NL9101538A - Werkwijze en inrichting voor het overdragen van informatie over een stralingsvezel met vaststelling en/of plaatsbepaling van inbraak. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het overdragen van informatie over een stralingsvezel met vaststelling en/of plaatsbepaling van inbraak.

De uitvinding heeft betrekking op het overdragen van informatie over stralingsvezels. Deze vindt toepassing, wanneer de over te dragen informatie tegen pogingen tot aftapping en/of wijziging moet worden beschermd.

De overdracht van dergelijke informatie wordt dikwijls tot stand gebracht met behulp van een stralingsverbinding, waarbij een de informatie dragende lichtgolf over een aanmerkelijke afstand door een stralingsvezel wordt geleid. Deze laatste zal in het onderstaande een verbindingsvezel worden genoemd.

Hoewel de bescherming van de over te dragen informatie gemakkelijker is, wanneer de overdracht langs een dergelijke verbinding plaatsvindt in plaats van met behulp van andere overdrachtmiddelen, bestaat nochtans ook in dit geval een belangrijk vraagstuk. Het is bekend, dat het niet nodig is de verbindingsvezel door te snijden om een klein gedeelte van het licht van de informatiedraaggolf af te tappen. Dit gedeelte laat toe kennis te nemen van de overgedragen informatie, zonder dat het daartoe nodig is op onherstelbare wijze de golf te beïnvloeden, die aan de uitgang van de vezel wordt ontvangen.

Dit vormt een passieve inbraak. Het zal echter duidelijk zijn, dat op dezelfde wijze een actieve inbraak mogelijk is, waarbij licht in de kern van de verbindingsvezel wordt gevoerd om de overgedragen informatie te wijzigen.

Daar het verhinderen van een dergelijke inbraak niet mogelijk is, is er gezocht naar het vaststellen en de plaatsbepaling daarvan.

In het bijzonder is voor het verwezenlijken van een dergelijke vaststelling reeds voorgesteld in de verbindingsvezel behalve een de informatie dragende hoofdstralingsgolf, die zich in de kern van de vezel vooortplant, een hulpgolf in te voeren, die zich in een ringvormige geleiding voortplant, die in deze vezel rond de kern is gevormd. In het geval van een poging tot inbraak door het buigen van de vezel wordt het mogelijk een demping van de ontvangen hulpgolf vast te stellen, voordat een aftapping of wijziging van de door de hoofd-golf gedragen informatie mogelijk wordt.

Dergelijke vaststelbewerkingen zijn in het bijzonder beschreven in de volgende publikaties: - EP-A 0 083 843 (Corning) - US-A 4 134 642 (Kapron) - FR-A 2 635 876 en de overeenkomstige US-aanvrage 400 172 (Augé).

De onderhavige uitvinding laat toe snel en zeker een inbraak van de voornoemde soort vast te stellen.

De uitvinding heeft in het bijzonder de volgende doelstellingen : - het verzekeren van een nauwkeurige en snelle plaatsbepaling van een dergelijke inbraak, - het toelaten van een dergelijke vaststelling en/of plaatsbepaling met behulp van een eenvoudige en weinig kostbare inrichting.

In het bijzonder beoogt de uitvinding een werkwijze voor het overdragen van informatie over een stralingsvezel te verschaffen met vaststelling en/of plaatsbepaling van inbraak, waarbij in een verbindingsvezel een informatie dragende hoofd-golf wordt ingevoerd, alsmede een zodanig gekozen hulpgolf, dat deze gemakkelijker met het uitwendige van de hoofd-golf koppelt, welke werkwijze als kenmerk heeft, dat aan deze hulpgolf een toetsmodulatie wordt medegedeeld, waarvan de fase in de door de vezel teruggezonden golf wordt gemeten.

Aan de hand van de bijgevoegde schematische tekening zal in het onderstaande worden beschreven, hoe de onderhavige uitvinding kan worden verwezenlijkt, waarbij erop wordt gewezen, dat de beschreven en weergegeven onderdelen en kenmerken slechts bij wijze van voorbeeld zijn gegeven; in de tekening toont: fig. 1 een samenstellingsafbeelding van een stralings-verbinding onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding; en fig. 2 drie grafische voorstellingen van de faseverande-ring van een ontvangen toetssignaal, uitgezet langs de verti-kale as, afhankelijk van de afstand van een ingreep, die langs de horizontale as is uitgezet.

Volgens fig. 1 omvat een inrichting voor informatieoverdracht over een stralingsvezel met vaststelling van inbraak de volgende onderdelen, die wat de aangegeven werking ervan betreft bekend zijn: - Een hoofdlaser 2 voor het ontvangen van een over te dragen informatiesignaal SI, en voor het in antwoord daarop uitzenden van een met dit informatiesignaal gemoduleerde hoofdgolf OP.

- Een stralingsvezel, die een verbindingsvezel 14 vormt.

- Een koppelstelsel 10 voor het invoeren van de hoofdgolf OP in deze verbindingsvezel.

- Een hoofdontvanger 16 voor het ontvangen van de hoofdgolf, die door deze verbindingsvezel is geleid.

Het samenstel van deze onderdelen 2, 14, 10 en 16 vormt een stralingsverbinding. Het is bekend bij deze verbinding bewakingsmiddelen te voegen voor vaststelling en plaatsbepaling van een mogelijke inbraak.

Volgens de uitvinding omvatten deze middelen bijvoorbeeld de volgende onderdelen: - Een toetssignaalbron 4 voor het leveren van een sinusvormig toetszendsignaal SM met een toetsfrequentie, die in het gebied van de lage frequenties is gelegen.

- Een hulplaser 6 voor het ontvangen van dit toetszendsignaal, en voor het in antwoord daarop met een grotere golflengte dan de hoofdgolf OP uitzenden van een hulpgolf OA, die een door dit signaal gevormde modulatie draagt.

- Een hulpontvanger 8 voor het ontvangen van een stralingsgolf met dezelfde golflengte als de hulpgolf, en voor het leveren van een toetsontvangstsignaal SR, dat een modulatie van deze stralingsgolf met de toetsfrequentie voorstelt.

- Een koppelstelsel 10 voor het niet alleen koppelen van de hoofdlaser 2, doch ook van de hulplaser 6 en de hulpontvanger 16 met een eind 13 van de verbindingsvezel 14.

- En een fasemeettoestel 12 voor het meten van de fase van het toetsontvangstsignaal met betrekking tot het toetszendsignaal, welk toestel in het bijzonder wordt gevormd met behulp van een synchrone vaststeltrap.

De vezel 14 is bij voorkeur een vezel met een enkelvoudige trillingswijze bij de twee gebruikte golflengten.

In het algemeen omvat de met een dergelijke inrichting uit te voeren werkwijze de volgende bewerkingen: - Het invoeren van een hoofdgolf OP in een eerste eind van de verbindingsvezel 14 om deze golf naar een tweede eind 15 van deze vezel te geleiden. Deze hoofdgolf draagt een modulatie SI, die een informatie voorstelt, ten einde een stralingsver-binding te verwezenlijken, die deze informatie tussen de beide einden overdraagt.

- Het invoeren van een hulpgolf OA in een hulpinvoereind 13, dat, zoals in het getoonde voorbeeld, het eerste eind van de verbindingsvezel is. Deze golf wordt door deze vezel naar het andere eind 15 van deze vezel geleid. Deze hulpgolf bestaat uit hulpstraling, en heeft een koppeleigenschap, die verschilt van de overeenkomstige koppeleigenschap van de hoofdgolf OP.

De betekenis van deze uitdrukking is de volgende. Deze koppel-eigenschappen stellen de mogelijkheid van koppeling voor van deze golven met het uitwendige van de verbindingsvezel in het geval, dat een inbraak in de vezel 14 plaatsvindt, waarbij het gevaar bestaat, dat in een ingreeppunt 17 een dergelijke koppeling optreedt. Deze eigenschappen worden, zoals bij wijze van voorbeeld in het onderstaande nog zal worden toegelicht, zodanig gekozen, dat de volgende effecten worden verkregen. In een eerste geval, waarin een inbraakvaststelling wordt gezocht, is het te verkrijgen effect, dat elke vast te stellen inbraak de voortplanting van een aanmerkelijk gedeelte van de hulpgolf onderbreekt, en wel bij voorkeur meer dan 20 % van de energie daarvan. In het tweede geval, waarin een plaatsbepaling van elke inbraak moet worden uitgevoerd, is het te bereiken effect, dat een inbraak zeker verhindert, dat de hulpgolf OA zich door de verbindingsvezel 14 voorbij het ingreeppunt 17 voortplant, wanneer deze ingreep deze vezel voldoende beïnvloedt om een koppeling tussen de hoofdgolf OP met een uitwendig stelsel 18, dat vreemd is aan de stralingsverbin-ding, tot stand te brengen. Het zal duidelijk zijn, dat een dergelijke ingreep een feitelijke inbraak in de verbinding voorstelt.

- En tenslotte het bewaken van een gedeelte van de hulpstra-ling, die aan een eind van de verbindingsvezel 14 verschijnt, om de inbraak vast te stellen en zonodig de plaats daarvan te bepalen. Een dergelijke plaatsbepaling heeft de vorm van een meting van de onbekende inbraakafstand x, d.w.z. de afstand van het ingreeppunt 17 vanaf het hulpinvoereind 13.

Volgens de uitvinding wordt bij het invoeren van de hulpgolf OA deze hulpgolf langdurig en met een modulatie in de vezel 14 gevoerd. Deze modulatie wordt tenminste gevormd door een toetszendsignaal SM, dat een periodiek signaal met een toetsfrequentie is. Wat de bewakingswerking betreft omvat deze het ontvangen van een teruggezonden golf OR, die wordt gevormd door een deel van de hulpstraling, dat door de verbindingsvezel 14 naar het hulpinvoerpunt 13 is teruggezonden. Bovendien omvat dit een meting van de fase A van een toetsont-vangstsignaal SR, dat de teruggezonden golf met de toets-frequentie moduleert. Deze fase wordt gemeten ten opzichte van het toetszendsignaal SM.

Bij afwezigheid van inbraak heeft deze fase een althans nagenoeg vaste of zeer langzaam veranderende waarde. In het geval van inbraak vermindert deze fase sneller naarmate een sterkere kromming of gelijkwaardige verandering op de vezel wordt uitgeoefend. Het vaststelling van deze vermindering vormt de vaststelling van een inbraak.

De eindwaarde van de fasevermindering neemt af, wanneer de afstand van de inbraak toeneemt. De meting daarvan laat derhalve het meten van de afstand van de inbraak toe. Deze mogelijkheid van plaatsbepaling vormt een belangrijk voordeel van de onderhavige uitvinding, waarbij de vaststelling van inbraak eventueel ook door andere middelen kan worden verwezenlijkt .

Bij deze werkwijze worden bij voorkeur de volgende kenmerken toegepast: - De verschillende koppeleigenschappen van de hoofdgolf OP en de hulpgolf OA zijn de stralingsgolflengten, en wel de hoofdgolflengte resp. de hulpgolflengte. Deze hulpgolflengte wordt zodanig gekozen, dat het produkt lk kleiner is dan 2. In dit produkt stelt 1 de lengte van de verbindingsvezel 14, of tenminste de maximale waarde voor de inbraakafstand x voor.

Verder stelt k de dempingscoëfficiënt per lengte-eenheid voor straling met deze golflengte in deze vezel voor. Er wordt echter op gewezen, dat bij een andere uitvoeringsvorm koppel-eigenschappen van een andere aard kunnen worden gevormd door de verschillende voortplantingswijzen van de beide golven.

Deze kunnen dan dezelfde golflengte hebben, waarbij de hulp-golf bijvoorbeeld zich door een ringvormige geleider voortplant, die rond en op een afstand van de door de hoofdgolf doorlopen middengeleider is gevormd.

- In het geval, dat de beide golven zich volgens dezelfde trillingswijze voortplanten, is de hulpgolflengte groter dan de hoofdgolflengte. Deze zijn bijvoorbeeld ongeveer 1500 resp. 1300 nm in het geval van vezels met enkelvoudige trillingswi jze, die tegenwoordig algemeen worden gebruikt.

- Een toetsfrequentie bedraagt 20..90 % van een grensfrequen-tie, die V/4.1 bedraagt, waarin V de voortplantingssnelheid van de hulpstraling in de verbindingsvezel 14, en 1 de lengte van deze vezel voorstelt. Deze toetsfrequentie is die van het toetszendsignaal, wanneer dit enkelvoudig is. Wanneer verscheidene toetszendsignalen worden gebruikt, ligt de laagste toetsfrequentie tussen de genoemde grenswaarden.

- De fasemeting is een synchrone vaststelling van het toets-ontvangstsignaal SR met de stralingssterkte van de teruggezonden straling.

- Het invoeren van de hulpgolf OA en het toetszendsignaal SM, dat deze golf moduleert, worden verlengd gedurende een invoer-duur van tenminste 0,1 s, waarbij wordt opgemerkt, dat ook een grotere duur en zelfs een ononderbroken invoer in het algemeen de voorkeur kan verdienen.

De zojuist beschreven werkwijze met de hoofdkenmerken daarvan gebruikt de achterwaartse Rayleigh-diffusie, die de voortplanting van de hulpgolf OA begeleidt, en die de teruggezonden golf OR vormt. Deze laatste wordt gevormd door een samenvoeging van deelgolven, die door elk van de opeenvolgende takken van de verbindingsvezel worden teruggezonden. De door een nabij het hulpinvoereind 13 gelegen tak teruggezonden deelgolf heeft ten opzichte van de deelgolf, die door een tak met dezelfde lengte doch op een afstand z van dit eind wordt teruggezonden, een demping van exp(-2kz) en een tijdvertraging van 2z/V, waarin V de voortplantingssnelheid van de hulpstra-ling in de verbindingsvezel is. Wanneer het toetszendsignaal de vorm cos(wt) heeft, zal het toetsontvangstsignaal evenredig zijn met cos(wt + A), waarin A de te meten fase is.

Wanneer de verbindingsvezel 14 bij een inbraak een sterke kromming in het op een afstand x van het eind 13 gelegen ingreeppunt 17 ondergaat, zal deze kromming tot gevolg hebben, dat de hulpstraling uit de vezel treedt. Er is dan geen terugstraling van deze straling door de voorbij dit punt gelegen takken van de vezel mogelijk. Het toetsontvangstsignaal SR wordt dan, afgezien van een coëfficiënt, door de volgende uitdrukking gegeven:

In fig. 2 is langs de vertikale as tg A van de fase A van dit signaal, en langs de horizontale as de te bepalen afstand x in km uitgezet. De krommen 20, 22 en 24 van fig. 2 zijn verkregen door het berekenen van de volgende waarden van de coëfficiënt k: 0,5 dB/km, 0,3 dB/km resp. 0,2 dB/km.

Een meting van de teruggestelde sterkte kan de plaatsbepaling voltooien. Deze laatst kan alleen worden uitgevoerd, wanneer een inbraak door andere middelen is vastgesteld of kan worden vermoed.

Wat de nauwkeurigheid van de plaatsbepaling betreft is de voornaamste parameter de verhouding van het meetgebied, d.w.z. in het algemeen de lengte 1 van de verbindingsvezel 14, tot de dempingslengte 1/k van deze vezel voor de hulpstraling.

Voorbij een grenslengte 1 = 2/k is de fase A nauwelijks meer gevoelig voor inbraak, en laat de meting ervan derhalve geen plaatsbepaling meer toe.

Deze grenslengte bedraagt 18 km voor een demping van 0,5 dB/km, en 45 km voor een demping van 0,2 dB/km

De nauwkeurigheid van de plaatsbepaling neemt overigens 2 toe met w , d.w.z. het kwadraat van de toetsfrequentie, hetgeen ertoe kan leiden een hoge frequentie te kiezen.

De plaatsbepaling wordt echter dubbelzinnig, wanneer deze frequentie een grenswaarde V/4.1 overschrijdt. Tenzij een bijkomende meting toelaat deze dubbelzinnigheid op te heffen, zal derhalve bij voorkeur deze frequentie moeten zijn gelegen tussen ongeveer 50..75 % van de grensfrequentie. Dit wil zeggen, dat de modulatiegolflengte, die wordt gevormd door het toetszendsignaal in de verbindingsvezel, ongeveer 6..8 maal de lengte van deze vezel moet zijn.

De sterkte van de teruggezonden golf bedraagt ongeveer een duizendste van die van de hulpgolf. Derhalve worden de hulplaser 6 en het koppelstelsel 10 zodanig uitgevoerd, dat een groot vermogen kan worden uitgezonden en de koppelver-liezen worden verminderd.

De bijkomende afstandmetingen kunnen worden uitgevoerd door de hulpgolf gelijktijdig of opeenvolgend met verscheidene toetszendsignalen te moduleren, die een gering aantal verschillende toetsfrequenties bezitten. Dit aantal blijkt tot drie te kunnen worden beperkt. Dergelijke bijkomende metingen maken het mogelijk een inbraak vast te stellen, zelfs wanneer de hulpgolf, zij het zwakker, nog voorbij het ingreeppunt wordt voortgeplant.

Met betrekking hiertoe kan worden verwezen naar: H. GHAFOORI - SHIRA et T. OKOSCHI.

Optical Frequency Domain Reflectometry

Optical and Quantum Electronics 18, p. 265 (1986).

Deze publikatie beschrijft een amplitude- en fasemeting van de terugstraling van een gemoduleerd stralingssignaal met de terugkaatsingsmeetwerkwijze met frequentiescheiding (OFDR: Optical Frequency Domain Reflectometry). Door deze werkwijze laat een onderzoek over een groot frequentiegebied van het teruggestelde signaal door Fourier-transformatie toe de plaatselijke overdrachtkarakteristiek van een stralingsvezel te verkrijgen. De daartoe gebruikte inrichting kan in een laboratorium worden verwezenlijkt, doch is te ingewikkeld om op industriële schaal te worden gebruikt. De werkwijze voor plaatsbepaling van de kromming volgens de uitvinding gebruikt eveneens de achterwaartse Rayleigh-diffusie, doch omvat een meting van de terugstraling bij een enkelvoudige toetsfrequen-tie of bij een gering aantal van dergelijke frequenties. De uitvinding kan daardoor worden toegepast met behulp van een veel eenvoudigere inrichting.

Claims (12)

1. Werkwijze voor het overdragen van informatie over een stralingsvezel met vaststeling en/of plaatsbepaling van inbraak, waarbij in een verbindingsvezel (14) een de informatie dragende hoofdgolf (OP) en een hulpgolf (OA) wordt ingevoerd, welke laatste zodanig wordt gekozen, dat deze gemakkelijker met het uitwendige koppelt dan de hoofdgolf, met het kenmerk, dat op deze hulpgolf tenminste een toetsmodulatie (SM) wordt uitgevoerd, waarvan de fase (A) op de door de vezel (14) teruggestraalde golf (OR) wordt gemeten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, omvattende volgende bewerkingen: - het invoeren van een hoofdgolf (OP) in een eerste eind (13) van de verbindingsvezel (14) om deze golf naar een tweede eind (15) van deze vezel te geleiden, welke hoofdgolf een modulatie (SI) draagt, die een informatie voorstelt, ten einde een stra-lingsverbinding te verwezenlijken, die deze informatie tussen de beide einden overdraagt, - het invoeren van een hulpgolf (OA) in een hulpinvoereind (13), dat het eerste eind van de verbindingsvezel is, ten einde de golf door deze vezel naar het andere eind (15) van deze vezel te geleiden, welke hulpgolf bestaat uit hulpstra-ling, en een koppeleigenschap heeft, die verschilt van de overeenkomstige koppeleigenschap van de hoofdgolf, welke koppeleigenschappen zodanig zijn gekozen, dat een dergelijke ingreep tenminste gedeeltelijk verhindert dat de vezel (14) de hulpgolf (OA) voorbij het ingreeppunt (17) geleidt, hetgeen een inbraak in deze verbinding kan voorstellen, en - het bewaken van een gedeelte van de hulpstraling, die aan een eind van de verbindingsvezel verschijnt, om een mogelijke inbraak vast te stellen en de plaats daarvan te bepalen, met het kenmerk, dat bij de invoerbewerking de hulpgolf (OA) verlengd in de hulpvezel (14) wordt gevoerd, en met tenminste een toetszendsignaal (SM) is gemoduleerd, dat een periodiek signaal met een toetsfrequentie is, - dat de bewakingsbewerking het ontvangen van een teruggestraalde golf (OR) omvat, die wordt gevormd door een deel van de hulpstraling, dat door de verbindingsvezel (14) naar het hulpinvoereind (13) wordt teruggestraald, welke bewerking voorts een meting van de fase (A) van een toetsontvangst-signaal (SR) omvat, dat de teruggestraalde golf met de toetsfrequentie moduleert, welke fase wordt gemeten ten opzichte van het toetszendsignaal (SM).

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de verschillende koppeleigenschappen van de hoofdgolf (OP) en de hulpgolf (OA) de stralingsgolflengten zijn, en wel een hoofdgolflengte resp. een hulpgolflengte, welke hulpgolflengte zodanig is, dat het produkt lk kleiner is dan 2, waarin 1 een te bewaken lengte van de verbindingsvezel (14), en k de dempingscoëffi-ciënt per lengte-eenheid van de straling met deze golflengte in deze vezel is.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de hulpgolflengte groter is dan de hoofdgolflengte .

5. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de toetsfrequentie 20..90 % van een grensfrequentie V/4.1 bedraagt, waarin V de voortplantingssnelheid van de hulpstraling in de verbindingsvezel (14), en 1 de te bewaken lengte van de vezel is.

6. Werkwijze volgens conclusie 2, waarin de fasemeting een synchrone meting van het toetsontvangstsignaal (SR) is.

7. Werkwijze volgens conclusie 2, met het ken merk, dat de invoer van de hulpgolf (OA) en van het toetszendsignaal (SM), dat deze golf moduleert, gedurende een invoerduur van tenminste 0,01 s wordt verlengd.

8. Werkwijze volgens conclusie 2, met het ken merk, dat het hulpinvoereind van de verbindingsvezel door het eerste eind (13) wordt gevormd.

9. Werkwijze volgens conclusie 2, met het ken merk, dat de hulpgolf (OA) wordt gemoduleerd met een aantal toetszendsignalen gelijk aan of groter dan 3.

10. Inrichting voor het overdragen van informatie over een stralingsvezel met vaststelling en/of plaatsbepaling van inbraak, omvattende - een hoofdlaser (2) voor het ontvangen van een over te dragen informatiesignaal (SI), en voor het in antwoord daarop uitzenden van een met dit informatiesignaal gemoduleerde hoofd- golf (OP), - een stralingsvezel, die een verbindingsvezel (14) vormt. - een koppelstelsel (10) voor het invoeren van de hoofdgolf (OP) in deze verbindingsvezel (14), en - bewakingsmiddelen voor het vaststellen en/of bepalen van de plaats van een mogelijke inbraak in de stralingsverbinding, met het kenmerk, dat de bewakingsmiddelen omvatten : - een toetssignaalbron (4) voor het leveren van een periodiek toetszendsignaal (SM) met een toetsfrequentie, die in het gebied van de lage frequenties is gelegen, - een hulplaser (6) voor het ontvangen van dit toetszendsignaal, en voor het uitzenden van een hulpgolf (OA), die een door dit signaal gevormde modulatie draagt, - een hulpontvanger (8) voor het ontvangen van een stralings-golf met dezelfde golflengte als de hulpgolf, en voor het leveren van een toetsontvangstsignaal (SR), dat een modulatie van deze stralingsgolf met de toetsfrequentie voorstelt. - het koppelstelsel (10) voor het koppelen van de hoofdlaser, de hulplaser en de hulpontvanger met een eind (13) van de verbindingsvezel (14), en - een fasemeettoestel (12 voor het meten van de fase van het toetsontvangstsignaal met betrekking tot het toetszendsignaal .

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de hulpgolf (OA) een golflengte heeft, die groter is dan die van de hoofdgolf (OP).

12. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het fasemeettoestel (12) een synchrone vaststeltrap is.