СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
SECURITY SYSTEM OF A FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINE AND METHOD OF PROVIDING SECURITY OF A FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINE

Группа изобретений относится к волоконно-оптическим линиям связи и предназначена для передачи потоков информации на большие расстояние и защите линий связи от постороннего вмешательства.
Известна волоконно-оптическая линия связи по патенту РФ на изобретение №2504015 МПК G08B 25/08, опубл. 10.01.2014 г.
Эта система состоит из центрального пульта управления, группы датчиков охраны и группы территориально удаленных пунктов видеоконтроля, имеющих первый радиоканал связи с датчиками охраны и второй радиоканал связи с центральным пультом управления. Электропитание системы осуществляется от батарейных или аккумуляторных источников питания с использованием режимов неактивного ожидания и активного видеоконтроля для экономии электроэнергии.
Недостатки этой системы: сложность и значительные трудности в смене источников питания в отдаленных и трудно-доступных регионах страны.
Известна волоконно-оптическая линия связи и способ обеспечения ее безопасности по патенту РФ на изобретение №2591205, МПК Н04 В10/25, опубл. 10.07.2016, прототип.
Эта система безопасности волоконно-оптической линии связи содержит два дополнительные одномодовые волокон для раздельной передачи сигналов исходящего и входящего направлений подсистемы связи.
Способ обеспечения безопасности волоконно-оптической линии связи включает разбивку охраняемой территории крупного хозяйственного объекта как протяженной, так и локальной конфигурации на большое число связанных периметральных участков с длиной периметра каждого участка не более 10-15 км, что позволяет значительно расширить зону обслуживания, разбивают оборудование волоконно-оптической охранной системы на взаимоувязанные подсистемы охраны кольцевой топологии, реализующую на каждом участке функцию зондирования периметра с помощью когерентной рефлектометрии, и подсистему связи двойной шинной топологии, реализующую функцию предварительной обработки и последовательной передачи между участками результатов зондирования подсистемы охраны в единый центр управления с использованием временного и спектрального разделения каналов и регенерации сигналов на каждом участке. Вводят в сенсорный волоконно-оптический кабель два дополнителье одномодовые волокна для раздельной передачи сигналов исходящего и входящего направлений подсистемы связи, что позволяет исключить взаимное влияние обеих подсистем волоконно-оптической охранной системы при сохранении высокой чувствительности к акустическому воздействию.
Недостатки этой системы: невозможность обеспечить энергопотребление средств обеспечения безопасности волоконно-оптической линии связи в удаленных и труднодоступных районах страны.
Задачи создания изобретения: обеспечение энергией систем безопасности и ее передача в трудно-доступные районы страны и минимизация потребления энергии.
Достигнутый технический результат: уменьшение потребления энергии и ее передача в трудно- доступные районы.
Решение указанных задач достигнуто в системе безопасности волоконно-оптической линии связи, выполненной в трудно-доступном районе протяженной с п колодцами, соединенными каналом кабельной канализаций, содержащей разделенные на участки сектора контроля безопасности, центр управления охраной, ретрансляторы, датчики безопасности и видеокамеры с аккумуляторами, тем, что центр управления охраной по радиоканалу соединен с ретрансляторами, а датчики безопасности и видеокамеры по оптическому кабелю для системы безопасности соединены с ретранслятором, канал кабельной канализации, в котором уложены оптические кабели, выполнен под поверрхностью грунта, при этом оптические кабели выбирают для передачи информации, для передачи энергии и системы безопасности, в каждом колодце установлены: контроллер, концевой выключатель и внутренняя видеокамера, соединенные электрическими связями с аккумулятором, в первом колодце участка оптического волокна трудно-доступного района для передачи энергии в промежуточные и последний n-ый колодец установлен сплиттер, к которому присоединен лазерный оптический модуль, а в промежуточных и последнем n-ом колодце через сплиттер к оптическому волокну подключен фотоэлектрический преобразователь напряжения, соединенный электрическими проводами с аккумулятором.
Может быть применен для первого колодца Y-образный сплиттер с двумя входами и одним выходом, а для промежуточных и n-го колодца Y- образный сплиттер с одним входом и двумя выходами.
Вне части промежуточных колодцев при наличии естественных опор, установлены внешние видеокамеры, соединенные линиями связи с контроллером в ближайшем колодце. Колодцы могут быть выполнены через 0,1-1,2 км.
Вдоль участка ВОЛС в трудно-доступном районе через каждые 70-80 км могут быть установлены ретрансляторы для передачи информации о состоянии системы безопасности по радиоканалу в центр управления охраной.
Около каждого колодца или их части может быть выполнена система охраны периметра колодца.
Система охраны периметра колодца может содержать: сенсорное оптическое волокно, проложенное под грунтом вокруг колодца, передатчик сигнала, приемник сигнала, преобразователь, усилитель, процессор и блок памяти, при этом передатчик сигнала подключен к входу в сенсорное оптическое волокно, а приемник сигнала - к выходу, выход из приемника сигнала подключен к входу в преобразователь, выход которого подключен к входу в усилитель, а выход из усилителя подключен к входу в процессор, выход из процессора подключен к входу в контроллер, к второму входу в процессор подключен блок памяти.
Решение указанных задач достигнуто в способе обеспечения безопасности волоконно-оптической линии связи, выполненной протяженной с колодцами, соединенными каналом кабельной канализаций, содержащей разделенные на участки сектора контроля безопасности, главный центр управления, ретрансляторы, датчики безопасности и видеокамеры с аккумуляторами, тем, что центр управления охраной по радиоканалу соединен с ретрансляторами, а канал кабельной канализации, в котором уложены оптические кабели выполнен под поверхностью грунта, при этом оптические кабели выбирают для передачи информации, для передачи энергии и для системы безопасности каналом кабельной канализации, в каждом колодце установлены контроллер, концевой выключатель и внутренняя видеокамера, соединенные электрическими связями с аккумулятором, подзарядка которых осуществляется от фотоэлектрических преобразователей напряжения, получающих световую энергию от лазерного оптического модуля, установленного в первом колодце на входе волокна для передачи энергии.
Периметр каждого колодца или части колодцев можно контролировать при помощи системы охраны периметра колодца, содержащей сенсорное оптическое волокно, проложенное под грунтом и соединенное с передатчиком и приемником сигнала.
На расстоянии, соответствующем максимальному для передачи энергии по оптическому волокну, периодически установлены ретрансляторы для передачи информации о состоянии системы безопасности по радиоканалу в центр управления охраной.
Сущность группы изобретений поясняется на чертежах (фиг. 1-16), где:
- на фиг. 1 приведена принципиальная схема волоконно-оптической линии связи,
- на фиг. 2 приведен сплиттер для первого колодца,
- на фиг. 3 приведен сплиттер для промежуточных и последнего колодца,
- на фиг. 4 приведен первый колодец,
- на фиг. 5 приведен промежуточный колодец,
- на фиг. 6 приведен промежуточный колодец с внешней видеокамерой,
- на фиг. 7 приведен ретранслятор,
- на фиг. 8 приведена кабельная канализация,
- на фиг. 9 приведен разрез В - В на фиг. 8,
- на фиг. 10 приведены волокна оптического волокна,
- на фиг. 11 приведена схема передачи энергии по нескольким оптическим волокнам одновременно,
- на фиг. 12 приведена схема передачи энергии по одному оптическому волокну,
- на фиг. 13 приведен лазерный излучатель.
- на фиг. 14 приведена система охраны периметра колодца с сигнальным оптическим волокном,
- на фиг. 15 приведен вид А на фиг. 14,
- на фиг. 16 приведена схема охраны периметра колодца.
Условные обозначения, принятые в описании:
волоконно-оптическая линия связи 1,
канал кабельной канализации 2,
оптический кабель 3,
поверхность грунта 4,
колодец 5
крышка 6,
центр управления охраной 7,
приемно-передающее устройство 8,
антенна 9,
оптическое волокно для передачи энергии 10,
сплиттер 11,
лазерный оптический модуль 12, (не в каждом колодце),
фотоэлектрический преобразователь напряжения 13, (в каждом колодце),
контроллер 14,
аккумулятор 15,
концевой выключатель 16,
внутренняя видеокамера 17,
линии связи 18.
внешняя видеокамера 19, (там, где есть внешняя опора),
внешняя опора 20,
ретранслятор 21.
подводящий кабель 22,
приемное устройство ретранслятора 23,
канал связи 24,
передающее устройство 25,
приемно-передающая антенна 26,
радиоканал 27,
волокно для передачи информации 28,
волокно системы безопасности 29,
система охраны периметра 30,
сенсорное оптическое волокно 31,
передатчик сигнала 32,
приемник сигнала 33,
преобразователь 34,
усилитель 35,
процессор 36,
блок памяти 37,
электрические провода 38.
1
2
3
n-1
n
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) 1 фиг. 1 и ее система безопасности в трудно-доступном районе содержат: канал кабельной канализации 2, в котором уложены оптические кабели 3. Канал кабельной канализации 2 выполнен под поверхностью грунта 4. ВОЛС 1 имеет на участке в трудно-доступном районе n колодцев 5, в том числе первый 5, промежуточные 5, 5- 5 и последний n-ый - 5, расположенные друг от друга на расстоянии 0,1-1, 2 км в зависимости от места проложения волоконно-оптической линии связи 1. Порядковые номера колодцев внесены в оперативную память системы безопасности.
Если часть волоконно-оптической линии связи 1 проложена в населенной местности, то принимают минимальные расстояния между колодцами 5.
Каждый колодец 5 имеет крышку 6. Система безопасности содержит центр управления охраной 7, содержащий, в свою очередь, приемно-передающее устройство 8, к выходу которого присоединена антенна 9.
В удаленных трудно-доступных районах, где невозможно подвести электроэнергиьо для питания системы безопасности, в первую очередь видеокамер, выбирают один или несколько оптических волокон для передачи энергии 10. В начале труднодоступного участка в первом колодце 51 установлен сплиттер 11 и к нему присоединен лазерный оптический модуль 12, предназначенный для передачи мощности в виде световой энергии.
2
3
n
В промежуточных и последнем колодцах 5, 5… 5 труднодоступного района в каждом из них, установлен фотоэлектрический преобразователь напряжения 13, подсоединенный к сплиттеру 11 для получения части энергии, идущей от оптического волокна для передачи энергии 10.
Сплитер (в переводе с анг. - разветвитель). Оптические разветвители и их использование в волоконно-оптических линиях связи
Оптоволокно продолжает оставаться одной из самых оптимальных и востребованных сред для передачи данных, сигналов и информации на большие расстояния без ограничения по полосе пропускания и скорости передачи. Для построения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) требуется использование специализированного активного и пассивного оборудования, а также применение специальных инструментов и приборов. Разветвитель (optical splitter) - небольшое, но необходимое устройство, используемое при строительстве сетей связи с использованием оптического волокна.
Оптический разветвитель представляет из себя пассивное устройство, разделяющее поток энергии, передаваемый по оптоволокну. Данное устройство является пассивным, поскольку для разделения оптической мощности электропитание не требуется.
Оптические разветвители уже давно и успешно применяются на практике при строительстве магистральных и субмагистральных линий в гибридных волоконно-коаксиальных сетях (Hybrid Fibre and Coaxial), используемых для распределения и передачи телевизионного сигнала в сетях кабельного телевидения. И еще большее применение оптические разветвители нашли с созданием в 90-ых годах и развитием технологии PON (Passive Optical Network), которая в настоящее время стала популярной и доступной.
Оптические сплиттеры по количеству входов и выходов разделятся на Х-образные (несколько входов и несколько выходов) и Y-образные (один вход и несколько выходов). Самый простейший Х-образный оптический делитель имеет два входа и два выхода (так называемый оптический разветвитель 2×2). Самый простейший среди Y-образных оптических делителей - это оптический сплиттер, который имеет один вход и два выхода (так называемый оптический разветвитель 1×2). Y-образные сплиттеры называют делителями мощности. Y-образные делятся на два типа: симметричные и несимметричные. Симметричные Y-образные оптические делители, разделяют оптическую мощность между выходами равномерно. Несимметричные оптические делители позволяют разделить оптическую мощность в определенной пропорции.
Конкретно в предложенном техническом решении применены Y-образные сплиттеры 11 для первого колодца 51 (фиг. 1 и 2) с двумя входами и одним выходом, а для промежуточных и последнего n-го колодца с одним входом и двумя выходами (фиг. 1 и 3).
Во всех колодцах 5 трудно-доступного участка волоконно-оптической линии связи 1 установлен контроллер 14 (для управления всеми приборами системы безопасности), к которому присоединен аккумулятор 15, под крышкой 6 установлен концевой выключатель 16, предназначенный для включения внутренней видеокамеры 17, установленной в каждом колодце 5. Контроллер 14, концевой выключатель 16 и внутренняя видеокамера 17 соединены между собой линиями связи 18 для подпитки энергией и управления приборами безопасности.
Около некоторых колодцев 5 может быть установлена внешняя видеокамера 19.
Внешняя видеокамера 19 может быть установлена при наличии внешних опор 20. как естественных, например деревьев, так и искусственных, например столбов, ограждений и стен зданий.
Для передачи информации о состоянии безопасности на значительное расстояние в местах, где нет проблем с электроэнергией, например в населенных пунктах, могут быть установлены ретрансляторы 21 (фиг. 7), к которым от ближайшего колодца 5 подведен подводящий кабель 22 к приемному устройству ретранслятора 23, которое каналом связи 24 соединено с передающим устройством 25, к выходу которого присоединена приемно-передающая антенна 26 для передачи информации по радиоканалу 27.
Ретрансляторы 21 должны быть установлены и при отсутствии населенных пунктов и линий электропередач через 70-80 км. Это предельное расстояние, на которое может быть передана энергия по оптическому волокну. В этом случае энергопотребление ретранслятора 21 и очередного участка ВОЛС 1 может быть обеспечено применением дизель-генераторов, (на фиг. 1-16 дизель-генераторы не показаны).
На фиг. 8-10 приведена структура ВОЛС 1, содержащая оптические волокна разного назначения. Оптический кабель 3, кроме оптического волокна (волокон) для передачи энергии 10, содержит волокна для передачи информации 28 (основное назначение ВОЛС) и волокна системы безопасности 29 для передачи информации о состоянии безопасности волоконно-оптической линии связи 1.
На фиг. 11 приведена схема передачи энергии по нескольким оптическим волокнам 10 одновременно, которую можно применить, если не удастся передать энергию по одному оптическому волокну 10 или для дублирования систем безопасности.
На фиг. 12 приведена упрощенная схема передачи энергии по одному оптическому волокну 10 ко всем колодцам 5.
На фиг. 13 приведен лазерный оптический модуль 12.
Волоконно-оптическая линия связи 1 (фиг. 14-16) оборудована системой охраны периметра колодцев 30, выполненной под грунтом 4 вокруг колодца 5 для контроля прохождения нарушителей к колодцу 5. Предпочтительно оборудовать такими системами все колодцы 5.
Система охраны периметра колодцев 30 содержит сенсорное оптическое волокно 31, проложенное под грунтом вокруг колодца 5, передатчик сигнала 32, приемник сигнала 33, преобразователь 34, усилитель 35, процессор 36 и блок памяти 37 (фиг. 14-16).
К входу в сенсорное оптическое волокно 31 подключен передатчик сигнала 32, а к выходу - приемник сигнала 33. Выход из приемника сигнала 33 подключен к входу в преобразователь 34. Преобразователь 34 преобразует оптический (световой) сигнал в электрический для его усиления, обработки и анализа. Выход из преобразователя 34 подключен к входу в усилитель 35, а выход из усилителя 35 подключен к входу в процессор 36. Выход из процессора 36 подключен к входу в контроллер 14. К второму входу в процессор подключен блок памяти 37. Блок памяти 37 содержит информацию по алгоритму управления системой охраны периметра 30 и порядковому номеру колодца 5 (фиг. 14-16).
Известно, что волоконно-оптические кабели, используемые обычно для передачи информации, можно использовать также и в качестве датчиков для периметральных охранных систем. Деформация оптического волокна изменяет его оптические параметры и, как следствие, характеристики проходящего через волокно излучения. В силу специфики используемых физических принципов оптоволоконные системы отличаются очень малой восприимчивостью к электромагнитным помехам, что позволяет использовать их даже в неблагоприятной электромагнитной обстановке.
Оптическое волокно в общем случае представляет собой коаксиальный световод, Свет распространяется вдоль центральной части (сердцевины) волокна. К сердцевине волокна прилегает прозрачная оболочка, которая обладает меньшим показателем оптического преломления, чем сердцевина. Свет, распространяющийся под углом к оси световода, отражается от границы раздела между сердцевиной и оболочкой и концентрируется в центральной части волокна. Внешнее непрозрачное покрытие служит для механической защиты кабеля.
В качестве источника излучения обычно используются миниатюрные полупроводниковые лазеры или светодиоды. На выходе кабеля установлен оптический приемный модуль, который преобразует оптический сигнал в электрический. При деформациях или вибрациях волокна изменяются условия распространения света или его внутреннего отражения, в результате чего претерпевают изменения фазовые и пространственные характеристики луча на выходе кабеля. Эти изменения регистрируются фотоприемником и обрабатываются анализатором сигналов.
Волоконные световоды делятся на многомодовые и одномодовые. Диаметр сердцевины многомодовых волокон обычно составляет 50-100 микрон. По такому волокну одновременно распространяется большое количество типов волн (мод) с различными геометрическими параметрами. Эти лучи испытывают множественные отражения от границы между сердцевиной и оболочкой, что приводит к заметному затуханию сигналов.
Диаметр сердцевины одномодовых световодов составляет не более 10 микрон. В таком световоде может распространяться только один тип волны (мода) и затухание света здесь существенно меньше, чем в многомодовых световодах.
В волоконно-оптических охранных системах используются различные методы регистрации сигналов вторжения:
Метод регистрации межмодовой интерференции Полупроводниковый лазер обычно генерирует несколько десятков близких по частоте мод (спектральных линий) с определенным распределением энергии по спектру излучения. Если многомодовый оптоволоконный кабель подвергается механическим воздействиям, то на его выходе регистрируемый приемником спектр излучения меняется, что позволяет детектировать деформации кабеля.
Метод регистрации спектр-структуры На выходе оптоволокна наблюдается так называемая спектр-структура, представляющая собой нерегулярную систему светлых и темных пятен. При деформациях или вибрациях волокна спектр-структура излучения претерпевает изменения. Для детектирования деформаций кабеля здесь применяют пространственно-чувствительные фотоприемники.
Метод микронапряжений
Эта технология предполагает использование двух отдельных одномодовых оптических волокон, по которым распространяется лазерное излучение. На дальнем краю зоны осуществляется интерференция обоих лучей в специальном оптическом модуле. Если установленный под землей оптический кабель испытывает механические воздействия (например, изменения давления от проходящего человека), то условия распространения излучения по обоим волокнам изменяются, и динамика интерференционной картинки в оптическом модуле позволяет зарегистрировать вторжение.
Интерференционный метод с локализацией места вторжения.
Эта схема является «волоконно-оптической» версией классического интерферометра Маха - Цандера. В состав протяженного датчика входят три отдельных волокна многожильного оптического кабеля. Два верхних волокна выполняют функцию чувствительных элементов: в них подается излучение от полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме. Третье (выходное) волокно служит для передачи сигналов на анализатор системы от оконечного оптического модуля. Источник излучения расположен в блоке анализатора, от него излучение лазера по пассивному волокну подается на начальный модуль. В этом модуле излучение расщепляется на два пучка, которые подаются на два чувствительных волокна. На оконечном модуле происходит интерференция обоих лучей. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картинка на оконечном модуле остается неизменной. При этом сигнал, передаваемый с оконечного модуля по выходному оптическому волокну на анализатор, не имеет переменной составляющей. При деформациях или вибрациях кабеля оптическая разность хода в чувствительных волокнах (т.е. плечах интерферометра) изменяется, и оконечный модуль регистрирует переменную составляющую сигнала, передавая ее на анализатор. Специфическая особенность данной интерференционной системы состоит в том, что она определяет относительную временную задержку регистрируемых сигналов в обоих плечах интерферометра. Это позволяет определять место вторжения в систему с точностью до нескольких метров.
Технология когерентной оптической рефлектометрии с временным разрешением.
Еще одна технология, появившаяся сравнительно недавно, использует принципы С-OTDR. Полное название этой технологии Coherent Optical Time Domain Reflectometry - или когерентная оптическая рефлектометрия с временным разрешением. Эта технология предполагает, что к контроллеру подключен волоконный кабель, в который подается лазерное излучение. Каждый элемент волоконного кабеля частично отражает излучение в сторону контроллера. Если кабель подвергается деформациям или вибрациям, то характеристики отраженного света изменяются и система регистрирует тревожный сигнал. Эффективность системы существенно повышается, если в волокне специально создаются регулярные неоднородности показателя преломления с пространственным периодом, сравнимым с длиной волны лазерного излучения, т.е. формируются условия для так называемого брэгговского рассеяния. Такая технология позволяет измерять время задержки отраженного сигнала и получать информацию о месте, где происходят нарушения состояния сенсора, т.е. о месте вторжения.
Все перечисленные системы очень сложны и поэтому имеют очень высокую стоимость. Учитывая большую протяженность ВОЛС 1, проходящей по всей территории страны и огромное количество колодцев 5, эта проблема имеет большое значение. Предложена самая простая, потребляющая минимум энергии и не требующая обслуживания схема охраны периметра колодца 5 (фиг. 14-16).
Для передачи энергии могут использоваться и любые существующие оптические волокна, в том числе свободные, при этом можно одновременно осуществлять передачу контрольной информации системы безопасности и энергии по одному и тому же оптическому волокну.
РАБОТА СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Работа системы безопасности волоконно-оптической линии связи осуществляется следующим образом (фиг. 1).
При попытке открыть крышку 6 колодца 5 срабатывает концевой выключатель 16 и замыкает цепь питания внутренней видеокамеры 17 от аккумулятора 15. Внутренняя видеокамера 17 передает видеоинформацию по оптическому волокну безопасности 29.
При наличии внешней видеокамеры 19 передается видеосигнал и с этой видеокамеры.
Через каждые 70-80 км установлены ретрансляторы 21 для передачи информации о состоянии системы безопасности по радиоканалу в главный центр управления.
Интервал для установки ретрансляторов 21 определился максимально возможным расстоянием для передачи оптической энергии по оптическому волокну без значительных потерь при условии ее отвода в промежуточных колодцах 5 для питания внутренних видеокамер 17.
Применение системы охраны периметра колодцев 5 позволяет обнаружить проникновение нарушителя к колодцу 5 и место проникновения с точностью до нескольких метров (определить идентификационный номер колодца) и передать эту информацию (фиг. 16) с сенсорного оптического волокна 31 на приемное устройство 33, далее - через преобразователь 34 и усилитель 35 в процессор 36, который анализирует информацию. Процессор 36 передает ее на контроллер 14 и далее - по оптическому волокну системы безопасности 29 и подводящему кабелю 22 к входу в ближайший ретранслятор 21 на приемное устройство ретранслятора 23 (фиг. 7), потом на передающее устройство 25, далее - на приемно-передающую антенну 26 и по радиоканалу 27 в центр управления охраной 7 (фиг. 1).
Применение изобретения позволило:
уменьшить потребления энергии системами безопасности в том числе видеокамерами,
- обеспечить передачу энергии для питания аппаратуры системы безопасности в трудно-доступных районах страны,
- обеспечить охрану периметров колодцев с минимальными затратами на оборудование и эксплуатацию и с относительно небольшим потреблением энергии,
- обеспечить контроль за несанкционированным открыванием крышек колодцев и исключить случаи вандализма и диверсионных актов.