ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ Российский патент 2004 года по МПК H04B10/12 

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи и может быть использовано для передачи информационных сигналов на участках систем связи, которые могут быть подвержены воздействиям ионизирующих излучений, высоких механических нагрузок или воздействиям любых других внешних или внутренних факторов, ухудшающих качество связи, либо разрушающих линии связи, в частности, на участках, непосредственно прилегающих к сетевым узлам связи Взаимоувязанной сети связи РФ (ВСС РФ) и узлам связи пунктов управления различных ведомств и органов исполнительной власти, на линиях привязки узлов связи пунктов управления к сетевым узлам связи ВСС РФ, в случаях, когда требуется исключить возможность потери или минимизировать ущерб от кратковременной потери управления с данных пунктов управления.

Для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС) и обеспечения работы ВСС РФ в особый период создается система восстановления ВСС, задачами которой являются (В.Б.Булгак и др. Основы управления связью Российской Федерации. М., 1998):

- оперативное восстановление связи с целью предоставления необходимых услуг связи спецпотребителям;

- восстановление основных направлений связи с помощью мобильных и контейнерных средств связи на время ремонта стационарных средств и объектов связи, создание временных объектов связи функционально эквивалентных объектам стационарной сети;

- обеспечение связью органов управления ликвидацией последствий ЧС и др.

путем обеспечения минимально допустимого объема услуг посредством восстановления разрушенных при ЧС элементов сети или создания временной сети связи.

Традиционно считается, что мобильные средства связи должны подключаться к кабельным линиям связи в ретрансляционных пунктах обслуживаемых (ОРП) и необслуживаемых (НРП) или на узлах связи. В настоящее время на кабельной сети повсеместно происходит переход на волоконно-оптические линии передачи (ВОЛП). Длина ретрансляционного участка ВОЛП уже существующих систем передачи превышает 100 км, декларируются 200 км и более. Зона поражения линий связи в условиях чрезвычайных ситуаций, возникающих в результате преднамеренных воздействий на сетевые узлы связи и узлы связи пунктов управления, обычно не превышает 30 - 40 км. В этих условиях в непосредственной близости от узлов связи НРП ВОЛП отсутствуют, то есть в возможных зонах поражения магистральные и зоновые линии связи стационарной кабельной сети ВСС РФ не содержат элементов, позволяющих непосредственно подключать средства связи системы восстановления. Подсоединение сети связи, организованной в зоне ЧС, к ближайшему не разрушенному узлу связи стационарной кабельной сети ВСС РФ осуществляется организацией временных линий связи с использованием полевых или спутниковых и радиорелейных средств.

Наибольший ущерб системе связи наносят чрезвычайные ситуации, возникающие вследствие преднамеренных воздействий на сетевые узлы связи ВСС РФ и узлы связи пунктов управления, поэтому заявляемое техническое решение предполагается использовать, прежде всего, на участках линий связи, непосредственно прилегающих к сетевым узлам связи ВСС РФ, узлам связи пунктов управления различных ведомств и органов исполнительной власти и линиях привязки узлов связи пунктов управления к сетевым узлам связи ВСС РФ, которые должны быть заранее оборудованы для быстрого развертывания системы восстановления.

Одними из последствий чрезвычайных ситуаций, воздействующих на ВОЛС, являются последствия от воздействия ионизирующих излучений, которые проявляются в возрастании затухания в оптических волокнах. Сложность проблемы заключается в том, что невозможно заранее прогнозировать ни уровень радиации, ни площади поражения, ни продолжительность и тем более точное место ее воздействия.

Известна волоконно-оптическая система связи (авторское свидетельство 1612949 от 13.01.89), содержащая последовательно соединенные оптический передатчик, волоконный световод и оптический приемник. Высокая надежность работы этой системы в условиях воздействия радиации обеспечивается за счет увеличения эффективности фотообесцвечивания. Для этого волоконный световод выполняется со вставкой из отрезка оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов, а система содержит последовательно соединенные дозиметр и блок накачки, выход которого оптически соединен с отрезком оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов. При воздействии ионизирующего излучения по сигналу дозиметра блок накачки переводит отрезок оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов, в режим усилителя оптического сигнала и при дальнейшем увеличении дозы в режим лазерной генерации, что обеспечивает эффективное фотообесцвечивание волоконного световода.

Недостатком такой системы связи является то, что она может быть использована только в тех редких случаях, когда заранее достаточно точно известны конкретные места линии связи, которые могут быть подвержены ионизирующему облучению, т.е. пункты, где должны быть размещены дозиметры и осуществлены вставки оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов, и требуемые уровни мощности лазерного излучения, необходимого для эффективного фотообесцвечивания волоконного световода. Существенным недостатком такой системы связи является то, что в условиях воздействия ионизирующего излучения этому воздействию подвергаются также отрезок оптического волокна, кабель, соединяющий дозиметр с блоком накачки, и сами дозиметр и блок накачки, в результате невозможно достоверно предсказать реакцию системы связи, особенно в реальных условиях неопределенности возможного уровня радиации и реальных характеристик дозиметров.

Известна также волоконно-оптическая система связи (авторское свидетельство 1672914 от 15.05.89), в которой при регистрации наличия ионизирующего излучения оптический передатчик переводится в режим излучения повышенной мощности. Наличие оптического сигнала повышенной мощности в световоде способствует быстрому уменьшению затухания в нем из-за ускорения эффекта фотообесцвечивания. Через некоторое время потери в волоконном световоде уменьшаются до величины, когда переданные сигналы начнут проходить до оптических приемников, т.е. связь восстанавливается, оптический передатчик переводится в нормальный режим. Недостатком этой системы является то, что в ней не учитывается, что неопределенность уровней и мест облучения создает и неопределенность в требуемых для фотообесцвечивания помутневшего волокна мощности и времени. Реально без снижения надежности лазера "нормальный режим" может быть создан за счет снижения номинальной мощности лазера, т.е. за счет снижения длины ретрансляционного участка и тем самым снижения эффективности самой линии связи при неопределенности получения положительного результата. Кроме того, известно, что при воздействии ионизирующих излучений на оптическое волокно увеличившееся затухание в нем может быть разделено на две составляющих - затухание, которое снижается в течение некоторого времени и это время может быть сокращено путем фотообесцвечивания повышенной мощностью лазера, и добавочное остаточное затухание, которое не исчезает после прекращения облучения ионизирующим излучением и уровень которого также зависит от мощности воздействующей дозы радиоактивного излучения и времени его воздействия. При радиоактивном загрязнении трассы линии связи наведенное затухание будет непрерывно возобновляться, а добавочное остаточное будет определяться суммарной наведенной дозой, уровень которой в реальных условиях трудно прогнозируем. В этих условиях маловероятно получение положительного результата за счет повышения (доведения до номинальной) мощности лазера.

Для обеспечения работоспособности системы передачи в условиях воздействий ионизирующих излучений недостаточно только обнаружение факта нарушения связи за счет ухудшения характеристик кабеля связи вследствие воздействия на него этих излучений.

Известные решения не только не обеспечивают работоспособность системы передачи в условиях реальных воздействий ионизирующих излучений, но и не позволяют определить характер воздействий - локальный или радиоактивное загрязнение всей или значительной части трассы, что необходимо для определения мероприятий по восстановлению работоспособности линии связи.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемой является волоконно-оптическая информационно-диагностическая система передачи (патент РФ 2128885 от 10.04.99), содержащая передатчик, включающий последовательно соединенные источник информации, электронно-оптический преобразователь и устройство ввода оптических сигналов, к второму входу которого подключены соединенные последовательно решающее устройство и рефлектометр, работающий на двух длинах волн, а выход соединен через оптический соединитель с оптическим кабелем, другой конец которого через второй оптический соединитель подключен к приемнику, содержащему последовательно соединенные спектрально-селективный элемент, фотоприемник и приемник информации; кроме этого к третьему входу устройства ввода оптических сигналов подключены соединенные последовательно схема формирования импульса запуска, импульсный оптический генератор и согласующее устройство. Такая система дозволяет наряду с передачей информации осуществить контроль состояния оптического кабеля, выявлять несанкционированный доступ, идентифицировать возникающие дефекты и воздействующие на него внешние факторы, определять место их возникновения и наряду с этим обладает повышенной надежностью в условиях воздействия ионизирующих излучений.

Недостатком такой системы является то, что метод фотообесцвечивания волокна путем включения достаточно мощного рубинового лазера резко усложняет и удорожает процесс фотообесцвечивания, делая его скорее лабораторным, чем реализуемым в реальных условиях. При этом сохраняются все недостатки описанных выше решений, вытекающие из неопределенностей места, дозы, времени и характера воздействующих ионизирующих излучений и, соответственно, невозможности точного определения требуемых характеристик оптических излучений, используемых для фотообесцвечивания волокна. Кроме того, известно, что волокно имеет принципиальное ограничение по мощности вводимого сигнала.

Помимо этого, предложенная реализация, с одной стороны, предполагает использование мощного рубинового лазера, с другой стороны, - снижение мощности рубинового лазера в 10-20 раз путем увеличения затухания на соответствующем входе устройства ввода излучения. Это решение, к сожалению, не исключает влияния мощности информационного сигнала и мощного рубинового лазера на высокочувствительный вход рефлектометра.

Следует дополнительно отметить, что радиоактивное загрязнение значительного или даже небольшого локального участка трассы приводит к продолжительному воздействию на оптическое волокно ионизирующих излучений, что вызывает непрерывный процесс наведения дополнительного затухания в облученном участке волокна одновременно с процессом фотообесцвечивания. Результат этих двух противоположно идущих процессов неопределенен до полной дезактивации пораженного участка кабельной линии связи. Следовательно, предложенный метод фотообесцвечивания волокна можно использовать только в тех случаях, когда воздействуют незначительные дозы радиации и непродолжительное время, однако остаточное затухание без увеличения мощности информационного сигнала и в этом случае ухудшит качество каналов связи, образуемых в данной кабельной линии связи.

Целью заявляемого технического решения является повышение надежности и живучести волоконно-оптической системы передачи в условиях возможных чрезвычайных ситуаций, возникающих в результате воздействия на систему передачи поражающих факторов, прежде всего, ионизирующих излучений и высоких механических нагрузок.

Поставленная цель достигается тем, что в состав передающего оборудования системы передачи введены устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи и управляемый оптический усилитель мощности, обеспечивающий автоматическую компенсацию возникающего в чрезвычайных условиях дополнительного (наведенного) затухания, а в линейный оптический кабель системы передачи включены коммутационно-распределительные устройства, а также в состав оборудования системы передачи введен ретранслятор, размещаемый на подвижном средстве (в транспортируемом контейнере, на автомобиле, бронетранспортере и т.п.).

Количество коммутационно-распределительных устройств (одно или несколько) на кабельной линии связи и расстояния между ними определяются, с одной стороны, вероятностью возможных внешних воздействий и их характеристиками (моделью внешних воздействий), например механическими нагрузками и мощностями дозы ионизирующих излучений, электромагнитными наводками и т.п., а с другой стороны, - требуемой живучестью участков системы связи, которые могут быть подвержены этим внешним воздействиям, в частности, на участках, непосредственно прилегающих к сетевым узлам связи ВСС РФ и узлам связи пунктов управления различных ведомств и органов исполнительной власти, на линиях привязки узлов связи пунктов управления к сетевым узлам связи ВСС РФ.

На чертеже (фиг.1) представлена структурная схема заявляемой системы передачи.

На чертеже (фиг.2) представлен вариант выполнения коммутационно-распределительного устройства.

На чертеже (фиг.3) представлен общий случай подключения ретранслятора.

На чертеже (фиг.3а) представлен один из вариантов подключения ретранслятора.

Волоконно-оптическая система передачи содержит передающее оборудование, включающее последовательно соединенные источник информации 1, электронно-оптический преобразователь 2, управляемый оптический усилитель мощности 3, устройство ввода оптических сигналов в кабель связи 4 и оптический соединитель станционного и линейного оптических кабелей 5. К входу устройства ввода оптических сигналов 4 подключен оптический выход рефлектометра 6, электрический выход которого соединен с входом решающего устройства 7, а второй выход соединен с входом устройства обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи 8. Выход устройства 8 соединен с вторым входом решающего устройства 7, выход которого соединен с управляющим входом усилителя мощности 3. Выход оптического соединителя 5 подключен к одному их концов линейного оптического кабеля 9, в который включено коммутационно-распределительное устройство 10. Приемное оборудование системы включает последовательно соединенные оптический соединитель 11, спектрально-селективный элемент 12, фотоприемное устройство 13 и приемник информации 14. Вход оптического соединителя 11 подключен ко второму концу линейного оптического кабеля 9. Система также содержит ретранслятор, размещаемый на подвижном средстве.

Управляемый оптический усилитель мощности 3 компенсирует наведенное в оптическом волокне под действием ионизирующих излучений затухание или его возрастание по сравнению с первоначальным при воздействии на кабель любых других внешних или внутренних факторов. Управляющие сигналы на увеличение коэффициента усиления оптический усилитель получает от решающего устройства 7.

Рефлектометр 6, решающее устройство 7 и устройство обработки и хранения результатов диагностики 8 выполняют функции оборудования диагностики оптического кабеля и обеспечивают:

- дистанционный автоматический контроль волокон кабеля с определением распределения потерь вдоль линии связи;

- документирование результатов контроля;

- автоматическое обнаружение неисправностей в кабельной линии связи с указанием его точного местоположения на основе сравнения текущих и эталонных результатов измерения параметров кабеля;

- автоматический анализ изменения параметров оптических волокон во времени на основе накапливаемых в процессе диагностики данных.

Устройство обработки и хранения результатов диагностики 8 предназначено для накопления результатов диагностики оптического кабеля, статической обработки этих результатов и выдачи эталонных рефлектограмм на решающее устройство 7 для сравнения с текущими измерениями и, кроме того, решает задачу привязки рефлектограмм к географической карте местности с указанием не только трассы кабельной линии связи и мест расположения коммутационно-распределительных устройств, но и кратчайших путей и вариантов доставки, в случае необходимости, ретрансляторов к месту их подключения. Устройство выполнено на компьютере с установкой на нем специализированного пакета программ.

Решающее устройство 9 сравнивает эталонные (или предшествующие) рефлектограммы, поступающие из устройства обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи 8, и результаты текущих измерений с помощью стандартного рефлектометра 6 и принимает решение на увеличение или уменьшение величины управляющих сигналов на оптический усилитель мощности 3.

Рефлектометр 6 измеряет потери в оптическом волокне и определяет распределение этих потерь вдоль кабельной линии. Рефлектометр может работать в режиме персонального компьютера, в том числе в составе контрольно-измерительного комплекса (в частности, системы автоматического мониторинга и администрирования кабельной сети, элементом которой является оборудование диагностики оптического кабеля).

Современные автоматические рефлектометры обеспечивают:

- диапазон измеряемых трасс до 320 км;

- высокое разрешение: 5 см - по расстоянию; 0,001 дб - по затуханию;

- автоматические измерения и паспортизацию всех неоднородностей в оптическом волокне.

Коммутационно-распределительное устройство 10 может быть выполнено, в частности, в виде отрезка оптического волокна, оконцованного соединителями 16 (фиг.2), и предназначено для:

- подключения ретранслятора 15, когда мощности оптического усилителя недостаточно для компенсации наведенного внешними воздействиями дополнительного затухания в оптическом волокне;

- организации кабельной вставки для обхода локального повреждения кабеля;

- подключения подвижного средства (транспортируемого контейнера) для организации обходов при значительном повреждении кабельных линий связи, сетевого узла связи, узлов связи пунктов управления и развертывания резервных узлов связи и подвижных пунктов управления.

Коммутационно-распределительное устройство 10 может размещаться в специальных контейнерах - пунктах оперативного доступа (ПОД).

Ретранслятор 15 предназначен для усиления оптического сигнала и используется в чрезвычайных условиях.

В исходном состоянии заявляемая система работает как традиционная ВОСП. Информация, поступаемая от источника информации 1, преобразуется электронно-оптическим преобразователем 2 в оптический сигнал и поступает в оптическую линию связи через оптический усилитель мощности 3, устройство ввода оптических сигналов 4 и оптический соединитель 5 в линейный оптический кабель 9.

В нормальных условиях оптический усилитель 3 имеет коэффициент усиления 1, а коммутационно-распределительное устройство 10, размещаемое в специальном контейнере (ПОД), обеспечивает непосредственное соединение двух участков кабеля. Рефлектометр 6 непрерывно излучает зондирующие импульсы, которые через устройство ввода оптических сигналов 4 объединяются с информационным сигналом и поступают в линейный кабель 9. Разделение информационного и зондирующего сигналов на приемном конце осуществляется с помощью спектрально-селективного элемента 12. Отраженные зондирующие импульсы принимаются тем же рефлектометром 6. Электрический сигнал, содержащий результаты текущего измерения затухания в оптическом кабеле, поступает на устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля и решающее устройство 7. В ходе строительства или модернизации линии связи производятся измерения затухания оптического сигнала в оптическом кабеле и определение распределения затухания по всей длине кабельной линии связи. Результаты этих измерений, как эталонные, вместе с зарегистрированными в последующем отклонениями от них, полученными с помощью рефлектометра 6, хранятся в устройстве 8. Решающее устройство 7 проводит сравнение результатов измерений и осуществляет классификацию по возможным причинам, вызвавшим увеличение затухания - попытки НСД, радиационно-наведенные потери, механические повреждения или временная деградация оптического волокна.

Определение места и характера изменения затухания (локального или распределенного) осуществляется непосредственно рефлектометром.

По результатам оценки решающее устройство принимает решение на прекращение передачи информационного сигнала (попытка НСД, обрыв кабеля) либо на увеличение коэффициента усиления оптического усилителя до полной компенсации увеличения затухания.

Если наведенное затухание не может быть компенсировано увеличением мощности усилителя и оно идентифицируется как радиационно-наведенное, оптический усилитель 3 сигналами от решающего устройства 7 переводится из режима максимального усиления в режим автогенерации для фотообесцвечивания радиационно-наведенного затухания. В случае положительного результата (снижения радиационно-наведенного затухания), сигналами решающего устройства 7 оптический усилитель 3 выводится из режима автогенерации и нормальный режим работы линии связи восстанавливается.

В случае, если результат отрицателен, принимается решение (с учетом показателей рефлектометра 6 и результатов анализа этих показателей устройством 8) о использовании на линии связи ретранслятора на подвижных средствах 15 (подключение показано на фиг.3 и 3а), который может быть размещен в специальной аппаратной системы восстановления. Аппаратная подключается к ближайшему к месту повреждения контейнеру (ПОД) с коммутационно-распределительным устройством 14, удобному для подъезда средств восстановления.

В случае, если рефлектограмма показывает наличие механического повреждения или разрушение оптического кабеля, также задействуется аппаратная системы восстановления с размещенным в ней ретранслятором 15. Временная (обходная) линия связи организуется с помощью этой аппаратной или/и одновременно задействованных аппаратных (кабельных, радиорелейных, или тропосферных линий связи) системы восстановления между ближайшими с разных сторон места повреждения контейнерами (ПОД) с коммутационно-распределительными устройствами 10.

Наибольший ущерб системе связи наносят преднамеренные внешние воздействия на сетевые узлы связи ВСС РФ. В случае обнаружения разрушения или серьезных повреждений сетевого узла связи временные (обходные) линии связи создаются от доступных (удобных для подъезда) контейнеров (ПОД) с коммутационно-распределительными устройствами 10 к ближайшему сохранившемуся сетевому узлу связи ВСС РФ.

Следует иметь ввиду, что реальная ВОСП осуществляет дуплексную работу и на каждом конце линии связи имеется как приемное, так и передающее оборудование. Чертеж (фиг.1) и описание предлагаемого изобретения отражает только одно направление передачи.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться на участках систем связи, которые подвержены воздействиям ионизирующих излучений, высоких механических нагрузок или воздействий иных факторов. Технический результат заключается в повышении надежности и живучести в условиях чрезвычайных ситуаций. Для этого введены устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля и управляемый оптический усилитель мощности, введены коммутационно-распределительные устройства и ретрансляторы. 4 ил.

Волоконно-оптическая система передачи, содержащая передающее и приемное оборудование, соединенные линейным оптическим кабелем связи, причем передающее оборудование содержит источник информации, выход которого соединен с входом электронно-оптического преобразователя, устройство ввода оптических сигналов, к входу которого подключен оптический выход рефлектометра, а выход через оптический соединитель соединен с линейным оптическим кабелем связи, электрический выход рефлектометра подключен к входу решающего устройства, противоположный конец линейного оптического кабеля через последовательно соединенные оптический соединитель приемного оборудования, спектрально-селективный элемент и фотоприемное устройство соединен с входом приемника информации, отличающаяся тем, что в состав передающего оборудования введены устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи и управляемый оптический усилитель мощности, вход которого соединен с выходом электронно-оптического преобразователя, выход соединен с входом устройства ввода оптических сигналов, а управляющий вход соединен с выходом решающего устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи, вход которого соединен с вторым выходом рефлектометра, в линейный оптический кабель включены коммутационно-распределительные устройства, а также в состав оборудования системы передачи введен ретранслятор, размещаемый на подвижных средствах.