УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА
DEVICE FOR CONTINUOUS MONITORING OPERATING CAPACITY OF FIBRE-OPTIC LINEAR CHANNEL

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, позволяющей осуществлять непрерывный контроль состояния работоспособности линейного тракта волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с мультиплексированием по длине волны (МДВ) и волоконно-оптическими усилителями (ВОУ).
Существует устройство, позволяющее осуществлять непрерывный контроль оптической мощности оптического сигнала на приемном конце волоконно-оптического линейного тракта (см., патент Российской Федерации RU 2152689 Cl, H04В 10/08, 10.07.2000 г.). Известное устройство содержит оптический расщепитель, подсоединенный между оптическим входом и оптическим выходом. Оптический расщепитель имеет вторичный выход, подсоединенный через электрооптический детектор к цепи измерения мощности оптического излучения, и отделяет на вторичном выходе часть рабочей мощности оптического излучения в соответствии с предопределенным отношением расщепления. Часть рабочей мощности оптического излучения обрабатывается цепью измерения мощности оптического излучения и подается на электрический выход измерительной цепи. Однако данное устройство не позволяет непрерывно контролировать линейный тракт ВОСП с МДВ и ВОУ, что ограничивает область его применения.
Наиболее близким по технической сущности заявленному является устройство, основной особенностью которого является способность идентифицировать падение уровня оптической мощности и изменение рабочей длины волны (частоты) в каждом спектральном канале (СК) ВОСП с МДР и ВОУ (см. патент Канады 2410928 А1, Н04J 14/02, Н04В 10/08, G01J 3/18 13.12.2001 г.). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Устройство прототип содержит ответвитель мощности, объемную дифракционную решетку, массив детекторов.
Недостатком данного устройства является то, что ответвленная часть группового оптического сигнала обрабатывается с помощью объемной дифракционной решетки и массива детекторов, а после этого усиленный электрический сигнал направляется на аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование на фиксированных частотах. Применение объемной дифракционной решетки и массива детекторов сопряжено с внесением дополнительных шумовых составляющих, таких как дробовый шум, тепловой шум, шумы темнового тока детектора. Это существенно снижает чувствительность устройства и методическую достоверность контроля по причине потери части информации о динамике состояния линейного тракта и параметрах спектральных каналов.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение оперативности и методической достоверности непрерывного контроля линейных трактов волоконно-оптических систем передачи с мультиплексированием по длине волны и волоконно-оптическими усилителями.
Этот результат достигается тем, что в устройство-прототип, содержащее оптический ответвитель мощности и массив детекторов введены, первая коллимирующая микролинза, голографическая фотопластина, вторая коллимирующая микролинза, нелинейное пороговое устройство, полупрозрачное зеркало, третья коллимирующая микролинза, источник оптического излучения, при этом однопроцентный выход оптического ответвителя мощности соединен посредством одномодового оптоволокна, а также оптически в свободном пространстве с входом первой коллимирующей микролинзы, причем выход одномодового оптоволокна совпадает с передней фокальной плоскостью первой коллимирующей микролинзы, а ее выход оптически в свободном пространстве связан с входом голографической фотопластины, передняя плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью первой коллимирующей микролинзы, а выход голографической фотопластины связан оптически в свободном пространстве с входом второй коллимирующей микролинзы, причем задняя плоскость голографической фотопластины совпадает с передней фокальной плоскостью второй коллимирующей микролинзы, при этом ее выход оптически в свободном пространстве связан с нелинейным пороговым устройством таким образом, что его вход совпадает с задней фокальной плоскостью второй коллимирующей микролинзы, а между второй коллимирующей микролинзой и нелинейным пороговым устройством, под углом 45° к оси вторая коллимирующая микролинза - нелинейное пороговое устройство, расположено полупрозрачное зеркало так, что оно связывает оптически в свободном пространстве выход нелинейного порогового устройства с третьей коллимирующей микролинзой, в фокальной плоскости которой расположен массив детекторов, а источник оптического излучения связан оптически в свободном пространстве с голографической фотопластиной так, что его излучение и излучение полезного сигнала с выхода первой коллимирующей микролинзы формируют в плоскости голографической фотопластины интерференционную картину.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретение критерию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - функциональная схема устройства непрерывного контроля работоспособности волоконно-оптического линейного тракта;
фиг.2 - эпюры иллюстрирующие положение контрольных комбинаций в типовом заголовке мультиплексной секции MSOH.
Устройство непрерывного контроля работоспособности волоконно-оптического линейного тракта, показанное на фиг.1, содержит оптический ответвитель мощности, первую коллимирующую микролинзу, топографическую фотопластину, вторую коллимирующую микролинзу, нелинейное пороговое устройство, полупрозрачное зеркало, третью коллимирующую микролинзу, массив детекторов, источник оптического излучения.
На чертеже обозначено:
1. Оптический ответвитель мощности;
2. Первая коллимирующая микролинза;
3. Голографическая фотопластина;
4. Вторая коллимирующая микролинза;
5. Полупрозрачное зеркало;
6. Нелинейное пороговое устройство;
7. Третья коллимирующая микролинза;
8. Массив детекторов;
9. Источник оптического излучения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Оптический ответвитель мощности (позиция 1, фиг.1), предназначен для ответвления части оптической мощности группового оптического сигнала (порядка 1%) в подсистему контроля. Он может быть реализован, как описано в книге М.М.Бутусов и др. «Волоконно-оптические системы передачи»./ Под ред. В.Н.Гомзина (М.: Радио и связь, 1992, с.194-209, рис.6.10 в).
Первая коллимирующая микролинза, голографическая фотопластина, вторая коллимирующая микролинза (позиции 2, 3, 4 фиг.1) являются элементами оптической системы 4-f Фурье-преобразования. Данная система может быть реализована, как описано в книге П.В. Короленко. «Оптика когерентного излучения» (М.: Издательство МГУ, 1997. 159-179 с.рис.3.6.1).
Голографическая фотопластина (позиция 3, фиг.1) может быть реализована с применением фоторефрактивных кристаллов типа LiNbOs. Возможность реализации из этого и других различных типов материалов описана в книге Н.М. Smith «Holographic Recording Materials» (Springer-Verlag, 1977.- 254 с.).
2
4
Первая коллимирующая микролинза (позиция 2, фиг.1), имеющая расстояние до фокальных плоскостей f, вторая коллимирующая микролинза (позиция 4, фиг.1), имеющая расстояние до фокальных плоскостей f, третья коллимирующая микролинза (позиция 4, фиг.1),
7
имеющая расстояние до фокальной плоскости f, предназначены для фокусировки оптического излучения на соответствующие элементы изобретения и осуществления оптической связи между ними, могут быть реализованы, как описано в книге Д.Т.Пуряев и др. «Оптические измерения» (М.: Машиностроение, 1987. 18-21 с.), а также в статье И. Д. Торбин и др. «Оптические детали из полимеров» (Оптико-механическая промышленность, №10, 1974. 72-78 с.)
Нелинейное пороговое устройство (позиция 6, фиг.1) предназначено для обращения волнового фронта поступающего на вход оптического излучения, а также выполняет функцию селективного зеркала. Данное устройство может быть реализовано, как описано в книге В.И.Беспалов, Г.А.Пасманик. «Нелинейная оптика и адаптивные лазерные системы» (М.: Наука, 1986. 49-55 с.), а также в статье А.З.Матвеев, Г.А.Пасманик «Реализация ассоциативной памяти с помощью нелинейного селективного зеркала» (Квантовая электроника, 20 №5, 1993. 493-499 с.).
Полупрозрачное зеркало (позиция 5, фиг.1) предназначено для перенаправления отраженного оптического излучения нелинейным пороговым устройством на третью коллимирующую микролинзу и массив детекторов, может быть реализовано, как описано в книге А.Н.Игнатов. «Оптоэлектронные приборы и устройства» (М.: Эко-Трендз, 2006. 172-186 с.).
Массив детекторов (позиция 8, фиг.1) предназначен для преобразования входного оптического сигнала в электрический цифровой сигнал. Это устройство может быть реализовано, как описано в книге А.Б. Иванов «Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения» (М.: Сайрус Системе, 1999, с.149-164, рис.2.20).
Источник оптического излучения (позиция 9, фиг.2) предназначен для формирования опорного излучения, и с его помощью записи интерференционной картины данного излучения с излучением, поступающим с выхода оптического ответвителя мощности на голографической фотопластине, может быть реализован, как описано в книге А.Б.Иванов. «Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения» (М.: Сайрус Системе, 1999, с.135-137, рис.2.8).
Устройство работает следующим образом: устройство непрерывного контроля работоспособности волоконно-оптического линейного тракта представляет собой информационно-измерительную ассоциативную систему, реализованную средствами нелинейной и интегральной оптики. Перед практическим применением такой системы ее необходимо обучить в ходе инсталляционных и пусконаладочных работ и испытаний, моделируя различные режимы функционирования волоконно-оптического линейного тракта. При обучении информационно-измерительной ассоциативной системы учитываются две группы факторов, оказывающих существенное влияние на функционирование волоконно-оптического линейного тракта.
i
И
c
ш
i
И
c
ш
i
1
2,
И
К первой группе относятся факторы (необратимые), связанные с процессами старения (износа) элементов ВОСП (τ>Δ), ко второй - факторы, вызывающие изменения (обратимые и необратимые) параметров линейного тракта n(t) и n(t} на входе фотоприемного устройства (τ<Δ) где n(t) и n(t) - число фотонов, приходящихся соответственно на один сигнальный и шумовой информационный бит, τ - промежуток времени, за который происходит переход спектрального канала из рабочего состояния - Ω, в состояние параметрического отказа - Ω Δ интервал времени, через который производятся измерения.
Факторы первой группы учитываются на этапе проектирования волоконно-оптического линейного тракта, при проведении инсталяционых и пуско-наладочных работ волоконно-оптической системы передачи в целом. Факторы второй группы представляют наибольший интерес, с точки зрения организации непрерывного контроля.
К ним относятся: колебания температуры; изгибы (обратимые и необратимые), возникающие в результате ошибок обслуживающего персонала или попыток несанкционированного доступа к оптоволокну; изменение показателя преломления сердцевины (прозрачности), в случае воздействия на оптоволокно доз ионизирующих излучений; термофлуктуационный и коррозийный рост микротрещин; перераспределение мощности между спектральными каналами, обусловленное вынужденным комбинационным рассеянием; изменение коэффициента усиления ВОУ. Изменения, вызванные перечисленными выше факторами, зависят от скорости изменения числа фотонов, приходящихся на бит информации в r - спектральных каналах, при условии воздействия одного из (либо совокупности) k - дестабилизирующих факторов -  другими словами, ситуации которые записаны на голографическую фотопластину в ходе обучения. В процессе записи полезный оптический сигнал,  используется в качестве опорной волны, а в качестве объектной оптический когерентный сигнал, источника оптического излучения -  Процесс записи интерференционной картины на голографическую фотопластину производится одним из известных способов описанных, например, в книге И.С.Клименко «Голография структурных изображений и спекл-интерферометрии» (М.: Наука, 1985. 45-71 с., рис.23), а также в статье А.З.Матвеев, Г.А.Пасманик «Реализация ассоциативной памяти с помощью нелинейного селективного зеркала» (Квантовая электроника, 20 №5, 1993. 493-499 с.) и происходит следующим образом. Номера позиций элементов устройства соотносятся с эпюрами устройства, изображенного на фиг.1.
Через однопроцентный ответвитель мощности (1) часть полезного оптического сигнала попадает через первую коллимирующую микролинзу (2) на голографическую фотопластину (3). При этом для формирования интерференционной картины на голографическую фотопластину (3) подается оптический сигнал источника оптического излучения (9). Моделирование воздействия k-дестабилизирующих факторов сопровождается записью и накоплением априорных данных - частот (длин волн) источника оптического излучения, которые были использованы при формировании интерференционной картинки на голографической фотопластине (3). С целью получения k-мерного образа на голографической пластине она в процессе обучения (записи) засвечивается фрагментарно.
Обученная информационно-измерительная ассоциативная система, в ходе контроля работоспособности, наблюдает вектор текущих параметров ВОЛТ -  являющийся фрагментом вектора данных, запомненного ею в ходе обучения. В случае если измеренная в ходе контроля работоспособности совокупность параметров не совпадает ни с одной из известных, то реализуется поиск вектора, ближайшего к наблюдаемому в выбранной метрике. Кроме того, для параллельной оптической обработки, в отличие от режима записи, голографическая фотопластина (3) освещается полностью.
cr
шr
Поэлементный анализ оптического сигнала осуществляется для выделения из него информации о передаваемом символе («I» или «О»). Устройство непрерывного контроля работоспособности волоконно-оптического линейного тракта обеспечивает выделение из этой же последовательности информации об актуальном состоянии всех СК. Эта информация для указанного устройства является неизвестной априорно, и содержится в значениях n(t) и n(t), ), количественно показывающих число фотонов, приходящихся соответственно на один сигнальный и шумовой информационный бит в r-м спектральном канале. Однако использование заранее известных контрольных комбинаций (КК) позволяет устранить априорную неопределенность передаваемого в линейный тракт оптического сигнала. Достигается это посредством формирования КК из «не помеченных» импульсов типового заголовка SOH кадра STM-N (фиг.2). В этой связи для полного отражения процессов, происходящих в линейном тракте ВОСП с МДВ и ВОУ, организован раздельный контроль среднего числа фотонов (фотоэлектронов) за биты КК, соответствующие «1» и «0». Сформированная контрольная комбинация не является сосредоточенной. Ee импульсы разделены позициями других служебных или информационных каналов. Заголовок SOH фрейма STM-N (фиг.2) имеет достаточно большую резервную емкость. SOH несет сигналы системы обслуживания синхронно цифровой иерархии в сетевых слоях секций и делится на заголовки регенерационной и мультиплексной секций (RSOH и MSOH).
Общий объем заголовка составляет 81 байт. Все байты могут быть разделены на три типа:
- байты, которые не могут эксплуатироваться пользователями SDH-оборудования (заштрихованные поля на фиг.2);
- байты, которые специально предназначены для использования в служебных целях или создания служебных каналов (поля El, E2, Fl, D1-D12 на фиг.2);
- байты, функции которых не регламентированы стандартами (не помеченные поля фиг.2).
Количество байтов последней группы - 38. Заголовок RSOH действует в пределах регенерационной секции, а MSOH проходит прозрачно регенераторы и действует в пределах всей мультиплексной секции - от формирования до расформирования STM-N. Поэтому в интересах непрерывного контроля использованы 24 байта заголовка мультиплексной секции MSOH (позиции, помеченные серым цветом фиг.2). Таким образом, число импульсов контрольной комбинации равняется 192. Кроме того, для формирования статистики с высоким уровнем значимости импульсы сформированной КК чередуются следующим образом: половину байта передается сигнал оптической «1», другую половину сигнал оптический «0».
В режиме непрерывного контроля работоспособности волоконно-оптического линейного тракта устройство работает следующим образом.
На голографическую пластину (позиция 3, фиг.1), через оптический ответвитель мощности (позиция 1, фиг.1) попадает часть полезного оптического сигнала  Эта ответвленная часть (порядка 1%) оптической мощности несет информацию о состоянии работоспособности линейного тракта. Любые изменения числа фотонов в КК каждого СК  - регистрируются на голографической фотопластине. Эти изменения, являющиеся фрагментом вектора данных, запомненного ею в ходе обучения, после прохождения голографической фотопластины имеют вид -  Излучение, содержащее две компоненты - сигнальную  и опорную  попадает на вход нелинейного порогового устройства (позиция 6, фиг.1), которое представляет собой селективное зеркало. Это устройство отражает из излучения, падающего на него, только опорную компоненту  несущую априорную информацию, полученную в процессе записи (обучения) (фиг.1), а его работа основана на нелинейном явлении вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Исследования и расчеты, описанные в книге В.И.Беспалов, Г.А.Пасманик. «Нелинейная оптика и адаптивные лазерные системы» (М.: Наука, 1986. 49-55 с.), а также в статье А.З.Матвеев, Г.А.Пасманик. «Реализация ассоциативной памяти с помощью нелинейного селективного зеркала» (Квантовая электроника, 20 №5, 1993. 493-499 с.), показали, что имеется возможность реализации голографической ассоциативной памяти с использованием только оптических элементов. С выхода нелинейного порогового устройства опорный оптический сигнал  через полупрозрачное зеркало (позиция 5, фиг.1) и третью коллимирующую микролинзу (позиция 7, фиг.1) попадает на массив фотодекторов (позиция 8, фиг.1), посредством которого детектируется информация о воздействии одного из k - дестабилизирующих факторов.
Информация об актуальном состоянии каждого СК в отдельности и волоконно-оптического линейного тракта в целом соответствует продетектированному сигналу  и может в дальнейшем быть использована в различных устройствах управления и оперативного переключения (фиг.1).
-8
Быстродействие схемы определяется быстродействием голографической фотопластины и нелинейного порогового устройства и составляет -10 с. Отличительной особенностью заявленного устройства от устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что обрабатывает информацию об актуальном состоянии волоконно-оптического линейного тракта и выдает решение устройство, состоящее только из оптических элементов.
Таким образом, введение в прототип новых отличительных признаков позволяет устройству расширить класс решаемых задач, повысить оперативность и достоверность контроля состояния волоконно-оптического линейного тракта с мультиплексированием по длине волны и волоконно-оптическими усилителями.