Внутрикорабельное устройство открытой оптической связи
Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к внутрикорабельной открытой оптической связи и может использовано для аварийной связи внутри отсеков кораблей, судов и других закрытых объектов. Достигаемым техническим результатом является повышение надежности, увеличение дальности связи и уменьшения массо-габаритных характеристик. Сущность полезной модели заключается в том, что в качестве оптического излучателя используется полупроводниковый инжекторный лазер типа ЛПИ-101 соединенный с модулятором его накачки, при этом указанный лазер имеет не идентичные диограммы направленности, обеспечивающие дальность связи до 20 м и более. Ил.6.
Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к внутриобъектовой оптической связи и может использоваться как одна из подсистем аварийной внутрикорабельной связи.
В последнее десятилетие получило распостранение использование полупроводниковых излучателей (светодиодов) в открытых системах свяжи между подвижными надводными и наземными объектами, а также внутри подвижных объектов. Обладая высокой направленностью оптического излучения, небольшими объемом и массой излучателя, оптические линии связи обеспечивают скрытность передачи информации, полную развязку абонентов между собой, нечувствительность к электромагнитным помехам, что очень важно для судовых систем связи, в том числе для кораблей и подводных лодок.
Важным фактором при разработке открытых линий связи является выбор оптимальной мощности оптического излучения. С одной стороны, излучатель должен обладать достаточно высокой мощностью при малых габаритах всего устройства, а с другой - излучаемая энергия не должна превышать максимально допустимого значения.
Известны легкие беспроводные телефоны Н1406, электрическая часть которых выполнена на интегральных микросхемах, а также с использованием светоизлучающих диодов. /ИК-головные телефоны. Радио, 1987, №3. С.61/
Телефоны питаются от двух малогабаритных аккумуляторов, заключенных в отдельный корпус.
Прототипом заявляемого устройства является «Тракт ИК передачи звука в цветном телевизоре СТ 4070 «Лева». /Шлемов К.Д. Оптико-электронные преобразователи для оптических систем связи. - Техника средств связи. Серия. Внутриобъектовая Связь, 1982, вып.2, С 116-125/.
Излучатель, находящийся на панели телевизора над громкоговорителем, состоит из восьми последовательно включенных светодиодов. Электрическая схема передатчика включает в себя усилитель с ИМ-детектором. Выход ИМ-детектора соединен с усилительным каскадом, подключенным к базовым цепям симметричного мультивибратора. При отсутствии сигнала средняя частота мультивибратора устанавливается равной 93,7 кГц, нагрузкой оконечного каскада являются светодиоды. Фотодиод приемника ИК излучения подключен ко входу
усилителя, обладающего большим коэффициентом усиления при малых собственных шумах и высокой стабильности параметров. Принятый сигнал затем подается на резонансный усилитель и демодулятор. Нагрузкой УНЧ являются телефоны.
Недостатками как аналога, так и прототипа является то, что в рассматриваемых устройствах использованы светодиоды, создающие большой угол обзора. Однако создать равномерное поле излучения практически не удается даже при большом количестве светодиодов. Стоимость такого количества светодиодов становится соизмеримой со стоимостью полупроводникового лазера с импульсной мощностью в 1-2 Вт. Диограмма излучения лазера не имеет провала, а установка его на передатчике не вызывает конструктивных трудностей.
Целью полезной модели является повышение надежности, увеличение дальности связи и уменьшения массо-габаритных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, состоящее из оптического передатчика, электронной схемы, которая включает в себя микрофон, последовательно соединенный с усилителем низкой частоты, преобразователем аналогового сигнала - частотно импульсная модуляция и излучателем, а электронная схема оптического приемника состоит из фотодетектора последовательно соединенного с усилителем импульсов, демодулятором и головными телефонами, при этом излучатель оптического передатчика выполнен в виде полупроводникового инжекторного лазера, типа ЛПИ-101 соединенного с модулятором его накачки, причем фотодетектор выполнена виде фотодиода типа ФД27к, который через усилитель импульсов последовательно соединен с формирователем импульсов, фильтром и усилителем низкой частоты, головными телефонами или громкоговорителем.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на ФИГ.1. Она состоит из передатчика и приемника, В передатчик входит: 1 - ларингофон; 2 - усилитесь низкой частоты; 3 - преобразователь аналогового сигнала - частотно импульсная модуляция (ЧИМ); 4 - модулятор накачки; 5 - полупроводниковый инжекторный лазер типа ЛПИ-101. В приемник входит: 6 - фотодетектор (фотодиод) типа ФД2к; 7 - импульсный усилитель; 8 - формирователь импульсов; 9 - фильтр низкой частоты; 10 - усилитель низкой частоты; 11 - головные телефоны или громкоговоритель.
Работает устройство следующим образом. С выхода микрофона 1 сигнал поступает на усилитель низкой частоты 2, где усиливается до уровня 1-2 В и поступает на преобразователь 3 аналогового сигнала в последовательность импульсов с изменяющейся частотой следования. Зависимость частоты следования импульсов от амплитуды переменного сигнала преобразователя приведены на ФИГ.2. Модуляторы 4 и лазером 5 импульс преобразуется в оптическое излучение. Излученные импульсы принимаются фотодиодом 6, усиливаются импульсным усилителем 7 с коэффициентом К=1000 и подаются на формирователь 8 длительности и амплитуды (Т имп.=0,5 мкс. Uимп.=9 В). Далее
восстановленные импульсы подаются на фильт 9 низкой частоты с частотой среза 7 кГц и крутизной спада 18 дБ/окт. При отсутствии передаваемого сигнала сигнал на выходе фильтра также отсутствует, а при наличии сигнала последний усиливается усилителем низкой частоты 10 и поступает на телоефоны или громкоговоритель 11. Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта приведена на ФИГ.3, из которой видно, что в диапазоне от 5о Гц до 7 кГц характеристика тракта линейная. Коэффициент нелинейных искажений составляет не более 1% при сигнале 2-2,5 В.
На качестве речевого сигнала значительное влияние оказывает диограмма направленности оптического излучения лазера, приведенная на Фиг.4, в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Особенностью полупроводниковых лазеров является то, что указанные диограммы не идентичны, т.е. различаются по углу расходимости в 2-3 раза, что является положительным фактором, т.к. в вертикальной плоскости толщина светового потока достаточна в пределах 1,5 м на дальности в 15-20 м.
Электрические схемы оптического передатчика и приемника оптического излучения приведены на Фнг.5 и 6. Схемы выполнены на дискретных элементах широкого применения. Так, в качестве транзисторов используются КТ 315 А.Б; КТ3 61 А.Б. Приведенные на Фиг.5 и 6 электрические принципиальные схемы выполнены в виде двух микросборок, что повысит технологичность сборки, улучшит массо-габаритные характеристики и снизит стоимость при серийном изготовлении устройства.
3аявляемое устройство позволяет обеспечить устойчивую передачу речевого сигнала в помещении на расстоянии до 20 м при угле расхождения до 80° (по уровню 0,7) по горизонтали и до 30° по вертикали. Кроме того, мощность лазера достаточна (5-7 Вт в импульсе) для использования отраженного от стен или зеркальной поверхности сигнала с целью увеличения дальности передачи.
Кроме основных требований к приемнику (минимально возможные массы и габариты, срок службы батарей и излучателей), главным требованием все-таки остается обеспечение безопасности воздействия оптического излучения на зрение человека. Известно, что если световую энергию лазера сфокусировать линзовым объективом до высокой плотности, то, попадая на сетчатку глаза, излучение вызывает ожог. Рядом экспериментов медики определили параметры порогового уровня энергии, который является безопасным для глаза: длительность импульсов - 1 нс ÷ 0,1 с; частота повторения - 10 Гц - 10 кГц; энергия излучения: при дневном излучении - 5·10-7 Дж/см 2, в помещении - 2·10-7 Дж/см 2; ночью - 1·10-7 Дж/см 2.
Для расчета безопасности разрешенной энергии, не вызывающей повреждение глаза, можно пользоваться выражением:
где W - энергия оптического излучения, Дж/см 2;
Pимп. - импульсная мощность излучения, Вт;
Sап - площадь апертуры объектива передатчика, см2;
T имп. - длительность импульса излучения, с
Для предлагаемого излучателя с Римп.=5 Вт, получим W=7·10 -9 Дж/см2. Таким образом, если человек приблизится к передатчику на расстояние 5 см от глаз, он не повредит зрение.
Заявляемое устройство может найти применение для связи между абонентами в помещениях с большими акустическими шумами (на судах и кораблях), увеличение дальности передачи возможно за счет использования дополнительной фокусирующей оптики.
Внутрикорабельное устройство открытой оптической связи, состоящее из оптического передатчика, электронная схема которого включает в себя электроакустический преобразователь (микрофон, ларингофоны), последовательно соединенный с усилителем низкой частоты, преобразователем аналогового сигнала - частотно-импульсая модуляция и излучателем, а электронная схема оптического приемника состоит из фотодетектора, последовательно соединенного с усилителем импульсов, демодулятором и головными телефонами, отличающееся тем, что излучатель оптического передатчика выполнен в виде полупроводникового инжекторного лазера, типа ЛПИ-101, соединенного с модулятором его накачки, при этом фотодетектор выполнен в виде фотодиода типа ФД 27к, который через усилитель импульсов последовательно соединен с формирователем импульсов, фильтром низкой частоты, усилителем низкой частоты, головными телефонами или громкоговорителем.
