СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01M11/02 H04B10/71 

Изобретение относится к способам обнаружения локальных дополнительных потерь в оптическом волокне методом обратного рассеяния и может быть использовано в технических средствах защиты информации (ТСЗИ) волоконно-оптических систем передачи (ВОСП),

Известен способ обнаружения локальных дополнительных потерь в оптическом волокне методом обратного рассеяния, который используется в «Оптическом рефлектометре» (см. патент РФ №2339929 от 26.01.2007 г., опубликованный в Б.И. №33 от 27.11.2008 г.). Способ состоит в формировании микроконтроллером на одном из своих выходов импульса напряжения. Сформированный импульс поступает на первый вход формирователя импульсов. Формирователь по фронту сигнала на его входе вырабатывает импульс тока накачки полупроводникового источника излучения с заданной длительностью. Полупроводниковый источник оптического излучения генерирует оптический импульс. Импульс направляется в отрезок оптического волокна, задерживается в нем на время, зависящее от его длины. Далее пройдя оптический Y-образный разветвитель и розетку оптического соединителя, оптический импульс направляется на вход измеряемого волоконно-оптического тракта. Обратное излучение, состоящее из обратно-рассеянного излучения и излучения отражений от локальных неоднородностей, направляется оптическим Y-образным разветвителем на оптический вход фотоприемника. Выходное напряжение фотоприемника подается на вход аналогового коммутатора. Далее сигнал преобразуется расширителем импульсов в уровень, который регистрируется АЦП. По полученным данным персональный компьютер, соединенный с микроконтроллером, строит рефлектограмму оптического волокна.

Период следования зондирующих импульсов Т_п определяется временем прохождения по длине оптического волокна в обе стороны. Необходимо, чтобы период следования зондирующих импульсов был больше длительности обратно рассеянного сигнала. Длительность периода следования зондирующих импульсов в этом случае должна быть больше:

где С - скорость света в вакууме, км/с;

L - длина оптического волокна, км;

n_c - показатель преломления сердцевины оптического волокна.

Микроконтроллер продолжает формировать зондирующие импульсы до тех пор, пока не будет получено заданное отношение сигнал/шум за счет накопления и усреднения сигналов, реализованное в микроконтроллере. На это уходит время, которое определяет инерционность устройства, вычисляемое по формуле:

где Т_п - период следования зондирующих импульсов;

М - требуемое количество усреднений.

При появлении локальных дополнительных потерь А_д их амплитуда отражается на рефлектограмме, а местоположение z от входного полюса оптического волокна определяется по формуле:

где t - время на рефлектограмме от посылки зондирующего импульса до локального дефекта, с.

Устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком вышеуказанного способа является инерционность, обусловленная большим периодом следования зондирующих импульсов.

Решаемой технической задачей является создание способа обнаружения локальных дополнительных потерь в оптическом волокне методом обратного рассеяния с заданной инерционностью за счет уменьшения периода следования зондирующих импульсов с сохранением функции определения величины потерь и их местоположения.

Достигаемым техническим результатом является способ обнаружения величины и местоположения локальных дополнительных потерь методом обратного рассеяния с заданной величиной инерционности.

Для достижения технического результата в способе обнаружения локальных дополнительных потерь в оптическом волокне методом обратного рассеяния, заключающимся в формировании коротких зондирующих импульсов и преобразовании их в оптические импульсы, вводе их в оптическое волокно, приеме с волокна обратно-рассеянного и отраженных сигналов, которые преобразуют в электрический сигнал, после чего усиливают, преобразуют его в цифровую форму и вычисляют его среднее значение, из которого формируют рефлектограмму, новым является то, что период следования коротких зондирующих импульсов Т_п выбирают из условия:

где Т - заданное время обнаружения нарушения;

М - требуемое количество вычислений среднего значения,

величину локальных дополнительных потерь определяют для участка на рефлектограмме до обратно-отраженного импульса по формуле:

а для участка на рефлектограмме после обратно-отраженного импульса по формуле:

где N=Т_л/Т_п - количество зондирующих импульсов, посланных за время прихода обратно - рассеянного сигнала с округлением до меньшего значения;

Т_л - длительность обратно-рассеянного сигнала;

n - текущий номер участка обратно-рассеянного сигнала, начиная с рассматриваемого участка с отсчетом в обратную сторону;

k - номер участка обратно-рассеянного сигнала, на котором обнаружены локальные дополнительные потери;

С - скорость света в вакууме;

α - коэффициент затухания в волокне на рабочей длине волны;

n_c - показатель преломления сердцевины оптического волокна на рабочей длине волны,

а местоположение локальных дополнительных потерь определяют по формуле:

где t - время от посылки зондирующего импульса до появления локальных дополнительных потерь.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом способе позволяет за заданный промежуток времени обнаружить локальные дополнительные потери, определить их величину и местонахождение.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ.

На фигуре 2 приведены временные диаграммы работы заявляемого способа.

На фигуре 3 представлена рефлектограмма, полученная экспериментально с использованием заявляемого способа.

Устройство, в котором реализован заявляемый способ, работает следующим образом. После включения напряжения питания микроконтроллер 1 (см. фиг. 1) на выходе формирует короткие зондирующие импульсы длительностью Т_и с периодом следования Т_п, который определяется по формуле (4) (Т_и<<Т_п).

После этого оптический передатчик 2 преобразует их в оптические импульсы, которые поступают на вход циркулятора 3, с выхода которого оптические импульсы через разъемное соединение 4 поступают в оптическое волокно 5. После отражения от оптического соединителя 6, расположенного на другом конце линии, сигнал, представляющий собой сумму отраженных от концов оптического волокна импульсов и обратно-рассеянного по длине волокна 5, поступает обратно на оптический полюс 4. После этого, через оптический циркулятор 3 оптический сигнал поступает на вход оптического приемника 7 с логарифмической характеристикой, где преобразуются в электрический сигнал, напряжение которого пропорционально логарифму потерь в оптическом волокне 5. Сигнал поступает на вход микроконтроллера 1, где с помощью АЦП преобразуется в цифровую форму. В памяти микроконтроллера I происходит накопление и усреднение М принятых сигналов до получения требуемого значение отношения сигнал/шум. После этого на экране осциллографа 8 формируется рефлектограмма.

В случае появления на каком-либо участке оптического волокна локального дефекта с потерями А_д они отображаются на рефлектограмме, но с различной амплитудой А_до. Это обусловлено тем, что мощности обратно-рассеянных сигналов от различных зондирующих импульсов складываются друг с другом (см. фиг. 2). Относительная мощность обратно рассеянного сигнала на входе оптического приемника может быть вычислена по формуле:

где n - текущий номер участка обратно-рассеянного сигнала, начиная с рассматриваемого с отсчетом в обратную сторону;

С - скорость света в вакууме, км/с;

α - коэффициент затухания оптического сигнала в волокне на рабочей длине волны, дБ/км;

n_c - показатель преломления сердцевины оптического волокна на рабочей длине волны;

t - время на рефлектограмме от посылки зондирующего импульса до локального дефекта, с;

Т_п - период следования зондирующих импульсов, с.

Здесь и далее коэффициент затухания оптического сигнала в волокне на рабочей длине волны а является средним значением по всей длине волокна.

Суммарная относительная мощность Р_н определяется как корень квадратный от суммы квадратов мощностей обратно-рассеянных сигналов от разных зондирующих импульсов. Для участка на рефлектограмме до обратно-отраженного импульса суммарная относительная мощность равна:

для участка на рефлектограмме после обратно-отраженного импульса:

где N=Т_л/Т_п - количество зондирующих импульсов посланных за время длительности обратно - рассеянного сигнала с округлением до меньшего значения;

Т_л - длительность обратно-рассеянного сигнала, с;

n - текущий номер участка обратно-рассеянного сигнала, начиная с рассматриваемого с отсчетом в обратную сторону.

После появления локального дефекта на любом участке оптического волокна суммарная относительная мощность Р_а составит: для участков на рефлектограмме до (8) и после (9) обратно-отраженного импульса:

где k - номер участка обратно-рассеянного сигнала, на котором обнаружены локальные дополнительные потери.

Величина локальных дополнительных потерь А_до вычисляется по формуле:

Применяя свойства преобразования логарифмов, получаем итоговую формулу для вычисления локальных дополнительных потерь А_до для участков на рефлектограмме до (11) и после (12) обратно-отраженного импульса:

Местоположение дефекта может быть определено по формуле:

Таким образом, функция обнаружения амплитуды и местоположения локального дефекта сохраняется.

Для проверки работоспособности заявляемого устройства был собран макет. Оптический передатчик был выполнен на излучателе LDI-DFB-1550-20/70, в качестве фотодиода использовался фотодиод APDI-55, (изготовитель «LasersCom», г. Минск). Логарифмический усилитель был выполнен на микросхеме LOG 114. Рефлектограммы с выхода логарифмического усилителя отображались на экране осциллографа Fluke 190-202.

Испытания макета устройства подтвердили работоспособность заявляемого технического решения. На фиг. 3 приведена экспериментальная рефлектограмма, полученная при внесении дополнительных потерь 4,53 дБ с помощью ответвителя-прищепки FOD-5503 на оптическом волокне SFM-28e длиной 50,5 км на расстоянии 25,25 км от начала линии. Зондирование проводилось импульсами с периодом следования 200 мкс. Измеренные потери совпадают с расчетной величиной.

Способ обнаружения локальных дополнительных потерь в оптическом волокне методом обратного рассеяния заключается в формировании коротких зондирующих импульсов и преобразовании их в оптические импульсы, вводе их в оптическое волокно, приеме с волокна обратно-рассеянного и отраженных сигналов, которые преобразуют в электрический сигнал, после чего усиливают, преобразуют его в цифровую форму и вычисляют его среднее значение, из которого формируют рефлектограмму. На основании анализа рефлектограммы определяют величину дополнительных потерь. Местоположение дефекта определяют с учётом периода следования зондирующих импульсов, выбранного на основании отношения заданного времени обнаружения нарушения и требуемого количества вычислений среднего значения принятых сигналов для обеспечения заданного отношения сигнал/шум. Технический результат заключается в уменьшении периода следования зондирующих импульсов для обеспечения заданной инерционности. 3 ил.

Способ обнаружения локальных дополнительных потерь в оптическом волокне методом обратного рассеяния, заключающийся в формировании коротких зондирующих импульсов и преобразовании их в оптические импульсы, вводе их в оптическое волокно, приеме с волокна обратно-рассеянного и отраженных сигналов, которые преобразуют в электрический сигнал, после чего усиливают, преобразуют его в цифровую форму и вычисляют его среднее значение, из которого формируют рефлектограмму, отличающийся тем, что период следования коротких зондирующих импульсов Т_п выбирают из условия:

T_п=T/M,

где Т - заданное время обнаружения нарушения;

М - требуемое количество вычислений среднего значения, величину локальных дополнительных потерь определяют для участка на рефлектограмме до обратно-отраженного импульса по формуле:

а для участка на рефлектограмме после обратно-отраженного импульса по формуле:

где N=Т_л/Т_п - количество зондирующих импульсов, посланных за время прихода обратно-рассеянного сигнала с округлением до меньшего значения;

Т_л - длительность обратно-рассеянного сигнала;

n - текущий номер участка обратно-рассеянного сигнала, начиная с рассматриваемого участка с отсчетом в обратную сторону;

k - номер участка обратно-рассеянного сигнала, на котором обнаружены локальные дополнительные потери;

С - скорость света в вакууме;

α - коэффициент затухания в волокне на рабочей длине волны;

n_с - показатель преломления сердцевины оптического волокна на рабочей длине волны,

а местоположение локальных дополнительных потерь определяют по формуле:

z=[C(t+nT_п)]/(2n_c),

где t - время от посылки зондирующего импульса до появления локальных дополнительных потерь.