волоконно-оптическая линия связи для чрезвычайных ситуаций

Формула изобретения

Волоконно-оптическая линия связи, содержащая передающее и приемное оборудование N систем передачи, соединенные линейным оптическим кабелем связи, содержащим N пар оптических волокон, при этом передающее оборудование каждой системы передачи содержит источник информации, выход которого соединен с входом электронно-оптического преобразователя, рефлектометр, электрический выход которого подключен к входу решающего устройства, первый выход которого соединен с последовательно соединенными схемой формирования импульсов запуска, импульсным оптическим генератором и согласующим устройством, а на противоположном конце линейного оптического кабеля оптические волокна через фотоприемное устройство приемного оборудования соединены с входом приемника информации, отличающаяся тем, что в состав передающего оборудования систем передачи введены управляемые оптические усилители мощности, устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи, оптический переключатель, а для системы диагностики дополнительно выделяется отдельное оптическое волокно на дальнем конце оконцованное оптическим соединителем-заглушкой, причем, вход каждого управляемого оптического усилителя мощности соединен с выходом соответствующего электронно-оптического преобразователя, выходной сигнал подается в соответствующее волокно оптического кабеля связи, а управляющий вход соединен с первым выходом решающего устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи, вход которого соединен с вторым электрическим выходом рефлектометра, оптический выход которого через оптический переключатель соединен со специально выделенным для диагностики волокном, второй вход оптического переключателя соединен с выходом согласующего устройства, а управляющий вход оптического переключателя соединен со вторым выходом решающего устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи и может быть использовано для передачи информационных сигналов в системах связи, линии связи которых могут быть подвержены воздействиям ионизирующих излучений, высоких механических нагрузок или воздействиям любых других внешних или внутренних факторов, ухудшающих качество связи, либо разрушающих линии связи, в частности, на линиях связи между сетевыми узлами взаимоувязанной сети связи РФ (ВСС РФ) и узлами связи пунктов управления различных ведомств и органов исполнительной власти, либо на линиях связи между узлами связи ведомственных пунктов управления и специально выделенными узлами привязки к ВСС РФ, в случаях, когда требуется исключить возможность потери или минимизировать ущерб от кратковременной потери управления с данных пунктов управления.

В настоящее время на кабельной сети повсеместно происходит переход на волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Быстрый рост волоконно-оптических сетей обусловил важность решения вопросов оперативного обнаружения, локализации и скорейшего устранения повреждений, возникающих в ВОЛС, в том числе и повреждений, связанных с оптической средой передачи: деградацией волокна с течением времени эксплуатации, и вследствие его чувствительности к ионизирующим излучениям, высоким механическим нагрузкам и другим внешним поражающим факторам.

Задачу получения полной, объективной и достоверной информации о состоянии оборудования и его изменении, необходимой для принятия решений при обслуживании оборудования в современных ВОЛС, решают системы контроля и диагностики. Задачами диагностики оборудования ВОЛС является установление и изучение признаков, характеризующих наличие дефектов в кабельной сети и ее элементах для предсказания возможных отклонений в режимах их работы или состоянии. Контроль и диагностика кабельной линии связи позволяют идентифицировать и устранять нарушения прежде, чем возникнет авария, приводящая к перерыву в связи, или минимизировать время восстановления работоспособности кабельной сети в случае, если перерыв связи произошел.

Сложность задачи поддержания ВОЛС в работоспособном состоянии определяется также тем, что потеря связи возможна не только в результате чрезвычайной ситуации, возникающей в результате аварии, катастрофы, стихийного или экологического бедствия, но и в результате преднамеренного воздействия на нее.

Наибольший ущерб системе связи наносят чрезвычайные ситуации, возникающие вследствие преднамеренных воздействий на сетевые узлы связи ВСС РФ и узлы связи пунктов управления, поэтому заявляемое техническое решение предполагается использовать, прежде всего, на линиях связи между сетевыми узлами ВСС РФ и узлами связи пунктов управления различных ведомств и органов исполнительной власти, либо на линиях связи между узлами связи ведомственных пунктов управления и специально выделенными узлами привязки к ВСС РФ, т.е. на линиях, требующих высоких показателей надежности и живучести, и длина которых не превышает, как правило, длину ретрансляционного участка.

Одним из последствий чрезвычайных ситуаций, воздействующих на ВОЛС, являются последствия от воздействия ионизирующих излучений, которые проявляются в возрастании затухания в оптических волокнах. Сложность проблемы заключается в том, что невозможно заранее прогнозировать ни уровень радиации, ни площади поражения, ни продолжительность и тем более точное место ее воздействия.

Известна волоконно-оптическая система связи (Авторское свидетельство СССР №1612949 от 13.01.89), содержащая последовательно соединенные оптический передатчик, волоконный световод и оптический приемник. Высокая надежность работы этой системы в условиях воздействия радиации обеспечивается за счет увеличения эффективности фотообесцвечивания. Для этого волоконный световод выполняется со вставкой из отрезка оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов, а система содержит последовательно соединенные дозиметр и блок накачки, выход которого оптически соединен с отрезком оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов. При воздействии ионизирующего излучения по сигналу дозиметра блок накачки переводит отрезок оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов, в режим усилителя оптического сигнала и при дальнейшем увеличении дозы в режим лазерной генерации, что обеспечивает эффективное фотообесцвечивание волоконного световода.

Недостатком такой системы связи является то, что она может быть использована только в тех редких случаях, когда заранее достаточно точно известны конкретные места линии связи, которые могут быть подвержены ионизирующему облучению, т.е. пункты где должны быть размещены дозиметры и осуществлены вставки оптического волокна, активированного ионами редкоземельных элементов, и требуемые уровни мощности лазерного излучения, необходимого для эффективного фотообесцвечивания волоконного световода. Существенным недостатком такой системы связи является то, что в условиях воздействия ионизирующего излучения этому воздействию подвергаются также отрезок оптического волокна, кабель, соединяющий дозиметр с блоком накачки и сами дозиметр и блок накачки, в результате невозможно достоверно предсказать реакцию системы связи, особенно в реальных условиях неопределенности возможного уровня радиации и требуемых характеристик дозиметров.

Известна также волоконно-оптическая система связи (Авторское свидетельство СССР №1672914 от 15.05.89), в которой при регистрации наличия ионизирующего излучения оптический передатчик переводится в режим излучения повышенной мощности. Наличие оптического сигнала повышенной мощности в световоде способствует быстрому уменьшению затухания в нем из-за ускорения эффекта фотообесцвечивания. Через некоторое время потери в волоконном световоде уменьшаются до величины, когда переданные сигналы начнут проходить до оптических приемников, т.е. связь восстанавливается, оптический передатчик переводится в нормальный режим. Недостатком этой системы является то, что в ней не учитывается, что неопределенность уровней и мест облучения создает и неопределенность в требуемых для фотообесцвечивания помутневшего волокна мощности и времени. Реально без снижения надежности лазера “нормальный режим” может быть создан за счет снижения номинальной мощности лазера, т.е. за счет снижения длины ретрансляционного участка и тем самым снижения эффективности самой линии связи при неопределенности получения положительного результата. Кроме того, известно, что при воздействии ионизирующих излучений на оптическое волокно, увеличившееся затухание в нем может быть разделено на две составляющих - затухание, которое снижается в течение некоторого времени и это время может быть сокращено путем фотообесцвечивания повышенной мощностью лазера и добавочное остаточное затухание, которое не исчезает после прекращения облучения ионизирующим излучением и уровень которого также зависит от мощности воздействующей дозы радиоактивного излучения и времени его воздействия. При радиоактивном загрязнении трассы линии связи наведенное затухание будет непрерывно возобновляться, а добавочное остаточное будет определяться суммарной наведенной дозой, уровень которой в реальных условиях трудно прогнозируем. В этих условиях маловероятно получение положительного результата за счет повышения (доведения до номинальной) мощности лазера.

Для обеспечения работоспособности системы передачи в условиях воздействий ионизирующих излучений недостаточно только обнаружение факта нарушения связи за счет ухудшения характеристик кабеля связи вследствие воздействия на него этих излучений.

Известные решения не только не обеспечивают работоспособность системы передачи в условиях реальных воздействий ионизирующих излучений, но и не позволяют определить характер воздействий - локальный или радиоактивное загрязнение всей или значительной части трассы, что необходимо для определения мероприятий по восстановлению работоспособности линии связи.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемой является волоконно-оптическая информационно-диагностическая система передачи (Патент РФ №2128885 от 10.04.99), содержащая передатчик, включающий последовательно соединенные источник информации, электронно-оптический преобразователь и устройство ввода оптических сигналов, к второму входу которого подключены соединенные последовательно решающее устройство и рефлектометр, работающий на двух длинах волн, а выход соединен через оптический соединитель с оптическим кабелем, другой конец которого через второй оптический соединитель подключен к приемнику, содержащему последовательно соединенные спектрально-селективный элемент, фотоприемник и приемник информации; кроме этого, к третьему входу устройства ввода оптических сигналов подключены соединенные последовательно схема формирования импульса запуска, импульсный оптический генератор и согласующее устройство. Такая система позволяет наряду с передачей информации осуществлять контроль состояния оптического кабеля, идентифицировать возникающие дефекты и воздействующие на него внешние факторы, определять место их возникновения. Наряду с этим она обладает повышенной надежностью в условиях воздействия ионизирующих излучений.

Недостатком такой системы является передача сигналов контроля и диагностики по тому же волокну, что и информационный сигнал. Современные волоконно-оптические кабели связи, использующиеся на линиях передачи магистральной, внутризоновых и местных сетей ВСС РФ содержат до 144 оптических волокон, т.е. по одному кабелю ВОЛС могут работать до 72 дуплексных систем передачи. Подобная организация системы связи потребует использования до N дорогостоящих рефлектометров (где N - число использованных волокон), рубиновых лазеров и др. Таким образом, такая система может быть использована только в частных случаях и для специальных, очень ответственных систем передачи.

Другим недостатком такой системы является то, что она, в основном, ограничивается только формированием предупредительных команд на сигнально-индикаторное устройство. Решающее устройство системы диагностики формирует команду для включения рубинового лазера для фотообесцвечивания волокна только в случае обнаружения воздействия ионизирующих излучений. В системе не обеспечивается компенсация увеличения затухания оптического волокна вследствие его временной деградации и появления добавочного остаточного радиационно-наведенного дополнительного затухания.

Недостатком такой системы является также то, что метод фотообесцвечивания волокна путем включения достаточно мощного рубинового лазера резко усложняет и удорожает процесс фотообесцвечивания, делая его скорее лабораторным, чем реализуемым в реальных условиях. При этом сохраняются все недостатки описанных выше решений, вытекающие из неопределенностей места, дозы, времени и характера воздействующих ионизирующих излучений и, соответственно, невозможности точного определения требуемых характеристик оптических излучений, используемых для фотообесцвечивания волокна. При этом радиационно-наведенное затухание может превысить возможности рефлектометра по определению распределения затухания вдоль всей линии, что определит невозможность расчета необходимой мощности излучения для фотообесцвечивания.

Помимо этого, описываемая система с одной стороны предполагает использование мощного рубинового лазера, с другой стороны - снижение мощности рубинового лазера в 10-20 раз путем увеличения затухания на соответствующем входе устройства ввода излучения. Это решение, к сожалению, не исключает влияния мощности информационного сигнала и мощного рубинового лазера на высокочувствительный вход рефлектометра.

Следует дополнительно отметить, что радиоактивное загрязнение значительного или даже небольшого локального участка трассы приводит к продолжительному воздействию на оптическое волокно ионизирующих излучений, что вызывает непрерывный процесс наведения дополнительного затухания в облученном участке волокна одновременно с процессом фотообесцвечивания. Результат этих двух противоположно идущих процессов неопределенен до полной дезактивации пораженного участка кабельной линии связи. Следовательно, предложенный метод фотообесцвечивания волокна можно использовать только в тех случаях, когда воздействуют незначительные дозы радиации и непродолжительное время, однако остаточное затухание без увеличения мощности информационного сигнала и в этом случае ухудшит качество каналов связи, образуемых в данной кабельной линии связи.

Целью заявляемого технического решения является повышение надежности и живучести волоконно-оптической линии связи в условиях возможных чрезвычайных ситуаций, возникающих в результате воздействия на систему передачи поражающих факторов, прежде всего, ионизирующих излучений.

Поставленная цель достигается тем, что в состав передающего оборудования каждой системы передачи вводится управляемый оптический усилитель мощности, обеспечивающий автоматическую компенсацию дополнительного (наведенного) затухания, возникающего при воздействии ионизирующих излучений, затухания, возникающего в результате воздействия на линию связи других внешних поражающих факторов, затухания, возникающего в результате деградации волокна в процессе эксплуатации, и т.п., устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи и оптический переключатель, а для системы диагностики выделено отдельное оптическое волокно оконцованное на дальнем конце оптическим соединителем-заглушкой.

На чертеже представлена структурная схема заявляемой линии связи.

Волоконно-оптическая линия связи содержит передающее и приемное оборудование, содержащее N систем передачи, причем передающее оборудование каждой системы передачи содержит последовательно соединенные источник информации 1, электронно-оптический преобразователь 2, управляемый оптический усилитель мощности 3 и систему диагностики, включающую рефлектометр 4, первый электрический выход которого соединен с входом решающего устройства 5, а второй электрический выход соединен с входом устройства обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи 6. Выход устройства 6 соединен с вторым входом решающего устройства 5, первый выход которого соединен с управляющими входами усилителей мощности 3, а второй выход соединен с управляющим входом оптического переключателя 7 и с последовательно соединенными схемой формирования импульсов запуска 8, импульсным оптическим генератором 9 и согласующим устройством 10, выход которого соединен с вторым входом оптического переключателя 7. Информационный сигнал с выхода управляемых оптических усилителей мощности 3 вводится в линейный оптический кабель связи 11, содержащий N пар информационных оптических волокон и специально выделенное волокно для решения задач контроля и диагностики, к которому подключен выход оптического переключателя 7. Приемное оборудование системы включает последовательно соединенные фотоприемное устройство 12, подключаемое к волокнам линейного оптического кабеля 11 и приемник информации 13 каждой системы передачи, а волокно для контроля и диагностики линии связи оконцовывается оптическим соединителем-заглушкой 14.

Управляемый оптический усилитель мощности 3 компенсирует наведенное в оптическом волокне под действием ионизирующих излучений затухание или его возрастание по сравнению с первоначальным при воздействии на кабель любых других внешних или внутренних факторов. Управляющие сигналы на увеличение коэффициента усиления оптический усилитель получает от решающего устройства 5.

Рефлектометр 4, решающее устройство 5, устройство обработки и хранения результатов диагностики 6, схема формирования импульсов запуска 8, импульсный оптический генератор 9 и устройство согласования 10 выполняют функции оборудования диагностики оптического кабеля и обеспечивают:

- дистанционный автоматический контроль с определением распределения потерь вдоль линии связи;

- документирование результатов контроля;

- автоматическое обнаружение неисправностей в кабельной линии связи с указанием его точного местоположения на основе сравнения текущих и эталонных результатов измерения параметров кабеля;

- автоматический анализ изменения контролируемых параметров во времени на основе накапливаемых в процессе диагностики данных.

Устройство обработки и хранения результатов диагностики 6 предназначено для накопления результатов диагностики оптического кабеля, статистической обработки этих результатов и выдачи результатов этой обработки на решающее устройство 5 для сравнения с текущими измерениями и, кроме того, решает задачу привязки рефлектограмм к географической карте местности с указанием трассы кабельной линии связи и выдачу рекомендаций на проведение ремонтно-восстановительных работ. Устройство представляет собой программный блок со специализированным пакетом программ. Устройство 6, является элементом системы диагностики, подготавливающей данные для принятия решений на организацию и проведение ремонтно-восстановительных работ на линии связи.

Решающее устройство 5 сравнивает эталонные (или предшествующие) рефлектограммы, поступающие из устройства обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля связи 11 и результаты текущих измерений с помощью стандартного рефлектометра 4 и принимает решение на увеличение или уменьшение величины управляющих сигналов на оптические усилители мощности 3.

Рефлектометр 4 измеряет потери в оптическом волокне и определяет распределение этих потерь вдоль кабельной линии. Рефлектометр может работать в режиме персонального компьютера, в том числе в составе контрольно-измерительного комплекса (в частности, системы автоматического мониторинга и администрирования кабельной сети, элементом которой является оборудование диагностики оптического кабеля).

Современные автоматические рефлектометры (например, автоматический рефлектометр AQ7210) обеспечивают:

- диапазон измеряемых трасс до 320 км;

- высокое разрешение: 5 см - по расстоянию; 0,001 дБ - по затуханию;

- автоматические измерения и паспортизацию всех неоднородностей в оптическом волокне.

В исходном состоянии каждая из систем передачи заявляемой ВОЛС работает стандартно. Информация, поступаемая от источника информации 1 преобразуется электронно-оптическим преобразователем 2 в оптический сигнал и поступает в линейный оптический кабель 11 через оптический усилитель мощности 3, коэффициент усиления которого в нормальных условиях равен 1.

Рефлектометр 4 непрерывно излучает зондирующие импульсы, которые через оптический переключатель 7 поступают в специально выделенное для диагностики линии связи оптическое волокно, по состоянию которого судят об исправности всего волоконно-оптического кабеля 11.

Отраженные зондирующие импульсы принимаются тем же рефлектометром 4. Электрический сигнал, содержащий результаты текущего измерения затухания в оптическом кабеле поступают на устройство обработки и хранения результатов диагностики оптического кабеля и решающее устройство 7. В ходе строительства или модернизации линии связи производятся измерения затухания оптического сигнала в оптическом кабеле и определение распределения затухания по всей длине кабельной линии связи. Результаты этих измерений, как эталонные, вместе с зарегистрированными в последующем отклонениями от них, полученными с помощью рефлектометра 4, хранятся в устройстве 6. Решающее устройство 5 проводит сравнение результатов измерений и осуществляет классификацию по возможным причинам, вызвавшим увеличение затухания, - попытке несанкционированного доступа, радиационно-наведенным потерям, механическим повреждениям или временной деградации оптического волокна.

Определение места и характер изменения затухания (локального или распределенного) осуществляется непосредственно рефлектометром.

По результатам оценки решающее устройство принимает решение на прекращение передачи информационного сигнала (попытка несанкционированного доступа, обрыв кабеля), либо на увеличение коэффициента усиления оптического усилителя до полной компенсации увеличения затухания.

Если наведенное затухание не может быть компенсировано увеличением мощности усилителя и оно идентифицируется как радиационно-наведенное, оптический усилитель 3 сигналами от решающего устройства 5 переводится из режима максимального усиления в режим автогенерации для фотообесцвечивания радиационно-наведенного затухания. В случае положительного результата (снижения радиационно-наведенного затухания), сигналами решающего устройства 5 оптический усилитель 3 выводится из режима автогенерации и нормальный режим работы линии связи восстанавливается.

В случае, если результат отрицателен, принимается решение (с учетом показателей рефлектометра 4 и результатов анализа этих показателей устройством 6) о проведении на линии связи ремонтно-восстановительных работ и выдаются рекомендации системы поддержки принятия решений на их организацию.

Для обеспечения идентичности условий функционирования оптических волокон, используемых для передачи информации, и волокна, используемого для системы контроля и диагностики, с целью разрушения радиационно-наведенных центров окраски в этом волокне используются схема формирования импульсов запуска 8 и специальный лазерный импульсный оптический генератор 9, включаемые решающим устройством 5, одновременно с переводом оптических усилителей мощности 3 в режим генерации и переключением оптического волокна с выхода/входа рефлектометра 4 на выход импульсного оптического генератора 9 через согласующее устройство 10, обеспечивающее эффективный ввод излучения лазера в оптическое волокно.

Решающее устройство 5 формирует сигналы для схемы формирования импульсов запуска 8 на включение лазерного импульсного оптического генератора 9 в случаях, когда суммарное затухание оптического волокна и радиационно-наведенные потери на контролируемой линии связи превышают динамический диапазон рефлектометра и не обеспечивают просмотр всей трассы ВОЛС.

Использование для фотообесцвечивания специально выделенного для системы контроля и диагностики оптического волокна импульсного оптического генератора определяется тем, что в отличие от информационных каналов отсутствует необходимость режима усиления оптических сигналов. В частности, в качестве импульсного оптического генератора 9 могут быть использованы серийные одномодовые лазерные диоды LFO-500-502 с выходной оптической мощностью до 15 мВт, что существенно уменьшит затраты на создание системы фотообесцвечивания оптического волокна системы контроля и диагностики.

Следует иметь ввиду, что по реальным ВОЛС осуществляется дуплексная работа и на каждом конце линии связи имеется как приемное, так и передающее оборудование. Чертеж и описание предполагаемого изобретения отражает только одно направление передачи.