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Die
Erfindung bezieht sich auf die elektrische Kommunikationstechnik
und kann in Systemen der zweiseitigen optischen Kommunikation Verwendung finden.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Einrichtung zur zweiseitigen optischen
Kommunikation bekannt (
JP
44-25122,1969 ), die zwei Sende- und Empfangseinheiten,
die jeweils ein optisches Sende- und Empfangssystem, umfassend einen
Laser mit einer Speisequelle, eine Kollimatoroptik und einen Empfänger, besitzt,
sowie eine Auswerte- und Regelschaltung über ein Stellelement aufweist.
Dieses System sieht eine automatische Kompensierung von Störungen der
Lage eines Lichtbündels
vor, die infolge einer Änderung
der Witterungsverhältnisse
entstehen. Die Stelleinrichtung in diesem System ist ein Servoantrieb
zur Änderung
der Winkellage eines Kollimators. Eine Verschiebung des Laserstrahls
nach dem Durchlaufen der Trasse wird von einem oberen und einem
unteren Fotodetektor erfasst. Das Differenzsignal zwischen diesen
Fotoempfängern
korrigiert die Winkellage des jeweiligen Kollimators. Den Nachteilen
dieser Einrichtung kann ein geringer dynamischer Arbeitsbereich
des Systems bei der Datenübertragung
mit einer hohen Geschwindigkeit zugeschrieben werden.
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Die
Druckschriften
EP 0
050 584 A1 und
DE 38
23 021 C2 offenbaren Einrichtungen mit achsensymmetrischen
Spiegelanordnungen, wobei die optischen Achsen der Linsen und des
schwenkbaren Spiegels übereinstimmen.
Die Empfangsapertur der Einrichtungen gemäß der genannten Druckschriften kann
durch eine Vergrößerung der
Linsendurchmesser vergrößert werden.
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Im
technischen Wesen liegt eine Einrichtung zur zweiseitigen optischen
Kommunikation am nächsten
(Patentschrift der Russischen Föderation Nr.
RU 2155450 C1 ,2000),
die auch als Prototyp gewählt
ist. Das Sende- und Empfangssystem der Einrichtung ist in Form von
mindestens drei Sammellinsen ausgebildet, die am Umfang einer Aufnahmefläche gleichmäßig angeordnet
sind, auf deren Zentralachse außenseitig
ein Laser mit einer Speisequelle und eine Kollimatoroptik und innenseitig
ein optisches Element mit einer Reflexionsfläche eine Fokussierlinse und
ein Fotoempfänger
nacheinander angeordnet sind. Auf der optischen Achse jeder Sammellinse
ist ein schwenkbarer Spiegel gelagert, der mit der Sammellinse und
der Reflexionsfläche
des optischen Elementes optisch gekoppelt ist, welche mit der Fokussierlinse
ebenfalls optisch gekoppelt ist, wobei jeder schwenkbare Spiegel
zur optischen Achse der Sammellinse unter einem Winkel von 5° ≤ α ≤ 10° angeordnet
ist. Den Nachteilen dieser Einrichtung zur zweiseitigen optischen
Kommunikation können
ein geringer dynamischer Arbeitsbereich des Systems und eine niedrige
Zuverlässigkeit
der Kommunikation zugeschrieben werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, die funktionellen Möglichkeiten einer Einrichtung
zur zweiseitigen optischen Kommunikation zu erweitern.
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Das
technische Ergebnis der Erfindung ist die Erweiterung funktioneller
Möglichkeiten
einer Einrichtung zur zweiseitigen optischen Kommunikation, und
zwar die Verminderung der minimalen und die Vergrößerung der
maximalen Größe einer
Kommunikationsstrecke.
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Das
technische Ergebnis wird dadurch erzielt, dass die Einrichtung zur
zweiseitigen optischen Kommunikation zwei Sende- und Empfangseinheiten aufweist,
die jeweils ein optisches Sende- und
Empfangssystem mit einer Aufnahmefläche mit einem kreisförmigen Umfang
umfassen, deren geometrische Achse mit der Zentralachse des Sende-
und Empfangssystems übereinstimmt.
Auf einer Seite der Aufnahmefläche
sind an deren Umfang gleichmäßig angeordnete
Sammellinsen vorgesehen. Auf der Zentralachse des Sende- und Empfangssystems sind
auch ein Laser mit einer Speisequelle und eine Kollimatoroptik nacheinander
angeordnet. Auf der anderen Seite der Aufnahmefläche sind ein optisches Element
mit einer Reflexionsfläche,
eine Fokussierlinse und ein Fotoempfänger nacheinander angeordnet.
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Auf
der optischen Achse jeder Sammellinse ist ein schwenkbarer Spiegel
gelagert, der mit der Sammellinse und der Reflexionsfläche des
optischen Elementes optisch gekoppelt ist, welche mit der Fokussierlinse
ebenfalls optisch gekoppelt ist. Dabei weist die Einrichtung einen
positionsmäßig empfindlichen
Fotoempfänger
und ein Lichtteilerplättchen auf,
die optisch miteinander gekoppelt und zwischen dem optischen Element
und der Fokussierlinse nacheinander angeordnet sind. Die optische
Weglänge von
der Sammellinse bis zum positionsmäßig empfindlichen Fotoempfänger und
die Neigung des schwenkbaren Spiegels sind so gewählt, dass
der Brennpunkt jeder Sammellinse mit der Mitte des positionsmäßig empfindlichen
Fotoempfängers übereinstimmt.
Zwischen der Fokussierlinse und dem Fotoempfänger kann ein Diaphragma angeordnet
sein, das längs
einer die Mitten der Fokussierlinse, des Diaphragmas und des Fotoempfängers verbindenden Achse
verschiebbar ist.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Einrichtung zur zweiseitigen optischen Kommunikation.
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2 ein
optisches Schema eines optischen Sende- und Empfangssystems der
Einrichtung zur zweiseitigen optischen Kommunikation.
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3 ein
optisches Schema einer Einheit aus einem Fotoempfänger mit
einem Diaphragma der Einrichtung zur zweiseitigen optischen Kommunikation.
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4 die
Abhängigkeit
der Schwächung
der Strahlung am Fotoempfänger
von der Verschiebestellung des Diaphragmas.
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In 1 besteht
die Einrichtung zur zweiseitigen optischen Kommunikation aus einer
ersten und zweiten Sende- und Empfangseinheit 1, 2,
die an den entgegengesetzten Enden einer Kommunikationsstrecke angeordnet
sind. Jede der Einheiten 1 und 2 weist ein optisches
Sendeund Empfangssystem 3, eine elektronische Steuereinheit 4 und
eine Stütz- und
Schwenkvorrichtung 5 zur Befestigung an einem Objekt auf.
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In 2 weist
das optische Sende- und Empfangssystem 3 eine Aufnahmefläche 6 mit
einem kreisförmigen
Umfang auf, deren geometrische Achse mit der Zentralachse 7 des
optischen Sende- und Empfangssystems 3 übereinstimmt. Auf einer Seite der
Aufnahmefläche 6 sind
an deren Umfang gleichmäßig angeordnete
Sammellinsen 8 vorgesehen. Auf der Zentralachse 7 des
Sende- und Empfangssystems sind auch ein Laser 9 mit einer
Speisequelle 10 und eine Kollimatoroptik 11 nacheinander
angeordnet. Auf der anderen Seite der Aufnahmefläche 6 sind ein optisches
Element 12 mit einer Reflexionsfläche 13, eine Fokussierlinse 14 und
ein Fotoempfänger 15 nacheinander
angeordnet. Auf der optischen Achse 16 jeder Sammellinse
ist ein schwenkbarer Spiegel 17 gelagert, der mit der Sammellinse 8 und der
Reflexionsfläche
des optischen Elementes 12 optisch gekoppelt ist, welche
mit der Fokussierlinse 14 optisch gekoppelt ist.
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Dabei
weist die Einrichtung einen positionsmäßig empfindlichen Fotoempfänger 18 und
ein Lichtteilerplättchen 19 auf,
die optisch miteinander gekoppelt und zwischen dem optischen Element 12 und
der Fokussierlinse 14 nacheinander angeordnet sind. Die
optische Weglänge
von der Sammellinse 8 bis zum positionsmäßig empfindlichen
Fotoempfänger 18 und
die Neigung des schwenkbaren Spiegels 17 sind so gewählt, dass
der Brennpunkt jeder Sammellinse 8 mit der Mitte des positionsmäßig empfindlichen
Fotoempfängers 18 übereinstimmt.
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Zwischen
der Fokussierlinse 14 und dem Fotoempfänger 15 kann ein planes
rundes Diaphragma 20 angeordnet sein, das längs einer
die Mitten der Fokussierlinse 14, des Diaphragmas 20 und
des Fotoempfängers 15 verbindenden
Achse 21 verschiebbar ist.
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Die
Einrichtung arbeitet folgenderweise. Der optische Sender des ersten
Sende- und Empfangseinheit 1 erzeugt Lichtimpulse, die
vom Empfänger der
optischen Strahlung der zweiten Sende- und Empfangseinheit 2 empfangen
werden. Bei der Verbreiterung des Lichtes zwischen den Einheiten 1 und 2 findet
eine Zusammenwirkung der Strahlung mit einem turbulenten Gasmedium
statt, infolgedessen der Strahl interferiert und sich krümmt. Das
führt zur
Ausbildung auf der Empfangsseite von Bereichen mit einer erhöhten und
einer herabgesetzten Strahlungsintensität, die sowohl raum- als auch
zeitmäßig fluktuieren.
Zusätzlich
erfolgen langsame Lageänderungen,
die mit Saison- und Tagesänderungen
der Temperatur des Mediums, Pendelungen von Retranslationstürmen, Vibrationen
und Schwingungen von Gebäuden
und Bauwerken verbunden sind, die als Befestigungsstellen verwendet
werden.
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In
dem vorgeschlagenen in 2 gezeigten optischen Schema
des optischen Sende- und Empfangssystems werden in der ersten Sende-
und Empfangseinheit 1 vom Laser 9 mit der Speisequelle 10 Strahlungsimpulse
erzeugt, die von der Kollimatoroptik 11 zu einem praktisch
parallelen Bündel
geformt und auf das optische Sende- und Empfangssystem der zweiten
Sende- und Empfangseinheit 2 gerichtet werden.
Die auf die Sammellinsen 8 auftreffende Strahlung wird
durch aufeinanderfolgende Reflexion am schwenkbaren Spiegel 17 und
optischen Element 12 auf die Fokussierlinse 14 und
den Fotoempfänger 15 gerichtet.
Die Brennweiten der Sammellinse 8 und der Fokussierlinse 14 sind
derart gewählt,
dass der gemeinsame Brennpunkt dieser Linsen auf der Oberfläche des
Fotoempfängers 15 liegt.
Die große
Länge des
optischen Weges, welche wegen der Verwendung der zwei Reflexionselemente
entsteht, erlaubt es, langbrennweitige Linsen einzusetzen, die geringe sphärische Aberrationen
des Bildes ermöglichen.
Am Fotoempfänger 15 addieren
sich die Strahlungen von mehreren räumlich beabstandeten Sammellinsen 8. Das
ermöglicht
die Vergrößerung der
Fläche,
von welcher die ankommende Strahlung gesammelt wird. Darüber hinaus
verringert die Beabstandung der Empfangspunkte die Interferenzerscheinungen,
was die Verringerung des Schwundes des Signals gewährleistet.
Aus der Literatur (J. P. Miljutin, A. J. Gumbinas „Statistitscheskaja
teorija atmosfernogo kanala optitscheskikh informazionnykh sistem", Moskau, „Radio
i swjaz", 2002,
S. 199 bis 200) ist es bekannt, dass es die lineare Addition der
beabstandeten optischen Empfangskanäle erlaubt, das Niveau von
Fehlern im optischen Kommunikationskanal um das 30 bis 100-fache
bei einer hohen Turbulenz der Atmosphäre herabzusetzen.
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Um
die erste Sende- und Empfangseinheit 1 auf die zweite Sende-
und Empfangseinheit 2 zu lenken, sind das Lichtteilerplättchen 19 und
der positionsmäßig empfindliche
Fotoempfänger 18 vorgesehen.
Ein Teil der Strahlen der zu empfangenden Strahlung wird durch das
vor der Fokussierlinse 14 gelagerten Lichtteilerplättchen 19 auf
den im Brennpunkt der Sammellinse 8 angeordneten positionsmäßig empfindlichen
Fotoempfänger 18 refleutiert. Wenn
eine Änderung
des Einfallwinkels der ankommenden Strahlung erfolgt, so ändert sich
die Lage des Brennflecks am positionsmäßig empfindlichen Fotoempfänger 18.
Aus der geometrischen Optik (B. M. Jaworskij, A. A. Detlaf „Sprawotschnik
po fizike" M., 1965, „Nauka", S. 376) ist es
bekannt, dass die lineare Abweichung des Bildes in der Brennebene
eines parallelen, auf eine Linse einfallenden Lichtbündels von
der optischen Achse durch die Beziehung Δx = FΔΘdefiniert
wird, wo Δx
die lineare Abweichung, F die Brennweite der Linse und ΔΘ die Winkelabweichung der
einfallenden Strahlung von der optischen Achse bedeuten.
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Aus
der angeführten
Beziehung geht hervor, dass bei der gegebenen Winkelabweichung die
lineare Abweichung um so größer ist,
je größer die Brennweite
ist. In der vorliegenden Einrichtung zur zweiseitigen optischen
Kommunikation weist die Sammellinse 8 die maximale Brennweite
auf. Die Strahlungen der Sammellinsen 8 werden durch Justieren
der schwenkbaren Spiegel 17 überlagert. Das vermindert den
Einfluss der Interferenz des Strahlungbündels in der Atmosphäre auf die
Genauigkeit der Bestimmung der Winkelabweichung, da der zeitgemäße Schwund
des Signals für
die Strahlen verschieden ist, welche auf den positionsmäßig empfindlichen
Fotoempfänger 18 von
den räumlich
beabstandeten Sammellinsen einfallen. Der positionsmäßig empfindliche
Fotoempfänger 18 (z.
B. eine 4-Sektoren-Fotodiode oder eine TV-Halbleitermatrize) erzeugt
ein elektrisches Signal, das zur linearen Abweichung des Brennflecks
von der optischen Achse proportional ist. Durch Messung dieser Größe und Schwenken
des gesamten Systems zu einer oder anderen Seite kann man einen
minimalen Wert dieser Fehlanpassung erreichen und somit zwei Sende-
und Empfangseinheiten mit einer hohen Genauigkeit aufeinander zu
lenken.
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Bei
der Verwendung der TV-Halbleitermatrize einer mit einer Teilung 7 um
und der Brennweite der Sammellinse von 700 mm ist im Ergebnis der durchgeführten Experimente
die Genauigkeit der Lenkung der Einheiten aufeinander nicht schlechter als
10–5 Radiant
erhalten worden.
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Bei
der Änderung
der Kommunikationsstrecke und der Witterungsverhältnisse kann sich das Leistungsniveau
der zu empfangenden Strahlung am Fotoempfänger um mehr als das 100000-fache (>60 dB) ändern. Diese
Größe kann
den dynamischen Bereich der linearen Arbeit des Fotoempfängers 15 erheblich übersteigen
und zur Entstehung von Fehlern im Kommunikationskanal führen. Um
eine eventuelle Überlastung
des Fotoempfängers 15 zu
vermeiden, kann zwischen der Fokussierlinse 14 und dem
Fotoempfänger 15 das
runde Diaphragma 20 vorgesehen werden, welches längs der
die Mitten der Fokussierlinse 14, des Diaphragmas 20 und
des Fotoempfängers 15 verbindenden
Achse 21 verschiebbar ist.
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Aus 3 ist
ersichtlich, dass die Strahlungen 22, 23 der Sammellinsen 8 auf
den Fotoempfänger 15 gelangen.
Dabei fehlt die Strahlung auf der zur Aufnahmefläche des Fotoempfängers 15 senkrechten
Achse 24. Daher kann das plane runde Diaphragma 20 entweder
alle Strahlen aller Sammellinsen 8 vollständig durchlassen
oder diese vollständig
absperren. Diesen zwei äußeren Stellungen
des Diaphragmas 20 sind die Bezugszeichen 25, 26 in 3 zugeordnet.
In den Zwischenstellungen der Verschiebung des Diaphragmas 20 kann
man bei dessen geringfügigen
Verschiebung ein notwendiges Niveau der Schwächung der Strahlung erhalten.
Die axiale Verschiebung des Diaphragmas kann z. B. mittels eines
Antriebes erfolgen. Der Antrieb der axialen Verschiebung kann sowohl
manuell als auch elektronisch gesteuert sein. Der Vergleich der
Berechnungswerte der Schwächung
einer derartigen Einrichtung mit den experimentellen Angaben ist
in 4 gezeigt, wo die Abhängigkeit der Schwächung der
Strahlung von der Stellung des Diaphragmas 20 auf der Achse 24 markant
illustriert ist.
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Die
Erhöhung
der Genauigkeit der Lenkung durch die eingefügten Elemente erlaubt es, die
Divergenz des optischen Sense- und Empfangssystems um das 3 bis
10-fache zu verringern. Das führt
zur Vergrößerung der
maximalen Größe der Kommunikationsstrecke
ebenfalls um das 3 bis 10-fache. Andererseits gewährleistet
das Einfügen
des Diaphragmas 20 eine zuverlässige Arbeit des Kommunikationskanals
bei der Verminderung der minimalen Größe der Kommunikationsstrecke.
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Die
Experimente haben ergeben, dass es das Vorhandensein solcher zusätzlicher
Elemente in der Einrichtung zur zweiseitigen optischen Kommunikation
erlaubt, eine sichere Kommunikation in einem Abstand von 10 Meter
bis 7 Kilometer zu gewährleisten,
während
das beim Fehlen dieser Elemente nur in einem Bereich ab 200 Meter
möglich
ist.
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- 1
- erste
Sende- und Empfangseinheit
- 2
- zweite
Sende- und Empfangseinheit
- 3
- optisches
Sende- und Empfangssystem
- 4
- elektronische
Steuereinheit
- 5
- Stütz- und
Schwenkvorrichtung
- 6
- Aufnahmefläche
- 7
- Zentralachse
- 8
- Sammellinse
- 9
- Laser
- 10
- Speisequelle
- 11
- Kollimatoroptik
- 12
- optisches
Element
- 13
- Reflexionsfläche
- 14
- Fokussierlinse
- 15
- Fotoempfänger
- 16
- optische
Achse der Sammellinse
- 17
- schwenkbarer
Spiegel
- 18
- positionsmäßig empfindlicher
Fotoempfänger
- 19
- Lichtteilerplättchen
- 20
- Diaphragma
- 21
- die
Mitten der Fokussierlinse und des Fotoempfängers verbindende Achse
- 22,
23
- Strahlungen
der Sammellinsen
- 24
- Achse
- 25,
26
- äußere Stellungen
des Diaphragmas