Способ обнаружения вывода излучения с боковой поверхности оптического волокна
Владельцы патента RU 2350018:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться для обнаружения нарушения работоспособности защищенных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) информации ограниченного доступа и в качестве способа постоянного контроля волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) от утечки по оптическому каналу. Технический результат состоит в повышении вероятности обнаружения скрытной попытки съема оптического сигнала с боковой поверхности оптического волокна и снижение вероятности ложных срабатываний при эксплуатации. Для этого в способе, заключающимся в приеме, детектировании оптических сигналов с волоконно-оптической линии связи, усилении, интегрировании и аналого-цифровом преобразовании полученных аналоговых электрических сигналов, которые в цифровой форме сравниваются с контрольным значением таким образом, что в случае снижения амплитуды сигнала ниже контрольного значения на заданную величину формируется сигнал тревоги.
Новым является то, что через каждое заданное таймером количество отсчетов N, составляющих цикл, вычисляется среднее выборочное значение, например, в j-м цикле
которое запоминается и используется в последующих циклах для вычисления контрольного сигнала по формуле
причем каждая i-я величина контрольного сигнала сравнивается с заранее заданным и записанным в памяти пороговым значением, вычисленным по формуле
где Λn - заданное пороговое отношение правдоподобия;
Q - заданное отношение амплитуды сигнала, вызванного потерей излучения в волоконно-оптической линии передачи, к среднему квадратическому значению шума,
при этом, если |Фi|≥Фn, то формируется сигнал ТРЕВОГА, в противном случае после окончания каждого j-го цикла полученная величина Фi запоминается и вычитается из значения, полученного в предыдущем j-1 цикле, полученная разность сравнивается с заранее заданным порогом обнаружения Фо и в случае, если
то за величину среднего выборочного значения в j+1 цикле принимается величина, вычисленная в j-м цикле, в противном случае принимается величина, используемая в j-1 цикле. 2 ил.
Изобретение относится к способам обнаружения нарушения работоспособности защищенных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) информации ограниченного доступа и может быть использовано в качестве способа постоянного контроля волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) от утечки по оптическому каналу.
Известен способ контроля ВОЛП из патента «Устройство, контролирующее работу волоконно-оптической связи, и приемник, включающий в себя упомянутое устройство» (патент Франции №2568431 от 1988 г. по заявке №8411970 от 1984 г.).
Способ состоит в том, что принимаемые с волоконно-оптической линии оптические сигналы детектируются и усиливаются до необходимой величины. После этого для устранения импульсных помех и уменьшения влияния шумов сигнал интегрируется и преобразуется из аналоговой формы в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразования. Аналого-цифровое преобразование производится периодически с заданной частотой. Полученное значение сравнивается с одним или несколькими предыдущими значениями. В случае если разница превышает заданное значение, включается сигнал тревоги. Сравнение позволяет обнаружить нарушение в работе системы связи, так как считается, что резкие изменения свидетельствуют о преднамеренном нарушении, а медленные изменения вызваны внешними и внутренними воздействующими факторами.
Устройство контроля, реализующее способ, работает следующим образом. Оптические сигналы, принимаемые с волоконно-оптической линии, детектируются фотодетектором и усиливаются усилителем фототока. Далее сигналы поступают на формирователь выходных сигналов и интегратор. Таким образом, на выходе формирователя образуются выходные информационные сигналы. С выхода интегратора последовательность сигналов преобразуется таким образом, что на выходе интегратора формируется низкочастотный контрольный сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине затухания оптического сигнала в волоконно-оптической линии связи. Далее контрольный сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), который тактируется генератором. Сигналы с выхода АЦП поступают в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и на вход цифрового компаратора. Компаратор сравнивает значение полученного сигнала с одним или несколькими предыдущими значениями, извлекаемыми из ОЗУ. Если амплитуда поступившего сигнала меньше, чем у одного или нескольких предыдущих на заданную величину, то формируется сигнал ТРЕВОГА.
К недостаткам данного способа контроля ВОЛП следует отнести следующие факты:
1. Невысокую помехоустойчивость из-за того, что для контроля используется однократно измеренное значение сигнала, которое может быть искажено импульсной помехой или выбросом шума.
2. Возможность пропуска доступа к волоконно-оптической линии в случае, если время воздействия превышает максимальное время хранения выборок.
3. Высокие значения вероятностей пропуска сигнала и ложной тревоги, обусловленные малой базой обработки сигнала (произведение полосы частот сигнала и времени его обработки).
Известен «Способ обнаружения медленного вывода оптического излучения через боковую поверхность волоконно-оптической линии связи» (патент России №2251810 от 20.01.2003 г. по заявке №2003101467/09), который наиболее близок к заявляемому способу и поэтому принят за прототип.
Способ состоит в том, что принимаемые с волоконно-оптической линии оптические сигналы детектируются и усиливаются до необходимой величины. После этого сигнал интегрируется и преобразуется из аналоговой формы в цифровую форму с помощью АЦП. После этого вычисляется сумма отклонений текущих значений сигнала от контрольного значения с учетом знака в течение времени задаваемого таймером. После этого сравнивают полученные текущие значения сумм с заранее заданным опорным сигналом, а сигнал тревоги формируют в случае, если разность текущего значения суммы превышает опорный сигнал на величину заданного порогового значения. Причем пороговое значение периодически корректируется.
Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Оптические сигналы с волоконно-оптической линии детектируются фотодетектором, усиливаются усилителем фототока и поступают на выход через формирователь выходных сигналов. Сигналы с выхода усилителя фототока поступают на вход интегратора, с выхода которого - на вход АЦП, где преобразуются из аналоговой формы в цифровую форму. АЦП тактируется генератором, сигналы с которого поступают на вход таймера. Таймер отсчитывает время, в течение которого происходит вычисление суммы. С выхода АЦП сигналы поступают в арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое проводит суммирование (с учетом знака) полученного значения с ранее полученной суммой. Сумма хранится в ОЗУ. Цифровой компаратор сравнивает текущие значения сигнала, поступившего с выхода АЦП, с предыдущим (или несколькими предыдущими), а также полученную сумму с заданной пороговой величиной. Если текущее значение оказалось ниже предыдущего (предыдущих) на предельную величину или сумма достигла заданной величины, то устройство сигнализации формирует сигнал тревоги. Таймер отсчитывает промежуток времени, через который производится установка нулевой суммы в ОЗУ. Таким образом, медленные изменения затухания, которые произойдут за время, превышающее время хранения текущих значений, будут обнаружены, так как приведут к постоянному увеличению суммы (с отрицательным знаком) и, в конечном итоге, к достижению значения срабатывания устройства сигнализации.
К недостаткам данного способа обнаружения следует отнести:
1. Способ отвечает критерию оптимального выделения сигнала на фоне шумов (наиболее возможное отношение сигнал/шум при принятии решения) только для сигнала съема постоянной амплитуды. Это приводит к тому, что для сигналов съема, изменяющихся в течение времени вычисления суммы, не достигаются предельно низкие величины вероятностей пропуска сигнала и ложной тревоги.
2. Максимальная длительность обнаруживаемого сигнала ограничена промежутком времени, через который производится установка нулевой суммы в ОЗУ.
Решаемая техническая задача - повышение вероятности обнаружения скрытной попытки съема оптического сигнала с боковой поверхности оптического волокна и снижение вероятности ложных срабатываний при эксплуатации.
Техническим результатом является повышение отношения сигнал/шум при принятии решения для сигналов съема любой формы, амплитуды и длительности.
Этот технический результат достигается способом обнаружения вывода излучения через боковую поверхность оптического волокна, заключающимся в приеме, детектировании оптических сигналов с волоконно-оптической линии связи, усилении, интегрировании и аналого-цифровом преобразовании полученных аналоговых электрических сигналов, которые в цифровой форме сравниваются с контрольным значением таким образом, что в случае снижения амплитуды сигнала ниже контрольного значения на заданную величину формируется сигнал тревоги.
Новым является то, что через каждое заданное таймером количество отсчетов N, составляющих цикл, вычисляется среднее выборочное значение, например, в j-м цикле
которое запоминается и используется в последующих циклах для вычисления контрольного сигнала по формуле
причем каждая i-я величина контрольного сигнала сравнивается с заранее заданным и записанным в памяти пороговым значением, вычисленным по формуле
где Λn - заданное пороговое отношение правдоподобия;
Q - заданное отношение амплитуды сигнала, вызванного потерей излучения в волоконно-оптической линии передачи, к среднему квадратическому значению шума,
при этом, если |Фi|≥Фn, то формируется сигнал ТРЕВОГА, в противном случае после окончания каждого j-го цикла полученная величина Фj запоминается и вычитается из значения, полученного в предыдущем j-1 цикле, полученная разность сравнивается с заранее заданным порогом обнаружения Фo и в случае, если
то за величину среднего выборочного значения в j+1 цикле принимается величина, вычисленная в j-том цикле, в противном случае принимается величина, используемая в j-1 цикле.
Совокупность существенных признаков заявляемого способа позволяет повысить отношение сигнал/шум при принятии решения для сигналов любой формы, амплитуды и длительности, так как при вычислениях за наиболее вероятную амплитуду сигнала принята величина абсолютного значения реализации в данный момент времени. Кроме того, введен порог обнаружения, при превышении которого обнаруживается сигнал съема любой длительности.
На фигуре 1 представлена функциональная схема фотоприемного устройства, реализующего заявляемый способ: 1 - оптическое волокно (ОВ); 2 - приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ); 3 - усилитель-ограничитель (УО); 4 - линейный усилитель (ЛУ); 5 - амплитудный детектор (АД); 6 - интегратор (ИНТ); 7 - АЦП; 8 - тактовый генератор (ТГ); 9 - устройство вычисления среднего (УВС); 10 - ОЗУ среднего; 11 - устройство вычисления квадрата отклонения (УВКО); 12 - сумматор (СУМ); 13 - цифровой компаратор (КОМ); 14 - ОЗУ порога тревоги; 15 - ОЗУ суммы; 16 - устройство вычитания (ВЫЧ); 17 - цифровой компаратор (КОМ); 18 - ОЗУ порога обнаружения.
На фигуре 2 представлены диаграммы трех характерных циклов функционирования устройства: 1 - цикл вычисления среднего выборочного (сигнала нет), 2 - цикл обнаружения сигнала съема (формирование запрета перезаписи), 3 - цикл формирования сигнала тревоги.
Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом. Постоянно принимаемый оптический информационный сигнал с ОВ (1) поступает на входной полюс ПРОМ (2), где преобразуется в электрический сигнал. С выхода ПРОМ сигнал поступает на вход УО (3), который формирует цифровой информационный сигнал. Этот же сигнал поступает на вход ЛУ (4), который усиливает амплитуду сигнала до требуемого уровня. После этого АД (5) преобразует амплитуду сигнала в постоянный контрольный уровень (КУ), который поступает на вход ИНТ (6). ИНТ ограничивает полосу частот контрольного сигнала и соответственно уменьшает шум.
После этого аналоговый сигнал преобразуется в цифровой ряд Котельникова с помощью АЦП (7), который тактируется ТГ (8) (тактовый период - Δt). Выборка входной реализации Yi поступает на УВС (9), которое вычисляет среднее выборочное значение за заданный промежуток времени Т (количество отсчетов N=T/Δt). Полученное среднее выборочное при отсутствии запрета перезаписи записывается в ОЗУ среднего (10), из которого поступает на первый вход УВКО (11), на второй вход которого поступает выборка входной реализации Yi. УВКО вычисляет квадрат отклонений ΔYi2, поступающий на вход СУМ (12), который вычисляет сумму квадратов отклонений Фi.
Сумма квадратов отклонений постоянно сравнивается КОМ (13) с порогом сигнала тревоги Фn, предварительно записанным в ОЗУ (14). В случае превышения порога формируется сигнал ТРЕВОГА. После окончания каждого цикла (N - отсчетов) сигнал Фj поступает на ВЫЧ (16), который вычисляет модуль разности двух соседних значений Фj-Фj-1, последнее из которых храниться в ОЗУ (15) и перезаписывается после окончания каждого цикла. Полученная величина |ΔФj| сравнивается с помощью КОМ (17) с порогом обнаружения Фo, который предварительно записывается в ОЗУ (18).
В случае, если модуль разности сравниваемых значений больше нуля формируется сигнал запрета перезаписи среднего выборочного значения в ОЗУ (10).
В опытных образцах конверторов FOBOS-100M и FOBOS-100S, реализующих заявляемый способ, были использованы следующие элементы и устройства: приемные оптоэлектронные модули ПРОМ-364-155 и HFBR-2316Т; усилитель-ограничитель К500ЛП116; линейный усилитель К500ЛП116; амплитудный детектор 2 ВС523 ВМ; интегратор OPA177GS; АЦП; тактовый генератор; устройство вычисления среднего; ОЗУ среднего; устройство вычисления квадрата отклонения; сумматор; цифровой компаратор; ОЗУ порога тревоги; ОЗУ суммы; цифровой компаратор; ОЗУ порога обнаружения реализованы в микроконтроллере PIC16C717 со специально разработанным программным обеспечением «DEMOS».
Испытания образцов показали следующие результаты: порог обнаружения 0,01 дБ, порог сигнала тревога 0,05 дБ, обнаружение сигналов любой длительности, время безотказной работы не менее 270 часов.
Способ обнаружения вывода излучения через боковую поверхность оптического волокна, заключающийся в приеме, детектировании оптических сигналов с волоконно-оптической линии, усилении, интегрировании и аналого-цифровом преобразовании полученных аналоговых электрических сигналов, которые в цифровой форме сравниваются с контрольным значением таким образом, что в случае снижения амплитуды сигнала ниже контрольного значения на заданную величину формируется сигнал тревоги, отличающийся тем, что через каждое заданное таймером количество отсчетов N, составляющих цикл, вычисляется среднее выборочное значение, например, в j-том цикле
которое запоминается и используется в последующих циклах для вычисления контрольного сигнала по формуле
причем каждая i-тая величина контрольного сигнала сравнивается с заранее заданным и записанным в памяти пороговым значением, вычисленным по формуле
где Λn - заданное пороговое отношение правдоподобия;
Q - заданное отношение амплитуды сигнала, вызванного потерей излучения в волоконно-оптической линии передачи, к среднему квадратическому значению шума, при этом, если /Фi/≥Фn, то формируется сигнал тревога, в противном случае после окончания каждого j-того цикла полученная величина Ф, запоминается и вычитается из значения, полученного в предыдущем j-1 цикле, полученная разность сравнивается с заранее заданным порогом обнаружения Фо и в случае, если
то за величину среднего выборочного значения в j+1 цикле принимается величина, вычисленная в j-том цикле, в противном случае принимается величина, используемая в j-1 цикле.
