Помощь студентам в учебе
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ПО ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОТЕРЯМ МОЩНОСТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.
ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1 Общий анализ литературных источников и описание методов получения
первичной информации 12
1.2 Выбор схемного решения на основании обзора существующих.систем контроля технического состояния протяженных объектов с использованием
волоконно-оптических датчиков 21
1.3 Использование волоконно-оптических датчиков в различных областях
промышленности с анализом международного опыта и их классификация 32
1.4 Постановка цели и задач диссертационной работы. Формирование основной
научной гипотезы и идеи 44
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 48 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫБОР СРЕДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ В ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ, СФОРМИРОВАННЫХ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ
ВОЗДЕЙСТВИИ 49
2.1 Методы исследования и выбор среды моделирования 49
2.2 Метод контроля технического состояния ВОК 55
2.3 Разработка физико-математической модели оптико-механических процессов, происходящих при деформации оптического волокна находящегося внутри
оптического кабеля 67
2.4 Компьютерное моделирование механических нагрузок на оптическое волокно при его растяжении и микроизгибе 76
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 90
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ ОБРАЗЦОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ, РАЗМЕЩЁННЫХ В ОПТИЧЕСКОМ КАБЕЛЕ 92
3.1 Общие вопросы и основа предлагаемой методики контроля 92
3.2 Исследование дополнительных потерь в ОВ при его изгибе 99
3.3 Контроль дополнительных потерь оптического волокна стандарта G.652 для
оценки нагрузки при микроизгибе 107
3.4 Исследование внешних механических воздействий на величину
дополнительных потерь в телекоммуникационных волоконно-оптических кабелях в условиях эксплуатации 113
3.5 Исследование внешних механических воздействий на величину обратного
рассеяния для контроля роста дополнительных потерь при несанкционированном доступе к ВОЛП 116
3.6 Исследование лабораторного образца системы контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям мощности 120
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 126
4 АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ПО
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОТЕРЯМ 129
4.1 Разработка аппаратно-программной части комплекса контроля
технического состояния оптических кабелей 129
4.2 Калибровка АПКТК при помощи силовоспроизводящей машины МСВ-
10МГ-4 166
4.3 Практическая апробация АПКТК 167
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 173
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 175
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 177
Приложение А 200
Приложение Б 202
Приложение В 207
Приложение Г 211
Приложение Д 213
Приложение Е 220
Приложение Ж 222
Приложение З 227
Приложение И 230
Приложение К 234
Приложение Л 250
Приложение М 264
Приложение Н 266
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.
ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1 Общий анализ литературных источников и описание методов получения
первичной информации 12
1.2 Выбор схемного решения на основании обзора существующих.систем контроля технического состояния протяженных объектов с использованием
волоконно-оптических датчиков 21
1.3 Использование волоконно-оптических датчиков в различных областях
промышленности с анализом международного опыта и их классификация 32
1.4 Постановка цели и задач диссертационной работы. Формирование основной
научной гипотезы и идеи 44
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 48 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫБОР СРЕДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ В ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ, СФОРМИРОВАННЫХ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ
ВОЗДЕЙСТВИИ 49
2.1 Методы исследования и выбор среды моделирования 49
2.2 Метод контроля технического состояния ВОК 55
2.3 Разработка физико-математической модели оптико-механических процессов, происходящих при деформации оптического волокна находящегося внутри
оптического кабеля 67
2.4 Компьютерное моделирование механических нагрузок на оптическое волокно при его растяжении и микроизгибе 76
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 90
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ ОБРАЗЦОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ, РАЗМЕЩЁННЫХ В ОПТИЧЕСКОМ КАБЕЛЕ 92
3.1 Общие вопросы и основа предлагаемой методики контроля 92
3.2 Исследование дополнительных потерь в ОВ при его изгибе 99
3.3 Контроль дополнительных потерь оптического волокна стандарта G.652 для
оценки нагрузки при микроизгибе 107
3.4 Исследование внешних механических воздействий на величину
дополнительных потерь в телекоммуникационных волоконно-оптических кабелях в условиях эксплуатации 113
3.5 Исследование внешних механических воздействий на величину обратного
рассеяния для контроля роста дополнительных потерь при несанкционированном доступе к ВОЛП 116
3.6 Исследование лабораторного образца системы контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям мощности 120
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 126
4 АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ПО
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОТЕРЯМ 129
4.1 Разработка аппаратно-программной части комплекса контроля
технического состояния оптических кабелей 129
4.2 Калибровка АПКТК при помощи силовоспроизводящей машины МСВ-
10МГ-4 166
4.3 Практическая апробация АПКТК 167
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 173
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 175
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 177
Приложение А 200
Приложение Б 202
Приложение В 207
Приложение Г 211
Приложение Д 213
Приложение Е 220
Приложение Ж 222
Приложение З 227
Приложение И 230
Приложение К 234
Приложение Л 250
Приложение М 264
Приложение Н 266
Актуальность работы. Интенсивное развитие волоконно-оптической техники позволило практически полностью заменить медные пары на оптические проводники, но при всех их достоинствах имеется и ряд нерешенных проблем. Операторам связи крайне необходимо иметь средства централизованного контроля за техническим состоянием внутризонных волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) для быстрого реагирования при их повреждении, а также обеспечить защиту передаваемой информации от несанкционированного доступа. Остается нерешенным вопрос автоматического оповещения при повреждении волоконно-оптического кабеля (ВОК) и точного определения места его повреждения. Разработка аппаратно-программного комплекса контроля
технического состояния кабелей (АПКТК) весьма актуальна для внутризоновых систем телекоммуникаций, так как в настоящий момент времени нет интеллектуальной системы, способной в режиме реального времени контролировать повреждение или снижение пропускной способности ВОК. Также не решен в полной мере вопрос охраны ВОК и их защиты от несанкционированного доступа. Предлагается принципиально новая система контроля, основанная на оптико-цифровом интеллектуальном контроле дополнительных потерь и оптического рассеяния, возникающих в ВОК при механических воздействиях, растяжениях или изгибах. АПКТК способен не только определить параметры затухания сигнала, но и точное место повреждения ВОК. Контроль целостности самого ВОК и точек его коммутации является весьма важным для быстрого реагирования на возникающие проблемы с передачей информации. Соответственно возникает естественная необходимость или потребность в разработке новых методов и средств контроля технического состояния оптических кабелей. Для решения проблем повышения качества предоставления услуг связи и обеспечения информационной безопасности необходимы надежные в эксплуатации, а также не требующие значительных материальных затрат автоматические цифровые средства контроля, которые способны использовать резервные волокна ВОК. В отличие от традиционных осмотров и инструментальных наблюдений, АПКТК позволит повысить эффективность контроля технического состояния ВОК в круглосуточном режиме, а также вести охрану протяженного объекта одновременно. Работа направлена на решение важной производственной задачи, связанной с повышением уровня контроля технического состояния ВОК национального оператора связи АО «Казахтелеком». Предлагаемый метод основан на возникающем фотоупругом эффекте, сформировавшемся при внешнем силовом воздействии на оптическое волокно (ОВ) с последующим оптико-цифровым анализом параметров оптической волны и уровня рассеяния Рэлея. Разработанный АПКТК имеет в своей основе многоканальный оптико-цифровой блок предварительной обработки и интеллектуальное программное обеспечение. В качестве чувствительного элемента используются резервные ОВ действующего ВОК. Актуальность работы обосновывается необходимостью контроля дополнительных потерь, возникающих в оптических кабелях при механических воздействиях на них для оценки их технического состояния в режиме реального времени.
Степень разработанности темы исследования. Проведенный анализ научной литературы показал, что в России есть разработки, направленные на совершенствование волоконно-оптических технологий и датчиков. В разное время изучением свойств оптических волокон занимались российские ученые: Бурде В.А., Сыркин В. Г., Куликов А.В., Дмитриев С.А., Кульчин Ю.Н., Бондаренко О.В., Лиокумович Л.Б., Томышев К. А. и др. Множество работ зарубежных ученых США и Западной Европы с начала XXI века посвящены дальнейшему совершенствованию систем передачи информации, мониторинга, контроля и технической диагностики ВОК. Проблема эффективного контроля технического состояния кабелей внутризоновых сетей телекоммуникации в настоящий момент не решена в полном объеме, что определяет актуальность диссертационной работы.
Цель работы - разработка аппаратно-программного комплекса контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям мощности и уровню рассеяния оптического излучения Рэлея, при механических воздействиях на оптическое волокно, для повышения надежности и безопасности эксплуатации систем телекоммуникации.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
- разработать физико-математическую модель оптических процессов в одномодовом волокне при его деформациях и выполнить компьютерное моделирование внешнего силового воздействия на ВОК;
- разработать аппаратно-программный комплекс контроля технического состояния дополнительных потерь (АПКТК) и рассеяния оптического излучения Рэлея;
- выполнить экспериментальные исследования опытного образца аппаратнопрограммного комплекса;
- разработать методику контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям на основе оптико-цифрового анализа параметров оптического излучения, распространяющегося по сердцевине оптического волокна.
Объектом исследования является аппаратно-программный комплекс контроля дополнительных оптических потерь и Рэлеевского рассеяния, возникающих в оптических кабелях при внешних механических воздействиях .
Предметом исследования являются: методика исследований,
закономерности, аппаратно-программное решение, параметры дополнительных потерь и рассеяния оптического излучения Рэлея, оптические процессы возникающих в оптических кабелях при механических воздействиях.
Научная новизна
1) Разработана физико-математическая модель учитывающая изменения интенсивности оптического излучения и его объемной плотности электромагнитного поля волны в оптическом волокне при его деформации.
2) Предложена и исследована методика контроля дополнительных потерь возникающих в оптическом волокне при его деформации и повреждении, которая основана на оптико-цифровом анализе изменения параметров оптического излучения, с преобразованием в картину пикселей, сформированных на поверхности фотоматрицы, установленной на торце оптоволокна, защищена патентами РК 6862 и 7775.
3) Получены научно обоснованные результаты исследований
дополнительных потерь, возникающих в оболочке ОВ в зависимости от параметров микроизгиба ОВ, которые позволяют контролировать техническое состояние кабеля и несанкционированный доступ при помощи оптико-цифрового анализа интенсивности оптического излучения.
4) Разработан алгоритм функционирования многоканального аппаратнопрограммного комплекса контроля дополнительных потерь, возникающих в оптических кабелях при механических воздействиях с помощью двух типов датчиков, квази-распределенного, работающего на длине волны 650 нм и распределённого, работающего на длине волны 1310 или 1550 нм, что позволяет установить место повреждения ОВ с точностью до 1 м.
5) Разработаны лабораторный и экспериментальный образцы для исследования процессов изменения свойств оптического излучения в оптическом волокне при его деформации и повреждении, с помощью оптико-цифрового анализа картины пикселей, защищены патентами РК 6862 и 7775.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в использовании новых теоретических основ контроля дополнительных потерь и рассеяния оптического излучения конденсированными средами по методу Рэлея , возникающих в оптических кабелях при механическом воздействии на них. Практическая значимость заключается в разработке опытного образца аппаратнопрограммного комплекса для контроля дополнительных потерь оптических кабелей систем телекоммуникации. Образец прошел практическую апробацию в АО «Казахтелеком» и филиале АО «КТЖ - Грузовые» - Карагандинское ГП» (получено 2 акта внедрения). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс НАО «Карагандинский технический университет им. А. Сагинова». Практическая значимость заключается в использовании полученных закономерностей для оценки потерь на кабеле при его эксплуатации.
Разработанный алгоритм автоматизированного многовариантного расчета позволяет установить параметры дополнительных потерь, возникающие в ОВ типа G-652, находящегося в защитной оболочке, что является более объективным показателем при реальных условиях эксплуатации. Контроль потерь в волоконнооптических кабелях позволяет предотвратить несанкционированный доступ к информации.
Методология и методы исследования: анализ и обобщение литературы, научных статей и патентов по теме исследования; методика контроля оптических потерь при микроизгибе ОВ и возникновении фотоупругого эффекта; системный подход и анализ технического состояния ВОК; метод оптико-цифрового анализа светового пятна, сформированного на поверхности фотоматрицы; использование закона распределения Гаусса, интерференции световых волн, их дифракции и изменения интенсивности пятен Пуассона при возникновении фотоупругого эффекта. Использованы основные законы физики из раздела оптики и методы теоретического исследования, а также выполнено 3D моделирование с применением программ COMSOL и ANSYS. Для обработки экспериментальных данных были использованы программы Wolframalpha и ANETR. Применялись методы теоретического и эмпирического исследования, а также методы для цифровой обработки видео изображений и оптико-электронного анализа. Для контроля уровня рассеяния оптического излучения использован метод Релея.
Положения, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель позволяет установить изменение параметров дополнительных потерь, сформированных в оболочке оптического волокна при его микроизгибе, а также установить зависимость изменения интенсивности оптической волны, падающей на поверхность много пиксельного фотоприемника в зависимости от величины микроизгиба оптического волокна.
2. Методика контроля технического состояния оптических кабелей основана на установлении численного значения дополнительных потерь, сформированных в оболочке ОВ при его микроизгибе, прямо пропорционально воздействующей силе на ВОД, а также изменению численной картины пикселей и перехода их из черного цвета в белый, что дает возможность контролировать не только техническое состояние оптического кабеля, но и идентифицировать попытку нарушения его целостности.
3. Аппаратно-программный комплекс контроля потерь в ОВ при механических воздействиях позволяет контролировать техническое состояние
телекоммуникационных кабелей за счет оптико-цифрового анализа дополнительных потерь, уровня рассеяния и интенсивности оптического излучения, сформированного на поверхности фотоприемника высокого разрешения.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась общенаучными методами сбора первичной информации с анализом материалов предыдущих исследований, размещенных в наукоемких базах данных. Достоверность обеспечена путем обработки данных с последующим сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также достаточным объемом проведённых лабораторных и стендовых испытаний; положительными результатами апробации разработанной методики контроля в производственных условиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 14 международных научно-практических конференциях, проходивших на территории России и зарубежных стран. Результаты исследования были доложены на заседании технической службы в АО «Казахтелеком», АО «Арселор Миттал Темиртау» и ТОО «Транстелеком», НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова».
Личный вклад автора заключается в самостоятельном проведении следующих этапов: постановка цели и задач; выполнение научного анализа литературы, разработка физико-математической и 3D моделей; разработка образца АПКТК; проведение теоретических и эмпирических исследований с последующей статистической обработкой полученных данных; формирование выводов и положений, выносимых на защиту, подготовка научных статей и патентов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи и 8 докладов в изданиях, входящих в международную базу данных SCOPUS и Web of Science, среди которых есть статья уровня Q1. По теме диссертации представлено 6 докладов на международных научных конференциях и опубликована 1 статья в зарубежном научном журнале. Новизна разработок подтверждается 2 зарубежными патентами.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 6 таблиц и 13 приложений на 67 страницах. Список использованной литературы составляет
технического состояния кабелей (АПКТК) весьма актуальна для внутризоновых систем телекоммуникаций, так как в настоящий момент времени нет интеллектуальной системы, способной в режиме реального времени контролировать повреждение или снижение пропускной способности ВОК. Также не решен в полной мере вопрос охраны ВОК и их защиты от несанкционированного доступа. Предлагается принципиально новая система контроля, основанная на оптико-цифровом интеллектуальном контроле дополнительных потерь и оптического рассеяния, возникающих в ВОК при механических воздействиях, растяжениях или изгибах. АПКТК способен не только определить параметры затухания сигнала, но и точное место повреждения ВОК. Контроль целостности самого ВОК и точек его коммутации является весьма важным для быстрого реагирования на возникающие проблемы с передачей информации. Соответственно возникает естественная необходимость или потребность в разработке новых методов и средств контроля технического состояния оптических кабелей. Для решения проблем повышения качества предоставления услуг связи и обеспечения информационной безопасности необходимы надежные в эксплуатации, а также не требующие значительных материальных затрат автоматические цифровые средства контроля, которые способны использовать резервные волокна ВОК. В отличие от традиционных осмотров и инструментальных наблюдений, АПКТК позволит повысить эффективность контроля технического состояния ВОК в круглосуточном режиме, а также вести охрану протяженного объекта одновременно. Работа направлена на решение важной производственной задачи, связанной с повышением уровня контроля технического состояния ВОК национального оператора связи АО «Казахтелеком». Предлагаемый метод основан на возникающем фотоупругом эффекте, сформировавшемся при внешнем силовом воздействии на оптическое волокно (ОВ) с последующим оптико-цифровым анализом параметров оптической волны и уровня рассеяния Рэлея. Разработанный АПКТК имеет в своей основе многоканальный оптико-цифровой блок предварительной обработки и интеллектуальное программное обеспечение. В качестве чувствительного элемента используются резервные ОВ действующего ВОК. Актуальность работы обосновывается необходимостью контроля дополнительных потерь, возникающих в оптических кабелях при механических воздействиях на них для оценки их технического состояния в режиме реального времени.
Степень разработанности темы исследования. Проведенный анализ научной литературы показал, что в России есть разработки, направленные на совершенствование волоконно-оптических технологий и датчиков. В разное время изучением свойств оптических волокон занимались российские ученые: Бурде В.А., Сыркин В. Г., Куликов А.В., Дмитриев С.А., Кульчин Ю.Н., Бондаренко О.В., Лиокумович Л.Б., Томышев К. А. и др. Множество работ зарубежных ученых США и Западной Европы с начала XXI века посвящены дальнейшему совершенствованию систем передачи информации, мониторинга, контроля и технической диагностики ВОК. Проблема эффективного контроля технического состояния кабелей внутризоновых сетей телекоммуникации в настоящий момент не решена в полном объеме, что определяет актуальность диссертационной работы.
Цель работы - разработка аппаратно-программного комплекса контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям мощности и уровню рассеяния оптического излучения Рэлея, при механических воздействиях на оптическое волокно, для повышения надежности и безопасности эксплуатации систем телекоммуникации.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
- разработать физико-математическую модель оптических процессов в одномодовом волокне при его деформациях и выполнить компьютерное моделирование внешнего силового воздействия на ВОК;
- разработать аппаратно-программный комплекс контроля технического состояния дополнительных потерь (АПКТК) и рассеяния оптического излучения Рэлея;
- выполнить экспериментальные исследования опытного образца аппаратнопрограммного комплекса;
- разработать методику контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям на основе оптико-цифрового анализа параметров оптического излучения, распространяющегося по сердцевине оптического волокна.
Объектом исследования является аппаратно-программный комплекс контроля дополнительных оптических потерь и Рэлеевского рассеяния, возникающих в оптических кабелях при внешних механических воздействиях .
Предметом исследования являются: методика исследований,
закономерности, аппаратно-программное решение, параметры дополнительных потерь и рассеяния оптического излучения Рэлея, оптические процессы возникающих в оптических кабелях при механических воздействиях.
Научная новизна
1) Разработана физико-математическая модель учитывающая изменения интенсивности оптического излучения и его объемной плотности электромагнитного поля волны в оптическом волокне при его деформации.
2) Предложена и исследована методика контроля дополнительных потерь возникающих в оптическом волокне при его деформации и повреждении, которая основана на оптико-цифровом анализе изменения параметров оптического излучения, с преобразованием в картину пикселей, сформированных на поверхности фотоматрицы, установленной на торце оптоволокна, защищена патентами РК 6862 и 7775.
3) Получены научно обоснованные результаты исследований
дополнительных потерь, возникающих в оболочке ОВ в зависимости от параметров микроизгиба ОВ, которые позволяют контролировать техническое состояние кабеля и несанкционированный доступ при помощи оптико-цифрового анализа интенсивности оптического излучения.
4) Разработан алгоритм функционирования многоканального аппаратнопрограммного комплекса контроля дополнительных потерь, возникающих в оптических кабелях при механических воздействиях с помощью двух типов датчиков, квази-распределенного, работающего на длине волны 650 нм и распределённого, работающего на длине волны 1310 или 1550 нм, что позволяет установить место повреждения ОВ с точностью до 1 м.
5) Разработаны лабораторный и экспериментальный образцы для исследования процессов изменения свойств оптического излучения в оптическом волокне при его деформации и повреждении, с помощью оптико-цифрового анализа картины пикселей, защищены патентами РК 6862 и 7775.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в использовании новых теоретических основ контроля дополнительных потерь и рассеяния оптического излучения конденсированными средами по методу Рэлея , возникающих в оптических кабелях при механическом воздействии на них. Практическая значимость заключается в разработке опытного образца аппаратнопрограммного комплекса для контроля дополнительных потерь оптических кабелей систем телекоммуникации. Образец прошел практическую апробацию в АО «Казахтелеком» и филиале АО «КТЖ - Грузовые» - Карагандинское ГП» (получено 2 акта внедрения). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс НАО «Карагандинский технический университет им. А. Сагинова». Практическая значимость заключается в использовании полученных закономерностей для оценки потерь на кабеле при его эксплуатации.
Разработанный алгоритм автоматизированного многовариантного расчета позволяет установить параметры дополнительных потерь, возникающие в ОВ типа G-652, находящегося в защитной оболочке, что является более объективным показателем при реальных условиях эксплуатации. Контроль потерь в волоконнооптических кабелях позволяет предотвратить несанкционированный доступ к информации.
Методология и методы исследования: анализ и обобщение литературы, научных статей и патентов по теме исследования; методика контроля оптических потерь при микроизгибе ОВ и возникновении фотоупругого эффекта; системный подход и анализ технического состояния ВОК; метод оптико-цифрового анализа светового пятна, сформированного на поверхности фотоматрицы; использование закона распределения Гаусса, интерференции световых волн, их дифракции и изменения интенсивности пятен Пуассона при возникновении фотоупругого эффекта. Использованы основные законы физики из раздела оптики и методы теоретического исследования, а также выполнено 3D моделирование с применением программ COMSOL и ANSYS. Для обработки экспериментальных данных были использованы программы Wolframalpha и ANETR. Применялись методы теоретического и эмпирического исследования, а также методы для цифровой обработки видео изображений и оптико-электронного анализа. Для контроля уровня рассеяния оптического излучения использован метод Релея.
Положения, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель позволяет установить изменение параметров дополнительных потерь, сформированных в оболочке оптического волокна при его микроизгибе, а также установить зависимость изменения интенсивности оптической волны, падающей на поверхность много пиксельного фотоприемника в зависимости от величины микроизгиба оптического волокна.
2. Методика контроля технического состояния оптических кабелей основана на установлении численного значения дополнительных потерь, сформированных в оболочке ОВ при его микроизгибе, прямо пропорционально воздействующей силе на ВОД, а также изменению численной картины пикселей и перехода их из черного цвета в белый, что дает возможность контролировать не только техническое состояние оптического кабеля, но и идентифицировать попытку нарушения его целостности.
3. Аппаратно-программный комплекс контроля потерь в ОВ при механических воздействиях позволяет контролировать техническое состояние
телекоммуникационных кабелей за счет оптико-цифрового анализа дополнительных потерь, уровня рассеяния и интенсивности оптического излучения, сформированного на поверхности фотоприемника высокого разрешения.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась общенаучными методами сбора первичной информации с анализом материалов предыдущих исследований, размещенных в наукоемких базах данных. Достоверность обеспечена путем обработки данных с последующим сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также достаточным объемом проведённых лабораторных и стендовых испытаний; положительными результатами апробации разработанной методики контроля в производственных условиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 14 международных научно-практических конференциях, проходивших на территории России и зарубежных стран. Результаты исследования были доложены на заседании технической службы в АО «Казахтелеком», АО «Арселор Миттал Темиртау» и ТОО «Транстелеком», НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова».
Личный вклад автора заключается в самостоятельном проведении следующих этапов: постановка цели и задач; выполнение научного анализа литературы, разработка физико-математической и 3D моделей; разработка образца АПКТК; проведение теоретических и эмпирических исследований с последующей статистической обработкой полученных данных; формирование выводов и положений, выносимых на защиту, подготовка научных статей и патентов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи и 8 докладов в изданиях, входящих в международную базу данных SCOPUS и Web of Science, среди которых есть статья уровня Q1. По теме диссертации представлено 6 докладов на международных научных конференциях и опубликована 1 статья в зарубежном научном журнале. Новизна разработок подтверждается 2 зарубежными патентами.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 6 таблиц и 13 приложений на 67 страницах. Список использованной литературы составляет
Диссертационная работа содержит новые научно обоснованные теоретические и экспериментальные результаты, совокупность которых имеет важное значение для контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям мощности.
В полном объеме решены поставленные задачи:
Разработана физико-математическая модель оптических процессов в одномодовом волокне при его деформациях и выполнено компьютерное моделирование внешнего силового воздействия на ВОК. Методами компьютерного моделирования выполнена имитация процесса повреждения оптического волокна при различных типах механического воздействия, при удлинении ОВ на 1% срок его службы снижается до 3-4 лет;
Разработан аппаратно-программный комплекс контроля технического состояния дополнительных потерь (АПКТК) и рассеяния оптического излучения Рэлея, при этом ВОК использовался в качестве распределенного датчика протяженностью до 30 км и количеством независимых каналов до 32;
Выполнены экспериментальные исследования опытного образца аппаратнопрограммного комплекса, которые доказали его работоспособность и высокую чувствительность при достаточно высоких показателях линейности характеристик и помехоустойчивости. В процессе экспериментов установлена следующая зависимость: при механическом воздействии и изгибе на длинах волн 1625 нм, ОВ имеет меньшие потери, так как уровень рассеяния меньше, чем на длинах волны 1550 и 1310 нм. ОВ при внешнем силовом воздействии и изгибе на длинах волн 1625 нм характерно большим значение дополнительных потерь, в сравнении с волной 1550, а снижение длины волны до 1310 нм еще снижает потери, но при формировании угла изгиба менее критического наблюдается обратная зависимость;
Разработана методика контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям на основе оптико-цифрового анализа параметров оптического излучения, распространяющегося по сердцевине оптического волокна и проведена практическая апробация в АО «Казахтелеком».
Численной мерой оптического шума является относительная плотность шума, определяемая как отношение мощности электромагнитной волны (потока), снимаемой с фотоприемника, к мощности оптического шума в ОВ. Эксперименты показали, что защитное покрытие из акрилового лака не оказывает существенного влияния на показатели прочности ОВ, максимально прочность может вырасти до 15%, так как модуль Юнга для полимерных покрытий является значительно меньшим, чем модуль Юнга материала ОВ.
Контроль потерь в волоконно-оптических кабелях позволяет предотвратить несанкционированный доступ к информации. Для этого необходимо использовать рефлектограммы. Результаты проведенных исследований показали, что использование метода контроля светопропускания по ОВ позволяет зафиксировать рост дополнительных потерь, которые могут увеличиться при НД, но это метод не позволяет определить точное место расположения точки внедрения в ВОЛП для съёма информации. Разработанный алгоритм автоматизированного многовариантного расчета позволяет установить параметры дополнительных потерь, возникающие в ОВ типа G-652, находящегося в защитной оболочке, что является более объективным критерием оценки реальных условий эксплуатации волоконно-оптических кабелей.
В полном объеме решены поставленные задачи:
Разработана физико-математическая модель оптических процессов в одномодовом волокне при его деформациях и выполнено компьютерное моделирование внешнего силового воздействия на ВОК. Методами компьютерного моделирования выполнена имитация процесса повреждения оптического волокна при различных типах механического воздействия, при удлинении ОВ на 1% срок его службы снижается до 3-4 лет;
Разработан аппаратно-программный комплекс контроля технического состояния дополнительных потерь (АПКТК) и рассеяния оптического излучения Рэлея, при этом ВОК использовался в качестве распределенного датчика протяженностью до 30 км и количеством независимых каналов до 32;
Выполнены экспериментальные исследования опытного образца аппаратнопрограммного комплекса, которые доказали его работоспособность и высокую чувствительность при достаточно высоких показателях линейности характеристик и помехоустойчивости. В процессе экспериментов установлена следующая зависимость: при механическом воздействии и изгибе на длинах волн 1625 нм, ОВ имеет меньшие потери, так как уровень рассеяния меньше, чем на длинах волны 1550 и 1310 нм. ОВ при внешнем силовом воздействии и изгибе на длинах волн 1625 нм характерно большим значение дополнительных потерь, в сравнении с волной 1550, а снижение длины волны до 1310 нм еще снижает потери, но при формировании угла изгиба менее критического наблюдается обратная зависимость;
Разработана методика контроля технического состояния оптических кабелей по дополнительным потерям на основе оптико-цифрового анализа параметров оптического излучения, распространяющегося по сердцевине оптического волокна и проведена практическая апробация в АО «Казахтелеком».
Численной мерой оптического шума является относительная плотность шума, определяемая как отношение мощности электромагнитной волны (потока), снимаемой с фотоприемника, к мощности оптического шума в ОВ. Эксперименты показали, что защитное покрытие из акрилового лака не оказывает существенного влияния на показатели прочности ОВ, максимально прочность может вырасти до 15%, так как модуль Юнга для полимерных покрытий является значительно меньшим, чем модуль Юнга материала ОВ.
Контроль потерь в волоконно-оптических кабелях позволяет предотвратить несанкционированный доступ к информации. Для этого необходимо использовать рефлектограммы. Результаты проведенных исследований показали, что использование метода контроля светопропускания по ОВ позволяет зафиксировать рост дополнительных потерь, которые могут увеличиться при НД, но это метод не позволяет определить точное место расположения точки внедрения в ВОЛП для съёма информации. Разработанный алгоритм автоматизированного многовариантного расчета позволяет установить параметры дополнительных потерь, возникающие в ОВ типа G-652, находящегося в защитной оболочке, что является более объективным критерием оценки реальных условий эксплуатации волоконно-оптических кабелей.
