RU2744941C1 - Optical communication system - Google Patents

Optical communication system Download PDF

Info

Publication number
RU2744941C1
RU2744941C1 RU2020101994A RU2020101994A RU2744941C1 RU 2744941 C1 RU2744941 C1 RU 2744941C1 RU 2020101994 A RU2020101994 A RU 2020101994A RU 2020101994 A RU2020101994 A RU 2020101994A RU 2744941 C1 RU2744941 C1 RU 2744941C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wavelength
optical
radiation
narrow
laser
Prior art date
Application number
RU2020101994A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Сергеевич Ивановский
Наиль Фаритович Хабибулин
Сергей Александрович Покотило
Александр Леонтьевич Снегирев
Марат Шамильевич Гареев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА" filed Critical Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА"
Priority to RU2020101994A priority Critical patent/RU2744941C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2744941C1 publication Critical patent/RU2744941C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to optical communication and information transmission and can be used to organize communication between different mobile and stationary ground objects, and between objects such as "aircraft - ground". For this purpose, in an optical communication system comprising a transmitting channel consisting of a forming optical system in the focal plane of which there are laser radiators, and receiving channel, having one after another focusing objective lens and photodetector, laser emitters are made tunable along wavelength, each of which generates optical radiation at a wavelength corresponding to one of the Fraunhofer absorption lines, a transmitting channel includes a laser emitter wavelength control unit, and the receiving channel includes one or more narrow-band filters, each of which transmits radiation in a narrow spectral range, wherein the maximum transmission coefficient of the filter corresponds to the wavelength of one of the Fraunhofer absorption lines, wherein laser radiation, narrow-band filter and photodetector are matched according to spectral range of operation. Transmitting and receiving channels operate in the infrared and/or ultraviolet range of optical radiation at wavelengths corresponding to Fraunhofer absorption lines.
EFFECT: technical result consists in improvement of noise immunity of the optical communication system and ensuring concealment of its operation from visual detection.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике оптической связи и передачи информации и может быть использовано для организации связи между различными подвижными и стационарными наземными, надводными, воздушными и подводными объектами.The invention relates to techniques for optical communication and information transmission and can be used to organize communication between various mobile and stationary ground, surface, air and underwater objects.

Известны системы оптической связи, обеспечивающие обмен информацией между наземными, воздушными и подводными объектами, состоящие из передающего канала, включающего в себя источник излучения в виде светодиода или лазера и оптическую систему, формирующую оптический пучок или импульс заданной формы, и из приемного канала, включающего в себя объектив и фотоприемник в виде линейки или матрицы чувствительных элементов [1. Патент RU 2703797 от 05.02.2019; 2. Патент RU по заявке №2012143834 от 15.10.2012; 3. Патент RU 2451397 от 14.10.2009; 4. Патент RU 2696626 от 25.10.2018].Known optical communication systems that provide information exchange between ground, air and underwater objects, consisting of a transmission channel, including a radiation source in the form of a LED or laser and an optical system that forms an optical beam or pulse of a given shape, and from a receiving channel, including itself a lens and a photodetector in the form of a ruler or matrix of sensitive elements [1. Patent RU 2703797 dated 02/05/2019; 2. Patent RU for application No. 2012143834 dated 15.10.2012; 3. Patent RU 2451397 dated 14.10.2009; 4. Patent RU 2696626 from 25.10.2018].

Наиболее близким к заявляемой системе оптической связи является приемо-передающее устройство по патенту RU 2696626 от 25.10.2018, содержащее передающий канал, состоящий из формирующей оптической системы, в фокальной плоскости которой расположены лазерные излучатели (лазерные диоды), и приемный канал, содержащий расположенные один за другим фокусирующий объектив и фотоприемник.The closest to the claimed optical communication system is a transceiver according to patent RU 2696626 dated 10/25/2018, containing a transmission channel consisting of a forming optical system, in the focal plane of which laser emitters (laser diodes) are located, and a receiving channel containing one behind another focusing lens and photodetector.

Общим недостатком аналогов и прототипа является низкая помехозащищенность при работе в дневных условиях, характеризуемых высоким уровнем фотонного шума, обусловленного фоновым солнечным излучением, и демаскировка факта оптической связи в видимом диапазоне оптического излучения.A common disadvantage of analogs and the prototype is low noise immunity when operating in daytime conditions, characterized by a high level of photon noise caused by background solar radiation, and unmasking the fact of optical communication in the visible range of optical radiation.

Задача изобретения - улучшение помехозащищенности системы оптической связи и обеспечение скрытности факта ее работы от визуального обнаружения.The objective of the invention is to improve the noise immunity of the optical communication system and to ensure the secrecy of the fact of its operation from visual detection.

Технический результат достигается за счет того, что в системе оптической связи, содержащей передающий канал, состоящий из формирующей оптической системы, в фокальной плоскости которой расположен дискретный набор лазерных излучателей, и приемный канал, содержащий расположенные один за другим фокусирующий объектив и фотоприемник, лазерные излучатели (один или несколько) выполнены перестраиваемыми по длине волны, каждый из которых генерирует оптическое излучение на длине волны, соответствующей одной из фраунгоферовых линий поглощения, в передающий канал введен блок управления длиной волны лазерных излучателей, а в приемный канал введен один или несколько узкополосных фильтров, каждый из которых пропускает излучение в узком спектральном диапазоне, причем максимальное значение коэффициента пропускания фильтра соответствует длине волны одной из фраунгоферовых линий поглощения, при этом излучение лазера, узкополосный фильтр и фотоприемник согласованы по спектральному диапазону работы. Для обеспечения скрытности передающий и приемный каналы работают в инфракрасном и/или в ультрафиолетовом диапазоне оптического излучения на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения. При этом модулирующий сигнал может быть звуковым, сверхвысокочастотным или какого-либо другого диапазона спектра электромагнитных волн.The technical result is achieved due to the fact that in an optical communication system containing a transmitting channel, consisting of a forming optical system, in the focal plane of which a discrete set of laser emitters is located, and a receiving channel containing a focusing lens and a photodetector located one after another, laser emitters ( one or more) are tunable in wavelength, each of which generates optical radiation at a wavelength corresponding to one of the Fraunhofer absorption lines, a unit for controlling the wavelength of laser emitters is inserted into the transmitting channel, and one or more narrow-band filters are inserted into the receiving channel, each of which transmits radiation in a narrow spectral range, and the maximum value of the filter transmittance corresponds to the wavelength of one of the Fraunhofer absorption lines, while the laser radiation, the narrow-band filter and the photodetector are matched in the spectral range of operation. To ensure secrecy, the transmitting and receiving channels operate in the infrared and / or ultraviolet range of optical radiation at wavelengths corresponding to the Fraunhofer absorption lines. In this case, the modulating signal can be sound, microwave or any other range of the spectrum of electromagnetic waves.

Фраунгоферовы линии поглощения (ФЛП) - это линии поглощения в спектре солнечного излучения, возникающие в результате поглощения излучения определенных длин волн из сплошного солнечного спектра излучения химическими элементами, составляющими атмосферу Солнца (фотосферу) [Мартынов Д.Я. Курс практической астрофизики. - М.: Наука, 1977. - 344 с; Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. -Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. - 183 с.]. Излучение длин волн, соответствующих линиям поглощения Фраунгофера, отсутствует в спектре солнечного излучения, доходящего до земной поверхности и отражаемого ею. Прием сигналов на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения, сводит к минимуму (практически к нулю) уровень фотонного шума в виде фонового солнечного излучения) в смеси с принимаемым сигналом, являющегося основным видом шума, затрудняющим прием оптических сигналов при распространении в атмосфере в дневных условиях, и обеспечивает максимально возможное значение отношения мощности принимаемого сигнала к среднеквадратическому значению мощности шума на выходе фотоприемной матрицы. В таблице в качестве примера приведены данные о некоторых перестраиваемых по длине волны лазерах с указанием диапазонов перестройки длины волны и о фраунгоферовых линиях поглощения с указанием соответствующих им длин волн оптического излучения и поглощающих химических элементов.Fraunhofer absorption lines (FLA) are absorption lines in the solar spectrum arising from absorption of radiation of certain wavelengths from the continuous solar radiation spectrum by chemical elements that make up the solar atmosphere (photosphere) [Martynov D.Ya. Practical astrophysics course. - M .: Nauka, 1977 .-- 344 p; Bakhshiev N.G. Introduction to Molecular Spectroscopy. -L .: Publishing house Leningrad. University, 1974. - 183 p.]. Radiation at wavelengths corresponding to the Fraunhofer absorption lines is absent in the spectrum of solar radiation reaching the earth's surface and reflected by it. Reception of signals at wavelengths corresponding to Fraunhofer absorption lines minimizes (practically to zero) the level of photon noise in the form of background solar radiation) in a mixture with the received signal, which is the main type of noise that impedes the reception of optical signals when propagating in the atmosphere under daytime conditions , and provides the maximum possible value of the ratio of the received signal power to the rms value of the noise power at the output of the photodetector matrix. As an example, the table shows data on some wavelength-tunable lasers with an indication of the wavelength tuning ranges and on Fraunhofer absorption lines with an indication of the corresponding wavelengths of optical radiation and absorbing chemical elements.

Figure 00000001
Figure 00000001

Заявляемое изобретение иллюстрируется функциональной схемой, изображенной на чертеже.The claimed invention is illustrated by the functional diagram shown in the drawing.

Функциональная схема включает в себя следующие функциональные элементы (см. чертеж): 1 - перестраиваемый по частоте лазер (передатчик); 2 - блок управления длиной волны; 3 - формирующая оптическая система; 4 - источник информационного (модулирующего) сигнала; 5 - модулятор оптического излучения; 6 - канал связи (слой атмосферы между передающим 1 и приемным каналами); 7 - узкополосный оптический фильтр; 8 - объектив; 9 - приемник оптического излучения (ПОИ); 10 - усилитель; 11 - демодулятор; 12 - устройство воспроизведения и хранения информации, - при этом на оптический вход 15 модулятора 5 поступает лазерное (импульсное или непрерывное) излучение, а на модулирующий вход 25 модулятора 5 - информационный сигнал от источника 4; узкополосный фильтр 7, объектив 8 и ПОИ 9 расположены один за другим и связаны оптически, а электрический выход ПОИ 9 электрически связан с последовательно расположенными усилителем 10, демодулятором 11 и устройством воспроизведения и хранения информации 12.The functional diagram includes the following functional elements (see drawing): 1 - frequency-tunable laser (transmitter); 2 - wavelength control unit; 3 - forming optical system; 4 - source of information (modulating) signal; 5 - optical radiation modulator; 6 - communication channel (atmosphere layer between transmitting 1 and receiving channels); 7 - narrow-band optical filter; 8 - lens; 9 - optical radiation receiver (OPI); 10 - amplifier; 11 - demodulator; 12 - device for reproducing and storing information, - while the optical input 1 5 of the modulator 5 receives laser (pulsed or continuous) radiation, and the modulating input 2 5 of the modulator 5 - the information signal from the source 4; narrow-band filter 7, lens 8 and POI 9 are located one after the other and are connected optically, and the electrical output of POI 9 is electrically connected to a series-arranged amplifier 10, demodulator 11 and a device for reproducing and storing information 12.

Заявляемая система оптической связи работает следующим образом.The claimed optical communication system operates as follows.

Лазерное излучение на длине волны, соответствующей линии поглощения Фраунгофера и заданной блоком управления 2 от излучателя 1 через формирующую оптическую систему 3 в виде сформированного оптического сигнала 15 поступает на вход модулятора 5, где модулируется одним из известных методов модуляции модулирующим сигналом 25, поступающим из источника информации 4 на модулирующий вход модулятора 5. Пройдя среду распространения в виде слоя атмосферы 6 лазерное излучение поступает через узкополосный фильтр 7 и объектив 8 на фотоприемник 9, который преобразует лазерное излучение в электрический сигнал. После усиления в усилителе 10 и выделения информационного сигнала в демодуляторе 11 информационный сигнал поступает в устройство 12 для воспроизведения и хранения. Лазерный излучатель 1, узкополосный фильтр 7 и фотоприемник 9 взаимно согласованы по спектральным диапазонам пропускания и чувствительности. Блок управления длиной волны 2 формирует заданное значение длины волны в зависимости от состояния атмосферного канала связи, которое учитывается оператором.Laser radiation at a wavelength corresponding to the Fraunhofer absorption line and set by the control unit 2 from the emitter 1 through the forming optical system 3 in the form of the generated optical signal 1 5 is fed to the input of the modulator 5, where it is modulated by one of the known modulation methods with the modulating signal 2 5 coming from information source 4 to the modulating input of the modulator 5. Having passed the propagation medium in the form of an atmosphere layer 6, the laser radiation enters through a narrow-band filter 7 and objective 8 to a photodetector 9, which converts the laser radiation into an electrical signal. After amplification in the amplifier 10 and extraction of the information signal in the demodulator 11, the information signal is supplied to the device 12 for reproduction and storage. Laser emitter 1, narrow-band filter 7 and photodetector 9 are mutually matched in spectral ranges of transmission and sensitivity. The wavelength control unit 2 generates the set value of the wavelength depending on the state of the atmospheric communication channel, which is taken into account by the operator.

Благодаря применению оптического излучения на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения, для передачи информации достигают максимально возможного значения отношения сигнал/фотонный шум на выходе приемного канала системы оптической связи.Due to the use of optical radiation at wavelengths corresponding to the Fraunhofer absorption lines, the maximum possible value of the signal-to-photon noise ratio at the output of the receiving channel of the optical communication system is achieved for information transmission.

Технический результат заключается в улучшении помехозащищенности и в обеспечении скрытности факта работы системы оптической связи.The technical result consists in improving the noise immunity and in ensuring the secrecy of the fact of the optical communication system operation.

Claims (4)

1. Система оптической связи, содержащая передающий канал, состоящий из формирующей оптической системы, в фокальной плоскости которой расположены лазерные излучатели, и приемный канал, содержащий расположенные один за другим фокусирующий объектив и фотоприемник, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены перестраиваемыми по длине волны, каждый из которых генерирует оптическое излучение на длине волны, соответствующей одной из фраунгоферовых линий поглощения, в передающий канал введен блок управления длиной волны лазерных излучателей, а в приемный канал введен один или несколько узкополосных фильтров, каждый из которых пропускает излучение в узком спектральном диапазоне, причем максимальное значение коэффициента пропускания фильтра соответствует длине волны одной из фраунгоферовых линий поглощения, при этом излучение лазера, узкополосный фильтр и фотоприемник согласованы по спектральному диапазону работы.1. An optical communication system containing a transmitting channel, consisting of a forming optical system, in the focal plane of which laser emitters are located, and a receiving channel containing a focusing lens and a photodetector located one after the other, characterized in that the laser emitters are tunable in wavelength, each of which generates optical radiation at a wavelength corresponding to one of the Fraunhofer absorption lines, a control unit for the wavelength of laser emitters is introduced into the transmitting channel, and one or more narrow-band filters are introduced into the receiving channel, each of which transmits radiation in a narrow spectral range, and the maximum value of the filter transmittance corresponds to the wavelength of one of the Fraunhofer absorption lines, while the laser radiation, the narrow-band filter and the photodetector are matched in the spectral range of operation. 2. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что для обеспечения скрытности передающий и приемный каналы работают в инфракрасном и/или в ультрафиолетовом диапазоне оптического излучения на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям поглощения.2. An optical communication system according to claim 1, characterized in that, to ensure secrecy, the transmitting and receiving channels operate in the infrared and / or in the ultraviolet range of optical radiation at wavelengths corresponding to Fraunhofer absorption lines. 3. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что лазерный излучатель согласован по длине волны с диапазоном спектрального пропускания узкополосного оптического фильтра и с диапазоном спектральной чувствительности фотоприемника.3. An optical communication system according to claim 1, characterized in that the laser emitter is matched in wavelength with the spectral transmission range of the narrow-band optical filter and with the spectral sensitivity range of the photodetector. 4. Система оптической связи по п. 1, отличающаяся тем, что модулирующий сигнал может быть звуковым, сверхвысокочастотным или сигналом какого-либо другого диапазона спектра электромагнитных волн.4. An optical communication system according to claim 1, characterized in that the modulating signal can be sound, microwave, or a signal of any other range of the spectrum of electromagnetic waves.
RU2020101994A 2020-01-17 2020-01-17 Optical communication system RU2744941C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020101994A RU2744941C1 (en) 2020-01-17 2020-01-17 Optical communication system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020101994A RU2744941C1 (en) 2020-01-17 2020-01-17 Optical communication system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2744941C1 true RU2744941C1 (en) 2021-03-17

Family

ID=74874504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020101994A RU2744941C1 (en) 2020-01-17 2020-01-17 Optical communication system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2744941C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813447C2 (en) * 2020-12-01 2024-02-12 Александр Александрович Горшков Optical communication system through atmosphere

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4414461A (en) * 1981-08-21 1983-11-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Laser pumped superconductive energy storage system
US6396056B1 (en) * 1999-07-08 2002-05-28 Air Instruments And Measurements, Inc. Gas detectors and gas analyzers utilizing spectral absorption
RU2431131C1 (en) * 2010-04-01 2011-10-10 Михаил Карпович Шайков Method of remote measurement of atmospheric air gas concentration
RU2451397C2 (en) * 2009-10-14 2012-05-20 Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." Optical communication system device with automatic aiming of light beam onto information receiver
RU2012143834A (en) * 2011-12-20 2014-04-20 Руаг Швайц Аг OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM AIRCRAFT - EARTH AND THE DATA TRANSFER METHOD BY IT
WO2017192727A1 (en) * 2016-05-03 2017-11-09 Theia Group, Incorporated Low earth orbit satellite constellation system for communications with re-use of geostationary satellite spectrum
RU2695626C1 (en) * 2018-12-24 2019-07-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ) Vortex insufflator
RU2703797C1 (en) * 2019-02-05 2019-10-22 Общество с ограниченной ответственностью "Гарант" (ООО "Гарант") Method and system for transmitting media information from unmanned aerial vehicles to a data collection point on a low-directivity optical channel with quantum reception of a media stream

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4414461A (en) * 1981-08-21 1983-11-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Laser pumped superconductive energy storage system
US6396056B1 (en) * 1999-07-08 2002-05-28 Air Instruments And Measurements, Inc. Gas detectors and gas analyzers utilizing spectral absorption
RU2451397C2 (en) * 2009-10-14 2012-05-20 Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." Optical communication system device with automatic aiming of light beam onto information receiver
RU2431131C1 (en) * 2010-04-01 2011-10-10 Михаил Карпович Шайков Method of remote measurement of atmospheric air gas concentration
RU2012143834A (en) * 2011-12-20 2014-04-20 Руаг Швайц Аг OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM AIRCRAFT - EARTH AND THE DATA TRANSFER METHOD BY IT
WO2017192727A1 (en) * 2016-05-03 2017-11-09 Theia Group, Incorporated Low earth orbit satellite constellation system for communications with re-use of geostationary satellite spectrum
RU2695626C1 (en) * 2018-12-24 2019-07-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ) Vortex insufflator
RU2703797C1 (en) * 2019-02-05 2019-10-22 Общество с ограниченной ответственностью "Гарант" (ООО "Гарант") Method and system for transmitting media information from unmanned aerial vehicles to a data collection point on a low-directivity optical channel with quantum reception of a media stream

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813447C2 (en) * 2020-12-01 2024-02-12 Александр Александрович Горшков Optical communication system through atmosphere

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7995917B2 (en) Method and system for measuring optical properties of a medium using digital communication processing techniques
US4050819A (en) Undersea ranging-communications from altitude via laser
US4222880A (en) Arrangement for optical transmission of communications
CN1593028A (en) Free-space optical communication system employing wavelength conversion
US3712985A (en) Optical spatial filter for modification of received energy vs range
JP5967643B2 (en) Underwater divergent light communication device
EP0955738A3 (en) Polarization based differential receiver for reduction of background noise in free-space optical links
US20020149822A1 (en) Optical commuincation system for a portable computing device and method of use
Yu et al. Experimental verification of diffused laser beam-based optical wireless communication through air and water channels
CN110050416A (en) Optical communication apparatus and method and transmitting antenna in free-space communication system
Góis et al. Development and validation of blue ray, an optical modem for the MEDUSA class AUVs
Poulton et al. Lens-free chip-to-chip free-space laser communication link with a silicon photonics optical phased array
RU2744941C1 (en) Optical communication system
Mohammed et al. Underwater wireless optical communications links: perspectives, challenges and recent trends
Poirier et al. Undersea laser communication using polarization and wavelength modulation
US4088884A (en) Wide aperture optical communications detector
Hulea et al. Mitigation method for the solar irradiation effect in visible light communications
US4422181A (en) Bi-directional fibre-optic coupler
Mamatha et al. Underwater wireless optical communication-A review
WO1999012286A1 (en) Optical communication system
Slater Passive long range acousto-optic sensor
JPS5920115B2 (en) Obstacle detection device
CN108918472B (en) Laser seawater transmittance calibration system based on seawater pool
Zhou et al. Analysis and Simulation of Link Performance for Underwater Wireless Optical Communications
Majumdar et al. Wide-beam atmospheric optical communication for aircraft application using semiconductor diodes