Защита ВОЛС распределенным акустическим датчиком на

ЛИНЕЙНО-КАБЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Защита ВОЛС распределенным
акустическим датчиком на основе
когерентного рефлектометра
К.В. МАРЧЕНКО, заместитель генерального директора ООО “Т8”, О.Е. НАНИЙ,
профессор МГУ, доктор физико-математических наук, Е.Т. НЕСТЕРОВ, инженер,
А.Ж. ОЗЕРОВ, инженер, В.Н. ТРЕЩИКОВ, генеральный директор, кандидат
физико-математических наук
Н
адежность работы системы
связи, т. е. ее способность в
течение длительного времени
выполнять заданные функции по
передаче информации с установленной нормами достоверностью — то, к чему стремится и
потребитель, и поставщик услуг, и
оператор сети связи. Обеспечить
высокую надежность важно как
владельцам разветвленной сети
большой емкости и протяженности, так и организациям, эксплуатирующим всего одну волоконнооптическую линию связи (ВОЛС).
По мере увеличения скорости передачи информации по ВОЛС тре-
“Вестник связи” № 9 '2011
бования к надежности линии становятся более жесткими, так как
потери от ее простоя растут пропорционально скорости передачи
информации [1].
ВОЛС справедливо считаются наиболее надежными и защищенными техническими решениями для передачи больших
объемов информации на дальние
расстояния. Наиболее часто они
выходят из строя в связи с обрывом оптического кабеля, что
в правильно спроектированной
и построенной сети связи происходит из-за случайного повреждения при проведении работ
вблизи расположения кабельной линии (особенно ВОЛС подземной прокладки) и по причине
вандализма.
Всем известно, что аварию легче предотвратить, чем устранить.
Для этого надо своевременно обнаружить признаки ее наступления. Чтобы ВОЛС функционировала без прерывания связи, службы
эксплуатации должны проводить
комплекс мероприятий для сведения к минимуму вероятности повреждения кабельной инфраструктуры. Помочь им в этом вопросе
может распределенный акустический датчик “Дунай” на осно-
17
ЛИНЕЙНО-КАБЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Оптическое волокно
(чувствительный элемент)
Дунай
Раб
Рабочая
сстанция
ста
О
пт
Оптическая
линия связи
(служебный канал)
Дунай
UTP
UTP
Комм
Коммутатор
Eth
Ethernet
Оптическое волокно
(чувствительный элемент)
К следующему
телекоммуникационному
узлу
Удаленный
аленнный узел
уз
Рис. 1. Схема подключения распределенного акустического датчика “Дунай” к ВОЛС
ве когерентного рефлектометра,
разработанный российской компанией “Т8” и прошедший предварительные полевые испытания
на территории ИРЭ РАН в подмосковном Фрязино.
Обнаружение механических
работ вблизи ВОЛС
Принцип действия распределенного акустического датчика
“Дунай” схож с тем, как функционирует радар или обычный оптический рефлектометр: в тестируемую линию вводится мощный
зондирующий световой импульс,
и анализируются характеристики отраженного и рассеянного
назад излучения. В отличие от
других приборов распределенный акустический датчик на основе когерентного рефлектометра благодаря чувствительности к
фазовой модуляции в волокне [2]
позволяет измерять распределение акустических воздействий
по всей длине волокна. Изменение акустического давления на
коротких участках волокна ∆l определяется по разности рефлектограмм и анализируется либо с
помощью специализированного программного обеспечения,
DFB laser
EOM
EDFA
либо оператором — визуально
и на слух. Пространственная
разрешающая способность (∆l)
датчика определяется произведением половины длительности
импульса (0,5∆τ) на скорость света (c/n) в тестируемом волокне:
∆l = 0,5∆τc/n. Схема подключения
распределенного акустического
датчика “Дунай” к ВОЛС показана на рис. 1.
В случае проведения вблизи
кабельной линии работ, “Дунай”
при помощи программного обеспечения определяет координаты
“события” и отображает место его
расположения на карте. “Событием” считается превышение амплитуды разностной рефлектограммы
некоторого “порога”. Географические координаты, расстояние вдоль
кабеля и время “события” фиксируются в таблице.
Кроме автоматического определения событий оператор имеет
возможность, используя ПО “Водопад”, визуально отслеживать
активность вблизи кабеля. Программное обеспечение отображает пространственное распределение воздействия на кабель во
времени и позволяет определять
место акустического или механического воздействия на него. По
filter
50/50
connectors
fiber
EDFA
ADC
C
filter
Р
РС
Рис. 2. Функциональная схема когерентного оптического рефлектометра
18
виду картины “водопада” можно
также определить характер воздействия.
Программа “Осциллограф” рисует в реальном времени зависимость амплитуды разностной
рефлектограммы, пропорциональной амплитуде акустического воздействия, от координаты места
воздействия.
Поскольку частота регистрируемых воздействий находится в диапазоне от 10 Гц до 1 кГц, оператор
имеет возможность прослушивать
звуковые колебания с выбранных
участков кабеля для дополнительного анализа характера воздействия на него.
Датчик акустических воздействий на основе когерентного рефлектометра (COTDR) позволяет обнаружить проведение практически
любых работ вблизи ВОЛС, а тем
более манипуляции с оптическим
кабелем. Экспериментальные исследования российского распределенного акустического датчика
на основе когерентного рефлектометра “Дунай” показали, что он
позволяет обнаружить:
человека, идущего вдоль кабеля на расстоянии 3 — 5 м;
легковой автомобиль, проезжающий в 10 — 20 м от кабеля;
грузовой автомобиль, проезжающий в 50 — 100 м от кабеля;
тяжелую гусеничную технику на
расстоянии 300 м от кабеля.
Механизм работы
когерентного рефлектометра
Механизм работы когерентного
рефлектометра поясняет функциональная схема, приведенная на
рис. 2.
Как и в обычном рефлектометре (OTDR), в распределенном датчике акустических воздействий
на основе когерентного рефлектометра (COTDR) анализируются
характеристики рефлектограмм
—
временных
зависимостей
мощности рассеянного назад
излучения при введении в тестируемую линию короткого зондирующего светового импульса.
Средняя мощность рассеянного
излучения P(t — t 0) в некоторый
“Вестник связи” № 9 '2011
ЛИНЕЙНО-КАБЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
момент времени t определяется произведением мощности P 0
тестирующего сигнала, вводимого в волокно в момент времени
t 0, коэффициента R(L) обратного рассеяния от тестируемого
участка волокна и коэффициента затухания света exp(–2αL) на
пути до тестируемого участка
и обратно:
P (t − t0 ) = P0 RL exp(−2α * L ).
В логарифмических единицах
(дБм) формула имеет следующий
вид:
P (t − t0 ) = P0 − RL − 2α L.
Однако в отличие от обычного в когерентном рефлектометре
мгновенное значение рассеянной
мощности P(t) заметно отличается
от среднего значения ІP(t)І, а рефлектограмма имеет вид сильно изрезанной кривой.
Изрезанность обусловлена тем,
что рассеянное разными рэлеевскими центрами рассеяния световые волны складываются когерентно. Это значит, что амплитуды
рассеянных волн суммируются с
учетом фазовых задержек между
ними. Фазовые задержки определяются удвоенным оптическим
расстоянием между центрами.
Поскольку при внешнем акустическом воздействии расстояния
в области воздействия между рэлеевскими центрами изменяются,
то изменяется и мощность рассеянного этой областью излучения.
В остальных частях волокна коэффициент рассеяния не меняется и,
соответственно, не меняется вид
рефлектограммы.
Следовательно, разность двух рефлектограмм
(разностная рефлектограмма) в
отсутствие акустического воздействия равна нулю, а в области такого воздействия отлична
от него.
Таким образом, в датчике акустических воздействий на основе
когерентного оптического рефлектометра стандартное оптическое
волокно используется как система распределенных датчиков. Это
позволяет получать данные, со-
“Вестник связи” № 9 '2011
бранные вдоль десятков километров кабеля, и обеспечивает широкие возможности применения не
только для защиты ВОЛС, но и охраны трубопроводов, защиты периметра и т. п. Этим объясняется
активизация исследований COTDR
и датчиков на их основе в последние годы [2 — 8].
Для обеспечения высокой
чувствительности когерентного
рефлектометра требуется хорошая видимость (контрастность)
интерференционной картины от
случайно распределенных вдоль
волокна рассеивающих центров и
ее высокая воспроизводимость.
Для этого необходимо использовать импульсный источник излучения, обладающий одновременно узким спектром, большой
длиной когерентности, высокой
стабильностью частоты, большой глубиной модуляции и отсутствием паразитной фазовой модуляции (чирпа). С точки зрения
удобства практического применения необходимо, чтобы источником излучения был высокостабильный полупроводниковый
лазер, а используемые в датчике
технические решения были максимально совместимы с телекоммуникационным оборудованием.
Заключение
Кабельная инфраструктура волоконно-оптических сетей связи
России должна быть рассчитана
на многолетнюю эксплуатацию
и неоднократные модернизации
систем связи в течение всего
срока ее эксплуатации, обычно
составляющего 25 лет. При отсутствии ошибок проектирования
правильная организация эксплуатации — залог успешной работы
ВОЛС. Чтобы предотвратить возможные обрывы кабеля на наиболее ответственных (с точки зрения
объемов трафика) и проблемных
(с точки зрения случайных обрывов при строительных работах)
участках ВОЛС, целесообразно
использовать
распределенный
датчик акустических воздействий
на основе когерентного рефлектометра.
Литература
1. Э.И. Комарницкий. Надежность работы волоконно-оптических сетей
связи и оперативное устранение аварий. //Lightwave Russian Edition, 2005,
№ 4, с. 37.
2. S. Shatalin, V. Treschikov, A. Rogers.
Interferometric optical time-domain
reflectometry for distributed opticalfiber sensing. //Appl. Opt., 1998, т. 37,
с. 5600.
3. Б.Г. Горшков, B.M. Парамонов,
A.C. Курков, А.Т. Кулаков. Фазочувствительный волоконный рефлектометр
для распределенных датчиков внешнего воздействия.//Lightwave Russian
Edition, 2005, № 4, с. 47.
4. Б.Г. Горшков B.M. Парамонов,
A.C. Курков, А.Т. Кулаков, М.В. Зазирный. Распределенный датчик внешнего
воздействия на основе фазочувствительного волоконного рефлектометра
//Квантовая электроника, 2006, т. 36,
№ 10, с. 963.
5. J.C. Juares, H.F. Taylor. Field test of a
distributed fiber-optic intrusion sensor
system for long perimeters.//Appl. Opt.,
2007, т. 46, № 11, с. 1968.
6. Y. Koyamoto, M. Imahama, K. Kubota,
K. Hogari. Fiber-optic distributed strain
and temperature sensing with very high
measurand resolution over long range
using coherent OTDR. //JLT, 2009, т. 27,
с. 1142.
7. Е.Т. Нестеров, В.Н. Трещиков, В.А. Камынин, О.Е. Наний. Когерентный
рефлектометр
с
полупроводниковым источником излучения. //
Телекоммуникации
и
транспорт
(T-Comm), спец. выпуск “Метрология: измерения и технологии”, 2010,
с. 36.
8. Е.Т. Нестеров, М.А. Слепцов,
В.Н. Трещиков, О.Е. Наний, А.А. Сусьян.
Когерентный оптический рефлектометр. Концепция создания прибора //
Телекоммуникации и транспорт. 2010,
№ 8. c. 51 — 54.
9. А.А. Сусьян, О.Е. Наний, В.А. Камынин, Е.Т. Нестеров, В.Н. Трещиков,
А.Ж. Озеров, М.А. Слепцов. Метод
увеличения дальности работы когерентного оптического рефлектометра. // Письма в ЖТФ. 2011, т. 37, № 9,
с. 55.
19