Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени с распределенным усилением на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния

Изобретение относится к устройствам сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов с применением оптоволоконной линии связи, соединяющей объекты. Устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов состоит из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов и компьютер. Генератор оптических импульсов первого объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей, который состоит из оптоволоконного разветвителя, первый выход которого соединен с оптоволоконным объединителем, выход которого соединен со входом фотоприемника, а второй вход - с выходом циркулятора, а второй выход разветвителя соединен с первым входом оптоволоконного второго объединителя, второй вход которого соединен с выходом блока лазеров накачки, а выход второго объединителя соединен со входом циркулятора, вход/выход которого соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта. Второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте оптической несущей импульсов и компьютер, связанный с промежуточным генератором. Вход приемника оптических импульсов через полупрозрачное зеркало подключен к выходу циркулятора, ко входу которого присоединен блок лазеров накачки второго объекта, вход/выход циркулятора соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта. Компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах (например, сеть Ethernet, беспроводная сеть или др.). Особенностью и преимуществом указанного устройства является то, что в блок разветвителей-объединителей встроен объединитель, позволяющий ввести излучение блока лазеров накачки первого объекта в оптоволоконную линию связи между объектами, на втором объекте оптоволоконная линия связи между объектами подключена через циркулятор, позволяющий ввести в нее излучение блока лазеров накачки второго объекта, что приводит к распределенному усилению оптических импульсов на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, при этом импульсы, распространяющиеся как с первого объекта на второй, так и отраженные полупрозрачным зеркалом со второго на первый, усиливаются как за счет сонаправленной накачки, так и за счет встречной накачки. Достигаемым техническим результатом при использовании заявленного устройства является повышение точности работы системы за счет привязки оптических импульсов, направляемых генератором оптических импульсов на втором объекте в оптоволоконную линию связи, к шкале времени объекта с помощью блока разветвителей-объединителей, повышение допустимого расстояния между объектами за счет применения блоков лазеров накачки на каждом из объектов, повышение точности сравнения или синхронизации за счет применения сигналов в оптическом диапазоне и прямой привязки оптических импульсов к шкалам времени, увеличение надежности и оперативности за счет применения оптоволоконной линии связи, а также возможность сравнения или синхронизации шкал времени с использованием только одного оптического волокна произвольной длины, в т.ч. «темного» волокна, арендуемого у операторов общедоступных сетей связи. 1 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к технике оптоволоконной связи и может быть использовано для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, соединенных оптоволоконной линией связи. Изобретение направлено на увеличение расстояния между объектами без снижения точности сравнения и синхронизации шкал времени.

Известен способ и устройство сравнения и синхронизации шкал времени между наземными пунктами с помощью системы одно- и двухсторонних сравнений шкал времени (С.С. Донченко, О.В. Колмогоров, Д.В. Прохоров. Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени. Измерительная техника, №1, 2015, Патент РФ №2547662 Способ сличения шкал времени и устройство для его осуществления).

Устройство содержит на одном из пунктов импульсный генератор, передающий модуль, блок разветвителей-объединителей, фотоприемный модуль, таймер событий, компьютер, промежуточный генератор; на втором пункте полупрозрачное зеркало, фотоприемный модуль, таймер событий, компьютер.

К достоинствам данного устройства относится то, что сравнение шкал времени производится с помощью одного оптического волокна, и то, что с помощью блока разветвителей-объединителей производится привязка оптических, а не электрических импульсов к соответствующей шкале времени, что исключает влияние погрешностей в канале шкала времени - оптический импульс. Недостатком данного устройства является то, что используется частично отраженный со второго объекта импульс, имеющий меньшую амплитуду по сравнению с излученным импульсом, т.е. уменьшение амплитуды импульса из-за отражения и потерь в линии значительно снижает допустимое расстояние между пунктами.

Известно устройство для сравнения и синхронизации шкал времени между наземными объектами, соединенными оптоволоконной линией связи, с помощью системы встречных сравнений шкал времени Пат. 2 604 852 РФ. Устройство для сравнения и синхронизации шкал времени / Д.В. Прохоров, О.В. Колмогоров, С.С. Донченко; заявитель и патентообладатель ФГУП "ВНИИФТРИ". Опубл. 10.12.2016, Бюл. №34.

Устройство содержит на первом объекте таймер событий, генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов, компьютер, генератор оптических импульсов, блок разветвителей-объединителей. Второй объект также включает в себя таймер событий, промежуточный генератор, генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов, компьютер, генератор оптических импульсов, блок разветвителей-объединителей. Блоки разветвителей-объединителей обоих объектов соединены между собой оптов ми олоконной линией связи. Компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах (например, сеть Ethernet, беспроводная сеть или др.).

К достоинствам данного устройства относится то, что увеличено допустимое расстояние между объектами за счет применения передающих модулей на каждом объекте, повышена точность сравнения или синхронизации за счет применения сигналов в оптическом диапазоне и прямой привязки оптических импульсов к шкалам времени. Недостатком данного устройства является то, что генераторы оптических импульсов на противоположных объектах имеют различную длину волны, что приводит, за счет дисперсии в оптическом волокне, к различному времени прохождения оптических импульсов в линии связи между объектами и, следовательно, к повышению погрешности синхронизации шкал времени. Также недостатком данного устройства является то, что на противоположных объектах должны генерироваться оптические импульсы с различными частотой и/или длительностью. Это приводит к ограничению частоты сравнения шкал времени и, следовательно, к увеличению погрешности сравнения, к возможным сбоям с истемы за счет наложения встречных импульсов, невозможности фиксации части импульсов из-за наличия у таймеров событий периода нечувствительности (мертвого времени), к необходимости периодического перезапуска системы.

Для увеличения расстояния между объектами, на которых происходит сравнение и синхронизация шкал времени с помощью оптоволоконной линии связи известен способ распределенного усиления мощности оптических сигналов, - патент на изобретение №2715489 «Способ распределенного усиления мощности оптических сигналов для систем сравнения и синхронизации шкал времени и оптоволоконных рефлектометров».

К достоинствам данного способа относится то, что с помощью модифицированного блока разветвителей-объединителей, включающего блок лазеров накачки, излучение накачки, создающее условия для возникновения эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, поступает на первом объекте в оптоволоконную линию связи между удаленными объектами, при этом происходит распределенное усиление как импульсов поступающих в линию связи, так и распространяющихся в обратном направлении.

Достигаемым техническим результатом при использовании заявляемого устройства является повышение, по сравнению с существующими системами сравнения шкал времени с помощью ВОЛС, допустимого расстояния между объектами за счет применения на каждом объекте своего блока лазерной накачки для распределенного усиления оптических импульсов на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, при этом импульсы, распространяющиеся как с первого объекта на второй, так и отраженные полупрозрачным зеркалом со второго на первый, усиливаются как за счет сонаправленной накачки, так и за счет встречной накачки.

Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов и компьютер. Генератор оптических импульсов первого объекта подключен к входу блока разветвителей-объединителей, который состоит из оптоволоконного разветвителя, первый выход которого соединен с оптоволоконным объединителем, выход которого соединен со входом фотоприемника а второй вход с выходом циркулятора, а второй выход разветвителя соединен с первым входом оптоволоконного второго объединителя, второй вход которого соединен с выходом блока лазеров накачки, а выход второго объединителя соединен со входом циркулятора, вход/выход которого соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта.

Второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте оптической несущей импульсов и компьютер, связанный с промежуточным генератором. Вход приемника оптических импульсов через полупрозрачное зеркало подключен к выходу циркулятора, ко входу которого присоединен блок лазеров накачки второго объекта, вход/выход циркулятора соединен с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта.

Компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах (например, сеть Ethernet, беспроводная сеть или др.)

Особенностью и преимуществом указанного устройства является то, что в блок разветвителей-объединителей встроен объединитель, позволяющий ввести излучение блока лазеров накачки первого объекта в оптоволоконную линию связи между объектами, на втором объекте оптоволоконная линия связи между объектами подключена через циркулятор, позволяющий ввести в нее излучение блока лазеров накачки второго объекта, что приводит к распределенному усилению оптических импульсов на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния, при этом импульсы, распространяющиеся как с первого объекта на второй, так и отраженные полупрозрачным зеркалом со второго на первый, усиливаются как за счет сонаправленной накачки, так и за счет встречной накачки. Изобретение поясняется чертежом:

На фиг. 1 - представлена схема устройства для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов с автоматическим сравнением и синхронизацией шкал времени.

Схема устройства для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов (Фиг. 1) содержит на первом объекте таймер событий 1, присоединенные к нему генератор 2 формирования шкалы времени этого объекта, приемник оптических импульсов 3, компьютер 4. Генератор 5 оптических импульсов на первом объекте подключен к входу блока разветвителей-объединителей 6. Блок разветвителей-объединителей 6 состоит из оптоволоконного разветвителя 7, соединенного с оптоволоконным объединителем 8, выход которого соединен со входом фотоприемника 3 а второй вход с выходом циркулятора 9, а второй выход разветвителя соединен с первым входом оптоволоконного объединителя 10, второй вход которого соединен с выходом блока лазеров накачки 11, а выход объединителя 10 соединен со входом циркулятора 9, вход/выход которого соединен с оптоволоконной линией связи 12, связывающей два удаленных объекта Компьютер 4 подключен к системе передачи информации о временных интервалах 13 (например, сеть Ethernet, беспроводная сеть или др.), соединенной с компьютерами 4 первого объекта и 14 второго объекта для вычисления расхождения шкал времени объектов.

Второй объект содержит таймер событий 15, присоединенные к нему промежуточный генератор 16, приемник оптических импульсов 17, компьютер 14. Приемник оптических импульсов 17 второго объекта присоединен также к полупрозрачному зеркалу 18, которое присоединено к циркулятору 19, который соединен также с блоком лазеров накачки 20 и с оптоволоконной линией связи 12, которая соединяет два удаленных объекта. Компьютер 14 подключен к системе передачи информации о временных интервалах 13 и промежуточному генератору 16, к которому подключен генератор формирования шкалы времени второго объекта 21.

Устройство в соответствии с Фиг. 1 работает следующим образом.

На первом объекте оптический импульс с генератора оптических импульсов 5 поступает на вход блока разветвителей-объединителей 6, проходит через разветвитель 7, некоторая часть мощности оптического импульса через объединитель 8 поступает в приемник 3 оптических импульсов первого объекта, основная часть мощности импульса через объединитель 10 и циркулятор 9 поступает в оптоволоконную линию связи 12, при этом, через объединитель 10 и циркулятор 9 в оптоволоконную линию связи 12 также поступает непрерывное излучение с блока лазеров накачки 11, длина волны накачки соответствует условию создания вынужденного комбинационного рассеяния для усиления оптических импульсов, распространяющихся по оптоволоконной линии связи 12. Электрический сигнал с приемника 3 оптических импульсов поступает в таймер событий 1, который фиксирует момент излучения оптического импульса t₁ в шкале времени первого объекта, сформированной генератором 2 сигнала 1 PPS, секундные метки которого поступают в таймер событий 1. Информация о моменте излучения оптического импульса t₁ поступает в компьютер 4, который по системе передачи информации 13, например сети Ethernet, беспроводной сети связи или другой, направляет данные о значении t₁ в компьютер 14 второго объекта.

Оптический импульс, пришедший по оптоволоконной линии связи на второй объект через циркулятор 19 и полупрозрачное зеркало 18 поступает в приемник оптических импульсов 17 второго объекта, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий в таймер событий 15. Также в таймер событий 15 поступает сигнал 1 PPS с промежуточного генератора 16, что позволяет определить время τ₁ прихода оптического импульса в шкале времени второго объекта, формируемой генератором 21 и промежуточным генератором 16. Информация о моменте прихода оптического импульса τ₁ направляется в компьютер 14 второго объекта.

Часть мощности оптического пришедшего с первого объекта на второй отражается от полупрозрачного зеркала 18 и направляется через циркулятор 19 и оптоволоконную линию связи 12 обратно на первый объект. При этом в линию связи 12 через циркулятор 19 поступает также непрерывное излучение с блока лазеров накачки 20, длина волны накачки соответствует условию создания вынужденного комбинационного рассеяния для усиления оптических импульсов, распространяющихся по оптоволоконной линии связи 12. Без учета времени задержки прохождения сигнала в тракте полупрозрачное зеркало 18, фотоприемник 17, таймер событий 15, время излучения оптического импульса со второго объекта на первый равно τ₁.

Оптический импульс, пришедший по оптоволоконной линии связи 12 со второго на первый объект через циркулятор 9 и объединитель 8 блока разветвителей-объединителей 6 поступает в приемник оптических импульсов 3 первого объекта, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий в таймер событий 1, который определяет время τ₂ прихода оптического импульса в шкале времени первого объекта. Информация о моменте прихода оптического импульса τ₂ поступает в компьютер 4 и по системе передачи информации 13 направляется в компьютер 14 второго объекта.

На основании данных о значениях t₁, τ₁, τ₂, определяют расхождение шкал времени удаленных объектов Δt по формуле:

где

t₁ - измеренное время излучения оптического импульса с первого объекта в шкале времени первого объекта,

τ₁ - измеренное время прихода оптического импульса с первого объекта на второй объект в шкале времени второго объекта,

τ₂ - измеренное время прихода оптического импульса со второго объекта на первый объект в шкале времени первого объекта.

Компьютер 14 вычисляет по вышеприведенной формуле расхождение шкал времени для по каждому одиночному измерению, усредняет результаты измерений и вырабатывает управляющий сигнал, по которому промежуточный генератор 16 синхронизирует шкалу времени второго объекта со шкалой времени первого.

Усреднение данных за время цикла сравнения обеспечивает повышение точности сравнения и синхронизации.

Устройство для сравнения и синхронизации шкал времени удаленных объектов, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, содержит на первом объекте таймер событий, присоединенные к нему генератор формирования шкалы времени этого объекта и приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте несущей оптических импульсов; генератор оптических импульсов первого объекта с подключенным к нему блоком разветвителей-объединителей, включающим оптоволоконный разветвитель, первый выход которого через первый оптоволоконный объединитель соединен со входом фотоприемника, второй выход разветвителя соединен с вторым объединителем, на входе которого установлен блок лазеров накачки, к выходу второго объединителя присоединен циркулятор первого объекта, выходы циркулятора соединены с первым оптоволоконным объединителем и с оптоволоконной линией связи, связывающей два удаленных объекта; второй объект также включает в себя таймер событий, присоединенные к нему промежуточный генератор с подключенным к нему генератором формирования шкалы времени второго объекта, приемник оптических импульсов со спектральным фильтром на частоте оптической несущей импульсов второго объекта, на входе приемника оптических импульсов установлено полупрозрачное зеркало, к которому через циркулятор второго объекта подключена оптоволоконная линия связи, связывающая два удаленных объекта, кроме того, к циркулятору присоединен блок лазеров накачки второго объекта; на обоих объектах установлены компьютеры, связанные с таймерами событий, а также с промежуточным генератором, размещенным на втором объекте, компьютеры обоих объектов подключены к системе передачи информации о временных интервалах, такой как сеть Ethernet или беспроводная сеть.