СПОСОБ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ
REFLECTOMETRY METHOD FOR DETERMINING FIBRE-OPTIC CABLE EXPOSURE

Изобретение относится к волоконной оптике и основано на использовании высокочувствительного эффекта зависимости фазовых, фазово-поляризационных, амплитудных и частотных характеристик величины возвращаемых сигналов, образованных при прохождении части зондирующего импульса лазерного излучения через оптическое волокно в прямом и обратном направлении, от физических воздействий (например, механических), оказываемых на него, и может быть использовано в системах защиты периметра малых и протяженных территорий, а также помещений от несанкционированного доступа.
Известен способ рефлектометрического измерения воздействия на оптоволоконный кабель, заключающийся в том, что подают зондирующие импульсы от генератора лазерного излучения приемно-передающего блока в транспортный кабель и далее в чувствительный элемент посредством устройства, позволяющего контролировать периметр территории посредством сенсорной системы позиционирования когерентного рефлектометра, содержащего источник света, приемник, оптический усилитель, несимметричный интерферометр Маха-Цендера и оптический чувствительный кабель, при этом амплитуда и фаза сигнала обратно отраженного светового сигнала от участков волокна позволяют получить информацию о воздействии на кабель, а посредством интерферометра демодулируют фазовую информацию, при этом информация включает в себя амплитудную информацию, связанную с потерями, и фазовую информацию, вызванную внешними нарушениями, а несбалансированный интерферометр Маха-Цендера демодулирует фазовую информацию, реализуя сигнал защиты и местоположения, причем интерферометр имеет разницу в плечах больше, чем длина импульса лазера, что позволяет использовать данное устройство для определения безопасности и расположения линии связи, предотвращения вторжения на охраняемую территорию (см. патент CN №101441092, кл. G01S 17/00, опубл. 27.05.2009).
Однако отсутствие фазового демодулятора не позволяет проводить восстановление распределения фазы оптического сигнала вдоль кабеля, что снижает точность измерения воздействия и определение точного места воздействия на оптоволоконный кабель.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ рефлектометрического измерения воздействия на оптоволоконный кабель, заключающийся в том, что подают зондирующие импульсы от генератора лазерного излучения приемно-передающего блока в транспортный кабель и далее в чувствительный элемент (см. патент US №7502120, кл. G01B 9/02, опубл. 10.03.2009).
Однако сложность данного способа рефлектометрического измерения, связанная с использованием отдельного источника и преемника сигналов, сужает область использования данного способа измерения.
Задачей изобретения является устранение выявленных недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается возможность использования малой части мощности зондирующего импульса, ответвляемой к чувствительному элементу для гарантированного получения четко различаемой по качественным характеристикам информации о сигналах отражения или возвращения, составляющий от 1 до 2% от исходного значения мощности на выходе рефлектометра, что позволяет совмещать в одном кабеле функции транспортной части и функции чувствительного элемента.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ рефлектометрического измерения воздействия на оптическое волокно с использованием метода интерференции заключается в том, что зондирующие импульсы от источника лазерного излучения приемно-передающего блока подают в транспортное волокно и далее в чувствительный элемент, при этом часть мощности зондирующих импульсов подают из транспортного волокна в чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполняют из оптического волокна, оба конца которого подключают к сплиттеру с образованием петли из двух одинаковых встречных путей прохождения части мощности лазерных импульсов, при этом по двум встречным путям чувствительного элемента подают разделенные части зондирующих импульсов во встречном направлении, пропускают их друг сквозь друга без взаимодействия и направляют на вход сплиттера в обратном направлении, после сплиттера разделенные лазерные импульсы складываются и при наличии сдвига фазы между ними интерферируют между собой, затем направляются в приемно-передающий блок, по тому же транспортному пути в обратном направлении, где проводят измерения величины возвращенных лазерных импульсов и преобразования в цифровой код, по значению динамики изменения амплитуды лазерных импульсов делают вывод о наличии воздействия на чувствительный элемент и силе этого воздействия, причем часть мощности зондирующего импульса регулируют таким образом, чтобы возвращенный сигнал не превышал предельно допустимого уровня на входе приемного устройства.
Метод построения оптической системы данного рефлектометрического измерителя воздействия на оптическое волокно заключается в образовании замкнутых оптических контуров, обеспечивающих оптическое усиление динамических свойств возвращаемых сигналов. Оптическое усиление возвращаемых сигналов, соответствующих силе воздействия на волокно, обеспечивается за счет образования встречно-направленного пути прохождения разделенного зондирующего импульса таким образом, чтобы они складывались на сплиттере, с которого производилось разветвление исходного импульса, при этом идентификация (адресация) сигналов возвращения (отражения) от чувствительных элементов и оптических датчиков осуществляется однозначным соответствием между дальностью размещения самой дальней точки чувствительного элемента или расстоянием до самой дальней точки оптического датчика и временем поступления возвращенного сигнала на вход приемного устройства, При построении системы учитываются длительность зондирующего импульса, линейные размеры чувствительных элементов и транспортного волокна, с целью предотвращения наложения возвращаемых сигналов во времени.
Сигналы отражения или возвращения формируются в результате прохождения зондирующего импульса через разветвленную оптическую систему, на ответвлениях которой размещены оптические датчики или чувствительные элементы, состоящие из оптического волокна оптоволоконного кабеля, в частности стандартного одномодового, образующего в оптической цепи равнозначные встречно направленные пути прохождения части зондирующего импульса, сходящиеся в обратном направлении на сплиттере.
В качестве транспортного волокна представляется возможность использовать отрезок одномодового кабеля, закрепляемого на конструкции или укладываемого в грунт, обеспечивающий доставку сигналов зондирующего импульса к чувствительному элементу и передачу возвращенных сигналов на вход приемного устройства, а в качестве чувствительного элемента, состоящего из того же оптического волокна, использовать отрезок одномодового кабеля, закрепляемого на конструкции, в частности на ограждении охраняемого объекта, обеспечивающий в комплекте с оборудованием высокую и избирательную чувствительность к физическим воздействиям, оказываемым на сам чувствительный элемент или конструкции на которых он закреплен.
На чертеже представлен схематически рефлектометрический измеритель воздействия на оптоволоконный кабель для реализации способа рефлектометрического измерения воздействия на оптическое волокно с использованием метода интерференции.
Рефлектометрический измеритель воздействия на оптоволоконный кабель содержит транспортный кабель 1 в виде одной оптической жилы отрезка одномодового кабеля для транспортировки лазерных импульсов в прямом и обратном направлении, соединенный одним из концов с приемно-передающим блоком 2, выполненным в виде рефлектометра, и соединенный с транспортным волокном 1 оптическим контактом с помощью сплиттера 3 и сплиттера 10, чувствительный элемент 4, выполненный в виде отрезка оптоволоконного кабеля.
Соединение волокон чувствительного элемента 4 с транспортным волокном 1 выполнено на сплиттере 10 с возможностью образования двух одинаковых по длине и форме встречных путей прохождения части мощности лазерных импульсов транспортного волокна 1 и возвращающихся по тем же волокнам к месту соединения посредством сплиттера 10. Соединение с транспортным волокном возвращенных импульсов 1 производится на сплиттере 3.
Длина и форма пути оптических волокон чувствительного элемента 4 выбраны с возможностью прохождения лазерных импульсов без превышения допустимой величины затухания установленных значений, причем приемно-передающий блок 2 выполнен с совмещенным вводом-выводом лазерных импульсов и возможностью регистрации возвращенных по чувствительному элементу 4 и транспортному волокну 1 по тому же пути в обратном направлении лазерных импульсов с последующей оцифровкой величины мощности возвращенных лазерных импульсов и математической обработкой их для разграничения данных о величине помех и о факте физического воздействия на чувствительный элемент 4 в отношении конструкции (не показана на чертеже), на которой закреплен чувствительный элемент 4 с характеристиками, превышающими установленные значения, вызванными воздействием нарушителя на конструкцию.
Заявленный способ рефлектометрического измерения воздействия на оптоволоконный кабель реализуется следующим образом.
Зондирующий импульс (см. фиг. 1 поз 6) поступает от генератора лазерного излучения приемно-передающего блока 2 в транспортное волокно 1. В месте установки чувствительного элемента 4 устанавливается сплиттер 3. На сплиттере 3 часть мощности зондирующего импульса ответвляется, а основной поток излучения направляется дальше, обеспечивая дальнейшую транспортировку мощности зондирующего импульса к другим зонам. Далее ответвленная часть мощности зондирующего импульса поступает на вход второго сплиттера 10, образующего с отрезком одномодового кабеля поз.4 чувствительный элемент, разветвляясь по двум ветвям 7 и 8 чувствительного элемента 4, разделенные части зондирующего импульса движутся во встречном направлении и достигают конца чувствительного элемента 4, проходят друг сквозь друга без взаимодействия и затем поступают на вход сплиттера 10 в обратном направлении. После сплиттера 10 разделенные сигналы складываются и при наличии сдвига фазы между ними интерферируют между собой, а затем направляются в приемно-передающий блок 2 через сплиттер 3 по тому же транспортному пути 1 в обратном направлении, где проводят измерения величины возвращенных лазерных импульсов и преобразования в цифровой код, по значению динамики изменения амплитуды лазерных импульсов делают вывод о наличии воздействия на чувствительный элемент и силе этого воздействия, причем часть мощности зондирующего импульса регулируют таким образом, чтобы возвращенный сигнал не превышал предельно допустимого уровня на входе приемно-передающего устройства 2.
При отсутствии динамических воздействий на чувствительный элемент 4 пути следования разделенных импульсов практически равны и не оказывают существенного влияния на длительность прохождения импульсов по чувствительному элементу 4, включая ветви сплиттера 10 (не считая незначительное влияние шума и допустимых помеховых факторов).
При наличии динамических воздействий на чувствительный элемент 4, как показано на фиг. 1 (поз.5 место воздействия на чувствительный элемент), пути следования разделенных импульсов к месту оказания физического воздействия оказываются не равными, так как время прохождения импульса по часовой стрелке на приведенном примере фиг.1 отличается от времени прохождения импульса против часовой стрелки.
1
1
2
2
2
Импульс, следующий по часовой стрелке, пройдет путь к месту воздействия с учетом деформации величиной L1 через время Т. Импульс, следующий против часовой стрелки, пройдет путь к месту воздействия уже с учетом деформации величиной L через время Т+2*Т, как показано на фиг1 поз. 5, величина деформации волокна за время 2*Т изменится (от длины L1 до длины L) и импульс, проходящий эту деформацию против часовой стрелки, сдвигается по отношению к импульсу, прошедшему раньше во встречном направлении на определенную величину, т.е. сдвигается по фазе относительно встречного импульса. Сдвиг фазы оказывается достаточным, чтобы при сложении двух импульсов получить ярко выраженную интерференцию волн, изменяющуюся пропорционально силе и скорости внешнего воздействия. Из вышесказанного следует, что при Т=0 деформация для встречно идущих импульсов не успевает произойти, L1=L и сдвиг фаз встречно направленных сигналов в месте возникновения деформации не произойдет, а значит, чувствительность, связанная с величиной сдвига фаз в этой точке, стремится к нулю.
Зависимость чувствительности датчика от начала зоны (от сплиттера 10) к концу - от максимального значения до нуля и зависит от динамических характеристик силы воздействия (от конструктивных особенностей закрепления чувствительного элемента 4 на заграждении, силы воздействия, скорости и периодичности). На примере фиг. 1 поз. 9 приведен ориентировочный усредненный график зависимости чувствительности датчика, размещенного на заграждении. По вертикали отображается V - скорость изменения амплитуды сигнала отражения, по горизонтали S - расстояние до места воздействия на заграждение начиная от места соединения с сплиттером 10 (начало зоны).
В момент поступления импульсов в обратном направлении на вход сплиттера 10 оба импульса складываются, интерферируют и продолжают движение в обратном направлении к приемно-передающему блоку 1. При сложении двух волн одинаковой частоты, но имеющих сдвиг фазы друг относительно друга, результирующее значение амплитуды сигнала зависит от величины амплитуды и сдвига фаз этих импульсов.
На фиг. 2 показан график зависимости амплитуды возвращенного сигнала (линия 11), образованного сложением двух сигналов, например 40 (линия 12) и 60% (линия 13) мощности соответственно), для сдвига фаз 0, 90 и 180 градусов. Как видно из графика сложение двух сигналов может обеспечиваться при любом соотношении мощности сигналов и при любом сдвиге фаз. Оптимально мощности сигналов должны быть 50\50%. Изменение результирующего сигнала соответствует динамике физического воздействия на волокно.
В качестве источника лазерного излучения и приемно-передающего блока 2 может служить стандартный или специализированный рефлектометр с открытым протоколом передачи данных измерений, или анализатор спектра, предназначенный для работы с одномодовым волокном, например в диапазоне длин волн 1310 нм и 1550 нм, с типовым соединителем, например типа FC\APC или оптическим выводом для сварного соединения с транспортным кабелем 1. Обработка данных, определение характеристик воздействия, логическая обработка, визуализация результатов обработки и интеграция с другими системами производится на сервере специализированным программным обеспечением.
Регулирование величины отбираемой мощности излучения осуществляется применением сплиттеров 3 и 10, содержащих ответвители с различным уровнем ответвляемой мощности, рассчитываемой в соответствии с руководством по эксплуатации и настройками рефлектометра. Мощность источника когерентного излучения (например, рефлектометра) при этом должна быть достаточной для обеспечения работоспособности устройства в целом. Величины отбираемой мощности излучения должны быть не слишком большой, чтобы не превысить величину отраженного сигнала на входе фотоприемника оптоэлектронного блока (например, рефлектометра) более величины насыщения.
Размеры контролируемых зон могут быть разными по конфигурации и произвольной длины. Наращивание их количества и определение мест расположения зон контроля осуществляется и обеспечивается в процессе конкретного монтажа системы и ограничено только номинальными значениями ответвляемой мощности лазерного излучения и оптимальной длиной контролируемых зон.