DE69410036T2 - Messungen auf Distanz in Netzwerken von optischen Fasern - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung des Auftretens einer zyklischen Störung in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser und Vorrichtungen zur Fernerkennung des Auftretens und zur Ortung einer zyklischen Störung in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser.
• Mit der zunehmenden Verwendung von Lichtleitfasern in Kommunikationssystemen wird es immer wichtiger, daß zuverlässige und kostengünstige Verfahren für die Überwachung des Zustands der Fasern zur Verfügung stehen. Somit werden zum Beispiel während der Installation einer Faser Prüfungen durchgeführt, um sicherzustellen, daß Spleißstellen und Verbinder niedrige Verluste aufweisen, daß durch Biegung oder Anspannung der Faser keine übermäßigen Verluste eingeführt wurden und daß der Gesamtverlust der Faser von einem Ende zum anderen innerhalb vorgeschriebener Spezifikationen liegt. Ferner werden während des eigentlichen Betriebs einer installierten Faser typischerweise regelmäßige Prüfungen durchgeführt, um zu bestimmen, ob eine gewisse Verschlechterung des Zustands der Faser eingetreten ist oder nicht. Wenn dann festgestellt wird, daß die Faser beschädigt wurde (z.B. versehentlich durchschnitten wurde), ist es wichtig, in der Lage zu sein, den Ort der Beschädigung schnell und kostengünstig zu bestimmen.
• Bekanntlich kännen Informationen über den Zustand einer Lichtleitfaser erlangt werden, indem man wiederholt Lichtimpulse in ein Ende der Faser einkoppelt und dann das Licht analysiert, das von der Faser zurückgestreut wird. Dieses herkömmliche einseitige Verfahren, das als Rückstreumessung (OTDR - optical time domain reflectometry) bekannt ist, hat als ein nützliches Werkzeug zur Überwachung von Lichtleitfasernetzen einen festen Platz gewonnen.
• Standardmäßige OTDR-Verfahren nutzen die Informationen, die in der Gesamtintensität des zurückgestreuten Lichts aus einer Lichtleitfaser enthalten sind, um zum Beispiel schlechte Verbindungsstellen zwischen Fasern und abnorm verlustbehaftete Abschnitte der Faser zu orten. Außerdem wurde erkannt, daß viele externe Einflüsse (magnetische Felder, elektrische Felder, Anspannung, Zugkräfte, Temperatur usw.) den Polarisationszustand des sich in der Faser ausbreitenden Lichts verändern. Der Polarisationszustand kann mit einem OTDR-System bestimmt werden, das so modifiziert wird, daß es empfindlich für die Polarisation wird (siehe z.B. "Polarization-Optical Time Domain Reflectometry: A Technique for the Measurement of Field Distributions von A.J. Rogers, Applied Optics, Band 20, Nr. 6, Seiten 1060-1074, 15.3.1981). Im allgemeinen ist das erfaßte zurückgestreute Signal sehr schwach, und Überwachungsverfahren auf der Grundlage von OTDR oder von polarisationsempfindlicher OTDR (POTDR) erfordern eine umfangreiche Zeitmittelwertbildung, um zu einem Ergebnis zu kommen.
• Bisher waren Überwachungsverfahren auf der Grundlage von OTDR oder POTDR nicht als für die Erkennung des Auftretens einer in der Nähe eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser befindlichen zyklisch wiederholt auftretenden Störung geeignet angesehen. In der Praxis ist eine solche Überwachung wichtig, um die potentielle Beschädigung, zum Beispiel durch Erdaushebemaschinen, eines in der Erde verlegten Lichtleitkabels zu erkennen. Wenn das Vorliegen einer periodischen Vibration, die in der Nähe des Kabels befindliche Erdaushebemaschinen anzeigt, rechtzeitig erkannt werden kann, um entsprechende Ausgleichsmaßnahmen einzuleiten, dann kann eine potentiell beträchtliche Störung der Kommunikationsdienste, die zum Beispiel durch das Aufspringen oder Brechen des Kabels hervorgerufen würde, vermieden werden.
• In der zitierten Arbeit von Rogers wird die Anwendbarkeit von POTDR-Verfahren für die Überwachung von Vibrations-Schwingungsformen in der Umgebung einer Lichtleitfaser erkannt. Die dort beschriebenen Verfahren verlassen sich jedoch ausschließlich auf die Hervorrufung räumlich verteilter Stehwellen entlang der Längsachse der Faser durch die Vibrationen. Somit sind weder die POTDR-Verfahren von Rogers noch bekannte OTDR-POTDR-Verfahren für die Erkennung der potentiellen Beschädigung einer Lichtleitfaser durch Detektion des Auftretens und Ortung bestimmter zyklischer Störungen in der Umgebung eines örtlichen Teils des Kabels zuträglich.
• Dementsprechend zielen Bemühungen von Fachleuten weiterhin auf eine Verbesserung der Möglichkeiten von Erkennungsverfahren für optische Netze ab. Insbesondere war man bemüht, eine zuverlässige Art der Detektion des Auftretens und der Ortung von zyklischen Störungen in der Umgebung eines örtlichen Teils eines Lichtleitkabels zu entwickeln. Es wurde erkannt, daß diese Bemühungen im Fall eines Erfolgs eine potentielle Beschädigung des Kabels erkennen könnten und dadurch eine Grundlage für Ausgleichsmaßnahmen bereitstellen würden, bevor der Kommunikationsdienst verschlechtert oder unterbrochen wird. Eine solche Möglichkeit würde selbstverständlich die Zuverlässigkeit wesentlich erhöhen und die Kosten der Wartung faseroptischer Netze wesentlich verringern.
• Die JP-A-2-103434 offenbart, daß eine unipolare Anspannung (z.B. Biegung), die in einem örtlichen Teil einer Lichtleitfaser auftritt, den Polarisationszustand von Lichtsignalen, die aus diesem Teil zurückgestreut werden, von dem Polarisationszustand von Signalen aus nicht angespannten Teilen erkennbar unterschiedlich werden läßt.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung nach Anspruch 2 bereitgestellt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 13 bereitgestellt.
• In einer Ausführungsform der Erfindung werden zyklische Störungen in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser durch Detektion von Anderungen der Intensität einer gegebenen Polarisationskomponente des von dem gestörten Teil zurückgestreuten Lichts erkannt. Der Detektionsvorgang wird durch eine Zeitsteuerungswelle gesteuert, deren Frequenz so gewählt wird, daß sie mit der Frequenz der Störung übereinstimmt, deren Auftreten überwacht werden soll. Durch Verändern der Frequenz der Zeitsteuerungswelle wird die Frequenz der Störung, für die die Detektionsschaltkreise empfindlich sind, entsprechend verändert.
• Während einer halben Periode jeder von mehreren aufeinanderfolgenden Zeitsteuerungswellen werden mehrere Rückstreusignale, die von einer periodischen Störung mit derselben Frequenz wie die Zeitsteuerungswelle herrühren, addiert und dann gemittelt, um ein resultierendes Signal einer Polarität bereitzustellen. Während der anderen Halbperiode jeder zeitsteuerungswelle werden mehrere Rückstreusignale addiert und dann gemittelt, um ein resultierendes Signal der anderen Polarität bereitzustellen. Die durch diesen synchronen Detektionsprozeß erhaltenen resultierenden Signale werden dann kombiniert, um ein effektives Signal bereitzustellen. Die Größe des effektiven Signals richtet sich nach der Intensität der zyklischen Störung, der Anzahl der gemittelten Signale und der Phase der Zeitsteuerungswelle bezüglich der Phase der Störung. Die Detektion eines solchen effektiven Signals zeigt an, daß an einem bestimmten Punkt entlang der Lichtleitfaser eine periodische Störung mit einer Frequenz vorliegt, die mit der Frequenz der Zeitsteuerungswelle übereinstimmt. Die Bestimmung des Punkts entlang des Kabels, in dessen Nähe die Störung aufgetreten ist, erfolgt auf der Grundlage der Messung der Zeitspanne zwischen dem Einkoppeln eines Impulses in die Faser und dem Empfang des entsprechenden zurückgestreuten Signals durch die Detektionsschaltkreise.
• Somit werden ein Verfahren und Vorrichtungen zur Erkennung des Auftretens und zur Bestimmung des Orts einer zyklischen Störung in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser durch Einkoppeln mehrerer auseinanderliegender Lichtimpulse einer einheitlichen Polarisation in ein Ende der Faser bereitgestellt. Aus aufeinanderfolgenden Teilen der Faser zurückgestreute Signale einer gegebenen Polarisation werden den Detektionsschaltkreisen zugeführt, die an das eine Ende angekoppelt sind. Die Detektionsschaltkreise werden synchron mit einer Zeitsteuerungswelle gesteuert, deren Frequenz mit der Frequenz der zu erkennenden zyklischen Störung übereinstimmt. Auf diese Weise wird ein effektives Signal bereitgestellt, das das Auftreten aller solchen Störungen anzeigt. Darüber hinaus kann durch Messung der Zeitspanne zwischen dem Einkoppeln der Impulse und der Erzeugung von Signalen durch die Detektionsschaltkreise der Ort der Störung entlang der Faser bestimmt werden.
• Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• FIG. 1 eine Blockschaltbilddarstellung einer spezifischen illustrativen Erkennungsvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
• FIG. 2 bis 4 bilden eine Menge von Zeitablaufdiagrammen, die die Betriebsart der in FIG. 1 abgebildeten Erfindung anzeigen; und
• FIG. 5 bis 7 illustrieren die frequenzselektive Beschaffenheit des synchronen Detektionsprozesses.
Ausführliche Beschreibung
• Als Reaktion auf elektrische Zeitsteuerungssignale, die durch die Steuerschaltkreise von FIG. 1 zugeführt werden, wird eine Lichtquelle, wie zum Beispiel der herkömmliche Laser 12, so ausgelegt, daß sie aufeinanderfolgende auseinanderliegende Lichtimpulse emittiert. Es wird in dem vorliegenden Zusammenhang für beispielhafte Zwecke angenommen, daß es sich bei dem Laser 12 um eine standardmäßige Einheit der gewöhnlich in einem handelsüblichen OTDR verwendeten Art handelt.
• Es ist nicht entscheidend, daß die Lichtimpulse, die durch den Laser 12 (FIG. 1) zugeführt werden, eine bestimmte Polarisation aufweisen. Wichtig für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist, daß alle emittierten Impulse einheitlich polarisiert werden, d.h. daß sie alle über ein spezifiziertes Intervall hinweg denselben Polarisationszustand aufweisen. In dem vorliegenden Zusammenhang ist zu verstehen, daß der Ausdruck "einheitlich polarisiert" sowohl den Fall einer über jede vollständige Periode (zwei Halbperioden einer Zeitsteuerungswelle) hinweg einheitlichen Polarisation als auch eine während der gesamten Messung (mehrere Perioden der Zeitsteuerungswelle) einheitliche Polarisation umfassen soll.
• Vorteilhafterweise werden die einheitlich polarisierten Impulse, die von dem Laser 12 emittiert werden, durch eine herkömmliche Polarisationssteuerung 14 hindurchgeleitet. Auf herkömmliche, im Stand der Technik bekannte Weisen wird die Steuerung 14 so ausgelegt, daß sie den Polarisationszustand von Lichtimpulsen, die sie durchlaufen, selektiv verändert und dadurch Ausgangsimpulse bereitstellt, die weiterhin einheitlich, aber bezüglich der durch den Laser 12 bereitgestellten Impulse anders polarisiert sind. Auf diese Weise kann der Polarisationszustand von Lichtimpulsen, die einer Lichtleitfaser zugeführt werden sollen, auf einen Zustand eingestellt werden, der praktisch so bestimmt wird, daß er besonders empfindlich für Störungen ist, von denen erwartet wird, daß sie in einem örtlichen Teil der Faser auftreten.
• Der Reihe nach wird ein Teil jedes durch die Steuerung 14 von FIG. 1 zugeführten Lichtimpulses über einen standardmäßigen optischen Verzweiger 16 an das Eingangsende einer herkömmlichen Einmoden- Lichtleitfaser 18 der Kommunikationsklasse zum Beispiel aus Silika angekoppelt. Zurückgestreute Signale aus der Faser, die sich aus jedem solchen Impuls ergeben, werden durch den Verzweiger 16 zu einer Empfängereinheit 20 geleitet, deren Anordnung und Funktionsweise nachfolgend ausführlich beschrieben wird.
• Vorteilhafterweise werden, um die Bauteile in der Empfängereinheit 20 nicht durch Reflexionen in dem Verzweiger 16 zu überlasten oder vielleicht zu beschädigen, die Schaltkreise 30 in der Einheit 20 durch die Steuerschaltkreise 10 während jedes Zeitintervalls, in dem ein Laserimpuls an den Verzweiger 16 angelegt wird, ausgetastet oder gesperrt.
• Ausschließlich zum Zweck der Bereitstellung eines spezifischen illustrativen Beispiels der Betriebsweise der vorliegenden Erfindung wird von der Faser 18 von FIG. 1 angenommen, daß sie aus Silika besteht, in der Erde verlegt ist und eine Länge von zehn Kilometer aufweist. Somit dauert es ungefähr fünfzig Mikrosekunden, bis ein Impuls, der in das linke bzw. Eingangsende der Faser eingekoppelt wird, das rechte Ende der Faser erreicht. Außerdem dauert es weitere fünfzig Mikrosekunden, bis sich ein Impuls in Form eines zurückgestreuten Teils des Impulses von dem rechten Ende zurück zum Eingangsende der Faser ausbreitet. Wie in der Technik der OTDR-Systeme bekannt ist, liegen die an das Eingangsende der Faser 18 angelegten Impulse dementsprechend typischerweise um mindestens einhundert Mikrosekunden auseinander, damit sich die zurückgestreuten Signale, die einem bestimmten eingekoppelten Impuls zuzuordnen sind, nicht mit einem nachfolgend eingekoppelten Impuls überlagern.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der Feststellung, daß bestimmte Erscheinungen in der näheren Umgebung einer Lichtleitfaser den Polarisationszustand von Impulsen ändern, die sich durch einen gestörten örtlichen Abschnitt der Faser hindurch ausbreiten. Genauer gesagt bewirkt eine sich zyklisch ändernde Erscheinung, wie zum Beispiel eine Vibrationsstörung, eine zyklische Veränderung der Polarisation. Das Auftreten einer solchen zyklischen Polarisationsänderung wird auf eine einzigartige Weise erkannt, wobei die Frequenz der die Faser beeinträchtigenden Störung bestimmt wird. Ein effektives Signal, das aus mehreren zurückgestreuten Signalen abgeleitet wird, die jeweils eine solche Störung anzeigen, wird durch die Empfängereinheit 20 von FIG. 1 bereitgestellt. Darüber hinaus stellt die Einheit 20 außerdem gemäß standardmäßiger OTDR- Verfahren auf der Grundlage der zwischen einem eingekoppelten Impuls und seinem entsprechenden zurückgestreuten Signal vergehenden Zeit eine Anzeige des Orts der Störung entlang der Faser bereit.
• FIG. 1 zeigt eine Quelle 22, die in der Umgebung eines örtlichen Teils der Lichtleitfaser 18 eine periodische Störung bereitstellt. Als Beispiel umfaßt die Quelle 22 Erdaushebemaschinen wie zum Beispiel einen Löffelbagger, der für die Integrität der in der Erde verlegten Faser 18 eine Gefahr darstellt. Die gestrichelte Linie 24 in FIG. 1 stellt Vibrationen dar, die von der Quelle 22 ausgehen und sich in Richtung der Faser 18 ausbreiten.
• Viele Vibrationen, wie zum Beispiel Vibrationen, die durch Erdaushebemaschinen verursacht werden, weisen eine charakteristische periodische Frequenz auf. Durch diese Frequenzeinzigartigkeit wird eine Grundlage für die Unterscheidung zwischen potentiell gefährlichen Störungen, die durch Erdaushebemaschinen verursacht werden, und harmlosen Vibrationserscheinungen bereitgestellt, die zum Beispiel durch einen vorbeifahrenden Zug verursacht werden.
• Diese Frequenzeinzigartigkeit wird ausgenutzt, indem in der Empfängereinheit 20 ein frequenzselektiver Detektionsprozeß ausgeführt wird, der ein hohes Maß der Unterscheidung zwischen gefährlichen und harmlosen Erscheinungen bereitstellt. Man nehme als ein spezifisches illustratives Beispiel an, daß die in FIG. 1 abgebildete Quelle 22 Erdaushebemaschinen umfaßt, die während ihres Betriebs in der Erde in der Umgebung eines örtlichen Teils der Faser 18 eine Vibrationsstörung mit einer charakteristischen Frequenz von fünfzig Hertz erzeugen. Als Reaktion auf eine solche Störung schwankt der Polarisationszustand von Lichtsignalen, die aus dem gestörten Teil der Faser 18 und durch diesen hindurch zurückgestreut werden, ebenfalls mit fünfzig Hertz. Anders ausgedrückt werden die Intensitäten der entsprechenden Polarisationskomponenten jedes zurückgestreuten Lichtsignals, das den gestörten Teil durchläuft, dadurch bezüglich ihrer Ruhe- bzw. ungestörten Zustände mit einer Rate verändert, die der Fünfzig-Hertz-Störung folgt.
• Im Ruhezustand streut jedes Element der Faser 18 von FIG. 1 einen Teil jedes eingekoppelten, sich durch dieses hindurch ausbreitenden Lichtimpulses zu dem Eingangsende der Faser zurück, und es treten gewisse unregelmäßige Schwankungen des Polarisationszustands des Lichts auf. Somit kommt sogar bei Abwesenheit einer abnormen Störung entlang der Faser ein gewisser Pegel von Bezugs- und Rauschsignalen an dem Verzweiger 16 an und wird dann in der Richtung der gestrichelten Linie 26 zu der Empfängereinheit 20 gelenkt.
• In der Empfängereinheit 20 ist ein herkömmlicher Polarisator 28 so ausgelegt, daß nur eine vorgegebene Polarisationskomponente jedes aus der Faser 18 über den Verzweiger 16 empfangenen zurückgestreuten Signals durch ihn hindurchgelassen wird. Wenn die jeweiligen Intensitätswerte der Polarisationskomponenten der zurückgestreuten Signale durch eine entlang der Faser 18 auftretende Störung verändert werden, dann ändern sich die Intensitätswerte der am Ausgang des Polarisators 28 erscheinenden vorgegebenen Polarisationskomponente dementsprechend.
• Das Ausgangssignal des Polarisators 28 von FIG. 1 wird an standardmäßige Detektionsschaltkreise 30 angelegt, die zum Beispiel eine herkömmliche Breitband- Siliziumfotodiodendetektoreinheit umfassen. Das Ausgangssignal der Detektionsschaltkreise 30 wird seinerseits an eine Arithmetik- und Speichereinheit 32 angelegt, deren Betriebsart durch an diese angelegte Signale aus den Steuerschaltkreisen 10 und einem Zeitsteuerungswellengenerator 34 gesteuert wird. Zusammen führen die Detektionsschaltkreise 30, die Einheit 32 und der Generator 34 eine synchrone Detektionsfunktion aus, was nachfolgend ausführlich beschrieben wird.
• Das allgemeine Prinzip der synchronen oder phasenempfindlichen Detektion ist in der Elektronik bekannt. Seine konkrete Anwendbarkeit auf ein faseroptisches Netz zur Bereitstellung eines durch frequenzselektive Detektion einer periodischen Störung charakterisierten POTDR-Systems, wie in der vorliegenden Erfindung, ist jedoch einzigartig und auch nicht offensichtlich.
• FIG. 2 stellt zwei Lichtimpulse einer Folge regelmäßig beabstandeter Lichtimpulse dar, die durch den Laser 12 von FIG. 1 bereitgestellt werden. Diese Impulse werden an das Eingangsende der in FIG. 1 gezeigten Faser 18 angekoppelt. Für das oben erwähnte Beispiel, bei dem die Faser 18 zehn Kilometer lang ist, beträgt die Zeit t zwischen eingekoppelten Impulsen typischerweise mindestens hundert Mikrosekunden. In der Praxis werden die relativ schwachen zurückgestreuten Signale zur Bereitstellung eines ausreichenden Rauschabstands aus jedem Teil der Faser akkumuliert.
• Somit werden in einem konkreten Beispiel zweitausend solche zurückgestreuten Signale, die jeweils zweitausend eingekoppelten Impulsen zuzuordnen sind, für jeden verschiedenen Teil der Faser akkumuliert und gemittelt. Dies wird beispielsweise in der Arithmetikund Speichereinheit 32 durch in der OTDR-Technik gut bekannte standardmäßige Mehrkanal-Aufzeichnungsverfahren durchgeführt. Dementsprechend werden die Rückstreudaten von jedem Einkoppelimpuls entsprechend der Distanz in der Faser in unabhängige Kanäle aufgeteilt. Die Daten für jeden Kanal stellen somit den eingekoppelten Impuls dar, nachdem er durch einen entsprechenden Teil der Faser beeinflußt wurde.
• Die Breite jedes eingekoppelten Impulses bestimmt die räumliche Auflösung der hier beschriebenen Erkennungsanordnung. Wenn zum Beispiel angenommen wird, daß die Breite w jedes der in FIG. 2 dargestellten eingekoppelten Impulse einhundert Nanosekunden beträgt, dann ist die Anordnung in der Lage, periodische Störungen zu erkennen, die Teile der Faser 18 beeinflussen, die etwa zehn Meter auseinanderliegen.
• In FIG. 3 stellt die wellige Linie 36 die Intensität der Bezugs- oder Rauschsignale dar, die von einem bestimmten Teil der Lichtleitfaser 18 zurückgestreut werden und sogar bei Abwesenheit einer zyklischen Störung in der Umgebung dieses Teils der Faser in der Empfängereinheit 20 von FIG. 1 erscheinen. Zum Beispiel umfaßt jedes der in FIG. 3 gezeigten Zeitintervalle t1 bis t2, t2 bis t3, t3 bis t4, t4 bis t5 und t5 bis t6 0,01 Sekunden (10000 Mikrosekunden). Somit werden während jedes solchen Zeitintervalls einhundert Impulse der oben angegebenen beispielhaften Art (FIG. 2) in das Eingangsende der Faser 18 eingekoppelt, und die entsprechenden zurückgestreuten Daten für jeden Faserteil empfangen und in einem Kanal der Arithmetik- und Speichereinheit 32 akkumuliert.
• Man nehme nun an, daß eine zyklische Störung (zum Beispiel eine zyklische Vibration mit fünfzig Hertz) in der Umgebung des oben erwähnten Faserteils auftritt. Eine solche Störung beeinflußt die Intensitäten der entsprechenden Polarisationskomponenten der aus dem gestörten Teil der Faser zurückgestreuten Signale auf eine zyklische Weise. Daher schwanken auch die entsprechenden Signale, die am Ausgang des Polarisators 28 in der Empfängereinheit 20 von FIG. 1 erscheinen, auf eine zyklische Weise, die die Vibrationsstörung darstellt.
• In FIG. 3 illustriert eine Sinuswelle 38 die oben erwähnte zyklische Schwankung, die einer Fünfzig- Hertz-Vibrationsstörung zuzuordnen ist. Somit würde während der ersten Halbperiode der Welle 38 (im Intervall von t1 bis t2) das Akkumulieren und Mitteln von einhundert zurückgestreuten Signalen aus dem gestörten Teil der Faser in der Empfängereinheit 20 ein effektives Signal bereitstellen, das einen Wert aufweist, der größer als der Wert ist, der dort bei Abwesenheit einer (durch die Linie 36 dargestellten) Störung vorliegt. Ähnlich würde dann während der nächsten Halbperiode der Welle 38 (im Intervall von t2 bis t3) das Akkumulieren und Mitteln weiterer einhundert zurückgestreuter Signale aus dem gestörten Faserteil in der Empfängereinheit 20 ein effektives Signal bereitstellen, das entsprechend kleiner als das Signal ist, das dort bei Abwesenheit einer Störung vorliegt. Daher würde bei einem herkömmlichen Prozeß, bei dem das gesamte Akkumulieren und Mitteln über mehrere (zum Beispiel zehn) Perioden der Welle 38 hinweg ausgeführt würde, das durch einen Empfänger erkannte effektive Gesamtsignal im Mittel einfach zu einem Wert führen, der mit dem durch die zurückgestreuten Bezugs- oder Ruhesignale bereitgestellten Wert übereinstimmt, d.h. mit einem Wert, der durch die Linie 36 von FIG. 3 dargestellt wird. Anders ausgedrückt wäre ein solcher herkömmlicher Detektionsansatz für das Auftreten einer zyklischen Störung in der Umgebung einer Lichtleitfaser unempfindlich.
• Darüber hinaus ist die Nyquist-Bandbreite einer herkömmlichen OTDR/POTDR so niedrig, daß es in der Praxis schwierig wird, dynamische Effekte, die auf eine Faser einwirken, durch Einsatz anderer bekannter Detektionsprozesse aufzulösen. Somit ist zum Beispiel ein System mit zehn Kilometer Faserlänge, bei dem 1500 zurückgestreute Signale akkumuliert und gemittelt werden, durch eine Nyquist-Bandbreite von etwa drei Hertz charakterisiert. Dementprechend wurden standardmäßige Abtastverfahren nicht als auf die Erkennung zyklischer Störungen der bei tatsächlichen optischen Netzen angetroffenen Art anwendbar angesehen.
• Eine zyklische Störung der durch die Sinuswelle 38 bei FIG. 3 dargestellten Art wird in der Empfängereinheit 20 von FIG. 1 auf eine einzigartige Weise durch synchrone Detektionsverfahren erkannt. Insbesondere wird der Detektionsprozeß durch eine Zeitsteuerungswelle gesteuert, deren Frequenz so gewählt wird, daß sie mit der Frequenz einer Störung übereinstimmt, von der erwartet wird, daß sie an einem bestimmten Punkt entlang der Faser 18 von FIG. 1 angetroffen wird. Als Alternative kann die Frequenz der Zeitsteuerungswelle über einen Bereich variiert oder gewobbelt werden, der eine Menge von Frequenzen umfaßt, die eine Vielfalt verschiedener Störungen darstellen, von denen angenommen wird, daß sie wahrscheinlich entlang einer Faser angetroffen werden. Außerdem können die verschiedenen Frequenzkomponenten und damit die besondere Beschaffenheit einer Störung ermittelt werden, indem die Frequenz der Zeitsteuerungswelle gewobbelt wird.
• Als ein spezifisches illustratives Beispiel hat die durch den Generator 34 von FIG. 1 bereitgestellte Zeitsteuerungswelle die in FIG. 4 abgebildete Form. Wie gezeigt wird die Rechteck-Zeitsteuerungswelle 40 so gewählt, daß sie dieselbe Frequenz wie die Welle 39 (FIG. 3) aufweist, die wie oben angegeben eine zu detektierende Störung darstellt. Wenn die zu detektierende Störung eine Frequenz von fünfzig Hertz aufweist, so wie es die Welle 38 darstellt, dann wird die Frequenz der Zeitsteuerungswelle 40 ebenfalls auf fünfzig Hertz eingestellt.
• Als ein konkretes Beispiel sind die in FIG. 3 bzw. 4 abgebildeten Wellen 38 und 40 als zueinander phasengleich gezeigt. Diese Phasengleichheit der Wellen 38 und 40 erzeugt die maximale Anzeige einer Störung derselben Frequenz wie die Zeitsteuerungswelle 40. Es erzeugt aber auch eine beliebige Phasenbeziehung (mit der Ausnahme einer Phasenungleichheit von genau 90 Grad) ein Signal. In der Praxis kann die Phasenbeziehung korrigiert werden, um jegliche Signalanwesenheit zu maximieren. Eine Alternative besteht darin, die Welle 40 gemäß bekannter Signalverarbeitungsverfahren sequentiell phasenmäßig um neunzig Grad aus ihrer anfänglichen Einstellung zu verschieben und die resultierenden Signale zu kombinieren. Anders ausgedrückt sind in der Technik Verfahren bekannt, mit denen ein Signal ungeachtet der Phasenbeziehung zwischen den Wellen 38 und 40 in Anwesenheit einer Störung ausgekoppelt werden kann.
• Außerdem ist zu bemerken, daß manche zyklische Störungen, wie zum Beispiel durch Erdaushebemaschinen verursachte in der Praxis oft in Stößen auftreten, die zum Beispiel auf zeitweises Leerlaufen oder Stoppen der Maschinen zurückzuführen sind. In solchen Fällen ist es extrem unwahrscheinlich, daß ein Zustand einer Phasenungleichheit von neunzig Grad über ein längeres Übe rwachungsintervall hinweg anhält.
• Während des in FIG. 4 angezeigten Zeitintervalls t1 bis t2 wird ein positiv werdender Teil der Zeitsteuerungswelle 40 an die Arithmetik- und Speichereinheit 32 von FIG. 1 angelegt. Daraufhin wird die Einheit 32 während dieses Intervalls so gesteuert, daß sie die mehreren zurückgestreuten Signale, die durch die Detektionsschaltkreise 30 an sie angelegt werden, aufaddiert und dann mittelt. In dem oben angenommenen konkreten illustrativen Fall, bei dem ein Teil der zehn Kilometer langen Faser 18 durch eine zyklische Vibration der durch die Welle 38 von FIG. 3 dargestellten Art gestört wird, würden einhundert solche zurückgestreuten Signale addiert und gemittelt werden, um ein positives Signal bereitzustellen. Der Wert dieses positiven Signals, der vorübergehend in der Einheit 32 gespeichert wird, ist größer als der Wert, der in Abwesenheit einer Störung erhalten wird, wenn nur zurückgestreute Signale, die durch die Bezugslinie 36 von FIG. 3 dargestellt werden, durch die Detektionsschaltkreise 30 von FIG. 1 empfangen werden.
• Als nächstes wird während des Zeitintervalls t2 bis t3 ein negativ werdender Teil der Zeitsteuerungswelle 40 von FIG. 4 an die Einheit 32 von FIG. 1 angelegt wird. Daraufhin wird die Einheit 32 während dieses Intervalls so gesteuert, daß sie den so erhaltenen Wert aufaddiert, mittelt und ihm dann ein negatives Vorzeichen verleiht. Der Absolutwert des resultierenden negativen Signals, der ebenfalls vorübergehend in der Einheit 32 gespeichert wird, ist kleiner als der Wert, der in Abwesenheit einer Störung erhalten wird.
• Unter der Steuerung der Zeitsteuerungswelle 40 werden in der Einheit 32 auf die besondere, oben beschriebene Weise aufeinanderfolgende positive und negative Signale erzeugt. Das Akkumulieren einer wesentlich höheren Anzahl solcher Signale führt tendenziell zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit der Vorrichtung für die erwartete Störung und zu einem verringerten Rauschpegel. Die Anzahl vorgeschriebener Perioden der Zeitsteuerungswelle 40, über die hinweg solche Signale akkumuliert werden, wird auf der Grundlage von Faktoren wie zum Beispiel der Amplitude der zu detektierenden Störungen, der Länge und besonderen Eigenschaften der Faser, deren Zustand überwacht wird, und der Empfindlichkeit der Detektionsschaltkreise bestimmt. In einem illustrativen Beispiel wird ein angemessener Rauschabstand erzielt, indem diese Akkumulation über zehn komplette Perioden der Zeitsteuerungswelle 40 hinweg ausgeführt wird.
• Nach einer vorbestimmten Anzahl von Perioden der Zeitsteuerungswelle 40 werden die oben beschriebenen akkumulierten positiven und negativen Signale in der Einheit 32 kombiniert, um ein effektives positives Signal bereitzustellen. Dieses effektive positive Signal wird dann an die Ausgangsschaltkreise angelegt. Dort wirkt das Signal, wenn es einen gewissen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, zum Beispiel zur Auslösung einer Warnung in den Schaltkreisen 35. Die Aktivierung der Warnung zeigt an, daß eine potentiell gefährliche Störung mit derselben Frequenz wie die zeitsteuerungswelle 40 entlang der Faser 18 auftritt.
• Außerdem ist es aufgrund der synchron mit dem Einkoppeln der Impulse durch den Laser 12 erfolgenden Zeitsteuerung der Ausgangsschaltkreise 35 durch die Steuerschaltkreise 10 einfach, gemäß standardmäßiger OTDR-Verfahren die Zeitspanne zwischen dem Einkoppeln und dem Empfang eines effektiven positiven Signals in eine Anzeige des Orts der detektierten Störung entlang der Faser durch die Schaltkreise 35 zu übersetzen. Daraufhin kann oft rechtzeitig eine Abhilfemaßnahme getroffen werden, um zu verhindern, daß sich die Störung tatsächlich schädlich auf die Faser auswirkt. Als Alternative kann, falls andere Wege für den Verkehr verfügbar sind, die gestörte Faser sofort aus dem aktiven Service entfernt werden, während die Art der Störung bestimmt wird. In jedem Fall wird die Integrität des Netzes dadurch aufrechterhalten.
• Wie bereits erwähnt weisen die Wellen 38 und 40 von FIG. 3 bzw. 4 dieselbe Wiederholungsfrequenz auf. In diesem Fall akkumulieren sich, wie oben ausführlich beschrieben, positive und negative Signale, um nach einer Anzahl von Perioden der Zeitsteuerungswelle ein effektives positives Signal bereitzustellen. Für alle anderen Frequenzen der Welle 38, die von der Frequenz der Zeitsteuerungswelle 40 verschieden sind, streben die von den Wellen 38 und 40 abgeleiteten Werte der akkumulierten Signale nach Null. Somit ist es offensichtlich, daß als Reaktion auf entlang der Faser 18 auftretende Störungen nur für diejenigen Störungen, die eine mit der Frequenz der Zeitsteuerungswelle 40 übereinstimmende Frequenz aufweisen, während des synchronen Detektionsvorgangs, der durch den Empfänger ausgeführt wird, ein effektives Signal bereitgestellt wird.
• Die frequenzselektive Beschaffenheit des hier beschriebenen synchronen Detektionsprozesses wird durch FIG. 5 bis 7 dargestellt. FIG. 5 zeigt einen konkreten illustrativen Fall, bei dem sich tatsächlich eine zyklische Vibrationsstörung mit einer Frequenz von vierzig Hertz in der Umgebung eines Faserteils in einer Entfernung d von dem Eingangsende der Lichtleitfaser 18 von FIG. 1 befand.
• Die synchrone Detektion wurde unter der Steuerung einer Zeitsteuerungswelle mit einer Frequenz von ebenfalls vierzig Hertz in der Empfängereinheit 20 durchgeführt. Wie in FIG. 5 angezeigt wurde nach dem Einkoppeln mehrerer Impulse in die Faser und der auf die oben beschriebene erfindungsgemäße Weise erfolgenden Verarbeitung der resultierenden zurückgestreuten Signale ein relativ großes positives Signal bereitgestellt, das eine Störung anzeigt. Wie in FIG. 5 gezeigt erscheint dieses relativ große positive Signal zuerst zu einem Zeitpunkt, der dem Abstand d entlang der Faser entspricht. Nachfolgende relativ große Signale, die in FIG. 5 angedeutet sind, entstehen dadurch, daß eine Störung bei d den beobachteten Polarisationszustand der von jedem weiter entlang der Faser liegenden Teil zurückkehrenden zurückgestreuten Signale beeinflußt.
• FIG. 6 stellt das entsprechende Ergebnis dar, das auftritt, wenn die Vierzig-Hertz-Störung die Faser weiterhin beeinflußt, die Frequenz der Zeitsteuerungswelle, die den synchronen Detektionsprozeß steuert, jedoch auf fünfunddreißig Hertz umgestellt wird. Der wesentliche Unterschied zwischen den Detektionsmöglichkeiten bei vierzig Hertz (FIG. 5) und fünfunddreißig Hertz (FIG. 6) ist offensichtlich. Dadurch wird die Möglichkeit der Frequenzselektivität des hier beschriebenen Detektionssystems eindeutig bestätigt.
• Schließlich zeigt FIG. 7 die Beschaffenheit des detektierten Bezugs- oder Rauschsignals, das in der Empfängereinheit 20 von FIG. 1 erzeugt wird, wenn entlang der Faser keine Störung vorliegt, die Frequenz der Zeitsteuerungswelle, die den synchronen Detektionsprozeß steuert, jedoch bei vierzig Hertz bleibt. Die starke Ähnlichkeit der Diagramme schwacher Intensität von FIG. 6 und 7 und ihr deutlicher Unterschied zu dem Diagramm der Störungsanzeige von FIG. 5 sind offensichtlich.
• Als letztes ist noch zu verstehen, daß die oben beschriebenen Anordnungen und Verfahren lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind.
• Fachleute können zahlreiche Modifikationen und Alternativen konzipieren, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel ist es, obwohl hier hauptsächlich die Erkennung von Vibrationsstörungen in Kommunikationsfasern angesprochen wurde, offensichtlich, daß die Erfindung auch auf die Erkennung einer beliebigen zyklischen Störung anwendbar ist, die entweder direkt oder mittels eines Wandlers den Polarisationszustand eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser beeinflußt. Beispielsweise eignet sich eine Detektionsanordnung der hier beschriebenen Art gut für die Erkennung von Vibrationsstörungen auf dem Gebiet der Seismologie.
• Außerdem ist es offensichtlich, daß in dem Detektionsprozeß auch vielfältige andere spezifische Anordnungen und Verfahren eingesetzt werden können. Somit können zum Beispiel die Lichtquelle 12 oder die Detektionsschaltkreise 30 durch die Zeitsteuerungswelle 40 gesteuert werden, um die positiven und negativen Signale herzustellen, die dann kombiniert werden. Weiterhin können der Polarisator 28 und der Verzweiger 16 zu einer einzigen polarisierenden Verzweigereinheit kombiniert werden.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Erkennung des Auftretens einer zyklischen Störung (22) in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser (18), mit folgendem:

Mitteln (12, 14) zum Anlegen mehrerer voneinander beabstandeter, einheitlich polarisierter Lichtimpulse an das Eingangsende der besagten Faser, wobei die Vorrichtung durch folgendes gekennzeichnet ist:

Mittel (20) zum synchronen Erfassen von Lichtsignalen einer bestimmten Polarisation, die von dem besagten örtlichen Teil zu dem besagten Eingangsende zurückgestreut werden, wobei die besagte Erfassung zurückgestreuter Lichtsignale unter der Steuerung einer Zeitsteuerungswelle erfolgt, deren Frequenz gleich der Frequenz der besagten zyklischen Störung ist, um dadurch ein resultierendes effektives Ausgangssignal bereitzustellen, das das Auftreten der besagten Störung anzeigt.

2. Vorrichtung zur Fernerkennung des Auftretens und zur Bestimmung des Orts einer zyklischen Störung (22) in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser (18), mit folgendem:

Mitteln (12, 14) zum Anlegen mehrerer voneinander beabstandeter, einheitlich polarisierter Lichtimpulse an ein Eingangsende der besagten Faser,

wobei die Vorrichtung durch folgendes gekennzeichnet ist:

Mittel (28, 30), die an das besagte Eingangsende angekoppelt sind und nur auf Signale einer bestimmten Polarisation reagieren, die von dem besagten örtlichen Teil der besagten Faser zurückgestreut werden, um mehrere voneinander beabstandete zurückgestreute Signale der besagten bestimmten Polarisation bereitzustellen, wobei die Intensität der besagten mehreren zurückgestreuten Signale entsprechend der Frequenz einer den besagten örtlichen Teil beeinflussenden Störung über und unter einem Bezugs- Intensitätswerts schwankt,

Mittel (32, 34), die auf die Ausgangssignale der besagten zuletzt genannten Mittel reagieren, um jeweilige Auslenkungen der Intensitätswerte der zurückgestreuten Signale über und unter den besagten Bezugswerts separat zu verarbeiten, um ein effektives Ausgangssignal bereitzustellen, das das Auftreten einer Störung anzeigt, wobei die besagte separate Verarbeitung bei einer Frequenz erfolgt, die gleich der Frequenz der besagten zyklischen Störung ist,

und Mittel (20), die auf die Zeitspanne zwischen an die besagte Faser angelegten Signalen reagieren, und die Bereitstellung des besagten effektiven Ausgangssignals zur Anzeige des Orts einer zyklischen Störung entlang der besagten Faser.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die besagte Lichtleitfaser (18) eine Einmodenlichtfaser der Kommunikationsgüteklasse umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die besagten Mittel zum Anlegen von Impulsen an die besagte Faser einen Laser (12) umfassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 mit einer Polarisationssteuerung (14), die zwischen dem besagten Laser und dem Eingangsende der Faser angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einem Verzweiger (16), der zwischen der besagten Polarisationssteuerung (14) und dem Eingangsende der besagten Faser (18) angeordnet ist, wobei der besagte Verzweiger einen Ausgang, der mit dem Eingangsende der besagten Faser verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit den besagten Mitteln, die nur auf Signale einer bestimmten Polarisation reagieren, verbunden ist, aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die besagten Mittel, die nur auf Signale einer bestimmten Polarisation reagieren, einen Polarisator (28) umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ausgang des besagten Polarisierers mit Erkennungsschaltkreisen (30) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 mit Steuerschaltkreisen (10), die mit den besagten Erkennungsschaltkreisen (30) verbunden sind, um die besagten Erkennungsschaltkreise während der jeweiligen Zeitspannen, in denen über die besagten Polarisationssteuerung und den besagten Verzweiger durch den besagten Laser Impulse an die besagte Faser angelegt werden, zu deaktivieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Ausgang der besagten Erkennungsschaltkreise mit einer Arithmetik- und Steuereinheit (32) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Zeitsteuerungswellengenerator (34) mit der besagten Arithmetik- und Steuereinheit verbunden ist, um den Betrieb der besagten Einheit zu steuern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Frequenz der durch den besagten Zeitsteuerungsgenerator zur Steuerung des Betriebs der besagten Arithmetik- und Steuereinheit bereitgestellten Welle gleich der Frequenz der besagten zu erkennenden Störung ist.

13. Verfahren zur Erkennung des Auftretens einer zyklischen Störung (22) in der Umgebung eines örtlichen Teils einer Lichtleitfaser (18), mit den folgenden Schritten:

Anlegen mehrerer voneinander beabstandeter, einheitlich polarisierter Lichtimpulse an das Eingangsende der besagten Faser,

wobei das Verfahren durch folgendes gekennzeichnet ist:

synchrones Erfassen von Signalen einer bestimmten Polarisation, die von dem besagten örtlichen Teil zu dem besagten Eingangsende zurückgestreut werden, wobei die besagte Erfassung zurückgestreuter Signale unter der Steuerung einer Zeitsteuerungswelle erfolgt, deren Frequenz gleich der Frequenz der besagten zyklischen Störung ist, um dadurch ein resultierendes effektives Ausgangssignal bereitzustellen, das das Auftreten der besagten Störung anzeigt.

14. Verfahren nach Anspruch 13 mit dem Schritt der Erfassung des Orts der besagten Störung durch Messen der Zeitspanne zwischen dem Anlegen von Impulsen an das Eingangsende der besagten Faser und dem Empfang der besagten zurückgestreuten Signale.