Приемо-передающее оптическое устройство

Изобретение относится к системам связи и навигации и может быть использовано для оперативной доставки команд управления и коррекции инерциальных навигационных комплексов автономных обитаемых подводных объектов (ПО), например, подводных аппаратов, находящихся на рабочих глубинах погружения, а также для доставки служебной информации с погруженных ПО в центры управления (подводного, надводного, наземного или воздушного базирования).

Оптические каналы связи (ОКС) с погруженными подводными объектами развиваются по двум основным направлениям - односторонний ОКС с ПО, предназначенный для своевременного доведения информации и двусторонний ОКС для обмена данными в между объектами.

Двусторонний ОКС позволяет осуществить высокоскоростной обмен данными, передать на ПО целеуказания, навигационную информацию и получать от ПО квитанцию и различные сообщения без всплытия его на поверхность водоема и без использования буксируемых устройств, ограничивающих маневренность ПО. [«DARPA pushes submarine laser communications technology for ASW operations». – Military@aerospace Electroics, Jan 31, 2010].

Рассмотрим принципы построения двустороннего ОКС для высокоскоростной передачи и приема данных, целеуказания и других сообщений на погруженный ПО с высокой скоростью передачи с использованием летательных (ЛА), в том числе космических. В этих ОКС для уточнения местоположения ПО в квадрат неопределенности местоположения ПО размером порядка 200-300 км предварительно передают малоинформативные имитозащищенные вызывные сигналы. Для этого используют высокочастотный импульсный лазер, передающий вызывные сигналы и сканирующий узким пучком по зоне неопределенности местоположения ПО. Фотоприемник ЛА, ожидая передачи ответных сигналов с ПО, имеет поле зрения, совпадающее с угловой шириной излучения лазера. На ПО, декодировав вызывные сигналы, излучают ответные сигналы, и устанавливается процесс связи. При этом взаимно отслеживается местоположение ПО и ЛА. Высокая скорость передачи сообщений из-под воды сохраняется лишь до тех пор, пока яркость узкого не рассеянного водой пучка более чем на порядок превышает яркость рассеянной составляющей, то есть пока еще можно выделить направление на источник оптического излучения ЛА, чтобы в этом направлении переизлучить ответные сигналы с ПО. На Фиг. 1, построенной на основе расчета пространственно-угловой структуры лазерного пучка, прошедшего через толщу морской воды, показано, как меняется соотношение между мощностью нерассеянного и рассеянного излучения при возрастании глубины погружения ПО в морских водах средней прозрачности. С глубины 50 м еще можно выделить направление на ЛА, но уже на глубине 100 м величина узкой части диаграммы яркости принимаемого от ЛА излучения, позволяющей определить направление на ЛА, становится настолько мало, что определить точное направление на ЛА не представляется возможным.

Для отделения «прямого» (нерассеянного) излучения от рассеянного в фотоприемнике ПО необходимо использовать оптико-электронное устройство, которое позволит анализировать угловую диаграмму яркости принимаемого излучения и выделить наиболее узкий участок в ней, соответствующий направлению на ЛА.

Передача в восходящем направлении узкими лазерными лучами может быть осуществлена с использованием различных технических решений. В работах: Катенина В.А. и др. «К вопросу об использовании лазеров космического базирования для подводной навигации. Военная мысль, вып. 2, 2010 г.». В патенте РФ №2390098 от 20.05.2010 г. (прототип) «Способ координатно-информационного обеспечения подводных мобильных объектов» предложены технические решения по наведению узкого пучка на ЛА через взволнованную поверхность моря. Техническое решение прототипа состоит из оптической системы, фотодетектора, управляющей схемы, модулятора и многоэлементного лазера.

Но оно мало эффективно для компенсации расширения лазерного пучка в условиях мелкоструктурной ряби, когда с возрастанием глубины диаметр лазерного пучка от лазерного передатчика ПО на поверхности моря (1-2 см) становится сравним с длиной ветровой волны. Поэтому можно применять и другие технические решения по формированию волнового фронта выходящего из-под воды излучения, например, самообращение волнового фронта принимаемых на ПО лазерных сигналов на основе нелинейных явлений в мощном лазерном усилителе ПО. Можно также использовать методы адаптивной оптики, когда волновой фронт ответных сигналов от маломощного лазера ПО формируется на основе измерения волнового фронта принимаемых на ПО лазерных импульсов.

Целью настоящего изобретения является активное переотражение оптического сигнала за счет выбора наиболее яркого участка принимаемой диаграммы яркости.

Поставленная цель достигается тем, что приемо-передающее оптическое устройство, состоящее из оптической системы, фотодетектора, управляющей схемы, модулятора и многоэлементного лазера, в него введены световолоконный кабель, светоделитель, фотодетекторы и формирующая оптическая система, причем оптическая система приемника соединена с фокальной плоскостью световолоконного кабеля, который соединен со светоделителем, а светоделитель соединен с фотодетекторами, выходы которых соединены с управляющей схемой и модуляторами, которые через многоэлементный лазер соединен с формирующей оптической системой, причем управляющая система также соединена с источником сообщения который соединен с модуляторами, при этом оптическое излучение через оптическую систему приемника поступает в фоконую плоскость световолоконного кабеля, в котором разделяется на каналы, пройдя светоделитель, излучение поступает на фотодетекторы, в которых принимается решение о превышении в них сигналов порога, установленного по принимаемому фоновому излучению, причем управляющая схема декодирует вызывные сигналы и выдает управляющий сигнал на источник сообщения, который выдает разрешение на открытие модулятора в случае необходимости передачи двоичного символа «1», при этом открывается тот элемент модулятора, на который поступает сигнал с фотодетектора, в соотвествии с этим включается соответствующий элемент многоэлементного лазера и ответное излучение пройдя формирующую оптическую систему, поступает на тот элемент светоделителя, по которому прошло сигнальное излучение от ЛА, поэтому ответное излучение поступает на источник вызывных сигналов, то есть на ЛА, по тому же пути, по которому пришло излучение с ЛА.

На фиг. 1 приведена диаграмма яркости принимаемого на ПО оптического излучения ЛА.

На фиг. 2 приведено приемо-передающее оптическое устройство, оно состоит из:

1 - оптической системы приемника;

2 - фокальной плоскости световолоконного кабеля;

3 - светоделителя;

4 - фотодетекторов;

5 - управляющей схемы;

6 - источника сообщения;

7 - модулятора;

8 - многоэлементного лазера;

9 - формирователя оптической системы.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Принимаемое с ЛА оптическое излучение через оптическую систему приемника 1 поступает в фокальную плоскость световолоконного кабеля 2, в котором разделяется на каналы. Оптическая система 1 может находиться в штатном выдвижном устройстве ПО (или на рубке ПО), чтобы быть ближе к поверхности воды. Пройдя светоделитель 3, излучение поступает на фотодетекторы 4, в которых принимается решение о превышении в них сигналом порога, установленного по принимаемому фоновому излучению. Управляющая схема 5 декодирует вызывные сигналы и выдает управляющий сигнал на источник сообщения 6, который выдает разрешение на открытие модулятора 7 в случае необходимости передачи двоичного символа «1». При этом открывается тот элемент модулятора, на который поступает сигнал с фото детектора 4. В соответствии с этим включается соответствующий элемент многоэлементного лазера 8 и ответное излучение, пройдя формирующую оптическую систему 9, поступает на тот элемент светоделителя, по которому прошло сигнальное излучение от ЛА. Поэтому ответное излучение поступает на источник вызывных сигналов, то есть на ЛА, по тому же пути, по которому пришло излучение с ЛА.

Так как передача из-под воды осуществляется узким пучком, автоматически возвращаемым и направленным на ЛА, то нет необходимости в разработке сложной системы наведения на ПО, а требования к мощности лазера ПО значительно снижены.

Для того чтобы осуществить двустороннюю связь необходимо предварительно по одностороннему ОКС передать ПО сигнал для подвсплытия ее на глубину порядка 60 м или выпуска им на глубину порядка 15 м буксируемого кабеля с оптической антенной.