CC BY
9
УДК 681.586.5
И.Г. Кирин, доктор технических наук, профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: igkirin@rambler.ru
Е.В. Цветкова, старший преподаватель кафедры общей физики, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» e-mail: ewzwetkowa@rambler.ru
ПОМЕХОУСТОЙЧИВАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ДИАГНОСТИ ЗАТУХАНИЯ
Актуальность: световоды обладают уникальными характеристиками среды для передачи информации, но они чувствительностью к воздействию всех физических полей, что с одной стороны, позволяет создавать уникальные по характеристикам волоконно-оптические датчики, а с другой стороны, является причиной, снижающей помехоустойчивость передачи по ним информации.
Цель: в статье предлагается подход, позволяющий строить помехоустойчивые волоконно-оптические линии передачи аналоговой информации с системой диагностики затухания волоконно-оптического канала. Это позволяет им работать в условиях действия на них дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры окружающей среды, переменные механические нагрузки, изменение давления, которые приводят к росту затухания волоконно-оптических каналов, передающих информацию, и, как следствие, к искажению передаваемой по ним информации.
Результаты: для решения поставленной задачи в состав волоконно-оптической линии введена система, позволяющая проводить непрерывную диагностику затухания ее волоконно-оптического световода. С учетом значения затухания волоконно-оптической световода линии проводится корректировка величины фиксируемого регистратором сигнала, передаваемого по линии. Это достигается тем, что коэффициент усиления усилителя, фиксирующего сигнал на выходе линии, увеличивается на величину, пропорциональную величине затухания волоконно-оптического световода линии. За счет выполнения линией этой функций и обеспечивается возможность измерений в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Проведена оценка метрологических свойств предлагаемой линии. Показано, практически полностью снизить влияние дестабилизирующих факторов на результирующую погрешность можно, если использовать цифровые методы выполнения всех операций в электронной части и использовать в составе предлагаемой линии кварцевый световод.
Ключевые слова: волоконно-оптические линии, диагностика затухания, корректировка выходного сигнала с учетом затухания.
В обеспечении экономичной, надежной и качественной работы современных технических систем все большее значение приобретают системы измерения, контроля, управления, регулирования, построенные на основе волоконной оптики. Эти системы, сравнительно недорогие, позволяют не только избежать значительных затрат на их создание, но и решить качественно новые задачи управления [3, 9-11]. В свою очередь, важнейшей предпосылкой высокой эффективности работы этих систем является совершенствование устройств обеспечения устойчивости волоконно-оптических каналов передачи информации к воздействию внешних факторов, изменяющих их затухание и другие оптические характеристики [5-7].
В статье предлагается подход, позволяющий строить помехоустойчивые волоконно-оптические линии передачи аналоговой информации с системой диагностики затухания волоконно-оптического световода канала передачи информации. Это позволяет им работать в условиях действия на них дестабилизирующих факторов, таких как изменение
температуры окружающей среды, переменные механические нагрузки, изменение давления, которые приводят к росту затухания волоконно-оптических каналов, передающих информацию, и, как следствие, к искажению передаваемой по ним информации.
В рассматриваемом ниже подходе в состав лини передачи информации введена система диагностики, позволяющая проводит непрерывное измерение затухания волоконно-оптического световода канала передачи информации с последующей корректировкой величины фиксируемого регистратором сигнала, передаваемого по нему с учетом значения затухания световода. За счет выполнения системой этой функции и обеспечивается возможность передачи информации в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов.
Система диагностики предлагаемой линии передачи информации построена на методе, фиксирующем затухание волоконно-оптического световода канала передачи информации методом обратного рассеяния [1, 2, 4]. В этом методе ис-
пользуется импульсный источник оптического излучения, излучение которого вводится в световод канала передачи информации. Часть потока от этого источника излучается в оболочку и там затухает, часть распространяется вперед вместе с основным потоком, а часть - в сторону ближнего конца по направлению к источнику изучения, образуя поток обратного рассеяния за счет Рэлеевского рассеяния. Измеряя мощность обратного потока оптического излучения, поступающего на ближний к источнику излучения конец световода и анализируя ее, можно получить оценки параметров исследуемой волоконно-оптической линии [4]. Учитывая, что измерения характеристик оптических волокон методом обратного рассеяния являются косвенными, искомая величина определяется в результате математической обработки данных измерения мощности обратного потока оптического изучения. В этом методе характеристики распространений оптического сигнала в прямом направлении определяют по изменениям мощности излучения, распространяющегося в обратном направлении, полагая при этом, что параметры оптического световода в прямом и обратном направлении идентичны. Последнее условие выполняется с определенной погрешностью [2].
Структурная схема канала передачи информации включает: волоконно-оптический световод (1); фотоприемное устройство (7); усилитель с изменяющимся коэффициентом усиления (8).
Структурная схема системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии, работающей на основе этого подходе, включает: генератор зондирующих импульсов с источником оптического излучения (2); волоконно-оптический ветвитель (3); фотоприемное устройство (5); блок управления и математической обработки (6). Между собой канал передачи информации и систе-
ма диагностики затухания волоконно-оптического световода рассматриваемой линии связаны через волоконно-оптический ветвитель (4).
Предлагаемая линия работает следующим образом. Вырабатываемые генератором зондирующие оптические импульсы через волоконно-оптический ветвитель системы диагностики рассматриваемой линии (3) и волоконно-оптический ветвитель (4) поступают в волоконно-оптического световод (1) линии. Поток обратного рассеяния, возбуждаемый при распространении зондирующих импульсов в волоконно-оптического световоде через волоконно-оптический ветвитель (4) и далее через волоконно-оптический ветвитель системы диагностики (3) поступает на вход фотоприемного устройство (5) системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии передачи информации и далее он передается в блок управления и математической обработки (6) этой системы. В этом блоке, построенном на основе микропроцессора, определяется величина затухания волоконно-оптического световода линии. С выхода блок управления и математической обработки системы диагностики затухания волоконно-оптического световода (6) предлагаемой линии передачи информации, сигнал подается на вход усилитель с изменяющимся коэффициентом усиления канала передачи информации линии. На первый вход этого усилителя подается сигнал с выхода фотоприемного устройства канала передачи информации предлагаемой линии (7).
Под действием сигнала с блока управления и математической обработки системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии передачи информации (6) устанавливается коэффициент усиления, пропорциональный величине затухания волоконно-оптического световода рас-
/ 7 8
Рисунок 1. Помехоустойчивая волоконно-оптическая линия передачи информации с рефлектометри-ческой системой диагностики затухания (Примечание: 1 - волоконно-оптический световод; 2 - генератор зондирующих импульсов с источником оптического излучения системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии передачи информации; 3 - волоконно-оптический ветвитель системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии передачи информации; 4 - волоконно-оптического ветвитель; 5 - фотоприемное устройство системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии передачи информации; 6 - блок управления и математической обработки системы диагностики затухания волоконно-оптического световода линии передачи информации; 7 - фотоприемное устройство канала передачи информации линии; 8 - усилитель с изменяющимся коэффициентом усиления канала передачи информации).
сматриваемой линии. Таким образом, происходит компенсация внешних воздействий, оказываемых на предлагаемую линию.
Оценка метрологических свойств предлагаемой линии проводилась по стандартной методике [8]. Определить результирующую погрешность, определяемую данным видом дестабилизирующего воздействия можно с помощью соотношения:
г?=±г? (1).
171=1
Результирующую относительную погрешность 7ъ, определяемую всем набором внешних факторов, с учетом того, что в схеме построения линий предусмотрены меры непрерывной корректировки фиксируемых сигналов, вызванного воздействием дестабилизирующих факторов, и с учетом того, что дрейфом за счет изменения параметров компонент можно пренебречь из-за малой скорости, можно представить в виде:
г1=ШУ (2).
И1=1
С учетом схемы предлагаемой волоконно-оптической линии, основными факторами, определяющими погрешность линии передачи информации, являются изменения температуры окружающей среды, разъюстировка оптических элементов, а также погрешности, вызванные электронными блоками. Таким образом, в соответствии с (2), результирующая погрешность величины сигнала, фиксируемого предлагаемой волоконно-оптической линией, будет иметь вид:
п = Ш?+(.ЛУ+ь*-)2+о*')2 (3),
г ип I -
где у-£, , - суммарные погрешности блоков волоконно-оптической линии, обусловленные меняющейся температурой, напряжением питания
и разъюстировкой оптических и фотоэлектрических элементов; у®л = + - суммарная погрешность блоков волоконно-оптической линии, обусловленная меняющейся освещенностью фотоприемников систем диагностики затухания и передачи сигнала рассматриваемой линии.
Анализ компонент, входящих в выражения (3), показывает, что основными факторами, определяющими погрешность предлагаемой волоконно-оптической линии, являются погрешности, возникающие из-за нестабильности напряжения источников питания блоков линии, и температурная зависимость параметров электронных компонент линии. Практически полностью снизить значение этих факторов на результирующую погрешность можно, если использовать цифровые методы выполнения всех операций в электронной части и использовать в составе предлагаемой линии кварцевый световод.
Выводы. Использование предлагаемой волоконно-оптической линии передачи информации, как показывает проведенный в работе анализ ее метрологических характеристик, позволяет практически полностью компенсировать воздействие таких дестабилизирующих факторов, как изменение температуры окружающей среды, переменные механические нагрузки, изменение давления, меняющиеся потери из-за изменения разъюстировки оптических и фотоэлектрических ее элементов, если использовать цифровые методы выполнения всех операций в электронной части и использовать в составе предлагаемой системы устойчивые к воздействию температуры (например, кварцевые) световоды.
В дальнейшем, если предусмотреть в составе предлагаемой линии передачи информации лазерную систему защиты ее волоконно-оптического канала от радиации, то, таким образом, модифицированная она может быть использована и для передачи информации из областей с ионизирующим излучением или через области с таким излучением.
Литература
1. Андреев, В.А. Измерения на ВОЛП методом обратного рассеяния: учеб. пособие для ВУЗов / В.А. Андреев, В.А. Бурдин, В.С. Баскаков, А.Л. Косова. - Самара, СРТТЦ ПГАТИ, 2001. - 107 с.
2. Андреев, В.А. Измерения на ВОЛП методом обратного рассеивания / В.А. Андреев, В.А. Бусурин, В.С. Баскаков, А.Л. Косова. - Самара, СРТТЦ ПГАТИ, 2008. - 62 с.
3. Бусурин, В.И. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения / В.И. Бусурин, Ю.Р. Носов. - Москва, Энергоатомиздат, 1990. - 156 с.
4. Бурдин, В.А. Метод оценки затухания соединения оптического волокна при монтаже постоянной оптической кабельной вставки / В.А. Бурдин // Метрология и измерительная техника в связи. - 2000. - № 6. - С. 25-26.
5. Дианов, Е.М., Корышенко, Л.С., Никитин, Е.Л. Влияние температуры и уровня оптической мощности на наведенное поглощение в волоконных световодах из чистого кварцевого стекла / Е.М. Дианов, Л.С. Корышенко, Е.Л.Никитин // Квантовая электроника. - 1981. - Т. 8. - № 9. - С. 1935-1944.
6. Дианов, Е.М. , Рыбалтовский, А.О., Никитин, Е.Л. Радиационно-оптические свойства волоконнооптических световод на основе чистого кварцевого стекла (обзор) / Е.М. Дианов, А.О. Рыбалтовский, Е.Л. Никитин, Л.С. Корышенко, В.Б. Сулимов, П.В. Чернов // Квантовая электроника. -1983. - Т. 10. - № 3. - С. 458-464.
7. Кирин, И.Г. Специальные радиационно-устойчивые волоконно-оптические и оптоэлектронные датчики и системы / И.Г. Кирин. - Москва: Университетская книга, 2008. - 148 с.
8. Кирин, И.Г. Помехоустойчивая волоконно-оптическая линия передачи информации с системой лазерной защиты / И.Г. Кирин // Интеллект. Инновации. Инвестиции. - 2016. - № 1. - С. 81-83.
9. Скляров, О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи / О.К. Скляров. - Москва: СОЛОН-Пресс, 2004. - 272 с.
10. Стерлинг, Д.А. Волоконная оптика: Пер. с анг. / Д.А. Стерлинг. - Москва: Лори, 1998. - 288 с.
11. Чео, П.К. Волоконная оптика. Приборы и системы: Пер. с анл. / П.К. Чео. - Москва: Энергоатоиздат, 1998. - 220 с.
