МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи и может быть использовано для передачи сигналов в системах, линии связи которых могут быть подвержены несанкционированному доступу, либо ионизирующему излучению, либо механическому воздействию, во всех тех случаях, когда требуется постоянный контроль качества канала связи и помимо определения факта внешнего воздействия необходимо нахождение самого участка, на котором это воздействие произошло, например: при организации волоконно-оптической связи между вычислительными машинами, когда требуется сохранить конфиденциальность и достоверность обмена информацией между рабочими местами; в тех случаях, когда связь невозможна по причине повреждения волокна, и в короткий срок необходимо выявить место возникновения неисправности и устранить ее; в системах, работающих в опасных зонах, в которых волоконный кабель может быть подвергнут ионизирующему излучению и для того чтобы это не сказалось на качестве связи восстановить облученную линию.
Известна (Пат. 2128885 Россия, МПК {6} Н 04 В 10/00. Воен. акад. ракет. войск стратег. назначения им. Петра Великого. N 97102852/09; Заявл. 24.2.97; Опубл. 10.4.99, Бюл. N 10. RU) волоконно-оптическая информационно-диагностическая система передачи, содержащая: передатчик, блок ввода оптических сигналов передатчика, с тремя входами, и приемник, соединенные оптическим кабелем (ОК) (при этом передатчик содержит источник информации, выход которого соединен с входом электронно-оптического преобразователя, выход которого, через блок ввода оптических сигналов, соединен с ОК), противоположный конец которого связан с фотоприемником информационного
сигнала. В составе передатчика имеется двухканальный оптический рефлектометр (ДОР), работающий на двух длинах волн, выход которого соединен со вторым входом блока ввода оптических сигналов, решающее устройство (РУ), импульсный оптический генератор и блок формирования импульсов запуска оптического генератора. Цифровой выход ДОР соединен с входом РУ, один из выходов которого соединен с входом управления ДОР, а второй выход РУ соединен с входом формирования импульсов запуска импульсного оптического генератора, оптический выход которого связан с третьим входом блока ввода оптических сигналов. В составе ДОР имеются: спектральный делитель, Y-образный оптический соединитель и два управляемых вентиля. Входы Y-образного соединителя оптически связаны с оптическими выходами электронно-оптического преобразователя и ДОР, а выход соединителя оптически связан с первым входом светоделителя ДОР, второй выход которого соединен оптическим волокном (OВ) с входом спектрального делителя, выходы которого оптически сопряжены с соответствующими фотодетекторами. Выходы фотодетекторов подключены к информационным входам первого управляемого вентиля, а информационные выходы второго управляемого вентиля подключены к входам электроннооптического преобразователя и ДОР. Выход первого вентиля соединен с входом блока обработки и формирования сигналов ДОР, один выход которого соединен с сигнальным входом второго вентиля, а второй с входом РУ, и управляющие входы обоих вентилей подключены к первому выходу РУ. В составе РУ имеются и последовательно между выходом входной буферной памяти и входом операционно-логического блока включены блок нормировки, блок логарифмирования и дифференцирующий блок. Первый выход операционно-логического блока через цифроаналоговый преобразователь подключен к управляющим входам вентилей ДОР; второй по входу блока обработки и формирования сигналов ДОР, а выходы оперативной памяти соединены со вторыми входами блока нормировки и дифференцирующего блока. Такая система наряду с передачей информации позволяет осуществлять диагностику состояния ОК, выявлять факт облучения его ионизирующим излучением, обнаруживать
ухудшение качества связи вследствие изменения со временем собственного затухания кабеля, определять место повреждения ОК, либо участка, подвергшегося облучению, повышению надежности линии в условиях воздействия ионизирующих излучений. Так же, иногда, такая система позволяет выявлять и определять факт и место несанкционированного доступа к ОВ.
Недостатком такой системы является то, что при отсутствии непрерывного контроля над состоянием линии связи, она допускает возможность организации труднообнаруживаемой ретрансляции, которая заключается во включении в волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) ретранслятора с введением длин кабеля, дополняющих оба отрезка кабеля до длины исходного таким образом, что их рефлектограммы будут идентичны.
Целью изобретения является повышение безопасности информации в ВОЛС.
Указанная цель достигается тем, что дополнительно включается идентичная волоконно-оптическая информационно-диагностическая система передачи в обратном направлении с тем отличием, что передача информации осуществляется на другой длине волны по тому же ОВ.
Кроме того, указанная цель достигается тем, что устройство ввода излучения и спектрально-селективный элемент реализуются спектральным демультиплексором/мультиплексором (СМ).
Кроме того, указанная цель достигается тем, что в состав волоконно-оптической информационно-диагностической системы передачи дополнительно введены: блок подстройки генератора (БПГ), опорный генератор (ОГ), блок задержки (БЗ) и блок отражения (БО). При этом выход и вход 1 БПГ соединены соответственно с входом и выходом 1 ОГ, входы 2 и 3 БПГ соединены, соответственно, с выходом фотоприемника и выходом приемника информации, а выходы 2 и 3 ОГ соединены, соответственно, с входом 2 РУ 5 и входом 2
электронно-оптического преобразователя, в котором внесены изменения, позволяющие управлять формируемыми оптическими сигналами. В ОВ между ДОР и СМ последовательно включен БО, вход которого соединен с выходом БЗ. Вход БЗ соединен с выходом РУ.
Кроме того, указанная цель достигается тем, что в состав решающего устройства, содержащего входную буферную память, синхронизатор, блок управления, оперативную память, операционно-логический блок и выходную буферную память, блок нормировки, блок логарифмирования и дифференцирующий блок дополнительно введены: блок контроля гаммы (БКГ), блок определения включения в линию связи (БОВЛС), источник гаммы шифрующей (ИГШ), преобразователь гаммы шифрующей (ПГШ), Блок направления передачи (БНП), блок идентификации сканирования (БИС), блок сигнализации включения в линию связи (БСВЛС), устройство хранения ключа (УХК) и устройство хранения типа станции (УХТС). При этом соединены последовательно выход с входом: выходная буферная память, БКГ, БОВЛС, ИГШ, ПГШ, БНП, БИС. Кроме того, выход БИС соединен со вторым входом БОВЛС, второй выход БОВЛС соединен с входом БСВЛС, выход УХК соединен со вторым входом ИГШ, выход УХТС со вторым входом БНП, а второй выход БНП со вторым входом БКГ. Это позволяет непрерывно, одновременно с зондированием, проводить идентификацию приемо-передающей станции на противоположном конце ОВ за счет введения большего количества параметров в обратно рассеянный сигнал. Под приемо-передающей станцией, понимается комплекс оборудования имеющийся на каждом конце ОВ.
Кроме того, указанная цель достигается тем, что изменен алгоритм функционирования ДОР. При этом, дополнительно, выполняются операции: перед формированием сканирующего импульса - получение из РУ значений двоичных гамм опознавания и запроса, подключение раздела запоминающего устройства БОФС ДОР (ЗУ БОФС), соответствующего значениям двоичных гамм опознавания и запроса, ожидание сигнала из БНП РУ на формирование сканирующего импульса; после сохранения в ЗУ БОФС отраженного сигнала в оцифрованном
виде - проверка готовности РУ к приему рефлектограммы, определение предположительного объема выборки; после сохранения в ЗУ БОФС рефлектограммы - освобождение памяти от неиспользованных отраженных оцифрованных сигналов; после получения неудовлетворительной оценки точности рефлектограммы - проверка наличия возможности увеличения объема выборки и, при наличии таковой, увеличение объема выборки и возврат к получению усредненного отраженного сигнала, а, при отсутствии таковой, игнорировать блок проверки удовлетворительной точности; после отображения рефлектограммы возвращение к операции подключения ПОМ к ОВ.
Принцип работы предлагаемой системы будет ясен из рассмотрения функциональных схем фиг.1-9 и нижеследующего описания.
На фиг.1 показана функциональная схема одной из двух одинаковых, с отличиями, оговоренными ранее, половин системы (ранее названная приемопередающей станцией), имеющейся на одном из оконечных пунктов, которая включает следующие основные элементы: источник сообщения 1, электронно-оптический преобразователь 2, CM 3, ДОР 4, РУ 5, схема формирования импульсов запуска 6, импульсный оптический генератор 7, согласующее устройство 8, подводящие 0В 9, оптический соединитель 10, OK 11, фотоприемник 14, приемник информации 15, БПГ 50, ОГ 51, БО 52, БЗ 53.
На фиг.2 представлена функциональная схема рефлектометра 4, состоящая из светоделителя 16, спектрально-селективного элемента 17, фотоприемников 18 и 19, Y-образного разветвителя 20, излучателей 21 и 22, вентилей 23 и 24, блока обработки и формирования сигнала 25, а также дисплея 26 и сигнально-индикаторного устройства 27.
На фиг.3 приведена схема решающего устройства 5, которое включает в себя следующие основные элементы: входную буферную память 29, блок нормировки 30, блок логарифмирования 31, дифференцирующий блок 32, операционно-логический блок 33, оперативную память 34, блок управления 35, синхронизатор 36, аналого-цифровой преобразователь 37 и выходную буферную
память 38, БКГ 54, БОВЛС 55, ИГШ 56, ПГШ 57, БНП 58, БИС 59, БСВЛС 60, УХК 61, УХТС 62.
На фиг.4 изображена примерная функциональная схема БОФС ДОР, который включает в себя следующие основные элементы. Блок управления БОФС 63; вычислитель 64; запоминающего устройства 65, аналогово-цифровой преобразователь БОФС 66.
На фиг.5 показана примерная блок-схема работы ДОР, реализующего импульсный локационный метод (метод обратного рассеяния [10]), которая установлена по материалам [1, 2, 3, 4, 5].
На фиг.6 представлена примерная усовершенствованная блок-схема работы ДОР, реализующего импульсный локационный метод (метод обратного рассеяния).
На фиг.7 приведена функциональная схема импульсного генератора 7 и согласующего устройства 8, которые включают в себя следующие основные элементы: активное вещество лазера (рубиновый стержень) 39, зеркала 40 и 41, лампа вспышки 42, импульсный источник питания 43, элемент задержки 44, оптический затвор 45, коллиматор 46 и фокон 47.
На фиг.8 изображена примерная блок-схема функционирования предлагаемой системы и решающего устройства 5 в условиях, когда кабель 11 на двух, не смыкающихся участках, подвергается воздействию ионизирующего излучения.
На фиг.9 показана примерная схема включения нарушителя в режиме труднообнаруживаемой ретрансляции, которая включает в себя следующие основные элементы: приемо-передающая станция на ближнем конце ОВ (ППСБКОВ) 70, приемо-передающая станция на дальнем конце ОВ (ППСДКОВ) 74, приемо-передающая станция нарушителя на дальнем конце ОВ (ППСНДКОВ) 73, приемо-передающая станция нарушителя на ближнем конце ОВ (ППСНБКОВ) 71, устройство реализации подмены информации (УРПИ) 72.
Электронно-оптические преобразователи 2 работают на различных длинах волн в пределах окон прозрачности для используемого ОВ, одна из которых выбирается вблизи длины волны отсечки соответствующего ОВ. Устройство ввода
излучения 3 представляет собой СМ.
В качестве основы ДОР может быть выбран, например, набор плат оптической рефлектометрии, реализующих контроль ОВ одновременно с передачей информации, выпускаемых ФГУП «Концерн «СИСТЕМПРОМ»» либо другим производителем и монтируемых в ЭВМ.
Решающее устройство 5 можно также реализовать на основе ЭВМ, путем ввода в нее специальной программы, структура которой рассмотрена ниже, а также управления вентилями 23, 24, БЗ 53 сигнальным устройством 27 и аналого-цифровых преобразователей для съема информации с фотоприемников 18, 19.
Блок формирования импульсов запуска 6 представляет собой последовательно включенные: программно-управляемый импульсный генератор, например, типа Г5-75, формирующий в соответствии с подаваемыми командами импульсы переменной частоты и длительности, усилитель напряжения.
Импульсный оптический генератор 7 - это лазер с электрооптическим затвором, который подключен к выходу усилителя напряжения блока формирования импульсов запуска 6. Согласующее устройство 8 представляет собой последовательно расположенные: коллиматор, уменьшающий площадь сечения выходного пучка, и фокон, сваренный с ОВ 9.
Основное назначение указанных на фиг.1 элементов следующее: источник сообщения 1 формирует электрический сигнал, содержащий необходимую информацию; электронно-оптический преобразователь 2 преобразует электрический сигнал в оптическое излучение; СМ 3 осуществляет волновое мультиплексирование; оптический соединитель 10 позволяет отсоединять оборудование при монтаже и регламенте; ОК 11 является средой распространения оптического излучения; фотодетектор фотоприемника 14 преобразует оптическое излучение в электрический сигнал; приемник информации 15 воспринимает электрический сигнал; БПГ производит корректировку ОГ; рефлектометр 4 осуществляет контроль состояния ОК 11; РУ 5 осуществляет общее управление элементами; БЗ 53 задерживает импульсы управляющие БО 52; БО 52 формирует
измененные условия отражения сканирующего импульса; импульсный оптический генератор 7 разрушает радиационные центры окраски в ОВ по команде блока формирования импульсов запуска 6; согласующее устройство 8 осуществляет ввод оптического излучения в ОВ; ОВ 9 соединяет согласующее устройство 8 и СМ 3.
Основное назначение приведенных на фиг.2 элементов ДОР 4 следующее. Светоделитель 16 предназначен для введения оптического излучения от излучателей 21 и 22 в ОВ и вывода из ОВ отраженного излучения; спектрально-селективный элемент 17 производит волновое демультиплексирование отраженного сигнала; фотоприемники 18 и 19 преобразуют оптическое излучение в электрический сигнал; Y-образного разветвителя 20 вводит оптическое излучение от излучателей 21 и 22, которые преобразуют электрический сигнал в сканирующий импульс; вентили 23 и 24 осуществляют коммутацию между излучателями 21 и 22; БОФС 25 осуществляет управление формированием сканирующего сигнала и анализ отраженного сигнала; дисплей 26 и сигнально-индикаторное устройство 27 осуществляют отображение информации.
Основное назначение представленных на фиг.3 элементов РУ 5 следующее. Входная буферная память 29 служит для предварительного хранения информации, поступающей из блока управления и формирования сигналов 25 рефлектометра 4. В случае необходимости эта информация по команде блока управления 35 переходит или в блок нормировки 30, или в оперативную память 34. Блок нормировки 30 осуществляет нормировку чисел, поступающих из буферной памяти 29 или оперативной памяти 34, используя значения констант, хранящихся в оперативной памяти 34. В блоке логарифмирования 31, производится вычисление натуральных логарифмов чисел, поступающих из блока нормировки 30, а дифференцирующий блок 32 производит численное дифференцирование функции заданной массивом чисел, следующих из блока логарифмирования 31. Для выполнения операции дифференцирования значение шага квантования аргумента этой функции переводится из оперативной памяти 34. Операционно-логический
блок (ОЛБ) 33 выполняет арифметические и логические операции по анализу массива чисел (преобразованной рефлектограммы) с выхода дифференцирующего блока 32 и, дополнительно, формирует измеренное значение гаммы опознавания в АЦП 37. Синхронизатор 36 и блок управления 35 осуществляют общее управление работой решающего устройства 5, а АЦП 37 преобразует аналоговые электрические сигналы в цифровые коды, формируемые ОЛБ 33, которые направляются в выходную буферную память 38. БКГ 54, сравнивая значение принятой гаммы опознавания из выходной буферной памяти 38 и значения гаммы опознавания из БНП 58 за минимально допустимый период безошибочной работы, который выражается в минимально допустимом количестве последовательно совпадающих символов гамм поступающих из выходной буферной памяти 38 и значения гаммы опознавания из БНП 58, формирует сигнал в БОВЛС 55 о результатах сравнения. УХК 61 осуществляет хранение ключа, на основе которого в ИГШ 56 по сигналам от синхронизируемого ОГ 51 формируется шифрующая гамма, которая направляется в ПГШ 57, где преобразуется в гаммы запроса, направления и опознавания, а так же формируется в псевдослучайный момент времени, с учетом возможностей ВОСОИ, импульс разрешения сканирования, которые направляются в БНП 58, а БНП 58, в зависимости от информации о типе станции (информация о том, на каком конце ОВ находится конкретный комплекс) в УХТС 62, осуществляет коммутацию направления следования импульсов от ПГШ 57 между ДОР 4 и БЗ 53, а так же коммутацию сигналов от фотоприемников 18, 19 ДОР 4 в БИС 59. БИС 59 по сигналам от БНП формирует результат сравнения сигналов от фотоприемников 18, 19, а результат направляет в БОВЛС 55, в котором, на основе сигналов от БИС 59 и БКГ 54, делается вывод о наличии включения в ОВ. При положительном выводе, формируется сигнал на запрет формирования гаммы, а так же информации о наличии включения в ОВ, которая отображается с помощью БСВЛС.
Основное назначение показанных на фиг.4 элементов БОФС 25 следующее. Блок управления БОФС 63 осуществляет управление измерением отраженного
сигнала, его обработкой и отображением; вычислитель 64 осуществляет усреднение результата измерений в соответствующем разделе запоминающего устройства 65, который преобразуется из аналогового вида в цифровой с помощью АЦП БОФС 66.
Основное назначение изображенных на фиг.7 элементов импульсного генератора 7 и согласующего устройства 8 следующее. Зеркала 40 и 41 образуют резонатор, в котором размещено активное вещество лазера 39. Возбуждение активного вещества 39 осуществляется от лампы вспышки 42, питаемой от импульсного источника 43. Между рабочим веществом и одним из зеркал установлен оптический затвор 45, подключаемый к усилителю напряжения блока формирователя сигналов запуска 6 через элемент задержки 44. Источник накачки 43 подключается непосредственно к выходу программируемого генератора блока формирования 6. Задержка импульса, подаваемого на затвор 45, необходима для того, чтобы обеспечить наиболее эффективный режим работы системы накачки лазера. Согласующее устройство 8 включает коллиматор 46, уменьшающий площадь сечения выходного пучка, и фокон 47, сваренный с ОВ 9.
При малой апертуре ОВ импульсный генератор 7 может быть заменен полупроводниковым лазером с достаточной мощностью излучения.
Функционирует предлагаемая система следующим образом. На одной из двух станций источник сообщения 1 формирует электрический сигнал, содержащий необходимую для передачи информацию, который поступает на вход электронно-оптического преобразователя 2. Электронно-оптический преобразователь 2 содержит усилительно-согласующие элементы и оптический излучатель, например полупроводниковый лазер, генерирующий излучение в синхронизируемый ОГ 51 момент на длине волны прямой передачи. Это излучение, с помощью согласующего элемента (например, градиентной линзы) вводится в первое плечо СМ и затем через оптический соединитель 10 попадает в ОВ ОК 11.
На другой станции аналогично формируется сигнал в ОВ на длине волны
обратной передачи, после оптического соединителя 10 демультиплексируется СМ, попадает на фотодетектор фотоприемника 14. В фотоприемнике 14 оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал, который воспринимает приемник информации 15. На основе принятой информации и сигнала о приеме оптического импульса УПГ 50 производит корректировку ОГ 51. На другой станции производятся аналогичные операции для информации, на длине волны прямой передачи.
Наряду с передачей информации в системе непрерывно осуществляется контроль состояния ОК 11. Для этого, по команде РУ 5, включается ДОР 4, формирующий оптический импульс, который, через второе плечо СМ и оптический соединитель 10, попадает в ОВ ОК 11. Распространяясь по ОВ ОК 11, часть излучения рассеивается на неоднородностях сердцевины назад к ДОР 4. В зависимости от значения гаммы запроса, рефлектометр 4 производит анализ состояния кабеля 11 на соответствующей длине волны. При значении гаммы запроса, соответствующем запросу на первой длине волны, с выхода БНП 58 решающего устройства 5 на вентили 23 и 24 подается управляющее напряжение, переключающее вентили 23 и 24 в такое состояние, что к блоку обработки и формирования сигнала 25 рефлектометра 4 оказываются подключенными излучатель 21 и фотоприемник 18, работающие на первой длине волны. При значении гаммы запроса соответствующем запросу на второй длине волны, с выхода БНП 58 решающего устройства 5 на вентили 23 и 24 подается управляющее напряжение, переключающее вентили 23 и 24 в такое состояние, что к АЦП 66 БОФС 25 и блоку управления 63 БОФС ДОР 4 оказываются подключенными соответственно излучатель 22 и фотоприемник 19, работающие на второй длине волны. По сигналу от блока управления 63 БОФС через вентиль 23 излучателем 21 формируется сканирующий импульс, который через Y-образный разветвитель 20, светоделигель 16, БО 52, CM 3 и оптический соединитель 10 направляется в ОВ ОК 11. Отраженный от неоднородностей (при прохождении сканирующего импульса вдоль ОВ) или от БО 52 (на противоположном конце ОВ), сигнал из ОВ, через
оптический соединитель 10, CM 3, БО 52, светоделитель 16 и спектрально-селективный элемент 17, преобразуется в фотоприемнике 18, и, через вентиль 23 передается в АЦП 66, где оцифровывается под управлением блока управления 63. Оцифрованный сигнал направляется в раздел запоминающего устройства 65, соответствующий текущим значениям гамм опознавания и запроса. При наличии сигнала готовности к приему рефлектограммы в запоминающем устройстве 65, вычислитель 64 под руководством блока управления 63, осуществляет усреднение результата измерений в соответствующем разделе запоминающего устройства 65. Результат усреднения направляется в запоминающее устройство 65, откуда во входную буферную память 29 и, через блок управления 63, на дисплей 26. При другом значении гаммы опознавания действия выполняются аналогичные вышеописанным, но с тем отличием, что подключается другой раздел памяти рефлектограмм. При значении гаммы запроса, соответствующей запросу на второй длине волны производятся аналогичные действия вышеописанным, но с тем отличием, что подключаются, соответственно, другие два раздела памяти рефлектограмм. ДОР 4. Одна из длин волн выбрана вблизи длины волны отсечки меньше длин волн обмена информацией потому, что, во-первых, на меньших длинах волны радиационная чувствительность (изменение оптических потерь на единицу дозы облучения) большинства современных ОВ больше, чем на больших длинах волн, что позволяет обнаруживать факт облучения кабеля при более низких уровнях радиации, а во-вторых, при изгибах или ином механическом воздействии оптический сигнал на этой длине волны высвечивается в первую очередь. При этом протяженность ОК такова, что она может быть полностью перекрыта динамическим диапазоном ДОР 4 на обеих длинах волн. Очевидно, что интервал времени между моментами формирования двух очередных рефлектограмм по алгоритму, указанному на фиг.6, определяется быстродействием решающего устройства и, очевидно, может быть меньше времени накопления прибора -1...3 мин. Результаты анализа состояния ОВ ОК 11 в виде четырех рефлектограмм (формируемых отдельно для каждой пары значений гамм запроса и опознавания) выводятся на экран дисплея 26 рефлектометра 4 и, одновременно, в цифровой
форме через выходной интерфейс поступают в буферную память 29 решающего устройства 5. На противоположном конце ОВ с задержкой, формируемой БЗ 53, соответствующей времени распространения сканирующего импульса, на длине волны, соответствующей значению гаммы запроса, с помощью БО 52 формируются измененные условия отражения сканирующего импульса, соответствующие значению гаммы опознавания; кроме того, БНП 58 подключает выходы фотоприемников 18, 19 к входам БИС 59.
Каждое слово кодовой последовательности, поступающей из рефлектометра 4 в решающее устройство 5, представляет собой число, значение которого пропорционально интенсивности отраженного сигнала на входе фотоприемника 19 (18). В первом приближении можно считать, что сигнал на входе фотоприемника 19 описывается законами Бугера-Ламберта и Рэлея:
0
p
0
0
a(t)=A·k·exp{-α*(t-t)*c}; (1)
0
где А - амплитуда зондирующего импульса;
p
k - коэффициент рэлеевского рассеивания.
t - задержка отраженного импульса, относительно зондирующего, обусловленная прямым и обратным прохождением его через OВ;
0
α - коэффициент затухания OВ, Дб/км.
Выражению (1) можно сопоставить аналогичное, где временная координата заменена пространственной
0
p
0
0
а(t)=A·k·exp{-α*(x-x)};
где х - расстояние от входного торца OВ кабеля 11, которому соответствует уровень оптической мощности, пропорциональный величине а.
ДОР 4 - цифровой прибор и поэтому значение интенсивности отраженного сигнала в нем определяется с некоторой дискретностью по времени (или, что то же самое, по расстоянию), шаг которой зависит от разрешающей способности (длительности зондирующего импульса) прибора. Таким образом, рефлектограмма, переписанная в буферную память 29 решающего устройства 5, представляет собой
одномерный массив чисел - а[1:М], каждое из которых определяется соотношением:
0
0
j
a[j]=A*exp{-α*x}.
После этого начинается обработка этого массива, который, по командам блока управления 35, вводиться в блок нормировки 30. В блоке нормировки 30 осуществляется нормировка массива в соответствии с операндом:
*
0
а[j]=а[j]/A;
0
значение А поступает из оперативной памяти 34. В блоке логарифмирования 31 вычисляется натуральный логарифм a*[j]
0
j
ln{a*[j]}=-α*x.
В дифференцирующем блоке 31 осуществляется определение производной дискретной функции ln{а*[j]) (или, иными словами, определяется затухание OВ):
*
j
j
j
j-1
j
d/dx{ln(а[j])}=[-α*х-(-α*x)]/Δх=-α.
Значение Δх зависит от технических характеристик рефлектометра, его разрешающей способности и вводится в дифференцирующий блок 32 из оперативной памяти 34.
j
j
Из дифференцирующего блока 32 значения затухания -α, связанные с конкретным участком OВ, по командам блока управления 35 передаются в ОЛБ 33, который осуществляет анализ последовательности значений α, методами цифровой фильтрации [8] и по результатам анализа делает заключение о состоянии OВ и распределении неоднородностей ОК 11, а также измеренном уровне отражения от противоположного конца OВ на заданной гаммой запроса длине волны.
Последовательность операций и процедур, выполняемых ОЛБ 33, следующая:
- определяется распределение неоднородностей различного типа («отражающие объекты», «не отражающие объекты», «зоны повышенного затухания») методами согласованной цифровой фильтрации [6];
- сравнивается распределение и уровни неоднородностей с эталонным
в пределах допустимых отклонений.
Рассмотрим теперь, как функционирует предлагаемая система и решающее устройство 5 в условиях, когда кабель 11 на двух, не смыкающихся участках, подвергается воздействию ионизирующего излучения  (фиг.8). В этом случае в OВ образуются радиационные центры окраски, приводящие к увеличению радиационно-наведенных потерь облученных участков. Это приведет к тому, что на рефлектограмме, которая выводится на экран дисплея ДОР 4, возникают участки, крутизна которых (по абсолютной величине) больше крутизны необлученных участков. Соответствующим согласованным фильтром определяются «зоны повышенного затухания» как совокупность участков, на которых происходит повышение и понижение затухания. Оператор, уже по экрану дисплея 26, может уточнить расстояние до облученных участков и их длину.
j
После переписи рефлектограммы из блока обработки и формирования сигнала 25 рефлектометра 4, в решающее устройство 5, начинается ее анализ в соответствии с программой, описанной выше. В этом случае, на одном из шагов анализа распределения неоднородностей, возникает ситуация, когда сигнал от согласованного с началом участка повышенного затухания фильтра превышает сигналы от остальных согласованных фильтров и пороговое значение, что означает, что программа "подошла", в ходе анализа, к началу участка, подвергнувшегося облучению (или иному воздействию). В программе "включается" счетчик и начинается подсчет числа шагов, а, следовательно, определение длины участка OВ, на котором затухание и α отличается от предыдущих значений. Далее, как только будет обнаружен аналогичным вышеописанному образом участок понижения затухания, счетчик числа дискретных элементов рефлектограммы облученного участка OВ "останавливается" и определяется их общее число на облученном участке. А процесс анализа продолжается дальше, до тех пор, пока программа не "дойдет" до следующей точки излома рефлектограммы, характеризующей начало второго облученного участка.
По окончании анализа всей рефлектограммы, происходит определение
радиационно-наведенных потерь и поглощенной дозы на облученных участках по следующим алгоритмам:
определение радиационно-наведенных потерь
0
обл
P=ΔLα
0
0
где ΔL=ΔIN
обл
α - удельное затухание облученного участка ОВ как разность между эталонным и реальным удельным затуханием, получающееся в программе в соответствии с алгоритмом (фиг.8)
ΔI - шаг квантования по длине рефлектограммы, определяемой разрешающей способностью рефлектометра,
N - число шагов, накопленное в «счетчике» программы, при анализе облученного участка OВ, пропорционально его длине,
определение поглощенной дозы
0
D=dΔL
где d - радиационная чувствительность OВ кабеля 11 - (P/m) определяемая заранее опытным путем на моделирующих установках.
Кроме того, в программе предусматривается раздел для вычисления расстояния до облученных участков по алгоритму
0
I=ΔIМ
где М - число шагов программы до момента, когда будет обнаружен участок излома рефлектограммы с увеличением затухания.
Значение I, ΔL, Р, и D, а так же информация о готовности к анализу рефлектограммы из ОЛБ 33, через АЦП 37 и выходную буферную память 38 из РУ 5, пересылаются в БОФС 25 ДОР 4, который затем формирует управляющие сигналы и выводит их на экран дисплея 26 ДОР 4 для  визуального контроля указанных величин.
min
min
s
После определения суммарных (на всех участках) радиационно-наведенных потерь Ps, в ОЛБ 33 происходит сравнение этой величины с запасом энергетического потенциала ДОР 4 на меньшей длине волны - P путем анализа разности Р-Р. Если выполняется условие
min
s
P-P≅ΔP (2)
где ΔР - заранее заданная величина, определяемая надежностью приема отраженного и передаваемого сигнала.
то ОЛБ 33 формирует сигнал на ДОР 4, который отображает соответствующую информацию на дисплее, о достижении максимального уровня радиационно-наведенных потерь (что означает, помимо возможности неустойчивого обмена информацией между приемниками и передатчиками на концах OВ, предельное снижение точности рефлектометрических измерений, а, следовательно, возможность нарушения работоспособности канала контроля отсутствия несанкционированного доступа к OВ).
i
i
i
i
Кроме того, ОЛБ 33 РУ 5, в зависимости от числа облученных участков ОК 11 и поглощенной ими дозы D, формирует команду, поступающую в блок формирования импульсов запуска 6, генерирующий импульсы, длительность которых t пропорциональна дозе поглощенной i-ым облученным участком кабеля, а их число равно числу облученных участков кабеля. Временной интервал между импульсами ΔT устанавливается в зависимости от времени релаксации (разрушения) радиационных центров окраски. Этот интервал зависит от материала сердцевины кабеля и длины волны излучения импульсного лазера 7. При определении длительности ΔT, кроме того, учитывается мощность оптического генератора 7 и расстояние, которое должен пройти импульс в OВ до облученного участка. В первом приближении величина t может быть определена из соотношения
i
i
ген
г
i
2
kD=t*P*α *ΔL*I;
где
k - коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективность воздействия излучения генератора 7 на радиационные центры окраски на единице длины OВ определяемый экспериментальным путем для заданных типов OВ и
длин волн излучения генератора 7;
ген
Р - мощность генератора 7;
г
α - погонное затухание OВ на длине волны генератора 7;
i
ΔL - длина облученного участка;
I - расстояние от входного конца ОК до облученного участка;
i
ген
Если требуемая энергия импульса генератора 7-t*P, будет превышать предельную минимальную энергию разрушения для данного типа ОВ, то в этом случае решающее устройство 5 формирует несколько импульсных последовательностей с тем, чтобы энергия каждого из импульсов не превышала допустимой. Под воздействием импульсов излучения генератора будет происходить разрушение радиационно-наведенных центров окраски в ОВ, и его затухание будет уменьшаться. Если скорость роста радиационно-наведенных потерь под воздействием ионизирующего излучения будет меньше скорости их релаксации, решающее устройство будет формировать импульсы все меньшей длительности, а по достижении некоторого значения суммарных потерь ОВ, прекратит формирование импульсов запуска генераторов. В противном случае затухание ОВ будет возрастать и, по достижении некоторого значения, решающее устройство выдаст команду на индикатор, сигнализирующую о том, что работоспособность системы находится на предельном значении.
Таким образом, система позволяет не только выявить факт облучения линии ионизирующим излучением, но и повысить ее надежность за счет ввода в ОВ оптического излучения, разрушающего радиационно-наведенные центры окраски.
Рассмотрим, каким образом в предлагаемой системе выявляются несанкционированный доступ к кабелю и его механические повреждения. Экспериментально установлено, что если на небольшом участке удалить направляющую оболочку ОВ, либо изогнуть ОВ (с целью получить доступ к излучению, несущему информацию), то это приведет к изменениям в рефлектограмме. В соответствующем ее месте появится небольшой "уступ" вниз, обусловленный возрастанием потерь из-за утечки из сердцевины в оболочку.
Следовательно, оператор, наблюдающий за экраном дисплея 26 ДОР 4, сможет обнаружить этот дефект на рефлектограмме и определить расстояние до него. Точно также он сможет обнаружить и трещину, возникшую в сердцевине ОВ. Отличие будет только в том, что трещина проявит себя в виде всплеска на рефлектограмме, поскольку интенсивность рассеянного назад излучения, из-за отражения на торцах трещины резко возрастает по сравнению с отражением на неоднородностях материала. Кроме визуального, по экрану дисплея рефлектометра 4, анализ состояния ОВ ведет решающее устройство 5, которое идентифицирует соответствующие неоднородности согласованными с ними цифровыми фильтрами.
Если сигнал от соответствующего согласованного фильтра превышает сигнал от остальных фильтров, то это свидетельствует о том, что на рефлектограмме обнаружена соответствующая неоднородность: например участок со снятой оболочкой или трещиной.
В случае, когда нарушитель пытается включиться в режиме труднообнаруживаемой ретрансляции с включением дополнительных длин ОВ (фиг.9) без доступа к ключевым данным и без сканирования входа ППСДКОВ 74 (т.к. этому противодействует БИС 59), он не в состоянии своевременно сформировать необходимые условия отражения на входе ППСНБКОВ 71 либо запрос на длине волны, соответствующей гамме шифрующей, на выходе ППСНДКОВ 73 т.к. эта информация приходит в ППСНДКОВ 73 и ППСНБКОВ 71 в тот момент, когда она должна прибыть уже в ППСБКОВ 70 и ППСДКОВ 74 соответственно. При анализе обратно рассеянного сигнала, очевидно, будет выявлен «отражающий объект». Но, в отличие от других неоднородностей, расстояние до противоположного торца ОВ известно, а, следовательно, известен и номер элемента М преобразованного массива рефлектограммы, характеризующий уровень всплеска. Таким образом, последний участок рефлектограммы, полученный в ППСБКОВ 70, будет содержать значение всплеска, вызванного отражением сканирующего импульса от БО 52, не отвечающее значениям гаммы шифрующей за минимально допустимый период безошибочной работы (т.к. в шифрующей гамме значения алфавита гаммы равновероятны), а это значит, что с
вероятностью, равной вероятности неугадывания определенного в БКГ 54 числа последовательных символов шифрующей гаммы, нарушитель будет обнаружен. Это приведет к срабатыванию БКГ 54 и прекращению формирования шифрующей гаммы, а, следовательно, и срабатыванию БКГ 54 на противоположном конце ОВ. В обратном направлении система будет функционировать аналогично. Таким образом, модель секретной системы Симмонса [7, 11] сводится к модели секретной системы Шеннона [9] т.е. снижается вероятность включения нарушителя как ретранслятора, а, следовательно, количество и вероятность реализации угроз безопасности информации.
Следовательно вышеуказанная ветвь (фиг.8) будет содержать, после проверки условия (2), дополнительно следующие операции:
проверяется выполнение условия
j=M (3)
Если условие (3) выполняется, то это свидетельствует о том, что на рефлектограмме обнаружен всплеск отраженного от противоположного торца ОВ сканирующего импульса и проверяется выполнение условия:
м
**
α-α>0 (4)
**
м
где α - заранее заданная величина, которая определяется как среднее арифметическое двух значений α, при условиях отражения сформированных в БО 52 на противоположном конце ОВ, соответствующих двум возможным значениям гаммы опознавания.
В противном случае это означает, что обнаружен участок со снятой оболочкой или трещиной.
В зависимости от выполнения условия (4) делается вывод о том, какие средние условия отражения за последний, достаточный для оценки рефлектограммы (при значениях гамм запроса и опознавания соответствующих текущему) период, были сформированы в БО 52 на противоположном конце ОВ. Значение предполагаемой гаммы направляется БКГ 54, в котором производится проверка соответствия реальному значению, поступающему из БНП 58. Если предполагаемая и реальная гаммы опознавания не соответствуют друг другу, то
делается вывод о несоответствии длины ОВ определенному в документации, а, следовательно, о наличии труднообнаруживаемой ретрансляции.
Чтобы исключить возможность предварительного сканирования условий отражения в БО 52 применяется БИС 59, в котором сверяется реальная гамма запроса и измеренная, а также проверяется наличие сканирующего сигнала только на одном из двух фотоприемников 18, 19 ДОР 4. При невыполнении этих условий делается вывод об активных действиях нарушителя по ретрансляции информации и формируется сигнал в БОВЛС 55 о сканировании БО 52. Чтобы исключить возможность предварительного сканирования, введя рассогласование в процесс обмена, применяется точная синхронизация приемо-передающих станций между собой по дуплексному каналу передачи информации посредством блоков БПГ 50 и ОГ 51 на основе избыточной информации, циркулирующей в дуплексном канале и сигнала о моменте приема импульса.
Если условие (3) не выполняется, решающее устройство 5 формирует команду, которая поступает на сигнально-индикаторное устройство 27 рефлектометра 4 о локальном изменении характеристик ОВ кабеля 11. В тех случаях, когда будет обнаружено достаточно быстро (в течение нескольких минут) меняющееся во времени изменение затухания участка кабеля, формируется сигнал, предупреждающий об облучении линии ионизирующим излучением. Во всех случаях, как только решающее устройство 5 обнаружит неоднородность, оно формирует команду для подачи предупредительного сигнала.
Анализ изменения состояния кабеля под воздействием внешних условий производится решающим устройством 5 точно так же, как и при определении степени воздействия на него ионизирующих излучений. В случае если суммарные потери в кабеле превысят заранее заданную величину, решающее устройство 5 формирует соответствующую команду для подачи необходимых сигналов на индикатор-сигнализатор 27 рефлектометра 4.
Таким образом, как показывает приведенное описание, предлагаемая система позволяет наряду с передачей информации осуществить контроль состояния ОК, с большей вероятностью 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.
Источники информации
1. Бутусов М.М., Верник С.М., Галкин С.Л. и др.; Под ред Гомзина В.Н. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь. - 1992. - 416 с.: ил.
2. ГОСТ 26814-86
3. Григорьянц В.В., Чамровский Ю.К. Диагностика волоконных световодов методом обратного рассеяния в // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - 1982. - т.29. - с.47-78.
4. Григорьянц В.В., Чамровский Ю.К., Исаев В.А., Шатров А.Д. Характеристики обратного рассеяния в волоконных световодах // Квантовая электроника, 10, №4 (1983). - с 766-773.
5. Иоргачев Д.В., Бондаренко О-В. Волоконно-оптические кабели и линии связа. - М.: Эко-Трендз, 2002.
6. Кузьмин И.В., Кедрус В.А. Основы теории информации и кодирования. Киев, издательское объединение "Вища школа", 1977, 280 с.
7. Месси Дж. Л. Введение в современную криптологию// ТИИЭР, т.76, №5, май 1988. - С.25-42.
8. Солонина А. И., Улахович Д. А., Арбузов С. М., Соловьева Е. Б., Гук И.И. Основы цифровой обработки сигналов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 608 с.: ил.
9. Шеннон К. Теория связи в секретных системах // В кн.: Работы по теории информации и кибернетике. - М.: ил, 1963.
10. Barnoski J.K., Jensen S.М., "Fiber waveguides: A novel technique for investigation attenuation characteristics", Appl. Opt., vol.15, pp.2112-2115, 1976
11. Simmons G.J. Autentication theory/coding theory in Advences in Cryptology, Proseedings of CRYPTO 84, G.R.Blackley and D.Chaum, Eds. Lecture Notes in Computer Science, №196. New York, NY: Springer, 1985, pp.411-431.