УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
DEVICE FOR INTEGRATED INSPECTION OF FIBRE-OPTIC LINES

Изобретение относится к устройствам контроля волоконно-оптических линий (ВОЛП) методами интегральной рефлектометрии и прямого детектирования и может быть использовано в качестве технического средства защиты информации (ТСЗИ) ограниченного доступа в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП).
Известно «Устройство контроля волоконно-оптических линий» (см. патент РФ №2522893 от 21.08.2012 г., опубликованный в Б.И. №9 от 27.08.2014 г.), которое содержит последовательно соединенные приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ), усилитель с автоматической регулировкой усиления, полосовой фильтр, детектор уровня, микроконтроллер, устройство сигнализации, а также последовательно соединенные передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) и цифровой генератор, оптический коммутатор, первый и второй оптические ответвители, согласующее устройство, выход которого соединен со вторым входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, а вход с первым выходом микроконтроллера, второй выход которого соединен с входом управления оптического коммутатора, оптический выход которого является выходом устройства в ВОЛП, а оптический вход соединен с выходом первого оптического ответвителя, первый вход которого является входом устройства, а второй вход соединен с выходом ПОМ, оптический вход второго оптического ответвителя является оптическим входом устройства с ВОЛП, первый выход второго оптического ответвителя соединен со входом ПРОМ, а выход является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. На оптический вход от передатчика ВОСП поступают информационные оптические сигналы, которые через оптические ответвитель и коммутатор поступают на оптический выход в линию. Одновременно в ВОЛП через ответвитель поступают контрольные оптические сигналы, которые формируются цифровым генератором и ПОМ. После прохождения по ВОЛП, оптические сигналы поступают на вход устройства и через ответвитель 99-90% мощности сигнала поступает на оптический выход устройства. От 1 до 10% мощности сигнала поступает на оптический вход ПРОМ, где преобразуется в электрический сигнал. Из сигнала с помощью полосового фильтра выделяется одночастотный контрольный сигнал, который усиливается усилителем и детектируется детектором. В результате на вход микроконтроллера поступает контрольный уровень, величина которого пропорциональна амплитуде контрольного сигнала. Микроконтроллер через устройство обратной связи управляет величиной коэффициента усиления усилителя, устанавливая заданную величину контрольного уровня на своем входе вне зависимости от коэффициента передачи ВОЛП. После установки уровня сигнала и включения микроконтроллера в режим контроля, на электрический вход управления оптического коммутатора подается сигнал разрешения передачи информационных сигналов. Если микроконтроллер обнаружит попытку отвода оптического сигнала из ВОЛП, то он снимает сигнал разрешения с коммутатора и включает устройство тревожной сигнализации.
Недостатками вышеуказанного устройства являются:
- сложность реализации, связанная с большим количеством преобразований сигнала и с необходимостью регулировки коэффициента передачи приемной части устройства в зависимости от потерь в ВОЛП;
- низкая помехоустойчивость, обусловленная нестабильностью оптического сигнала передатчика, погрешностями при формировании и преобразованиях контрольного сигнала и величиной шума при максимальной чувствительности.
Устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание устройства комплексного контроля волоконно-оптических линий с повышенной помехоустойчивостью за счет устранения дополнительных преобразований сигнала и применения прямого измерения потерь по обратно рассеянному сигналу.
Достигаемым техническим результатом является улучшение качества контроля и обеспечение работы устройства в широком динамическом диапазоне коэффициента передачи между полюсами ВОЛП без использования регулировок в зависимости от потерь в ВОЛП.
Для достижения технического результата в устройстве комплексного контроля волоконно-оптических линий, содержащем оптический передатчик, оптический коммутатор, оптический выход которого является выходом устройства в волоконно-оптическую линию, а вход управления соединен с выходом управления микроконтроллера, выход сигнализации которого соединен со входом устройства сигнализации, новым является то, что дополнительно введены оптический демультиплексор и последовательно соединенные оптический мультиплексор, циркулятор, первый фотодиод и первый логарифмический усилитель, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера, выход передачи которого соединен со входом оптического передатчика, оптический выход которого соединен со вторым входом циркулятора, причем первый вход оптического мультиплексора является входом устройства, а выход мультиплексора соединен с оптическим входом коммутатора, вход оптического демультиплексора является входом с волоконно-оптической линии, первый его выход является выходом устройства, а второй выход - соединен со входом второго фотодиода, выход которого соединен со входом второго логарифмического усилителя, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера.
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет повысить его помехоустойчивость и обеспечить работу в широком динамическом диапазоне коэффициента передачи между оптическими полюсами ВОЛП.
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства комплексного контроля волоконно-оптических линий.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы заявляемого устройства.
На фиг. 3 представлена рефлектограмма, полученная на макете устройства.
Устройство комплексного контроля волоконно-оптических линий содержит оптический передатчик 6, оптический коммутатор 3, оптический выход которого является выходом устройства в волоконно-оптическую линию 4, а вход управления соединен с выходом управления микроконтроллера 7, выход сигнализации которого соединен со входом устройства сигнализации 15, оптический демультиплексор 11 и последовательно соединенные оптический мультиплексор 2, циркулятор 5, первый фотодиод 8 и первый логарифмический усилитель 9, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера 7, выход передачи которого соединен со входом оптического передатчика 6, оптический выход которого соединен со вторым входом циркулятора 5. Первый вход оптического мультиплексора 2 является входом устройства 1, а выход мультиплексора 2 соединен с оптическим входом коммутатора 3, вход оптического демультиплексора 11 является входом с волоконно-оптической линии 10, первый его выход является выходом устройства 12, а второй выход - соединен со входом второго фотодиода 13, выход которого соединен со входом второго логарифмического усилителя 14, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера 7.
п
и
п
з
т
з
з
т
к
Заявляемое устройство работает следующим образом. После включения напряжения питания U микроконтроллер 7 на передающем входе формирует короткие зондирующие импульсы длительностью Т с периодом следования Т, превышающим двойное время прохождения импульса через ВОЛП максимально допустимой длины (см. фиг. 2). Оптический передатчик 6 (см. фиг. 1) преобразует их в оптические импульсы, которые поступают на вход циркулятора 5, с выхода которого оптические импульсы через мультиплексор 2 и оптический коммутатор 3 поступают в ВОЛП. После отражения от оптического соединителя 10, расположенного на другом конце линии, импульсы поступают обратно на оптический полюс 4. После этого, через оптические коммутатор 3, мультиплексор 2 и циркулятор 5 оптические импульсы поступают на вход фотодиода 8, где преобразуются в фототок. Импульсы фототока усиливаются логарифмическим усилителем 9 и в виде импульсов напряжения с амплитудой, пропорциональной логарифму фототока, поступают на вход микроконтроллера 7. По временному отрезку между импульсами микроконтроллер 7 определяет двойное время прохождения излучения по ВОЛП. После этого, микроконтроллер 7 на передающем выходе, формирует зондирующие импульсы с длительностью Т, равной двойному времени прохождения излучения по ВОЛП (см. фиг. 2). Оптические импульсы с выхода передатчика 6 через циркулятор 5, мультиплексор 2, оптический коммутатор 3 поступают в ВОЛП. Отраженное и обратно рассеянное излучение с ВОЛП поступает обратно на полюс 4 устройства. После этого, через оптический коммутатор 3, мультиплексор 2, циркулятор 5 излучение поступает на фотодиод 8. После преобразования в фототок, усиления и логарифмирования сигнал поступает на вход микроконтроллера 7, где преобразуется в цифровую форму и обрабатывается по специальной программе. Период аналого-цифрового преобразования (АЦП) Т выбирается кратным длительности Т, то есть отношение Т/Т - целое число. Кроме того, излучение, которое распространяется по ВОЛП с противоположного полюса, попадает на входной полюс 10. С помощью оптического демультиплексора 11 выделяется излучение с длиной волны λ, которое принимается фотодиодом 13 и усиливается логарифмическим усилителем 14, с выхода которого сигнал поступает на вход микроконтроллера 7, где преобразуется в цифровую форму и обрабатывается по специальной программе.
д
к
и
В случае появления на рефлектограмме, сформированной микроконтроллером 7, локального дефекта с потерями, пропорциональными U,большими установленного порога, микроконтроллер 7 формирует сигнал отключения коммутатора 3 и включает сигнализацию 15. При этом устройство контроля работает на рабочей длине волны λ, а информационные сигналы передаются на длинах волн λ.
д
За счет использования зондирующего импульса с длительностью, полностью заполняющей ВОЛП, удается увеличить обратно рассеянное излучение до величины, обеспечивающей приемлемое отношение сигнал/шум. Поэтому не требуется длительное время для накопления и обработки сигналов как в обычной рефлектометрии. За счет использования логарифмического усилителя сокращается динамический диапазон входных сигналов микроконтроллера. Например, при изменении мощности обратно рассеянного сигнала на пять порядков, входной сигнал микроконтроллера изменяется всего в 5 раз. Кроме того, величина изменения сигнала от дополнительных потерь U постоянна во всем динамическом диапазоне входных сигналов. Поэтому дополнительной регулировки коэффициента передачи в приемной части устройства не требуется.
При использовании в устройстве контроля схемы по измерению прямого сигнала, мощность сигнала оптического передатчика является опорным сигналом. Поэтому шумы и помехи, вызванные внутренними и внешними факторами, складываются с обнаруживаемым сигналом, что сказывается на точности контроля локальных потерь в ВОЛП. Это не позволяет устанавливать низкий порог обнаружения и длительное время наблюдения. В заявляемом устройстве контролируется изменение наклона обратно рассеянного сигнала, который не зависит от изменений мощности оптического передатчика от внутренних и внешних воздействий. Поэтому можно устанавливать более низкий порог обнаружения, а так же увеличивать длительность времени наблюдения. Прямое детектирование используется только для обнаружения быстрого появления потерь в ВОЛП так, что влияние помех на точность контроля минимально.
Для проверки работоспособности заявляемого устройства был собран макет. Оптический передатчик был выполнен на излучателе LDI-DFB-1625-20/50, в качестве фотодиода использовался лавинный фотодиод APDI-55, (изготовитель «LasersCom», г. Минск). Оптические мультиплексоры ввода вывода и циркулятор были поставлены фирмой «Компонент», г. С-Петербург. Логарифмический усилитель был выполнен на микросхеме LOG114, устройство сигнализации - на светодиодах КИПД19Б, оптический коммутатор FY-1x2-SM. Обработка сигналов проводилась микроконтроллером dsPIC33FJ12GP201.
Испытания макета устройства подтвердили работоспособность заявляемого технического решения. На фиг. 3 приведена экспериментальная рефлектограмма, полученная при изгибе оптического волокна SFM-28e длиной 50,5 км на расстоянии 25,25 км от начала линии. Зондирование проводилось импульсом, соответствующим длине волокна. Измеренные прямым методом потери 5,6 дБ совпадают с удвоенной величиной потерь, полученной на рефлектограмме.