается.

Для реализации этого подхода необходимо наличие системы слежения и исполнительных механизмов для смещения платформ, имеющих значительную массу, что влечет существенное удорожание такой системы оптической связи. Кроме того, большая масса платформ снижает быстродействие системы, т.е. увеличивается промежуток времени, необходимый для восстановления оптического контакта между приемником и передатчиком.

Более быстродействующей, по сравнению с указанной выше, является система оптической связи, терминалы которой выполнены с максимальным облегчением подвижных элементов (см. RU 2111617, Н 04 В 10/00, 1998 [4]), включенных в систему наведения и слежения. Терминал построен на базе малогабаритных пассивных универсальных оптических антенных модулей, образующих общую сборку, устанавливаемую в опорно-поворотном устройстве; каждый модуль может работать или в режиме приема, или в режиме передачи, причем в состав каждого модуля, кроме малогабаритной оптической антенны, входят находящиеся за ней устройство точного наведения и оптический анализатор изображения, формирующий смещенные относительно друг друга изображение наблюдаемого поля и изображение наблюдаемого поля, разделенное на произвольное число областей (обычно не менее четырех), позволяющее по распределению освещенности в этих областях определить угловое рассогласование фронта принимаемого лазерного излучения с оптической осью универсального оптического антенного модуля.

Известным примером реализации быстродействующего устройства наведения является применяемый в компьютерной технике актюатор – небольшой линзовый элемент в магнитоэлектрическом упругом подвесе, управляемый по двум осям и имеющий массу в несколько десятков грамм. Известными примерами реализации оптического анализатора являются разнообразные призменные делители оптического изображения, или простой набор плотно упакованных оптических волокон, или комбинация спектроделителя с бипризменным делителем поля с четырьмя выходными зрачками.

Недостатками такой системы являются сложность реализации и необходимость использования дорогостоящих элементов, что отрицательно сказывается на экономической целесообразности использования такой техники.

Заявляемое изобретение направлено на упрощение конструкции системы открытой оптической связи и снижение ее стоимости при обеспечении высоких надежности и качества связи.

Указанный результат достигается тем, что используется способ установки приемопередающей аппаратуры системы открытой оптической связи, включающий исследование происходящих деформаций сооружения, предназначенного для установки аппаратуры, в отрезок времени, в течение которого происходит максимальное изменение параметров окружающей среды, влияющих на величину и характер деформации, выявление областей сооружения в наименьшей степени подверженных угловым смещениям и закрепление аппаратуры в выявленных областях.

Действительно, если прежде чем устанавливать приемопередающую аппаратуру на предназначенных для этого сооружениях (здания различного назначения, мачты, башни и т.п.) изучить характер деформаций различных его элементов в течение указанного выше промежутка времени и выявить области сооружения, деформации в которых минимальны, то можно либо вообще отказаться от использования систем слежения, либо снизить требования к ним.

Если, например, удается найти элементы сооружения с угловыми деформациями, преимущественно происходящими в вертикальной плоскости, то можно ограничиться применением системы слежения, отрабатывающей ошибки наведения только в вертикальной плоскости, что снижает стоимость системы. При установке же приемопередающей аппаратуры на элементах сооружений, испытывающих незначительные деформации и в вертикальной и в горизонтальной плоскостях, можно вообще отказаться от применения систем слежения.

Под отрезком времени, в течение которого происходят максимальные изменения параметров окружающей среды, понимается такой период, когда, например, температура воздуха меняется от существенно отрицательных температур (зимой) до существенно положительных (летом). Для того чтобы исследовать деформацию сооружения, обусловленную изменением температур, необходимо вести наблюдение за сооружением достаточно долго. Кроме сезонных и суточных температурных деформаций, обусловленных изменением температуры воздуха и/или нагревом элементов здания солнечной радиацией, сооружению могут быть присущи деформации, обусловленные ветровой нагрузкой (как изгибные, так и крутильные). Их тоже следует исследовать. При этом исследования могут носить экспериментальный или расчетный характер.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. Здание, предназначенное для установки приемопередающей аппаратуры системы открытой оптической связи, исследуют с целью установления характера и величины деформации здания (в целом и/или его отдельных конструктивных элементов), происходящей в результате изменения параметров окружающей среды (расчетным или опытным путем). Выявляют те области (точки, участки) здания, где угловые деформации минимальны и в них закрепляют приемопередающую аппаратуру.

Учитывая современный уровень техники в данной области, можно рекомендовать устанавливать в выявленной области только оптическую антенну (концентратор, телескоп), снабженную световодом, обеспечивающим передачу оптического излучения от излучателя, размещенного в любом месте здания к передающей антенне, либо от приемной антенны к фотодетектору. Таким образом, большая часть аппаратуры, входящая в состав системы связи, будет размещена в помещении, оптимальном с точки зрения эксплуатации этой аппаратуры, в то же время основным критерием для выбора места крепления оптической антенны явится угловая стабильность выходящего из нее светового пучка.

Пример 2. Авторами были проведены измерения угловой нестабильности световых пучков, излучаемых лазерами, прикрепленными к различным элементам малоэтажных (не более 6 этажей) зданий. В частности, в одной из серий экспериментов лазер жестко прикреплялся к внутренней стороне кирпичной стены вблизи угла здания. Луч лазера через окно угловой комнаты направлялся в окно противоположного здания, где регистрировались его поперечные смещения.

Эксперименты показали, что при изменении наружной температуры от близкой к нулевой до минус 15-20^oС луч поворачивался преимущественно в горизонтальной плоскости на углы, достигающие двух миллирадиан. Это объясняется тем, что внешняя поверхность стены сжимается при охлаждении, в то время как внутренняя поверхность сохраняет свои размеры. В результате стена немного прогибается внутрь в вертикальной плоскости при существенном уменьшении температуры окружающей среды. При этом края стены совершают движение, близкое к вращению вокруг вертикальной оси, которое и проявляется в повороте лазерного пучка в горизонтальной плоскости.

В ходе этих же экспериментов три лазера прикреплялись к стене вдали от углов зданий в верхней, средней и нижней части оконного проема. Было установлено, что при понижении температуры луч верхнего лазера “уходил” вниз, а нижнего – вверх на несколько десятых долей миллирадиана. При этом лазер, установленный примерно на одинаковых расстояниях от верхнего и нижнего междуэтажных перекрытий, сохранял неизменное направление пучка с точностью, лучшей одной десятой миллирадиана. Данный эффект объясняется так же, как и рассмотренный выше, а именно – прогибом в вертикальной плоскости участка стены между верхним и нижним междуэтажными перекрытиями. Понятно, что при этом верхний и нижний края стены слегка поворачиваются, в то время как ее середина просто смещается в горизонтальном направлении внутрь здания.

Таким образом, анализ конструкции здания позволил выбрать места крепления оптических антенн, сохраняющие угловую стабильность пучка при значительных перепадах температур. А именно, следует размещать антенны вдали от углов и здания примерно на равных расстояниях от верхнего и нижнего перекрытий.

Пример 3. В другой серии экспериментов нами производилось измерение углов наклона элементов конструкции многоэтажных (десятки этажей) зданий относительно вертикали. Для этого был использован гравитационный датчик вертикали, оснащенный системой обработки сигнала и его оцифровки для ввода в компьютер.

На чертеже приведена фотография использованной авторами системы с датчиком вертикали (на чертеже справа) и устройствами обработки (в центре) и оцифровки (слева) сигнала, подключенная к персональному компьютеру. Индикаторы на устройстве обработки сигнала позволяли визуально контролировать наклоны в двух ортогональных вертикальных плоскостях. Компьютер использовался для непрерывной записи и обработки информации о наклонах.

Измерения отклонений производились с точностью в одну угловую секунду. Дрейф нуля был менее одной секунды. Было установлено, что ветровые нагрузки приводят к колебаниям элементов конструкции зданий, достигающих 0,2-0,3 миллирадиан при порывах ветра порядка 10 м/с, с характерными частотами, порядка 0,5 Гц, определяемыми формулой
f[Гц]=46/h [м],
где h – высота здания (см., например, A.F. Jeary, B.R. Ellis, “On predicting the response of tall buildings to wind excitation”. J. Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1983, v. 13, p. 173-182 [5]).

Датчик вертикали жестко прикреплялся к проему окна, а также к междуэтажному перекрытию внутри помещения. Измерения показали, что при раскачивании здания под действием ветровых нагрузок углы наклона стены в вертикальной плоскости в два и более раза превышают наклоны перекрытий. Отсюда следует, что в многоэтажных зданиях, совершающих колебания из стороны в сторону, перекрытие является предпочтительным местом крепления антенны по сравнению с внешней стеной.

Пример 4. Помимо качания высотные здания совершают крутильные колебания под действием ветровых нагрузок. Авторы не производили экспериментальных исследований таких колебаний зданий, ограничившись простым теоретическим рассмотрением процесса таких колебаний. В случае, когда здание имеет существенно вытянутое по одной из осей прямоугольное сечение, крутильные колебания должны, вообще говоря, приводить к деформациям сечения здания. Возникающая при этом ромбовидность сечения приводит к тому, что более протяженные стены поворачиваются на большие углы, чем “короткие”. Отсюда следует, что для минимизации нестабильности пучков в горизонтальной плоскости целесообразно размещать антенны на “коротких” стенах высотных зданий, подверженных крутильным колебаниям.

Формула изобретения

Способ установки приемопередающей аппаратуры системы открытой оптической связи, включающий исследование происходящих деформаций сооружения, предназначенного для установки аппаратуры, в отрезок времени, в течение которого происходит максимальное изменение параметров окружающей среды, влияющих на величину и характер деформаций, выявление областей сооружения, в наименьшей степени подверженных угловым смещениям, закрепление аппаратуры в выявленных областях.

РИСУНКИ