Система встречных сравнений шкал времени с распределенным усилением на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния Российский патент 2022 года по МПК G04C11/00 

Предлагаемое устройство относится к технике оптоволоконной связи и может быть использовано для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, соединенных оптоволоконной линией связи. Изобретение направлено на увеличение расстояния между объектами без снижения точности сравнения и синхронизации шкал времени.

Известно устройство для сравнения и синхронизации шкал времени между наземными объектами, соединенными оптоволоконной линией связи, с помощью системы встречных сравнений шкал времени Пат. 2604852 РФ. Устройство для сравнения и синхронизации шкал времени / Д.В. Прохоров, О.В.Колмогоров, С.С. Донченко; заявитель и патентообладатель ФГУП "ВНИИФТРИ". Опубл. 10.12.2016, Бюл. №34.

Устройство содержит на первом объекте таймер событий, генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов, компьютер, генератор оптических импульсов, блок разветвителей-объединителей. Второй объект также включает в себя таймер событий, промежуточный генератор, генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов, компьютер, генератор оптических импульсов, блок разветвителей-объединителей. Блоки разветвителей-объединителей обоих объектов соединены между собой оптоволоконной линией связи. Компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах, такой как сеть Ethernet, Internet или беспроводная сеть.

К достоинствам данного устройства относится то, что увеличено допустимое расстояние между объектами за счет применения передающих модулей на каждом объекте, повышена точность сравнения или синхронизации за счет применения сигналов в оптическом диапазоне и прямой привязки оптических импульсов к шкалам времени, что исключает влияние погрешностей в передающем канале шкала времени - оптический импульс. Недостатком данного устройства является то, что дальность работы ограничена затуханием оптического излучения в оптоволоконной линии связи, при этом увеличение мощности передающих модулей ограничено как существующим уровнем техники, так и возникновением нелинейных эффектов, ухудшающих точностные характеристики устройства.

Для увеличения расстояния между объектами, на которых происходит сравнение и синхронизация шкал времени с помощью оптоволоконной линии связи известен способ распределенного усиления мощности оптических сигналов, Пат. 2715489 РФ. Способ распределенного усиления мощности оптических сигналов для систем сравнения и синхронизации шкал времени и оптоволоконных рефлектометров / С.С. Донченко, О.В. Колмогоров, Д.В. Прохоров; заявитель и патентообладатель ФГУП "ВНИИФТРИ". Опубл. 28.02.2020, Бюл. №7.

К достоинствам данного способа относится то, что с помощью объединителя излучение накачки из блока лазеров накачки поступает в оптоволоконную линию связи между удаленными объектами и создает условия для возникновения эффекта вынужденного комбинационного рассеяния в линии связи, при этом происходит распределенное усиление как импульсов поступающих в линию связи, так и распространяющихся в обратном направлении.

Достигаемым техническим результатом при использовании заявляемого устройства является повышение, по сравнению с существующими системами сравнения шкал времени с помощью ВОЛС, допустимого расстояния между объектами за счет применения на каждом объекте своего блока лазерной накачки для распределенного усиления оптических импульсов на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, при этом импульсы, распространяющиеся как с первого объекта на второй, так и со второго на первый, усиливаются как за счет сонаправленной накачки, так и за счет встречной накачки.

Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов и компьютер. Генератор оптических импульсов первого объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей, который состоит из оптоволоконного разветвителя, соединенного с оптоволоконным объединителем, соединенным с входом приемника оптических импульсов, объединителем, соединенным с блоком лазеров накачки и циркулятором, при этом циркулятор присоединен к объединителю, соединенным с входом приемника оптических импульсов, и к оптоволоконной линии связи, связывающей два удаленных объекта. Второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов и компьютер, связанный с промежуточным генератором. Генератор оптических импульсов второго объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей второго объекта, который состоит из оптоволоконного разветвителя, соединенного с оптоволоконным объединителем, соединенным с входом приемника оптических импульсов, объединителем, соединенным с блоком лазеров накачки и циркулятором, при этом циркулятор присоединен к объединителю, соединенным с входом приемника оптических импульсов, и к оптоволоконной линии связи, связывающей два удаленных объекта. Компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах, такой как сеть Ethernet, Internet или беспроводная сеть.

Особенностью и преимуществом указанного устройства является то, что при определении расхождения шкал времени время задержки в оптоволоконной линии связи алгоритмически исключается; также то, что с помощью блока разветвителей-объединителей производится привязка оптических, а не электрических импульсов к соответствующим шкалам времени, что исключает влияние погрешностей в канале шкала времени - оптический импульс; а также то, что на каждом объекте исходящие и приходящие импульсы принимаются одним и тем же фотоприемным устройством, что алгоритмически исключает неисключенную систематическую погрешность канала фотоприемник - таймер событий; а также то, что в блоки разветвителей-объединителей каждого объекта встроены объединители, позволяющие ввести излучение блока лазеров накачки каждого объекта в оптоволоконную линию связи между объектами, что приводит к распределенному усилению оптических импульсов на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, при этом импульсы, распространяющиеся как с первого объекта на второй, так и со второго на первый, усиливаются как за счет как сонаправленной накачки, так и за счет встречной накачки.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 - показана схема устройства для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, которое содержит на первом объекте таймер событий 1, присоединенные к нему генератор 2 формирования шкалы времени этого объекта, приемник 3 оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов, компьютер 4. Генератор 5 оптических импульсов на первом объекте подключен к входу блока разветвителей-объединителей 6. Блок разветвителей-объединителей 6 состоит из оптоволоконного разветвителя 7, соединенного с оптоволоконным объединителем 8, и с оптоволоконным объединителем 9, соединенным с блоком лазеров накачки 10, и циркулятором 11, при этом оптоволоконный объединитель 8 также соединен с входом приемника 3 оптических импульсов и циркулятором 11, который соединен также с оптоволоконной линией связи 12, которая соединяет два удаленных объекта. Компьютер 4 подключен к системе передачи информации о временных интервалах 13, такой как сеть Ethernet, Internet или беспроводная сеть, соединенной с компьютерами 4 первого и 14 второго объектов для вычисления расхождения шкал времени объектов.

Второй объект содержит таймер событий 15, присоединенные к нему промежуточный генератор 16, к которому присоединен генератор формирования шкалы времени второго объекта 17, приемник оптических импульсов 18 со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов, компьютер 14. Генератор оптических импульсов 19 на втором объекте подключен к входу блока разветвителей-объединителей 20. Блок разветвителей-объединителей 20 состоит из оптоволоконного разветвителя 21, соединенного с оптоволоконным объединителем 22 и с оптоволоконным объединителем 23, соединенным с блоком лазеров накачки 24, и циркулятором 25, при этом оптоволоконный объединитель 22 также соединен с входом приемника оптических импульсов 18 и циркулятором 25, который соединен также с оптоволоконной линией связи 12, которая соединяет два удаленных объекта. Компьютер 14 подключен к системе передачи информации о временных интервалах 13 и промежуточному генератору 16, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта 17.

Устройство в соответствии с фиг. 1 работает следующим образом.

На первом объекте оптический импульс с генератора оптических импульсов 5 поступает на вход блока разветвителей-объединителей 6, проходит через разветвитель 7, некоторая часть мощности оптического импульса через объединитель 8 поступает в приемник 3 оптических импульсов первого объекта со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов, основная часть мощности импульса через объединитель 9 и циркулятор 11 поступает в оптоволоконную линию связи 12, при этом в линию связи 12 из блока лазеров накачки 10 через объединитель 9 и циркулятор 11 поступает излучение накачки для усиления оптических импульсов, проходящих по линии связи 12. Электрический сигнал с приемника 3 оптических импульсов поступает в таймер событий 1, который фиксирует момент излучения оптического импульса t₁ в шкале времени первого объекта, сформированной генератором 2 сигнала 1 Гц, секундные метки которого поступают в таймер событий 1. Информация о моменте излучения оптического импульса t1 поступает в компьютер 4, который по системе передачи информации 13 направляет данные о значении t₁ в компьютер 14 второго объекта.

Оптический импульс, пришедший по оптоволоконной линии связи на второй объект через циркулятор 25 и объединитель 22 блока разветвителей-объединителей 20, поступает в приемник оптических импульсов второго объекта 18 со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий в таймер событий 15. Также в таймер событий 15 поступает сигнал 1 Гц с промежуточного генератора 16, что позволяет определить время τ₁ прихода оптического импульса в шкале времени второго объекта, формируемой генератором 17 и промежуточным генератором 16. Информация о моменте прихода оптического импульса τ₁ направляется в компьютер 14 второго объекта.

На втором объекте оптический импульс с генератора оптических импульсов 19 поступает на вход блока разветвителей-объединителей 20, проходит через разветвитель 21, некоторая часть мощности оптического импульса через объединитель 22 поступает в приемник оптических импульсов 18 второго объекта, основная часть мощности импульса через объединитель 23 и циркулятор 25 поступает в оптоволоконную линию связи 12, при этом в линию связи 12 из блока лазеров накачки 24 через объединитель 23 и циркулятор 25 поступает излучение накачки для усиления оптических импульсов, проходящих по линии связи 12. Электрический сигнал с приемника оптических импульсов 18 поступает в таймер событий 15, который фиксирует момент излучения оптического импульса t₂ в шкале времени второго объекта, сформированной генератором 17 и промежуточным генератором сигнала 1 Гц 16, секундные метки которого поступают в таймер событий 15. Информация о моменте излучения оптического импульса 1 t₂ таймера событий 15 поступают в компьютер 14 второго объекта.

Оптический импульс, пришедший по оптоволоконной линии связи со второго на первый объект через циркулятор 11 и объединитель 8 блока разветвителей-объединителей 6, поступает в приемник оптических импульсов 3 первого объекта, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий в таймер событий 1, который определяет время τ₂ прихода оптического импульса в шкале времени первого объекта. Информация о моменте прихода оптического импульса τ₂ поступает в компьютер 4 и по системе передачи информации 13 направляется в компьютер 14 второго объекта.

За время цикла сравнения шкал времени с учетом различной частоты генерации импульсов или их длительности на каждом из объектов с помощью программного обеспечения определяется с какого объекта, - своего или противоположного, поступил данный импульс.

На основании данных о значениях t₁, t₂, τ₁, τ₂, определяют расхождение шкал времени удаленных объектов At по формуле:

где

t₁ - измеренное время излучения оптического импульса с первого объекта в шкале времени первого объекта,

t₂ - измеренное время излучения оптического импульса со второго объекта в шкале времени второго объекта,

τ₁ - измеренное время прихода оптического импульса с первого объекта на второй объект в шкале времени второго объекта,

τ₂ - измеренное время прихода оптического импульса со второго объекта на первый объект в шкале времени первого объекта.

Компьютер 14 вырабатывает управляющий сигнал, по которому промежуточный генератор 16 синхронизирует шкалу времени второго объекта со шкалой времени первого.

Усреднение данных за время цикла сравнения по каждой паре импульсов обеспечивает повышение точности сравнения и синхронизации.

Использование: изобретение относится к устройствам сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов с применением оптоволоконной линии связи, соединяющей объекты. Сущность: устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов состоит из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов и компьютер. Генератор оптических импульсов первого объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей, который состоит из оптоволоконного разветвителя, первый выход которого соединен с первым оптоволоконным объединителем, выход которого соединен со входом фотоприемника, а второй вход с выходом циркулятора, а второй выход разветвителя соединен с первым входом второго оптоволоконного объединителя, второй вход которого соединен с выходом блока лазеров накачки, а выход второго объединителя соединен со входом циркулятора, вход/выход которого соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта, а выход соединен со входом первого объединителя, соединенного с фотоприемником. Второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте оптической несущей импульсов и компьютер, связанный с промежуточным генератором. Генератор оптических импульсов второго объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей второго объекта, который состоит из оптоволоконного разветвителя, первый выход которого соединен с первым оптоволоконным объединителем, выход которого соединен со входом фотоприемника, а второй вход с выходом циркулятора, а второй выход разветвителя соединен с первым входом второго оптоволоконного объединителя, второй вход которого соединен с выходом блока лазеров накачки, а выход второго объединителя соединен со входом циркулятора, вход/выход которого соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта, а выход соединен со входом первого объединителя, соединенного с фотоприемником. Технический результат: повышение точности работы системы, повышение допустимого расстояния между объектами, повышение точности сравнения или синхронизации, увеличение надежности и оперативности, а также возможность сравнения или синхронизации шкал времени с использованием только одного оптического волокна произвольной длины, в т.ч. «темного» волокна, арендуемого у операторов общедоступных сетей связи. 1 ил.

Устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта и приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов; при этом генератор оптических импульсов первого объекта подключен к блоку разветвителей-объединителей, включающему оптоволоконный разветвитель, один выход которого через первый оптоволоконный объединитель соединен с входом приемника оптических импульсов, другой выход разветвителя соединен со входом второго объединителя, на другом входе которого установлен блок лазеров накачки, к выходу второго объединителя присоединен циркулятор первого объекта, выход циркулятора соединен с первым оптоволоконным объединителем, вход/выход циркулятора соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта; второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор с подключенным к нему генератором формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов второго объекта со спектральным фильтром на частоте оптической несущей импульсов; при этом генератор оптических импульсов второго объекта подключен к блоку разветвителей-объединителей второго объекта, включающему оптоволоконный разветвитель, один выход которого через первый оптоволоконный объединитель соединен с входом приемника оптических импульсов, другой выход разветвителя соединен с вторым объединителем, на другом входе которого установлен блок лазеров накачки второго объекта, к выходу второго объединителя присоединен циркулятор второго объекта, выход циркулятора соединен с первым оптоволоконным объединителем, вход/выход циркулятора соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта; на обоих объектах установлены компьютеры, связанные с таймерами событий, компьютер второго объекта соединен с промежуточным генератором, размещенным на втором объекте, компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах, такой как сеть Ethernet, Internet или беспроводная сеть.