Содержание
Введение ......................................................................................................................... 4
1 Измерение параметров ВОЛС с помощью оптического рефлектометра ............. 8
1.1 Конструкция оптического рефлектометра ........................................................ 8
1.2 Принцип действия оптического рефлектометра ............................................ 10
1.3 Технические характеристики оптического рефлектометра .......................... 12
Выводы по главе ...................................................................................................... 19
2 Методы рефлектометрии ......................................................................................... 20
2.1 Оптической когерентный рефлектометр ......................................................... 20
2.2 Частотно-сдвинутый асимметричный интерферометр Саньяка ................... 26
2.3 Рефлектометр оптической частоты .................................................................. 30
2.4 Корреляционная рефлектометрия с применением псевдослучайного сигнала
.................................................................................................................................... 35
2.5 Рефлектометрия на основе счета фотонов ...................................................... 41
2.6 Рефлектометрия с частотным сканированием ................................................ 42
2.7 Рефлектометрия с синтезом функции когерентности .................................... 44
2.8 Бриллюэновская оптическая рефлектометрия ................................................ 46
Выводы по главе ...................................................................................................... 50
3 Исследование метрологических характеристик рефлектометров....................... 51
3.1Анализ рефлектограммы .................................................................................... 51
3.1.1 Математическое описание всех участков рефлектограммы ................... 54
3.2 Ложные сигналы и ошибки измерений ........................................................... 61
3.3 Мертвые зоны рефлектометра .......................................................................... 64
3.3.1 Динамический диапазон и диапазон измерений ...................................... 67
3.4 Факторы влияющие на метрологические характеристики рефлектометров73
Выводы по главе ...................................................................................................... 77
4 Методы увеличения предельных функциональных возможностей оптических
рефлектометров ........................................................................................................... 78
4.1 Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии ........................ 78
4.2 Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия оптических
волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне ..................... 81
4.2.1 Обоснование технического решения......................................................... 81
4.2.2 Анализ возможных вариантов схем построения рефлектометров OFDRFS с использованием поднесущей частоты радиодиапазона ........................... 86
4.3 Низкокорреляционая оптическая рефлектометрия с применением ............. 90
шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона ........................................ 90
Выводы по главе ...................................................................................................... 93
5
Разработка
методов
улучшения
метрологических
характеристик
рефлектометров ........................................................................................................... 94
5.1 Обоснование технического решения ............................................................... 94
5.2 Анализ возможных вариантов схем построения низкокорреляционных
рефлектометров с применением шумоподобных сигналов радиочастотного
диапазона .................................................................................................................. 95
5.2.1
Использование
сигнала,
переносящего
трафик,
в
качестве
измерительного сигнала .................................................................................... 100
5.2.2 Классификация методов оптической рефлектометрии с радиочастотными
измерительными сигналами .............................................................................. 102
5.3
Разработка
алгоритма
увеличения
метрологических
характеристик
рефлектометров ...................................................................................................... 104
5.3.1 Общие сведения об алгоритмических методах ...................................... 104
5.3.2 Метод регрессионного анализа ................................................................ 104
5.3.3 Метод медианной фильтрации................................................................. 106
5.4 Алгоритм увеличения метрологических характеристик рефлектометров 107
Выводы по главе .................................................................................................... 118
Заключение ................................................................................................................ 120
Список использованных источников ...................................................................... 122
4
Введение
Актуальность темы.
Основной
причиной
возникновения
волоконно – оптических линиях связи
повреждения
(ВОЛС),
на
действующих
является механическое
напряжение оптического волокна. Это, в неменьшей мере, также относится и к
вновь строющимся ВОЛС. По данным исследований, для безотказного и
продолжительного (25 и более лет) функционирования оптичесого кабеля,
относительное удлинение волокна не должно превышает 0,3%, тогда как, при
достижении данного значения более 0,6%, возникает большая вероятность отказа
уже в течение первого года эксплуатации. В этой связи, контроль натяжения
оптического волокна должен проводиться на всех этапах производства кабеля.
Под действием окружающей среды, неизбежно возникают деформации
оптического кабеля, но они не должны становится причиной напряжений в
волокне. Достигается
это, благодаря простому
конструктивному решению,
обеспечивающиму механическую развязку волокна от несущих элементов кабеля,
посредством свободной укладки волокна в виде спирали. Соблюдение данного
требования позволяет исключить возникновение дополнительных потерь в
волокне,
обусловленных
микро
-
и
макронапряжениями,
и
обеспечить
продолжительный срок службы кабеля.
Широкое внедрение систем волнового мультиплексирования (DWDMсистем) способствовало возникновению новых проблем с области диагностики
волоконно-оптических линий связи. Присутствие в DWDM-системах оптических
селективных
пассивных
компонентов,
демультиплексоры, серьезно
таких
как
мультиплексоры
и
усложнило контроль параметров оптического
волокна с применением обычных рефлектометров на основе лазеров Фабри-Перо.
Если же в составе ВОЛС присутствуют промежуточные мультиплексоры вводавывода, осуществляющие ответвление сигналы с различными длинами волн в
иное направление по отдельному оптическому волокну, то произвести измерения
затухания в мультиплексоре и параметры оптического волокна конкретного
5
направления, с помощью
Применение
обычного рефлектометра вообще невозможно.
РОС-лазеров
с
длинами
волн
из
линейки
фиксированных
нормативных длин волн систем DWDM позволяет решить это проблему только
для крайне небольшого числа случаев.
По
обозначенной
причине
возникает
необходимость
разработки
принципиально нового типа оптического рефлектометра с возможностью
перестройки длины волны оптического сигнала, на основе мощного аппаратнопрограммного комплекса, позволяющего производить измерения, результаты
которых не зависят от опыта и знаний оператора.
На сегодняшний день, освоены методы измерения натяжения волокон, в
основе которых лежат принципы оптической рефлектометрии. Эти методы
являются
наиболее
эффективными,
но
чрезвычайно
высокая
стоимость
современного измерительного оборудования, становится серьезной проблемой
для их широкого внедрения. И весьма актуальной задачей становится
исследование возможностей использования альтернативных методов и поиск
новых технических решений, которые позволили бы, проводить
подобные
измерения более простыми средствами.
Одним из направлений использования альтернативных методов, является
создание математических моделей, с последующей их реализаций в виде
компьютерных программ, поиск технических решений, нацеленных
на
упрощение оптических рефлектометров, путем оптимизации их техникоэкономических показателей.
Сюда же можно включить и
создание новых
алгоритмов обработки данных рефлектограммы, с целью получения более точных
реультатов измерений, которых невозможно при «ручной обработке», когда
точность измерений в большой степени зависит от опыта оператора. Решению
этих задач и посвящена данная работа.
Цели работы и задачи исследования.
Целью
диссертационной
работы
являются
исследование
методов
рефлектометрии с целью ранней диагностики волоконно-оптических линий связи
и
научное
обоснование
алгоритмического
принципа
обработки
данных
6
оптических рефлектометров.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие
основные задачи:
1. Изучение существующих
конструкций рефлектометров, принципов
работы и технических характеристик оптических рефлектометров.
2. Изучение существующих
методов рефлектометрии. Определение
перспективных направлений развития методов методов рефлектометрии в
контексте существующей ситуации и технических решений, имеющихся в данной
области.
3. Исследование метрологических характеристик рефлектометров, с
проведениес анализа рефлектограммы и математическим описанием всех ее
участков.
Исследование влияния основных факторов на метрологические
характеристики рефлектометров, применительно к диагностике волоконнооптических линий связи.
4.
Исследование
функциональных
возможностей
рефлектометров и методов увеличения
их
возможностей.
схем
Анализ
функциональных
предельных
оптических
функциональных
альтернативных
вариантов
оптических рефлектометров и их элементов.
5. Разработка методов и алгоритма улучшения
метрологических
характеристик рефлектометров.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались метод исследования
метод математического анализа метрологических характеристик рефлектометров.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что компьютерное
имитационное моделирование процессов распространение сигналов в волоконных
световодах является весьма востребованным, что обусловленно высокой
стоимостью
лабораторного
оборудования
экспериментов.
Структура и объем диссертации.
для
проведения
реальных
7
В
первой
главе
проведено
объяснение
принципа
рефлектометрии,
рассмотрены конструкции рефлектометров и их технические характеристики.
Во второй главе рассматриваются существующие методы рефлектометрии.
Третья глава посвящена исследованиям метрологических характеристик
рефлектометров. приведен анализ рефлектограммы и математическое описание ее
участков.
В четвертой главе рассмотрены возможные методы увеличения предельных
функциональных возможностей оптических рефлектометров.
В пятой главе приводятся результаты исследований и предлагаются
варианты
решения
задачи
по
увеличения
предельных
функциональных
возможностей оптических рефлектометров.
В заключении изложены основные результаты работы.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Работа изложена на 127 страницах основного текста. В состав ее входят 11
иллюстраций и 3 таблицы.
8
1 Измерение параметров ВОЛС с помощью оптического
рефлектометра
1.1 Конструкция оптического рефлектометра
В качестве примера будет рассмотрена наиболее распространенная
конструкция устройства – импульсный оптический рефлектометр. Структурная
схема рефлектометра данного типа приведена на рисунке 1.1.
Импульс тока
накачки
Зондирующий
импульс
Импульсный
лазер
Тестируемое
волокно
Разветвитель
Приемный
преобразователь
Сигнал обратного
рассеяния
Синхроимульс
Блок
управления
Блок обработки
данных
Дисплей
Рисунок 1.1 – Структурная схема импульсного оптического рефлектометра
В
качестве
источников
зондирующих
импульсов,
в
подавляющем
большинстве рефлектометров, используются полупроводниковые лазеры с
прямой модуляцией током накачки. Лазеры данного типа обеспечивают
генерацию световых импульсов фиксированной мощности и переменной
длительности при фиксированном токе накачки. Длительность генерируемых
импульсов определяется значением длительности импульса тока накачки,
вырабатываемого блоком управления. Наиболее широкое распространение
9
получили полупроводниковые лазеры, генерирующие импульсы длительностью
от 1 нс до 10 мкс [14].
Частота импульсов тока накачки, вырабатываемых блоком управления,
может устанавливаться вручную или определятся автоматически, в зависимости
от максимальной длины тестируемого участка ВОЛС. Одновременно с
импульсами тока накачки, с блока управления на блок обработки данных
подаются синхронизующие импульсы.
Приемный
преобразователь
служит
для
приема
и
преобразования
оптических сигналов обратного рассеяния в электрические ток. Помимо
фотоприемника, в состав приемного преобразователя входит предварительный
усилитель.
Основные требования, предъявляемые к приемному преобразователю,
следующие:
-высокая чувствительность;
-низкий уровень собственных шумов;
-широкая полоса пропускания, что эквивалентно малой постоянной
времени.
Наряду с указанными требованиями, приемный преобразователь должен
обладать максимально возможной линейностью преобразования в достаточно
широком динамическом диапазоне мощностей светового сигнала.
Блок обработки данных представляет собой вычислительную систему
рефлектометра, которая
осуществляет обработку электрического сигнала от
приемного преобразователя и строит рефлектограмму на экране дисплея. В
данном блоке также производятся все виды автоматической обработки
рефлектограмм и автоматических измерений [14].
Зондирующий световой импульс вводится в тестируемую ВОЛС через
разветвитель, имеющий два рабочих входных порта и один выходной порт, как
показано на рисунке 1.2.
10
Импульсный
лазер
1
2
3
4
К тестируемому
волокну
К фотоприемнику
Заглушенный порт
Рисунок 1.2 – Схема оптического разветвителя
Разветвитель предназначен для разделения зондирующих импульсов,
вводимых
в
волокно,
сигнала
обратного
рассеяния,
принимаемого
высокочувствительным фотоприемником.
Обычно в качестве разветвителей используется устройство, выполняемое на
основе четырехполюсника с двумя входными (1,2) и двумя выходными (3,4)
портами, из которых задействованы только три (1,2,3),
К входным портам подключаются импульсный лазер и приемный
преобразователь, а с рабочим выходным портом соединяется тестируемый
участок ВОЛС.
Четвертый , неиспользуемый порт разветвителя должен быть обязательно
закрыт специальным устройством, поглощающим излучение без отражения.
С помощью этого же разветвителя сигнал обратного рассеяния от ВОЛС
через порт (3) и порт (2) попадает на фотоприемник приемного преобразователя
[10].
1.2 Принцип действия оптического рефлектометра
В основе принципа действия рефлектометра, лежит анализ отраженных
оптических импульсов. Измерения параметров оптического волокна, проводимые
с помощью рефлектометра, основаны на явлении обратного рассеяния света в
11
волокне и отражения оптического сигнала в точках, в которых наблюдаются
скачки показателя преломления.
Световые импульсы, вводимые в тестируемое волокно, имеют относительно
высокую мощность, которая ослабевает в процессе распространения по волокну
в соответствии с коэффициентом его затухания. Незначительная часть мощности
рассевается, а основной отраженный световой сигнал принимается приемным
преобразователем и преобразуется в электрические ток, величина которого прямо
пропорциональна мощности светового сигнала [10].
В основе измерений затухания с помощью оптического рефлектометра,
лежит
предположение, что коэффициент обратного рассеяния является для
тестируемого волокна величиной постоянной, то есть в каждой точке волокна
назад рассеивается одинаковое количество оптической мощности. При этом,
затухание самого волокна выражается в том, что на вход фотоприемника
приходит
отраженный
сигнал,
оптическая
мощность
которого,
линейно
уменьшается. Затухание волокна между точками А и Б определяется как половина
разности между соответствующими уровнями мощности PА и PБ:
𝐴 = −0,5 ∙ (𝑃А − 𝑃Б ) дБ.
(1.1)
Введение множителя -0,5 обусловлено тем, что оптическому сигналу
приходится проходить двойное расстояние: от источника к точке отражения и
обратно [8].
В случае возникновения дефекта или стыка оптического волокна,
происходит резкое увеличение обратного излучения. Вычисление расстояния до
точки дефекта, стыка и обрыва волокна осуществляется посредством подсчета
времени обратного излучения.
Одним из основных компонентов рефлектометра, является схема измерения
временных задержек, входящая в состав блока обработки данных. Расстояние до
тестируемого участка ВОЛС является результатом расчета измеренной временной
задержки, соответствующей этому участку, рассеянного или отраженного
сигнала.
Очевидно,
что
точность
измерения
временных
задержек,
непосредственным образом влияет пространственная точность измерений,
12
поэтому, с целью получения правильного значения расстояния при измерениях
рефлектометром,
необходимо
точно
установить
значение
показателя
преломления. Это обусловленно тем, что расстояние равно произведению
скорости света на групповую скорость, обратно пропорциональную величине
показателя преломления волокна.
В современных рефлектометрах, в состав блока обработки входит
аналогово-цифровой преобразователь и модуль цифровой обработки, собранный
на основе специализированного микропроцессора.
С целью снижения влияния шумов и, следовательно, расширения
динамического диапазона при сохранении пространственного разрешения, блок
цифровой обработки производит накопление данных от большого числа
отраженных сигналов, этим достигается снижение уровня шума до значения
пропорционального квадратному корню от количества отраженных сигналов.
Рефлектограмма, сформированная блоком обработки данных, подается на
приборный дисплей, либо обрабатывается в специальных блоках автоматической
обработки, и на дисплей выводятся непосредственно результаты обработки.
Рефлектограмма может хранится в памяти рефлектометра и сравниваться с
другими рефлектограммами из памяти устройства.
1.3 Технические характеристики оптического рефлектометра
Процесс
проведения
измерений
с
помощью
рефлектометра,
предусматривает расположение его фотоприемника вблизи того же конца
волокна, через который вводится зондирующий оптический импульс. Это
позволяет регистрировать только ту часть рассеянного (отраженного) излучения,
которая распространяется вдоль волокна по сердцевине. При этом, анализ
временной зависимости принятого излучения, дает возможность рассчитать
целый ряд характеристик, как самого волокна, так и волоконно-оптической линии
в целом [25].
13
Рефлектометр позволяет определить мощность зондирующего сигнала в
некоторой области волокна, при известном коэффициенте рассеяния света в этой
области. А при неизвестной величине коэффициента обратного рассеяния, но
одинаковой в определенных участках ВОЛС, с помощью рефлектометра можно
определить отношение мощностей сигнала на этих участках а, следовательно,
значение затухания между этими участками.
С точки зрения пользователя, работающего с оптическим рефлектометром,
важно знать следующие параметры:
-максимально возможная длина тестируемого участка ВОЛС;
-точность определения расстояния до обнаруженных дефектов;
-величина минимальных потерь, при которой возможно обнаружение
дефектов;
-точность измерения потерь.
В большинстве случаев, указанные параметры определяются не только
техническими
характеристиками
рефлектометра,
но
и
характеристиками
тестируемого объекта (участка ВОЛС или отдельного волокна). К примеру, если
тестировать одним и тем же рефлектометром разные волокна, то максимальная
длина будет зависеть от коэффициента затухания света этих волокон.
Технические характеристики рефлектометров измеренные в стандартных
условиях, как правило не связаны с характеристиками конкретного тестируемого
объекта, а зависят только от возможностей устройства. По известным
техническим
характеристикам
можно
определить
возможный
диапазон
применения конкретного прибора при требуемой точности измерений в
конкретных условиях.
К техническим характеристикам рефлектометра относятся следующие:
-динамический диапазон и диапазон измерений;
-мертвые зоны рефлектометра;
-пространственная разрешающая способность;
-точность измерения расстояния;
-точность измерения затухания.
14
Динамический диапазон.
Динамический диапазон рефлектометра выражается в дБ и выражает
максимально возможную длину тестируемого участка ВОЛС, которую можно
определить по формуле:
𝐿=
𝐷𝑑𝐵
𝛼𝑑𝐵
, м.
(1.2)
где 𝐷𝑑𝐵 − динамический диапазон рефлектометра, дБ;
𝛼𝑑𝐵 − потери в волокне, дб/км.
Динамический диапазон является наиболее важным параметром, и часто
используется для классификации рефлектометров.
По значению данного
параметра можно получить информацию не только о максимально допустимом
уровне потерь в тестируемой ВОЛС, но и о длительности процесса измерений,
производимых с помощью данного прибора[25].
Значение
динамического
диапазона
оптического
рефлектометра
определяется как разность между уровнем мощности обратного рассеяния в
самом начале волокна и уровнем шумов при заданном времени измерений, в
соответствии с выражением:
𝐷𝑑𝐵 = 5 log10 𝑃𝑆𝑂 − 5 log10 𝑃𝑁𝑂𝐼𝑆 , дБ.
(1.3)
где 𝑃𝑆𝑂 − уровень мощности обратного рассеяния, дБм;
𝑃𝑁𝑂𝐼𝑆 − уровень шумов, дБм.
При
сравнении
различных
моделей
рефлектометров,
диапазон прибора, также выступает в качестве
динамический
основного критерия. Это
объясняется тем, что значение данного параметра увеличивается с увеличением
длительности импульсов (t), и времени усреднения сигнала (Т). Как правило, это
значение приводится при максимальных для конкретной модели прибора
значениях t и Т. МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов
рефлектометров использовать следующие величины: t =10 мкс и Т = 3 мин [4].
Мертвые зоны.
Мертвыми зонами называются участки вблизи отражающих элементов. На
этих участках измерения крайне затруднены.
15
Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно
обнаружить другое отражающее событие, называется мертвой зоной отражения.
Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно
точно измерить уровень мощности обратного рассеяния называется мертвой
зоной затухания, т.к. этот участок волокна исключается из процесса измерения
затухания. Определение мертвой зоны отражения и мертвой зоны затухания
представлены на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Определение мертвой зоны отражения и мертвой зоны затухания
Мертвая зона отражения представляет собой расстояние между началом
отражения и точкой на спаде пика отражения с уровнем – 1,5 дБ относительно
вершины.
Мертвая зона затухания представляет собой расстояние от начала
отражения до точки, в которой уровень сигнала фотоприемника отличается не
более чем на 0,5 дБ от уровня обратного рассеяния [5].
Пространственная разрешающая способность.
Пространственная разрешающая способность рефлектометра,
наравне с
мертвой зоной отражения, определяет способность измерительного прибора
16
различить два события. Но если в определении мертвой зоны отражения
рассматриваются два отражающих события, то пространственная разрешающая
способность характеризует способность различать поглощающее событие на фоне
отражающего.
Вблизи входного торца, пространственная разрешающая способность
отражает минимальное расстояние, на котором рефлектометр обнаруживает и
позволяет аккуратно измерить поглощающее событие (например, сварное
соединение).
Для
некоторых
одиночных
событий
предложены
спецификации
пространственной разрешающей способности. Для сварки с потерями менее 1 дБ
разрешающая способность представляет собой длину ступеньки между уровнями
10% и 90% ее высоты. Для одиночного отражающего события пространственная
разрешающая способность равна длительности пика по уровню 50%.
Пространственная разрешающая способность зависит, как от длительности
импульса, так и от полосы пропускания предварительного усилителя, входящего
в состав приемного преобразователя (рис. 1.1).
Представленное
ниже
выражение,
позволяет
приближенно
оценить
величину разрешающей способности одиночного отражающего события:
∆𝑙 =
𝑐
2𝑛
2
√(∆𝑡)2 + ( 1 ) ,
(1.4)
∆𝑓
где ∆𝑡 −длительность импульса;
∆𝑓 − ширина полосы усилителя;
𝑛 − показатель преломления.
Точность измерения расстояния.
Измерение
расстояния
до
точки
возникновения
скачка
показателя
преломления (по сути, повреждения оптического волокна), является одной из
важнейших задач для ВОЛС, при тестировании которых, проблема локализация
повреждений приобрела определенные, присущие только оптической технике,
особенности [5].
17
При использовании рефлектометра для целей локализации повреждения
ВОЛС, следует помнить, что рефлектометр измеряет время прохождения света до
неисправности и обратно. Измеренное значение времени используется для
вычисления расстояния от торца до неисправности вдоль волокна. Длина
оптического кабеля меньше длины, составляющего его волокна, и при этом,
зависит также от индивидуальных характеристик кабеля.
Точность определения расстояния характеризуется величиной абсолютной
и относительной погрешности измерения расстояния.
Необходимость пересчета и возможная неточность внутреннего таймера
рефлектометра, являются причиной возникновения постоянной относительной
ошибки, называемой ошибкой масштабирования. Абсолютная ошибка (Δm)
определения длины волокна определяется, как произведение относительной
ошибки (md) масштабирования на длину (L):
∆𝑚 = 𝑑𝑚 ∙ 𝐿.
Достаточно
ощутимый
вклад
в
величину
(1.5)
относительной
ошибки
масштабирования вносит ошибка определения показателя преломления и
нестабильность тактовой частоты, а также ошибки дискретизации и локализации.
Величина ошибки дискретизации зависит от быстродействия аналогоцифрового преобразователя.
Ошибка локализации обусловлена неточностью определения положения
события из-за наличия шумов и непосредственно связана с пространственной
разрешающей способностью рефлектометра. Необходимо также отметить, что
ошибка локализации существенно зависит от типа события и от алгоритма
определения его положения, а также от уровня шума в точке измерений [8].
Точность измерения затухания.
Расчет величины затухания рефлектометром осуществляется косвенным
образом, в зависимости от величины сигнала обратного рассеяния. В результате
изменения коэффициента обратного рассеяния могут появляться ошибки
измерений,
ни
рефлектометра.
как
не
связанные
с
техническими
характеристиками
18
Ошибки
измерений
затухания
определяются
ошибками
измерения
мощности сигнала обратного рассеяния.
В большинстве моделей рефлектометров оптический сигнал преобразуется
в электрический при помощи приемного преобразования (рис. 1.1), в состав
которого входит фотоприемник и предварительный усилитель.
В идеальном преобразователе электрический ток должен быть прямо
пропорционален мощности светового сигнала. Выходной ток измерительного
преобразователя измеряется цифровым измерителем.
Ошибки измерений возникают из-за наличия шумов преобразователя и
случайных ошибок измерителя, а также из-за нелинейности характеристик
фотоприемника и предварительного усилителя.
В
рефлектометрах,
ошибку
измерений
затухания
характеризуют
линейностью рефлектометра LN [дБ/дБ]:
𝐿𝑁 =
где
∆𝐴дБ −
отклонение
∆𝐴дБ
𝐴дБ
.
измеренного
(1.6)
значения
затухания
от
действительного;
𝐴дБ − действительное значение затухания.
Погрешность измерения затухания и коэффициента затухания оптических
волокон
(ОВ)
является
одним
из
основных
параметров
оптического
рефлектометра. На величину погрешности влияют как характеристики приемного
устройства рефлектометра, так и свойства оптического сигнала обратного
рассеяния.
При достаточно большом увеличении масштаба экрана рефлектометра
видно, что рефлектограмма формально однородного ОВ неоднородна, зашумлена.
Из нескольких причин, вызывающих такую неоднородность, можно выделить две
основные:
-зависимость
потерь
оптических
компонентов
рефлектометра
от
поляризации излучения, пришедшего на его вход;
-интерференция составляющих сигнала обратного рассеяния, пришедших от
различных участков зондирующего оптического импульса.
19
Выводы по главе
Современные рефлектометры определяют значения оптических потерь на
участках волокна, соединительных стыках и в местах возникновения дефектов.
Оценка значения оптических потерь, производится в рефлектометрах на
основании отраженного излучения. Данный метод заведомо предусматривает
определенную точность измерения, но вместе с тем, с помощью рефлектометрии
можно определить, какой из элементов ВОЛС вносит наибольший вклад в общие
потери, и тем самым, позволяет осуществлять детализацию линии по ее
составным элементам.
Порт рефлектометра совмещает в себе функции передатчика и приемника.
Источник излучения генерирует световые импульсы определенной мощности
определенное время, затем отключается, и на том же порту начинает работать
фотоприемник, который регистрирует мощность сигналов обратного отражения,
фиксирует время их поступления и прохождения вдоль
волокна и выдает
результаты в виде графика - рефлектограммы с обнаруженными в сегменте
событиями. Время регистрации событий пересчитывается в расстояние, которое
откладывается по горизонтали в метрах или километрах.
Технические характеристики рефлектометров измеренные в стандартных
условиях, как правило не связаны с характеристиками конкретного тестируемого
объекта, а зависят только от возможностей устройства. По известным
техническим
характеристикам
можно
определить
возможный
диапазон
применения конкретного прибора при требуемой точности измерений в
конкретных условиях.
20
2 Методы рефлектометрии
2.1 Оптической когерентный рефлектометр
Принцип действия OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) во многом
схож с работой, импульсных рефлектометров, используемых для проведения
измерений металлических кабелей. Оба типа рефлектометров используют
мощный зондирующий импульс (оптический или электрический), посылаемый в
линию,
с последующими измерениями мощности и времени запаздывания
отраженных, по разным причинам, импульсов [21].
Основное отличие в работе OTDR проявляется в том, что в оптических
волокнах обратная волна формируется не только в результате отражения от
больших (по сравнению с длиной волны) дефектов, но и за счет релеевского
рассеяния.
В электрической линии наблюдаются только отраженные импульсы,
образуемые в местах, где в линии присутствуют скачки волнового сопротивления.
Рассеяние света происходит на флуктуациях показателя преломления
кварцевого
стекла,
застывших
при
вытяжке
волокна.
Размер
этих
неоднородностей (релеевских центров) мал по сравнению с длиной волны, что
приводит к рассеиванию свет на них во все стороны, в том числе и назад в моду
волокна.
Как правило в конструкциях моделей OTDR используется модульный
принцип. Блок – схема OTDR приведена на рисунке 2.1.
В состав OTDR входит базовый модуль и несколько сменных оптических
модулей.
Базовый
модуль
представляет
собой
специализированное
микропоцессорное устройство, предназначенное для обработки сигнала и вывода
результирующей информации на дисплей.
В состав оптического модуля входит лазерный диод, фотоприемник,
оптический ответвитель и оптический разъем.
21
Оптический модуль
Лазерный
диод
Импульсный
генератор
Оптический
разъем
Волокно
Фотоприемник
АЦП
Базовый модуль
Микропроцессорный блок
Дисплей
Рисунок 2.1 – Блок – схема OTDR
В
настоящее
время
OTDR
являются
основными
измерительными
приборами, используемыми для инсталляции и технического обслуживания
линий
передачи
со
структурой
«точка-точка»,
т.к.
они
обеспечивают
телекоммуникационным операторам следующие возможности:
-измерение только с одного конца оптического кабеля;
-обнаружение нарушений и определение параметров компонентов ВОЛП по
всей длине волокна;
-наглядное представление состояния линии связи.
В
связи
с
этим
естественным
желанием
является
перспективное
направление использования OTDR и в разветвленных сетях. Однако в этом случае
при проведении анализа нескольких каналов результаты измерений становятся
слишком сложными для интерпретации, и, чтобы осуществить их расшифровку,
необходима особая процедура тестирования [21].
Для упрощения данной процедуры используются методы тестирования
многоточечных сетей, основанные на поочередном подключении волокон к OTDR
через управляемый коммутатор (оптический переключатель), сводя тестирование
многоточечных сетей, к тестированию по схеме «точка-точка». Очевидно,
22
последнее связано с введением дополнительных компонентов в систему контроля,
что естественно удорожает ее. Таким образом, следует различать методы:
-одновременного тестирования волокон многоточечных сетей;
-разновременного тестирования волокон многоточечных сетей;
-по свободному («темном») волокну;
-по активному волокну.
Тестирование
по
пассивным
оптическим
волокнам
основано
на
тестировании резервного волокна оптического кабеля при длине волны λтраф
оптического луча трафика, независимой от длины волны λ тест тестирующего
оптического излучения. Применение данного метода при своей очевидности и
простоте
реализации
обусловливает
необходимость
дублирования
инфраструктуры контроля гипотетического волокна, отражающего свойства всего
кабеля, и, по некоторым данным, позволяет выявить до 90% его нарушений [27].
Одним из способов улучшения рабочих характеристик оптического
рефлектометра является применение схемы когерентного приема. Это позволяет
получить максимальную чувствительность оптического приемника. Применение
когерентного приема в рефлектометрии (CO-ОTDR) имеет такое достоинство, как
использование оптическим передатчиком и приемником одного и того же
источника опорного сигнала (гетеродина), что позволяет избежать трудности при
стабилизации
предложено
частоты
множество
оптического
различных
излучения.
схем
К
настоящему
когерентных
времени
рефлектометров,
использующих два вида разнесения сигналов.
Оптической когерентный рефлектометр (CO-ОTDR) появился в качестве
привлекательного метода измерения коэффициента отражения волоконной
оптики. CO-ОTDR позволяет получать высокое пространственное разрешение
(<10 мкм), и может использоватся при измерениях в интегрально-оптических и
биологических структурах. В большинстве систем CO-ОTDR предыдущих
разработок, высокая чувствительность и широкий динамический диапазон
достигались посредством применения узкополосного гетеродинного обнаружения
23
пьезоэлектрической модуляции и технологии фиксации усилителя. Общая схема
метода CO-ОTDR представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Общая схема метода CO-ОТDR
В
качестве
широкополосного
источника
света
используется
суперлюминесцентный диод (SLD), который соединен с волоконно-оптическим
интерферометром Майкельсона. Одно плечо интерферометра приводит к выборке
значений (РС), а другое ведет к опорному зеркалу (М1) [23].
При проведении волоконно-оптических и оптических измерений, образцы
могут присоединятся непосредственно к типовому волокну. При измерениях
объемных оптических или биологических образцов, в состав системы включается
модуль датчика, который позволяет направить луч на образец и принять
отраженный сигнал. Чтобы помочь в выравнивании образца, используется
лазерный луч. Отраженные лучи света будут обнаружены на фотодетекторе. Они
смешиваются только тогда, когда образец и длина эталонного тракта равны
пределам длины когерентности источника.
Гетеродинное детектирование реализуется посредством использования
прямого сдвига частоты Доплера, возникающего при равномерном скоростном
сканировании эталонной длины пути. Значение величины сигнала помех
24
регистрируется в зависимости от положения опорного зеркала и профиля
отражательной способности образца. [23]
Такие параметры системы CO-ОТDR, как:
-пространственное разрешение;
-скорость сканирования;
-динамический диапазон.
Могут быть оптимизированы в соответствии со сферой и характером
применением.
Как уже отмечалось ранее, результатом равномерной скорости развертки и
полосы пропускания на FWHM мощности сигнала, является Доплеровский сдвиг
частоты, который описывается следующими выражениями:
𝑣
𝐹𝐷 = 2 ∙ , Гц;
(2.1)
𝜆
4
𝑣
𝜋
∆𝐿
∆𝐹 = ln(4) ∙ ∙
;
(2.2)
Оптимальная ширина полосы пропускания (𝑁𝐸𝐵) полосового фильтра
примерно составляет:
𝑁𝐸𝐵 = 2∆𝐹. Более широкий диапазон ПП снижает
чувствительность, тогда же как, сужение полосы пропускания приводит к
уменьшению разрешения.
Примерное
соотношение
сигнал-шум
(𝑆𝑁𝑅)
полосового
фильтра,
определяется с помощь следующего выражения:
1 𝜂∙𝑃
𝑆𝑁𝑅 = ∙
2
ℎ∙𝑣
∙
𝑅
𝑁𝐸𝐵
;
(2.3)
где 𝜂 − детектор квантового выхода;
𝑃 − сила сигнала выборки;
ℎ − постоянная Планка;
𝑣 − оптическая частота;
𝑅 − образец отражения;
𝑁𝐸𝐵 − эквивалентная шуму, ширина полосы пропускания фильтра.
С
помощью
выражения
(2.3)
можно
вычислить
минимальную
разрешающую отражательную способность, при этом полагая, что предел
чувствительности составляет 𝑆𝑁𝑅 = 2.
25
В целом, метод CO-ОТDR позволяет достигать высокой скорости,
чувствительности и точности измерений, путем выполнения гетеродинного
детектирования на доплеровское смещение частоты, возникающее в результате
высокой скорости сканирования.
Принцип действия CO-ОТDR схож с принципом действия обычного
рефлектометра. В тестируемую линию вводится мощный короткий зондирующий
импульс, а временные зависимости мощности рассеянного назад излучения
измеряются и анализируются с использованием различных алгоритмов обработки
рефлектограмм.
Из-за малых размеров рассеивающих центров (менее 10 нм), по сравнению с
длиной волны, рассеивание света на них происходит во все стороны, в том числе
и в обратную сторону, в моду волокна. В когерентном рефлектометре
осуществляется когерентное сложение рассеянного назад света, на отдельных
релеевских центрах. Таким образом, происходит сложение комплексных
амплитуд световых волн, рассеянных на отдельных центрах.
Так как, релеевские центры имеют случайное распределение, фазы
рассеянных назад волн тоже случайны и, следовательно, мощность рассеянного
назад излучения (рефлектограмма) также описывается случайной функцией.
Аргументом
данной функции является временная задержка относительно
зондирующего импульса.
В результате малых изменений относительного расположения релеевских
центров, происходит изменение разности фаз складывающихся волн, что в свою
очередь, приводит к изменению вида рефлектограммы.
Высокая
чувствительность
CO-ОTDR
к
внешним
механическим и
температурным воздействиям определяет перспективность их применения в
различных областях науки и техники. Основными их которых, являются
следующие:
-мониторинг внешних воздействий на волоконно-оптические линии связи и
магистральные трубопроводы;
-измерение вибраций сооружений повышенной ответственности;
26
-системы защиты от несанкционированного доступа и пожаробезопасности,
использующие принцип распределенных измерений механических воздействий и
вариаций температуры.
-диагностика в медицине и биологических;
-контроль механических систем в процесс управления и производства;
Несмотря на высокие характеристики и достаточно широкий круг сфер
применения, CO-ОTDR по разным причинам, в первую очередь из-за сложности,
применяются в основном в лабораторных измерениях.
2.2 Частотно-сдвинутый асимметричный интерферометр Саньяка
Точное измерение длины волокна имеет важное практическое значение в
системах оптической связи. Наиболее распространенные оптические техники
измерений длины - OTDR и OC-ОDR являются сложными методами, к тому же
страдающими или от узкого динамического диапазона, или от низкого
разрешения.
Достаточно
простым
подходом,
позволяющим
достичь
высокого
разрешения при большом динамическом диапазоне, является использование
элемента изменения частоты в асимметричном интерферометре Саньяка. Идея
отличается достаточной простотой, и заключается в том, что световые сигналы
различных частот испытывают различные задержки фазы, поскольку они
проходят то же самое волокно. Эта разность фаз, несущая информацию об
оптической длине волокна, может быть легко измерена, используя помехи [32].
Наиболее
привлекательной
среди
предложенных
реализаций
интерферометра Саньяка является поляризационная схема (рис. 2.3), требующая
минимальных изменений в инфраструктуре детекторов Майкельсона (рис. 2.4) [9].
27
Рисунок 2.3 – Поляризационная схема интерферометра Саньяка
Рисунок 2.4 – Детектор Майкельсона
Обе схемы используют рециркуляцию мощности и сигнала, которая
достигается за счет добавления двух дополнительных зеркал (PRM и SRM) в
светлый и темный порты соответственно. Это позволяет снизить мощность
28
лазерной накачкии увеличить отклик путем дополнительного накопления сигнала.
После прохождения 2x2 симметричного волоконного ответвителя, лазерный
луч разделяется на две части поровну: S1, проходит по часовой стрелке через
петлю волокна, в то время как S2, проходит ту же самую петлю волокна против
часовой стрелки. Частоты и S1 и S2 смещаются на одинаковую величину, и по их
возвращении
к
волоконному
ответвителю,
наблюдается
стабильный
интерференционный сигнал.
Так как S1 и S2 проходят одну и ту же петлю, идеально, то любое колебание
дрейфа или поляризации фазы будет уравновешено. На практике, из-за
двулучепреломления в петле, S1 и S2 могут испытать различные задержки фазы, и
их виды поляризации могут также отличаться после прохождения петли. Сигнал
вмешательства может быть описан следующим выражением:
𝑉=
(1−𝑚∙𝑐𝑜𝑠𝜑)
(𝑚+1)
;
(2.4)
где 𝜑 = 𝜑2 − 𝜑1 ; − относительная фаза между S1 и S2; m [0,1]
𝑚 − параметр, описывающий видимость интерференционной полосы (𝑚 ∈
[0, 1]).
Примем
длину волны, до и после прохождения петли: () и '()',
соответственно, тогда задержки фазы, испытанные S1 и S2, могут быть описаны
следующим образом:
𝜑1 =
𝜑1 =
2𝜋𝑛𝐿1
𝜆
2𝜋𝑛𝐿2
𝜆
+
+
2𝜋𝑛𝐿
𝜆
2𝜋𝑛𝐿
𝜆′
+
+
2𝜋𝑛𝐿2
2𝜋𝑛𝐿1
𝜆′
;
(2.5)
+ 𝜑0 .
(2.6)
𝜆′
где 𝑛 − показатель преломления волокна;
𝐿 −длина испытываемого волокна;
𝐿1 − общая длина соединительного волокна из соединителя к порту А плюс
один из порта B;
𝐿2 −длина волокна от петли до муфты.
Постоянные
𝜑0 ∈ [0, 2𝜋]введена,
чтобы
учитывать
обусловленную двулучепреломлением в петле волокна.
Из выражений (2.4 – 2.6) следует:
разность
фаз,
29
𝑉=
2𝜋𝑛𝑓(𝐿+𝐿0 )
𝐶+𝜑0
(1−𝑚∙𝑐𝑜𝑠𝜑)
𝑚+1
;
(2.7)
где 𝐿0 = 𝐿1 − 𝐿2 ; приблизительно равна длине волокна погашения( 𝐿в =
100 м.).
Волокно погашения 𝐿в необходимо для короткого измерения волокна. При
его отсутствии, требуется слишком большой диапазон сканирования частоты для
окончания одного «периода» для петли. При этом, длина волокна может быть
вычислена в соответствии с выражением:
𝐿=
𝑁𝐶
𝑛∙(𝑓𝑘+𝑁 −𝑓𝑘 )
− 𝐿0 ;
(2.8)
где 𝑁 − целое число, которое может быть определено, ка число минимумов
между 𝑓𝑘 и 𝑓𝑘+ 𝑁 .
В выражении (2.8) отсутствует неизвестная постоянная 𝜑0 , а также
отсутствует и параметр 𝑚. Из этого следует, что система нечувствительна к
двулучепреломлению в петле волокна. Разрешение может быть увеличена
посредством использования поляризационного контроллера.
Ошибка измерения длины волокна (∆𝐿), при использовании выражения
(2.8), обусловлена, главным образом, величиной ∆𝑓, которая возникает при
определении частот 𝑓𝑘
и 𝑓𝑘+ 𝑁 . Величину ∆𝑓, можно представить в виде
следующей суммы:
∆𝑓 = ∆𝑓0 + ∆𝑓𝜑 ;
(2.9)
где ∆𝑓0 − разрешение частоты генератора функции;
∆𝑓𝜑 − ошибка частоты алгоритма обработки данных.
Здесь предполагатся, что фазовая ошибка 𝛿𝜑 в поиске точки минимума не
зависит от длины волокна [32].
С помощью описанного метода, достаточно просто можно достичь
разрешения порядка 10-6 для длинных волокон, при динамическом диапазоне 60
км.
Для изучения возможности и пределов повышения точности измерения
коэффициента затухания ОВ было использовано два метода: применение
30
поляризационного смесителя и изменение длины волны (спектра) излучения
лазера рефлектометра во время измерения.
Применение поляризационного смесителя наиболее эффективно, когда в
рефлектометре используются лазеры Фабри-Перо, и основной причиной «шума»
на рефлектограмме является PDL оптики прибора, прежде всего выходного
разветвителя или циркулятора. Он позволяет даже при относительно большом
PDL снизить размах «шума» до нескольких сотых дБ.
Уменьшение «шума» до меньших значений достигается за счет модуляции
длины волны лазера путем изменения его температуры. При этом использовались
лазеры, установленные на термоэлектрическом охладителе (ТЭО). Изменение
длины волны уменьшает интерференционную составляющую «шума», на
которую смешение поляризации влияет незначительно.
С помощью метода изменения длины волны лазера с использованием ТЭО
был
реализован
оптический
рефлектометр
с
погрешностью
измерения
коэффициента затухания ОВ не более ±0,004 дБ/км на длине волны 1550 нм.
Данные значения получены для ОВ длиной от 1 км.
2.3 Рефлектометр оптической частоты
Описанные выше методы, предусматривают наличие компромисов в таких
параметрах как:
-диапазон изерений;
-разрешающая способность метода измерения;
-быстродействие измерений;
-чувствительность;
-точность измерений.
Низкокогерентный метод обычно используется для субмиллиметрового
разрешения измерения с очень высокой чувствительностью, но при этом,
диапазон измерений очень ограничен (< 5 м).OTDR позволяет достичь дальности
в несколько километров, но при достаточно низком разрешении.
31
Метод
поляризационно-чувствительной
оптической
рефлектометрии
частотной области (OFDR), работает и во временной, и в частотной областях. Он
основан на длинах волн гомодинной интерферометрии, и позволяет достигать
двухточечного пространственного разрешения 22 мкм, при оптической длине
свыше 35 метров, и чувствительности - 97 дБ. Разовое измерение, производится
всего за несколько секунд. Блок схема частотного рефлектометра приведена на
рисунке 2.5.
В исследуемое волокно вводится не импульсное оптическое излучение, а
непрерывный оптический сигнал, у которого частота изменяется по заданному
закону. Отраженный в ОВ, задержанный сигнал, возвращается и смешивается с
зондирующим незадержанным (опорным). В результате формируется сигнал
биений, частотный спектр которого U(F) и описывает эволюцию зондирующего
сигнала P(x) вдоль волоконного тракта [20].
Источник
оптического
сигнала
Разветвитель
Оптический
разъем
Волокно
P(x)
Свип генератор
ФПС
U(F)
ГФМ
АЦП
Бок обработки
Дисплей
Рисунок 2.5 – Блок схема частотного рефлектометра
32
Как правило, в методе OFDR используется линейная модуляция частоты
сигнала. При этом, частота сигнала биений 𝐹 связана с задержкой 𝜏 прохождения
зондирующего сигнала до участка оптического волокна с координатой 𝑥,
следующим образом:
𝐹 = 𝛾 ∙ 𝜏 = (2𝑊 ∙ 𝐹𝑚 ) ∙ (
2𝑛𝑥
𝑐
);
(2.10)
где 𝑊 – девиация частоты зондирующего сигнала;
𝐹𝑚 – частота повторения функции модуляции зондирующего сигнала;
𝛾 – скорость перестройки частоты зондирующего сигнала, которая, в свою
очередь, выражается как:
𝛾=
𝑑𝑓
= 2𝑊 ∙ 𝐹𝑚 ;
𝑑𝑡
(2.11)
Таким образом, из спектра сигнала 𝑃(𝐹) распределение по координате 𝑥
восстанавливается по формуле:
𝑥=
𝑐
4𝑛𝑊
∙
𝐹
𝐹𝑚
;
(2.12)
В методе OFDR, в отличие от импульсной рефлектометрии, разрешение
определяется не длительностью зондирующего импульса, а величиной девиации
частоты:
∆𝑥 = (
𝑐
∆𝐹
) ∙ (𝐹 );
4𝑛𝑊
𝑚
(2.13)
где ∆𝐹 – точность измерения спектра сигнала биений.
В отличие от импульсной рефлектометрии в методе OFDR для улучшения
разрешения необходимо не расширять полосу пропускания блока обработки, а
снижать. Чем уже полоса пропускания фильтра в блоке спектральной обработки,
тем лучше спетральное разрешение сигнала биений и, соответственно, лучше
пространственное разрешение. Это принципиальное отличие в основном и
обеспечивает преимущества метода OFDR. Для разрешения порядка одного метра
в импульсном рефлектометре необходимо обеспечить полосу пропускания блока
обработки порядка 100 МГц, а в OFDR - рефлектометре можно использовать блок
обработки с полосой ∆𝐹 = 0,01 Гц [20].
При равенстве спектральной плотности шума ФПУ:
33
𝑝𝑛𝐹 = 𝑝𝑛𝑡 ,
выигрыш в шумах приемного блока OFDR можно оценить как:
1
𝑝𝑛𝐹
𝑝𝑛𝑡
∆𝑓 2
(∆𝐹 )
=
= 105 .
(2.14)
Из-за особенностей сигнала биений: ∆𝐹 >= 𝐹𝑚 , и тогда:
∆𝑥 >=
𝑐
4𝑛𝑊
=
50
𝑊
, МГц.
(2.15)
В таблице 2.1 представлена зависимость разрешающей способности от
величины девиации частоты зондирующего сигнала.
Таблица 2.1 – зависимость разрешающей способности от величины
девиации частоты зондирующего сигнала
𝑊
1 МГц
10 МГц
100 МГц
1 ГГц
10 ГГц
100 ГГц
∆𝑥
50 м
5м
0,5 см
5
5 мм
0,5 мм
Полоса пропускания аппаратуры анализа сигнала биений OFDR рефлектометра не зависит от пространственного разрешения и, в конечном итоге,
определяется временем обработки:
1
∆𝐹 = .
(2.16)
𝑇0
1
1
𝑝𝑛𝐹 = 𝑝𝑛 (∆𝐹)2 = 𝑝𝑛 (𝑇0 )−2 .
(2.17)
Шумы ФПУ не зависит от пространственного разрешения, а определяются
временем обработки. Величина шума достаточно мала и может достигать –153
дБм [6].
Таким образом, для метода OFDR динамический диапазон определяется в
соответствии с выражением:
𝛼𝐿 =< 0,5𝑥(𝑃𝑠 − 𝛼𝑐 + 𝐺𝑅0 − 𝑝𝑛𝐹 + 10 log
Оценки
динамического
диапазона
следующие:
𝑇0 = 100 c;
𝑝𝑛𝐹 = −120 дБм;
при
∆𝑥
∆𝑥0
)).
(2.18)
𝑝𝑛 = − 110 дБм(Гц)−1/2 ,
34
𝑃𝑠 = 20 дБм;
𝛼𝑐 = 6 дБ.
Для ∆𝑥 = 1 м и GRо = -73 дБ динамический диапазон 𝛼𝐿 = 30 дБ .
В табл. 2.2 представлены оценки динамического диапазона для методов
OTDR (𝛼𝐿) 𝑇 и метода OFDR (𝛼𝐿)𝐹 . При ∆𝑥0 = 1м; 𝐺𝑅0 = − 73 дБ; 𝑝𝑛0 = − 70
дБм; 𝑝𝑛𝐹 = −121 дБм; 𝑃𝑠 = 20 дБм; 𝛼𝑐 = 6 дБ; 𝑁 = 216 ; 𝑇0 = 160 с для
разных разрешений ∆𝑥.
Таблица 2.2 – Оценка динамического диапазона для методов OTDR и OFDR
∆𝑥
(𝛼𝐿) 𝑇 , дБ.
1м
10 м
100 м
1 км
2 км
17,5
25
32,5
40
42
(𝛼𝐿)𝐹 , дБ.
31
36
41
46
47,5
Из таблицы 2.2 видно, что OFDR - рефлектометры наиболее эффективно
работают при высоких требованиях к пространственному разрешению, где
выигрыш в динамическом диапазоне наиболее существенен.
К преимуществам OFDR также можно отнести более простое и
эффективное решение приемной части прибора, в частности аналогоцифрового
преобразователя (АЦП). Так как сигнал биений - это фактически сигнал звуковых
частот (десятки кГц), то можно использовать более точные и одновременно
существенно более дешевые АЦП.
К недостаткам OFDR можно отнести серьезные и не до конца решенные
проблемы, связанные со спектральным анализов сигнала биений (в особенности
для рэлеевского отражения), с обеспечением необходимой длины когерентности
зондирующего сигнала и с обеспечением заданных режимов модуляции
зондирующего сигнала [20].
В следующих разделах текущей главы, будут рассмотрены методы
рефлектометрии, некоторые из которых, пока еще нашли практического
применения, в силу различных причин. В таких методах будут приведены только
их теоретические аспекты. Схемы практической реализации не приводятся в силу
35
того, что все существующие рефлектометры, использующие эти методы,
существуют только в виде экспериментальных установок.
2.4 Корреляционная рефлектометрия с применением псевдослучайного
сигнала
В конечном итоге, ограничения по динамическому диапазону для OTDR
при фиксированном времени измерений связаны с условием:
∆𝑥 =
𝑐
2𝑛
∙ ∆𝑡.
(2.19)
Данное условие для заданного пространственного разрешения ограничивает
скважность зондирующих импульсов.
Эти
ограничения
снимаются
в
корреляционной
рефлектометрии
с
применением псевдослучайного сигнала.
Одним из предполагаемых свойств псевдослучайных сигналов, является то,
что они содержат импульсы с положительной и отрицательной амплитудой, а
также и то, что за пределами пачки импульсы отсутствуют. Такое математическое
представление зондирующего сигнала позволяет получить более удобное
рассмотрение способов формирования зондирующего сигнала и регистрации
сигнала обратного рассеяния.
Лазерный источник излучения не имеет возможности одновременного
формирования импульсов положительной и отрицательной полярности, поэтому
сначала формируется пачка зондирующих импульсов, положительной амплитуды,
затем происходит формирование пачка импульсов отрицательной амплитуды. Эти
пачки поочередно поступают на лазерный источник, который формирует две
пачки импульсов излучения с положительной интенсивностью, а принятые
сигналы обратного рассеяния этих пачек, суммируются. В результате значения
принятые от первой пачки, имеют знак плюс, а принятые от второй – знак минус
[34, 36].
В описанных выше методах рефлектометрии, испытываемое волокно
зондируется одиночным импульсом. Сформированная при этом рефлектограмма,
36
отражает
отклик волоконного тракта на одиночный импульс, который
сравнительно
легко
интерпретируется
в
визуальную
информацию
о
распределении затухания вдоль волоконно-оптического тракта, наличии и
неоднородностей различного характера, и их расположении.
Применение псевдослучайного сигнала для получения традиционной
рефлектограммы, предусматривается введение в волоконно-оптический тракт
сложного зондирующего сигнала, с последующим приемом и регистрацией
отраженного от неоднородностей и рассеянного излучения, и вычисления
взаимно корреляционной функции принятого и опорного сигналов с помощью
коррелятора. Эта функция является описанием отклика коррелятора на принятый
сигнал.
При использовании в качестве зондирующего сигнала кодовых фрагментов
случайной
последовательности,
величина
регистрации
рефлектограммы,
достигнет
погрешность
возникает
наличия
автокорреляционной
из-за
функции
кодовой
относительной
недопустимой
больших
величины.
боковых
последовательности
погрешности
лепестков
Эта
у
зондирующего
сигнала.
При
высокие
практической
технические
реализации
рефлектометра,
характеристики,
следует
предусматривающего
использовать
кодовые
последовательности, корреляционные функции с максимальной амплитудой
основного лепестка, и с минимальными амплитудами боковых лепестков, либо
которые, их вообще не имеют, а также согласованные с ними способы обработки
сигналов обратного рассеяния, не требующие больших объемов памяти и
сложных алгоритмов обработки.
Наиболее
широкое
распространение
для
формирования
сложных
зондирующих сигналов оптических рефлектометров, получили комплементарные
последовательности
Голея
[36],
представляющие
собой
пару
кодовых
последовательностей одинаковой длины. Две пачки прямоугольных импульсов,
полярности которых изменяются по закону одной из этих последовательностей,
изображены на (рис. 2.6, а, б).
37
Рисунок 2.6 – Автокорреляционные функции комплементарных
последовательностей Голея
Основные лепестки автокорреляционных функций каждой пачки импульсов
(рис. 2.6, в, г), имеют максимальную амплитуду, но и боковые лепестки
достаточно значительны. Боковые лепестки разных последовательностей имеют
одинаковую
амплитуду
и
аналогичное
взаимное
расположение,
но
противоположный знак. Результативная автокорреляционная функция (рис. 2.6,
д), полученная посредством суммирования, имеет основной лепесток удвоенной
амплитуды, а боковые лепестки полностью отсутствуют.
Таким образам, комплементарные последовательности Голея идеально
подходят для корреляционных рефлектометров с применением псевдослучайного
сигнала. Результативная автокорреляционная функция этих последовательностей
свободна от боковых лепестков, а стационарная форма зондирующего сигнала
позволяет его многократное повторение, что, в свою очередь, обеспечивает
суммирование и накопление в одних и тех же ячейках памяти, данных разных
измерений одних и тех же мгновенных значений сигнала обратного рассеяния.
38
Еще одно существенное достоинство этих последовательностей, выражается
в возможности формирования последовательности неограниченной длины,
реализуемой
посредством
использования
правил
«присоединения»
или
«чередования» [39, 40].
При
исследовании
волоконно-оптических
трактов
оптическими
рефлектометрами со сложным сигналом процесс измерения состоит из трех
частей:
-генерирование зондирующего сигнала;
-интервала ожидания;
-регистрация сигнала обратного рассеяния.
На рисунке 2,7 а, изображен генерируемый на интервале (𝑡3 − 𝑡0 ) –
зондирующий сигнал, а на рисунке 2,7 б – сигнал обратного рассеяния,
сформированный этим зондирующим сигналом.
Рисунок 2.7 – Процесс измерения рефлектометром со сложным
зондирующим сигналом
Из представленного рисунка видно, что амплитуда сигнала обратного
рассеяния во время генерации зондирующего сигнала, а также в течение
39
некоторого промежутка времени после ее окончания, значительно превышает
амплитуду сигнала в конце регистрации. Это обусловлено отражением потока
излучения от торца оптического тракта и мощным сигналом обратного рассеяния
его ближней зоны. Значительная разница амплитуд приводит к насыщению
фотоприемника и усилителей фототока, что не позволяет проводить регистрацию
сигнала обратного рассеяния во время генерации, а также в течение некоторого
промежутка времени после ее окончания. Поэтому перед регистрацией (рис. 2.7,
в) всегда имеется некоторый интервал ожидания, который может быть
представлен как:
𝐿 = (𝑡𝑝 − 𝑡3 ),
После
окончания
генерации,
интервал
(2.20)
ожидания
заканчивается
в
выбранный момент времени, определяемый шкалой расстояний:
(𝑡𝐾 − 𝑡𝑝 ).
Критериями выбора длительности зондирующей пачки (𝑡3 − 𝑡0 ) являются
следующие параметры:
-расстояние до исследуемого участка волоконного тракта;
-необходимое соотношение сигнал/шум;
-интервала ожидания.
Длительность интервала ожидания (𝑡𝑝 − 𝑡3 ) зависит от технических
характеристик фотоприемного устройства и усилителей фототока, Она может
изменяться
при
использовании
фотоприемника
и
усилителей
фототока,
оснащенных переключателями коэффициента передачи.
Длительность интервала времени (𝑡𝐾 − 𝑡𝑝 ) – времени регистрации сигнала,
превышает или равна длительности пачки зондирующего сигнала и определяется
следующими параметрами:
-расстояние до исследуемого участка оптического тракта;
-длина исследуемого участка оптического тракта;
-общая протяженность исследуемого участка;
-реально существующее отношением сигнал-шум.
40
В результате обработки зарегистрированного сигнала корреляционными
методами, формируется рефлектограмма участка волоконно-оптического тракта,
соответствующего интервалу (𝑡𝐾 − 𝑡𝑝 ). От каждого элемента этого участка
принимается сигнал обратного рассеяния, длительность которого, равна
длительности пачки зондирующего сигнала.
Ближняя точка исследуемого участка отстоит от начала тракта на величину
мертвой зоны, которая, в свою очередь, определяемой длительностью пачки
зондирующего сигнала и интервалом ожидания.
Отношение сигнала/шум и динамический диапазон корреляционного
рефлектометра увеличивается в 2/K раза по сравнению с традиционным
рефлектометром с такими же параметрами [36].
Увеличение длительности зондирующей пачки, дает увеличение отношения
сигнал/шум, но при этом, приводит к уменьшению протяженности исследуемого
участка, а также к увеличению мертвой зоны. Сокращение длительности
зондирующей пачки с целью увеличения протяженности исследуемого участка, в
свою очередь, к уменьшению отношения сигнал/шум.
Усеченные сигналы обратного рассеяния принимаются от тех элементов
волоконного тракта, которые расположены ближе зарегистрированного участка.
Длительность усеченных сигналов короче длительности зондирующей пачки.
После обработки этих сигналов корреляционными методами, полученный
фрагмент рефлектограммы будет искажен, что обусловлено появлением боковых
лепестков у суммарной автокорреляционной функции, что, в свою очередь,
является результатом усечения сигналов обратного рассеяния.
Использование наборов кодовых последовательностей Голея позволяет
увеличить протяженность исследуемого участка и сократить мертвую зону. Для
этого, из пары исходных
комплементарных
посредством
или
однократного
присоединения,
формируется
последовательностей
многократного
полный
набор
Голея,
использования
правила
возможных
кодовых
последовательностей, из которых, в свою очередь,
формируется набор
зондирующих сигналов, регистрируется набор сигналов обратного рассеяния и
41
производится
суммирование
зарегистрированного
взаимно
сигнала
и
корреляционных
соответствующей
функций
исходной
каждого
кодовой
последовательности [36].
Для каждого зондирующего сигнала выбирается исходная кодовая
последовательность, совпадающая с его последним фрагментом, но при этом,
необходимо измерять, регистрировать и обрабатывать большое число сигналов
обратного рассеяния волоконно-оптических трактов, что весьма затруднительно в
реальных условиях. Это требует значительного увеличение объемов памяти
оптических рефлектометров, и приводит к существенному увеличению времени
обработки зарегистрированных сигналов обратного рассеяния.
2.5 Рефлектометрия на основе счета фотонов
В основе метода счета фотонов (PC-OTDR), лежит использование квантовой
природы света и статистики Пуассона, которая приобретает актуальность при
сверхнизких уровнях оптической энергии [40].
Вероятность регистрации k-го фотоэлектрона в момент времени t задана
сложной вероятностью, которeю можно описать как произведение вероятности
появления фотоэлектрона в единичном интервале времени, начиная с момента
времени t, и вероятности того, что (k-1) фотоэлектронов будут зарегистрированы
в интервале времени (0, t).
Следовательно, вероятность регистрации k-го фотоэлектрона в момент
времени t будет задан следующим выражением:
𝑅𝑘 (𝑡) = 𝜂𝑛0 𝑛(𝑡)
[𝜂𝑛0 𝐽(𝑡)]𝑘−1
(𝑘−1)!
𝑒 −𝜂𝑛0𝐽(𝑡) .
(2.21)
Для k=1 соотношение (2.21) описывает частный случай, а именно
вероятность регистрации первого фотоэлектрона в момент времени t:
𝑅1 (𝑡) = 𝜂𝑛0 𝑛(𝑡)𝑒 −𝜂𝑛0𝐽(𝑡) .
(2.22)
При малом среднем числе излученных фотонов в течение одного импульса
(𝑛0 ≪ 1), 𝑅1 (𝑡) может быть аппроксимировано с допустимой ошибкой, в
42
соответствии с выражением:
𝑅1 (𝑡) = 𝜂𝑛0 𝑛(𝑡).
(2.23)
Следовательно, принимая, что 𝑛0 ≪ 1, вероятность регистрации первого
фотоэлектрона «точно» соответствует функции освещенности.
В результате проведения многократных измерений временной задержки
между началом генерации излучения и регистрацией первого фотоэлектрона,
полученное относительное число появления отдельных временных задержек
будет точно соответствовать временной зависимости исследуемой оптической
мощности.
Выражение (2.23) является основной формулой метода распределения
временной задержки единичного фотона.
При N-кратном измерении, отношение сигнал/шум можно определить из
соотношения:
𝑆𝑁𝑅𝑁 =
[𝜂
2
𝑃(𝑡)
𝜏𝑟 𝑁]
ℎ𝑣
𝑛𝑑 𝑁𝜏𝑟
=
𝜏𝑟 𝑁
𝑛𝑑
(𝜂
𝑃(𝑡)
ℎ𝑣
).
(2.24)
Значение минимальной детектируемой мощности может быть получено при
условии:
𝑆𝑁𝑅𝑁 = 1.
𝑃𝑚𝑖𝑛 =
ℎ𝑣
𝜂
𝑛
𝑑
√𝜏 𝑁 .
𝑟
(2.25)
(2.26)
Из ввыражения (2.26) следует один серьезный недостаток PC-OTDR, а
именно, относительно продолжительное время измерения, которое может
составлять от единиц до десятков или сотен минут. Такое время измерения не
приемлимо в большинстве практических случаев.
2.6 Рефлектометрия с частотным сканированием
Рефлектометрия с частотным сканированием является одним из методов
увеличения пространственной разрешающей способности. Данный метод имеет
так же называние: «рефлектометрией с непрерывным частотно-модулированным
43
сигналом». Метод предусматривает использование в качестве зондирующего
сигнала, непрерывной частотно модулированной оптической волны.
По сравнению с временной рефлектометрией, рефлектометрия с частотным
сканированием использует непрерывный сигнал более высокой мощности, что
обеспечивает не зависимость динамического диапазона, от пространственной
разрешающей способности, что в свою очередь, позволяет достигать высокую
пространственную
разрешающую
способность
без потери
динамического
диапазона. Комбинация данного метода и когерентного детектирования позволяет
получить высокую чувствительность [40].
Основной
принцип
рефлектометрии
с
частотным
сканированием
заключается в том, что несущая частота оптического излучения, генерируемого
высоко когерентным лазерным диодом, медленно и линейно изменяется около
центральной частоты 𝜔0 и подается в волоконно-оптический интерферометр
Майкельсона, опорная ветвь которого оканчивается зеркалом. Сигнальная ветвь
интерферометра соединяется с исследуемым волокном. Временная задержка
между сигналом от зеркала в опорной ветви, и обратно рассеянным сигналом от
произвольного элемента 𝑑𝑥 на расстоянии 𝑥 в сигнальной ветви составляет:
𝜏=
2𝑥
𝑣𝑔
;
(2.27)
где 𝑣𝑔 − групповая скорость в сердцевине оптического волокна.
Для когерентного детектирования оба сигнала смешиваются в детекторе. В
течение временной задержки 𝜏 линейно перестраиваемая частота оптического
излучения изменяется по закону:
Ω=𝜏∙
𝑑𝜔
𝑑𝑡
;
(2.28)
Значение Ω можно наблюдать в детекторе при помощи анализатор спектра,
оно определяет положение 𝑥 в оптическом волокне. Амплитуда сигнала
пропорциональна локальному коэффициенту обратного рассеяния и оптической
мощности, которая пропорциональна 𝑒𝑥𝑝 (−2𝛼𝑥) и описывает затухание сигнала
в прямом и обратном направлениях на расстоянии 𝑥.
С помощью преобразования Фурье для сигнала детектора в низкочастотном
44
анализаторе спектра, можно одновременно наблюдать обратно рассеянные
сигналы от всех точек вдоль исследуемого волокна. Они прямопропорциональны
оси частот Ω анализатора спектра.
Шумы негативно влияют на качество измерений в рефлектометрии с
частотным
сканированием.
Наличие
шумов
приводит
к
снижению
пространственной разрешающей способности и уменьшениюдлины исследуемой
оптической линии. Кроме этого, шумы так же укорачивают длину секции
волоконно-оптической линии, в которой могут одновременно присутствовать
измеряемый сигнал обратного рассеяния и сильные френелевские отражения [40,
46].
2.7 Рефлектометрия с синтезом функции когерентности
Наиболее
синтезированной
существенным
функцией
достоинством
метода
когерентности,
рефлектометрии
является
с
возможность
непосредственного получения результатов измерений без проведения каких-либо
вычислений, необходимых при использовании других методов [46].
По своему принципу, рефлектометр с синтезом функции когерентности
представляет
собой
интерферометр
Майкельсона,
управляемый
высококогерентным лазером, который имеет возможность перестройки в
относительно широком диапазоне частот.
В состав рефлектометра с синтезом функции когерентности ходит
акустооптический дефлектор и фазовый модулятор. Первый смещает частоту
колебания 𝜔0 отклоняемого луча на величину 𝜔. Фазовый модулятор
обеспечивает непрерывное изменение фазы оптической волны в опорной ветви на
величину ±𝜋.
Сложение сигналов, поступающих из опорной и сигнальной ветвей,
осущетвляется в оптическом ответвителе. В результате, на выходе оптического
ответвителя присутствуют два сигнала, взаимно сдвинутых по фазе на величину
𝜋. Данное решение позволяет исключить влияние шумов.
45
Динамический диапазон, а, следовательно, и чувствительность данного
метода главным образом зависит от используемой схемы гетеродинного приема, и
в определенных случаях, чувствительность может достигать значения
- 130
дБ/мВт. Кроме всего прочего, метод рефлектометрии с синтезом функции
свободен от мертвой зоны, обусловленной френелевскими отражениями [46].
Пространственная разрешающая способность данного метода определяется
полной шириной на половинном уровне основного пика функции когерентности и
может быть описана выражением:
∆Z𝑟𝑒𝑠 =
𝑣𝑔
𝑁𝑓𝑠
;
(2.29)
где 𝑣𝑔 − групповая скорость;
𝑁 − количество ступенек в модулирующем сигнале;
𝑓𝑠 − частота разнесения.
Период
следования
пиков
определяется
диапазоном
измерения,
в
соответствии с выражением:
∆Z𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 =
𝑣𝑔
𝑓𝑠
;
(2.30)
Увеличение пространственной разрешающей способности наблюдается с
ростом количества ступенек в одном периоде сигнала частотной модуляции и
частоты разнесения в первой ступеньке модулирующего сигнала.
Диапазон измерения данного метода определяется только значением
частоты разнесения в первой ступеньке модулирующего сигнала.
С экспериментальной точки зрения, наиболее существенная проблема
рефлектометрии с синтезом функции когерентности, заключается в нелинейной
зависимости между амплитудой тока инжекции и частотой оптического
излучения лазерного диода, а также в изменении частоты, вызванном сигналом
модуляции (переходные процессы). В качестве метода компенсации описанных
факторов, могут быть использованы предыскажения модулирующего сигнала и
специальные оптические фильтры и дифракционные решетки.
46
2.8 Бриллюэновская оптическая рефлектометрия
В настоящее время, метод бриллюэновской рефлектометрии применяется в
бриллюэновском оптическом импульсном анализаторе (B-OTDA – Brillouin
Optical Time Domain Analyizer) и в бриллюэновском оптическом импульсном
рефлектометре (B-OTDR – Brillouin Optical Time Domain Reflectometer).
Основным приложением B-OTDR является измерение натяжения в волокне.
В
B-OTDA
используется
явление
вынужденного
бриллюэновского
рассеяния (SBS – Stimulated Brillouin Scattering), а в B-OTDR – явление
спонтанного бриллюэновского рассеяния (SPBS – Spontaneous Brillouin Scattering)
[28].
Наличие
SPBS эффекта (а не SBS) обусловленно, тем что мощность
импульсов, вводимых в волокно, не превышает (при длительности импульса 𝜏 <
100 нс) порогового значения мощности для SBS эффекта (~23 дБм).
Как известно, SBS эффект является самым низкопороговым нелинейным
оптическим эффектом в волокне, когда пороговое значение мощности при
непрерывном излучении составляет для него всего лишь несколько дБм. Для
импульсного излучения этот порог увеличивается примерно до 23 дБм за счет
малой длины взаимодействия, равной половине ширины импульса (5 м при 𝜏 ≈
100 нс). Пороговое значение мощности для вынужденного рамановского
рассеяния больше 23 дБм и не зависит от длительности импульса.
В качестве источника излучения в B-OTDR, используется DFB-лазер.
Частотная модуляция излучения осуществляется с помощью акустооптической
ячейки (АОМ). Импульсная модуляция реализуется электроабсорбционным
модулятором (ЕОМ), а поляризационная модуляция – фарадевским вращателем
(FC).
Излучение вводится в волокно, а обратно рассеянная мощность передается
с помощью волоконного ответвителя на вход фотоприемника (рис. 2.8).
47
Рисунок 2.8 – Блок - схема бриллюэновского рефлектометра (BOTDR)
Спектр обратной волны, рассеянной в волокне, содержит релеевскую
компоненту, частота которой равна частоте накачки:
(𝑓н + ∆𝑓),
(2.31)
и две бриллюэновские: стоксову и антистоксову.
Стоксова компонента имеет смещение по частоте вниз:
(𝑓н + ∆𝑓 – 𝑓Б ),
(2.32)
(𝑓н + ∆𝑓 + 𝑓Б ).
(2.33)
а антистоксова вверх:
Для выделения нужной компоненты (обычно выделяется более мощная стоксовой компонента), используется когерентный прием излучения. Для этого
часть мощности излучения DFB лазера ответвляется непосредственно на вход
фотоприемника, где происходит его смешивание с излучением рассеянным в
волокне. Когерентный прием позволяет не только выделить стоксову компоненту
в спектре обратной волны, но и увеличить чувствительность фотоприемника до
величины, близкой к квантовому пределу.
При реализации B-OTDR необходимо использовать более чувствительные
фотоприемники, по сравнению с OTDR. Это обусловленно тем, что коэффициент
спонтанного бриллюэновского рассеяния, описываемый как:
𝛼Б ≅
0,03
𝜆4
,
(2.34)
48
где 𝜆 − длина волны излучения в мкм;
примерно на 14 дБ меньше коэффициента спонтанного релеевского
рассеяния:
𝛼Р ≅
0,75
𝜆4
,
(2.35)
Практический выигрыш по сравнению со схемой прямого детектирования,
используемой в традиционных OTDR, составляет примерно 10...20 дБ.
Смещение частоты рассеянного света 𝑓Б , определяется путем сканирования
частоты акустооптической ячейки ∆𝑓.
Для каждой частоты накачки (𝑓н + ∆𝑓) формируется рефлектограмма,
оппределяется трехмерное распределение спектра спонтанного бриллюэновского
рассеяния вдоль волокна, и рассчитывается распределение натяжения в волокне.
Максимальный сигнал в спектре бриллюэновского рассеяния достигается,
при смещении частоты акустооптической ячейки ∆𝑓 на величину𝑓Б .
Когда ∆𝑓 = 0, B-OTDR
начинает работать в режиме когерентного
импульсного рефлектометра (СО-OTDR), выделяя в спектре обратной волны
компоненту, являющуюся результатом релеевского рассеяния света в волокне
[28, 34].
Рефлектограммам, полученным с помощью BO-TDR, присущи две
характерные особенности:
-отсутствие выбросов сигнала, обусловленных отражением импульсов света
от оптических разъемов и торца волокна, которые в традиционных OTDR,
приводят к насыщению фотоприемника и появлению мертвых зон. В B-OTDR эти
импульсы не регистрируются, так как при отражении от оптических разъемов и
торца волокна частота света не меняется. В B-OTDR регистрируются только те
отраженные импульсы света, несущая частота которых смещена на величину 𝑓Б ;
-рефлектограмма не зашумлена, не смотря на то, что в B-OTDR
осуществляется когерентный прием излучения. Это обусловленно тем, что в BOTDR регистрируется свет, рассеянный не на релеевских центрах (замороженных
в волокне флуктуациях показателя преломления), а на тепловых флуктуациях
49
показателя преломления (акустических фононах). Время жизни акустического
фонона составляет:
𝑡𝑎 =
1
∆𝑓
= 10– 8 сек.
(2.35)
Данное значение слишком мало по сравнению с временем измерений,
поэтому амплитуда и фаза волн, рассеянных на этих неоднородностях
эффективно усредняется.
50
Выводы по главе
В данной главе были рассмотрены различные методы рефлектометрии, как
получившие
практическое
применении,
так
и
экспериментальных,
переспективных методов.
Основными
проблемами
импульсной
рефлектометрии
являлось
значительное снижение динамического диапазона при повышенных требованиях
на пространственное разрешение. При этом динамический диапазон уменьшается
как за счет уменьшения отраженного релеевского сигнала, так и за счет
увеличения шумов ФПУ при расширении полосы пропускания.
В современных OTDR успешно решены обозначенные выше проблемы.
Использование малошумящих фотоприемных устройств, быстродействующих
АЦП и вычислительной техники позволило создать высокоэффективные
измерительные приборы.
В настоящее время оптические рефлектометры имеют динамический
диапазон измерения до 45 дБ и пространственное разрешение в несколько метров.
В состав рефлектометров кроме источника мощных зондирующих
импульсов малой длительности, разветвителя, ФПУ и АЦП входит блок
обработки,
обеспечивающий
расширение
функциональных
возможностей
прибора (получение, обработку, запись, хранение и анализ рефлектограмм). При
этом обеспечивается как измерение коротких оптических шнуров, так и контроль
тракта длиной более двухсот километров.
Повышение параметров в OTDR в основном обеспечивается накоплением
сигнала и работой с пространственным разрешением на грани допустимого
(наибольшего из возможных 𝛥𝑥).
В главе были также кратко рассмотрены метрологические характеристики
рефлектометров и факторы, влияющие на них. Боле подробное описание
указанных характеристик и влияющих факторов будет дано в следующей главе.
51
3
Исследование
метрологических
характеристик
рефлектометров
3.1Анализ рефлектограммы
В настоящее время, оптические рефлектометры получили широкое
распространение, что обусловлено
определенными удобствами тестирования
ВОЛС, а также отдельных волокон и кабелей.
На
экране
рефлектометра
наглядно
представляется
изменение
относительной мощности сигнала обратного рассеяния в логарифмических
единицах с расстоянием, в виде графика, по которому можно дать качественную
оценку состояния тестируемого участка ВОЛС, а также осуществить целый ряд
количественных измерений.
Вид типичной рефлектограммы импульсного рефлектометра приведен на
рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Вид типичной рефлектограмма
52
Вертикальная
ось
рефлектограммы
определяет
уровень
потерь
в
логарифмических единицах. Отсчеты на горизонтальной оси соответствуют
расстоянию от рефлектометра до тестируемого участка.
В типичной рефлектограмме можно выделить участки двух типов:
-свободные от отражающих или поглощающих точечных объектов;
-непосредственно примыкающие к сильно отражающим или поглощающим
точечным объектам.
На участке первого типа рефлектограмма
выглядит в виде наклонной
прямой. При этом, вид рефлектограммы не зависит от формы и длительности
зондирующего импульса, а ее наклон характеризует коэффициент затухания
волокна в децибелах.
Измерение потерь или коэффициента затухания на таких участках, с
помощью рефлектометра можно осуществить с достаточно высокой точностью,
независимо от того, что измерения производятся косвенно – по затуханию
величины рассеянного сигнала. Это обусловлено тем, что коэффициент обратного
рассеяния в телекоммуникационном волокне, можно с высокой точностью
считать величиной постоянной [42].
Участками второго типа являются соединения волокон и точечные дефекты
с примыкающими к ним областями, которым соответствуют пики или ступеньки
на
рефлектограмме,
поглощающими
называемыми
событиями.
соответственно
Рефлектометр
позволяет
отражающими
точно
и
определить
расстояние до указанных событий (локализовать дефект), и дает возможность
приближенно вычислять потери на таких элементах, а также оценить
интегральные потери в целом по всему тестируемому участку.
Однако, следует не забывать
о возможных ошибках измерений,
обусловленных косвенным характером измерения потерь, и о возможности
появления ложных сигналов.
Пиками характеризуются отражающие элементы. Мощность отраженного
сигнала, а, следовательно, положение вершины пика, зависит от мощности
53
зондирующего импульса и коэффициента отражения, но не зависит от его
длительности.
К отражающим элементам относятся механические соединения. Пик на
рефлектограмме обусловлен френелевским отражением на торцах соединяемых
волокон, а в результате потерь, вносимых оптическим разъемом, наблюдается
снижение величины рассеянного сигнала непосредственно за ним [42, 43].
Амплитуда пика характеризует качество соединения волокон. Сварные
соединения, к примеру, как правило, являются не отражающими, а по наличию
даже малого пика можно с большой вероятностью судить о плохом качестве
сварки. Отсутствие отражения на сварных соединениях высокого качества
связано с отсутствием скачка показателя преломления, т.к. сколотые торцы
волокон сплавляются друг с другом. Однако на сварных соединениях потери всетаки есть. Качественно сваренное соединение трудно обнаружить, так как потери
на нем невелики и появляющаяся «ступенька» на рефлектограмме очень мала.
Потери на микроизгибах имеют аналогичные характеристики, они трудно
отличимы от потерь на сварных или механических соединениях.
Таким
образом,
участки
рефлектограммы
(рис.
3.1)
могут
быть
идентифицированы следующим образом:
1 - начальный выброс уровня обратного потока оптической мощности,
обусловленный Френелевским отражением при вводе оптического излучения в
волокно;
2 - участки рефлектограммы, соответствующие квазирегулярным участкам
волокна, на которых отсутствуют отражения, а изменения уровня обратного
потока оптической мощности являются результатами потерь, обусловленные
поглощением и Рэлеевским рассеянием, а также флюктуациями коэффициента
обратного рассеяния;
3 - изменения мощности обратно рассеянного потока на локальной
нерегулярности без отражений (сварные соединения, изгибы);
4 - изменения уровня обратного потока за счет отражения и потерь на
локальной неоднородности (механические соединения, микротрещины и т.п.);
54
5 - изменение уровня обратного потока оптической мощности на конце
оптического волокна;
6 - шумы.
3.1.1 Математическое описание всех участков рефлектограммы
Как уже упоминалось ранее, наклон рефлектограммы характеризует
коэффициент затухания волокна в децибелах. Математическое описание данного
участка рефлектограммы выглядит следующим образом.
При распространении излучения вдоль оптического волокна, возникает,
обусловленный
флюктуацией
показателя
преломления.
Мощность
потока
рассеяния пропорциональна отношению:
1
𝜆4
.
(3.1)
Схема формирования потока обратного рассеяния представлена на рисунке
3.2.
Рисунок 3.2 – Формирования потока обратного рассеяния
Данное явление, называемое Рэлеевским рассеянием, лежит в основе
методов рефлектометрии оптических волокон. Часть потока обратного рассеяния
затухает
в оболочке, часть распространяется в том же направлении, что и
основной поток, а часть распространяется в сторону ближнего конца по
направлению к источнику изучения, формируя, таким образом, поток обратного
рассеяния [45].
55
Мощность потока обратного рассеяния 𝑃𝑆 (𝑡), измеренная в точке ввода
зондирующих импульсов в волокно, с некоторой задержкой 𝑡 относительно
момента посылки зондирующею импульса, определяется мощностью обратного
рассеяния в точке кабеля, расположенной на некотором расстоянии от места
измерения. Данное расстояние определяется в соответствии со следующим
выражением:
𝑥=
𝑉∙𝑡
;
2
(3.2)
где 𝑉 − групповая скорость распространения оптическою импульса,
которая, в свою очередь, определяется как:
𝑐
𝑉= ;
(3.3)
𝑛
где 𝑐 − скорость света;
𝑛 − групповой показатель преломления сердцевины оптического волокна.
В
первом
приближении,
мощность
потока
обратного
рассеяния
определяется с соответствии с выражением:
𝑃𝑆 (𝑡) = 0,5𝑃0 𝐷𝑡 ∙ ∆𝑡 ∙ 𝑆 ∙ 𝑎𝑑 ∙ 𝑉 ∙ exp(−𝑎 ∙ 𝑉 ∙ 𝑡) ;
(3.4)
где 𝑃0 𝐷𝑡 − максимальное значение оптической мощности зондирующего
импульса и его длительности в точке ввода;
𝑎𝑑 − параметр Рэлеевского рассеяния, определяемый как отношение
мощности, рассеянной в некоторой точке оптического волокна, к падающей
оптической мощности в ту же точку;
𝑆 − параметр обратного Рэлеевского рассеяния, определяемый как
отношение обратно рассеянной мощности в некоторой точке оптического
волокна, к общему значению рассеянной мощности в данной точке;
𝑎 − коэффициент затухания оптического волокна [дБ/км].
Выражение (3.4) позволяет утверждать, что мощность потока обратного
рассеяния
находится
в
пропорциональной
зависимости
от
параметров
зондирующего импульса на входе оптического волокна 𝑃0 и 𝐷𝑡 , параметров
оптического
волокна 𝑎𝑑 и 𝑆.
А
также,
мощность
потока
обратного
56
экспоненциально зависит от затухания и групповой скорости оптического
волокна. При чем, групповая скорость, в свою очередь, обратно пропорциональна
групповому показателю преломления оптическою волокна.
Таким образом, коэффициент обратного рассеяния можно выразить как:
𝐾 = 0,5𝑆 ∙ 𝑎𝑑 ∙ 𝑉.
(3.5)
Тогда, из выражения (3.5) следует:
𝑃𝑆 (𝑡) = 𝐾 ∙ 𝑃0 ∙ ∆𝑡 ∙ exp(−𝑎 ∙ 𝑉 ∙ 𝑡).
(3.6)
Выражение (3.6) позволяет утверждать, что уровень мощности обратного
рассеяния линейно зависит от времени:
𝑃𝑆 (𝑡) = 10 ∙ 𝑙𝑜𝑔[𝑃𝑆 (𝑡)] = 𝐶 − 𝑎 ∙ 𝑥.
(3.7)
А разность уровней обратно рассеянной мощности, измеренных на ближнем
конце в моменты времени 𝑡1 и 𝑡2 , является не чем иным, как затуханием
оптического волокна на соответствующем участке линии:
𝑃𝑆 (𝑡1 ) − 𝑃𝑆 (𝑡2 ) = 𝛼 ∙ (𝑥2 = 𝑥1 ) = 𝑎12 ;
где 𝑥1 =
𝑉∙𝑡1
;
2
Изменения
𝑥2 =
𝑉∙𝑡2
2
(3.8)
.
коэффициента обратного рассеяния вдоль волокна носят
случайный характер, что обусловлено флюктуациями показателя преломления, и
особенностями
конструктивных
характеристик
оптическою
волокна.
Следовательно, на однородных участках (участок 2, рис. 3.1), оптическое волокно
является квазирегулярным и реальная зависимость 𝑃𝑆 (𝑡) флюктуирует около
некоторой прямой, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс, соответствует
коэффициенту затухания волокна.
Пики или ступеньки на рефлектограмме, называемыми соответственно
отражающими и поглощающими событиями, возникают на рефлектограмме в
силу наличия в оптическом волокне неоднородностей, на которых показатель
преломления, существенно отличаются от среднего значения для данного волокна
(участки 1, 4, 3 (рис. 3.1)).
Все неоднородности оптической линии подразделяются на две группы:
- неоднородности, формирующие Френелевские отражения;
-неоднородности не образующие отражений.
57
Кроме этого, все неоднородности подразделяются также на внутренние –
обусловленные флюктуациями параметров, дефектами волокон в строительных
длинах оптических кабелей, и стыковые – образующиеся в местах сращивания
оптических волокон. Стыковые неоднородности, как правило, обусловлены
изменениями параметров оптической линии на стыке волокон, а так же отличиями
параметров сращиваемых волокон [45].
Мощность
потока
Френелевского
отражения,
сформированного
неоднородностями 𝑃𝐹 (𝑡𝑖 ), измеренная на ближнем конце оптического излучения,
отраженного в некоторой точке х𝑖 , описывается следующим образом:
𝑃𝐹𝑖 (𝑡) = 𝜌 ∙ 𝑃0 ∙ ∆𝑡 ∙ exp(−2 ∙ 𝑎 ∙ 𝑥𝑖 ) ;
(3.9)
для 𝑡𝑖 ≤ 𝑡 ≤ 𝑡𝑖 + ∆𝑡.
А также:
𝑃𝐹𝑖 (𝑡) = 0;
(3.10)
для 𝑡𝑖 ≥ 𝑡 ≥ 𝑡𝑖 + ∆𝑡.
где: 𝑡𝑖 =
𝑥𝑖
2∙𝑉
;
𝑥𝑖 − расстояние до неоднородности;
𝜌 − коэффициент отражения.
В первом приближении, мощность потока Френелевского отражения на
ближнем конце описывается следующей суммой:
𝑃𝐹 (𝑡) = ∑𝑚
𝑖=1 𝑃𝐹𝑖 (𝑡) ;
(3.11)
где 𝑚 − количество неоднородностей на участке.
Как правило, значение коэффициента отражения на несколько порядков
превышает значение коэффициента обратного рассеяния.
В моменты времени 𝑡𝑖 ≤ 𝑡 ≤ 𝑡𝑖 + ∆𝑡, мощность обратно рассеянного потока
пренебрежимо
мала
по
сравнению
с
мощностью
потока
отражения.
Следовательно, проводя измерения мощности обратного потока, поступающего
на ближний конец волокна и анализируя ее изменения, можно получить оценки
параметров исследуемой линии связи.
Неоднородности,
на
которых
отсутствуют
отражения,
обусловлены
изгибами и сварными соединениями оптических волокон (участок 3, (рис. 3.1)).
58
В месте изгиба, уровень мощности обратного рассеяния уменьшается
скачкообразно,
что
Соответствующее
рефлектограмме
выражается
изменение
отражается в
в
увеличении
характеристики
потерь
обратного
на
излучение.
рассеяния,
на
виде ступеньки между двумя прямыми -
аппроксимирующими характеристики участков квазирегулярного волокна до и
после изгиба (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – Ступенька на изгибе оптического волокна
В
случае
наличия
сварных
соединений,
вид
данного
участка
рефлектограммы, также приобретает вид ступеньки, но в отличие от внутренних
нерегулярностей, здесь может наблюдаться как снижение, так и возрастание
уровня мощности обратного рассеяния (ступенька «вниз» (рис. 3.2) и ступенька
«вверх» (рис. 3.3))
59
Рисунок 3.3 – Ступенька на сварном соединении оптического волокна
Такие
изменения
характеристики
обратного
рассеяния
являются
результатом того, что изменения уровня мощности на сварных соединениях
вызваны не только потерями, но и различием характеристик стыкуемых
оптических волокон.
Изменение уровня мощности обратного рассеяния на стыке двух волокон
можно описать с помощью выражения:
∆𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 = 𝑎 + ∆𝑘;
(3.12)
где:
𝑘
∆𝑘 = 10 lg ( 𝐴 ) ;
𝑘
𝐵
(3.13)
𝑃1 и 𝑃2 – уровни мощностей потоков обратного рассеяния до и после
сварного соединения;
𝑎 − затухание на сварном соединении.
𝑘𝐴 и 𝑘𝐵 − средние значения коэффициентов обратного рассеяния
стыкуемых волокон, расположенных до и после сварного соединения,
соответственно, при измерениях со стороны А.
Знак величины ∆𝑘 определяется соотношением значений 𝑘𝐴 и 𝑘𝐵 :
-для 𝑘𝐴 < 𝑘𝐵 :
∆𝑘 < 0;
60
-для 𝑘𝐴 > 𝑘𝐵 :
∆𝑘 > 0;
Таким образом, с учетом (3.13) и в зависимости от знака значения ∆𝑘,
соотношения абсолютных значений величин 𝑎 и ∆𝑘, результирующее изменение
уровня мощности потока обратного рассеяния может быть как положительным,
так и отрицательным. Следовательно, на сварных соединениях может
наблюдаться, как снижение, так и возрастание уровня мощности.
Необходимо также отметить, что описанное явление относится только к
потоку обратного рассеяния. Увеличения мощности прямого потока невозможно
добиться с помощью пассивных элементов линии, к каковым можно отнести и
сварные соединения. При оценке затухания оптического излучения прямого
направления, по результатам измерений потока обратного рассеяния, значение
∆𝑘
является
методической
систематической
погрешностью,
которую
необходимо исключать.
Если результатом изменения показателя преломления сердцевины, является
существенное изменение волнового сопротивления оптической линии, то в
данном случае появляются отражения (участок 4, (рис. 3.1)). Это характерно для
механических соединений оптических волокон, микротрещин, воздушных
включений и т.д. Неоднородности отображаются на рефлектограмме как
положительные выбросы оптической мощности. В общем случае рефлектограммы
неоднородностей имеют вид рефлектограмм соответствующих неоднородностям
не вызывающим отражения, на которые наложены импульсы отраженной
мощности.
В общем случае, измеряемую на ближнем конце оптического волокна
мощность обратного потока можно представить как сумму:
𝑃(𝑡) = 𝑃𝑆 (𝑡) + 𝑃𝐹 (𝑡) + 𝑃𝑁 (𝑡);
где 𝑃𝑆 (𝑡) − мощность обратно рассеянного потока;
𝑃𝐹 (𝑡) − мощность отраженного потока;
𝑃𝑁 (𝑡) − мощности помехи.
(3.14)
61
Мощность помехи (𝑃𝑁 (𝑡)), является случайной функцией образованной в
результате влияния совокупности факторов (участок 6 (рис. 3.1)).
Некоторые
составляющие
помехи,
такие
как,
тепловые
шумы
фотоприемника, собственные шумы лазера, не зависят от уровня мощности
передаваемого оптического сигнала.
Ряд других составляющих, таких как, дробовой шум фотоприемника,
модовый шум, шумы, возникающие в результате взаимодействия лазера с
нерегулярным волокном, и т.д., непосредственно связаны с уровнем мощности
передаваемого оптического сигнала [45, 48].
Значение суммарной мощности помех соизмеримо со значением мощности
обратно рассеянного потока и являются величинами одного порядка. Это
существенно ухудшает выделение полезного сигнала на фоне высокого уровня
помех.
3.2 Ложные сигналы и ошибки измерений
Стандартный анализ рефлектограммы предполагает распространение в
прямом направлении только одного зондирующего импульса, а рефлектограмма
формируется в результате однократного рассеяния или отражения этого
импульса. Однако данное предположение не справедливо. Если на измеряемом
участке оптической линии имеется более одного элемента с сильным
отражением, то это является причиной возникновения многократных отражений
от каждой пары таких элементов. В результате данных многократных отражений
появляются ложные сигналы («фантомы») [42, 54].
Формирование ложных сигналов объясняет рисунок 3.4, на котором
представлено прохождение зондирующего импульса через участок волоконнооптической линии с двумя сильно отражающими стыковыми соединениями.
62
Рисунок 3.4 – Формирование ложного сигнала рефлектометра
Формирование
ложного
сигнала
происходит
в
результате
трех
последовательных отражений соответственно от стыка В, стыка А и снова от
стыка В. Ложный сигнал расположен симметрично отражению от стыка А,
относительно отражения от стыка В, а значение его амплитуды значительно
ниже значений амплитуд сигналов от реальных отражающих стыков.
У ложных сигналов определенные признаки, позволяющие отличать их от
отраженных импульсов, а именно:
-в линии должно присутствовать не менее двух неоднородностей с
большим коэффициентом отражения. Расстояние между ложными импульсами
от этих неоднородностей, равно расстоянию от дальней неоднородности до
ложного импульса;
-параметры аппроксимирующей прямой при прохождении через ложный
импульс, не изменяются;
-при измерении с двух концов местоположения ложного импульса, на
рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии.
63
При больших значениях коэффициента отражения по концам линии,
формируются «фантомы», которые наиболее трудно распознать. Механизм их
возникновение поясняет рисунок 3.5.
Рисунок 3.5 – Образование ложных сигналов
На рисунке 3.5 показаны следующие параметры:
𝐿 − длина измеряемой линии;
𝑇 − период развертки рефлектометра;
𝑉 − групповая скорость распределения в сердцевине волокна;
Ложные импульсы, возникающие в результате больших значениях
коэффициента отражения, можно отличить по следующим признакам:
-параметры аппроксимирующей прямой на «фантоме» не меняются;
-изменение периода развертки может изменять расположение «фантома»
на рефлектограмме;
-при использовании иммерсионных гелей, вспомогательного волокна и
т.д., «фантом» исчезает, изменяет свое расположение на рефлектограмме;
-при
измерении
с
двух
концов,
расположение
«фантома»
на
рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии.
Залогом правильной расшифровки рефлектограммы является точная
установка исходных параметров. Эта, на первый взгляд, простая процедура,
64
требует от оператора определенных знаний и практических навыков. Зачастую,
именно ошибки в настройке рефлектометра определяют значение общей
погрешности измерений.
Угол наклона участков рефлектограммы между пиками характеризует
погонное затухание по длине кабеля. Если используется однотипное волокно
одного и того же качества, все участки рефлектограммы, снятой на одной длине
волны, должны иметь одинаковый наклон.
В достаточно длинных (порядка нескольких километров) оптических
линиях, рефлектограмма «размывается». Это связано с тем, что параметры
оптоволоконных кабелей зависят от амплитуды, частоты и фазы сигнала, из-за
чего возникает дисперсия (зависимость скорости распространения сигнала от
частоты) [42, 54].
Ошибки измерения могут возникать также вследствие неверно заданных
диапазонов длин волокна, которые устанавливает оператор в начале работы. Если
установить на рефлектометре значение длин меньше, чем длина измеряемого
волокна, то на рефлектограмме мы будем наблюдать так называемые «ложные
сигналы». Их появление связано с тем, что прибор посылает первоначальный
импульс раньше, чем успевает возвратиться предыдущий. В результате на
приемник одновременно поступят два импульса, отраженных от разных участков
волокна. При этом ложный импульс будет отображен ближе к началу
рефлектограммы.
3.3 Мертвые зоны рефлектометра
Как
уже
упоминалось
в
предыдущей
главе,
мертвыми
зонами
рефлектометра являются участки, расположенные в непосредственной близости
от отражающих элементов. На данных участках измерения сильно затруднены.
Напомним, что область, расположенная вблизи отражающего события, в
пределах которой невозможно обнаружить другое отражающее событие,
называется
мертвой
зоной
отражения.
Область,
расположенная
вблизи
65
отражающего события, в пределах которой невозможно точно измерить уровень
мощности обратного рассеяния называется мертвой зоной затухания, т.к. этот
участок волокна исключается из процесса измерения затухания. Пример
отражения мертвой зоны на рефлектограмме приведен на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Рефлектограмма с наличием мертвой зоны
Общеприняты следующие определения двух типов мертвых зон:
-мертвая зона отражения определяется расстоянием между началом
отражения и точкой на спаде пика отражения с уровнем – 1,5 дБ относительно
вершины;
-мертвая зона затухания определяется расстоянием от начала отражения до
точки, в которой уровень сигнала фотоприемника.
Появление на рефлектограмме мертвых зон осложняет процедуру
измерений. Так, например, для расчета полных потерь в линии (А) необходимо
знать начальный уровень сигнала на вертикальной оси (оси ординат). Положение
этого уровня маскируется мертвой зоной в начале рефлектограммы. Поэтому
первый линейный участок рефлектограммы экстраполируется (продолжается) до
пересечения с осью ординат. Точка пересечения этой прямой с осью ординат
принимается за положение начального уровня сигнала [54, 60].
66
Величина потерь в неоднородностях (а) находится по расстоянию между
прямыми линиями, продолжающими линейные участки рефлектограммы до и
после неоднородности. Эти прямые линии, вообще говоря, не параллельны, так
как погонные потери в соединяемых волокнах не равны между собой. Поэтому
расстояние между ними зависит от того, в каком месте оно измеряется. Обычно
это расстояние измеряется в начале изогнутого участка рефлектограммы. В этом
случае появляется дополнительная ошибка, зависящая от того, с какой стороны
линии измеряются потери (рис. 3.7).
Рисунок 3.7 – Зависимость величины измеренных потерь вместе соединения
волокон от разности их погонных потерь.
На рисунке 3.7 представлены следующие ситуации:
а) Рефлектометр подключен со стороны волокна с большими погонными
потерями.
б) Рефлектометр подключен со стороны волокна с меньшими погонными
потерями.
Величина данной ошибки определяется шириной зондирующего импульса
(𝑢) и разности коэффициентов погонных потерь в соединяемых волокнах:
∆𝑎 = 0.5 ∙ 𝑢 ∙ (𝛼1 – 𝛼2 );
(3.13)
67
При типичном значении
(𝛼1 – 𝛼2 ) = 0,02 дБ/км величина ошибки
незначительна. Так при ширине импульса 𝑢 = 10 м (длительность импульса =
𝜏 = 100 нс), величина ошибка составляет 0,0001 дБ, и увеличивается при 𝑢 = 1
км (𝜏 = 10 мкс) до 0,01 дБ. Поэтому в практических измерениях данную ошибку
обычно не учитывают. Помимо этого, она устраняется при усреднении
результатов измерений потерь с двух сторон линии передачи.
3.3.1 Динамический диапазон и диапазон измерений
Динамический диапазон рефлектометра выражается в дБ и позволяет
оценить максимальную длину тестируемого волокна. При этом, используется
следующая формула:
𝐿 =
Для
оптического
𝐷𝑑𝐵
𝛼𝑑𝐵
;
рефлектометра,
(3.14)
динамический
диапазон
является
разностью между уровнем мощности 𝑃𝑆𝑂 обратного рассеяния в самом начале
волокна и уровнем шумов 𝑃𝑁𝑂𝐼𝑆 , при заданном времени измерений в соответствии
с выражением:
𝐷𝑑𝐵 = 5 log10 𝑃𝑆𝑂 − 5 log10 𝑃𝑁𝑂𝐼𝑆 ∙ 𝛼𝑑𝐵 ;
Динамический
диапазон
является
наиболее
важным
(3.15)
параметром
рефлектометров. Он часто используется для классификации данных приборов и
предоставляет данные не только о максимальном допустимом уровне потерь в
тестируемом волокне, но и о времени, необходимом для производства измерений
[60].
Необходимо отметить, что в приведенном определении, начальный уровень
обратного отражения не входит в состав характеристик рефлектометра, т.к.
зависит от коэффициента обратного рассеяния.
Флуктуации коэффициента обратного рэлеевского рассеяния в современных
волокнах, в первую очередь, обусловлены флуктуациями диаметра модового
пятна. Из-за случайного характера вариаций диаметра модового пятна, их
68
разность с одинаковой вероятностью может иметь как положительный, так и
отрицательный знак. Поэтому ступеньки, наблюдаемые на рефлектограммах, с
примерно одинаковой вероятностью могут быть, направленные как вверх, так и
вниз.
Коэффициент
пропорциональную
обратного
зависимость
рэлеевского
от
рассеяния
произведения
имеет
коэффициента
прямо
прямого
рэлеевского рассеяния и коэффициента захвата рассеянного излучения модой
волокна. При этом, коэффициент захвата прямо пропорционален квадрату
апертурного угла моды и обратно пропорционален квадрату диаметра модового
пятна.
Неопределенность также вносит, и возможное различие в определении
критического уровня шума, и тот факт, что уровень шума зависит от времени
усреднения. Поэтому наиболее целесообразно определять динамический диапазон
в одинаковых, общепринятых, т.е. стандартных условиях.
Зачастую, уровень шумов устанавливается двумя способами:
-по среднеквадратичному значению;
-по уровню 98% вероятности.
Для гауссовского шума, уровень 98% примерно в 2,4 раза выше
среднеквадратичного значения. Поэтому, значение динамического диапазона,
определенное по среднеквадратичному уровню шума, примерно на 1,8 дБ
превышает величину динамического диапазона, определенную по 98% уровню
шумов.
Величина динамического диапазона имеет зависимость от пользовательских
параметров, а именно:
-длительность импульсов;
-время усреднения сигнала;
-диапазон измеряемых длин.
К примеру, при увеличении длительности импульса в 1000 раз (от 𝑡1 = 10
нс., до 𝑡2 = 10 мкс), коэффициент обратного рэлеевского рассеяния, по шкале
𝑡
рефлектометра, увеличивается на 5 log10 ( 1) = 15дБ.
𝑡
2
69
Так как, в отсутствие сигнала уровень шумов при этом не меняется, то
𝑡
динамический диапазон тоже увеличивается на 5 log10 ( 1) = 15дБ.
𝑡
2
При увеличении времени усреднения, коэффициент рэлеевского рассеяния
не меняется, зато снижается среднеквадратичное значение шума, который в
первом
приближении,
можно
считать
белым
(гауссовым).
Поэтому
среднеквадратичное значение такого шума изменяется обратно пропорционально
квадратному корню из времени усреднения сигнала. Следовательно, при
увеличении времени усреднения от 𝜏1 до 𝜏2 , значение уровня шума снижается, а
τ
динамический диапазон, по шкале рефлектометра, увеличивается на 2,5 log10 ( 2 ).
τ
1
В
настоящее
время,
динамический
диапазон
является
основным
параметром, по которому сравниваются различные модели рефлектометров. Так
как величина данного параметра возрастает с увеличением длительности
импульсов t и времени усреднения сигнала T, то обычно значение динамического
диапазона приводится при максимальных для данного прибора значениях t и T.
МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов рефлектометров
использовать следующие величины [4]:
𝑡 = 10 мкс;
𝑇 = 3 мин.
Диапазон измерений рефлектометра является характеристикой, близкой к
динамическому диапазону, которая определяется как максимальное значение
потерь на участке от входа в волокно до тестируемого элемента, при котором
параметры этого элемента могут быть аккуратно измерены. В качестве такого
элемента, рекомендуется использовать сварное соединение с потерями 0,5 дБ.
Так как точность измерения потерь зависит от отношения сигнал/шум
(SNR) в данной точке, то рефлектометры с более широким динамическим
диапазоном, обеспечивают больший диапазон измерений, при прочих равных
условиях. На рисунке 3.8 показаны значения динамического диапазона и
диапазона измерений.
70
Рисунок 3.8 – Динамический диапазон и диапазон измерений
Помимо всех описанных выше факторов, на величину диапазона измерений
существенное влияние оказывает алгоритм выделения сигнала на фоне сильных
шумов.
3.3.2 Пространственная разрешающая способность
Пространственная
разрешающая
способность
характеризуется
возможностью рефлектометра различить два события, что справедливо также и
для
мертвой зоны. Но если в определении мертвой зоны отражения
рассматриваются два отражающих события, то пространственная разрешающая
способность характеризует способность различать поглощающее событие на фоне
отражающего.
Пространственная разрешающая способность вблизи входного торца
тестируемого волокна определяется как минимальное расстояние, на котором
рефлектометр способен обнаружить и аккуратно измерить поглощающее событие,
которым, к примеру, может являться сварное соединение [60].
71
Спецификации пространственной разрешающей способности предложены
также и для одиночных событий. Для сварки с потерями менее 1 дБ разрешающая
способность определяется как длина ступеньки между уровнями 10% и 90% ее
высоты. Для одиночного отражающего события пространственная разрешающая
способность определяется как длительность пика по уровню 50%.
Пространственная разрешающая способность зависит, как от длительности
импульса, так и от ширины полосы пропускания предварительного усилителя.
Для оценки значения разрешающей способности одиночного отражающего
события можно использовать следующее приближенное выражение:
∆𝑙 =
𝑐
1
2
∙ √(∆𝑡)2 + ( ) ;
2𝑛
∆𝑓
(3.16)
где ∆𝑡 − длительность импульса;
∆𝑓 − ширина полосы пропускания усилителя;
𝑛 − показатель преломления.
3.3.3 Точность измерения расстояния
Локализация
дефектов
является
одной
из
важнейших
задач
при
тестировании оптических волокон. При использовании рефлектометра для
локализации дефекта, всегда следует помнить, что прибор измеряет время
прохождения света до неисправности и обратно. Измеренная величина
используется для вычисления расстояния от торца до неисправности вдоль
волокна. Длина волоконно-оптического кабеля меньше этого расстояния, причем
отношение длин волокна и кабеля, является индивидуальной характеристикой
конкретного кабеля. При этом, точность определения расстояния характеризуется
величиной абсолютной и относительной погрешности измерения расстояния [60].
Необходимость пересчета и возможная неточность внутренних часов
рефлектометра
вызывают
появление
постоянной
относительной
ошибки,
называемой ошибкой масштабирования. Абсолютная ошибка 𝛥𝑚 определения
72
длины волокна является произведением относительной ошибки масштабирования
𝑑𝑚 на длину 𝐿:
𝛥𝑚 = 𝑑𝑚 ∙ 𝐿.
(3.17)
На величину относительной ошибки масштабирования влияет ошибка в
определении показателя преломления и нестабильность тактовой частоты
(неточность внутренних часов). В качестве еще одних источников ошибок,
выступают ошибки дискретизации и ошибки локализации.
Ошибки дискретизации зависят от быстродействия аналого-цифрового
преобразователя, задающего период между двумя последовательными отсчетами.
Ошибка локализации возникает в результате неточности определения
положения события, обусловленной наличием шумов и непосредственно
связанной с пространственной разрешающей способностью рефлектометра.
Необходимо также отметить, что на ошибку локализации существенное
влияние оказывает тип события, алгоритм определения его положения и уровень
шума в точке измерений.
Расстояние до событий может определяться оператором посредством
использования курсора, устанавливаемого в точке начала пика и ступеньки. В
данном
случае,
точность
определения
расстояния
может
зависеть
от
субъективных факторов, и в том числе, от опыта оператора.
3.3.4 Точность измерения затухания
Расчет затухания оптического волокна
производится рефлектометром
косвенно, по величине сигнала обратного рассеяния. Изменение коэффициента
обратного
рассеяния
может
являться
причиной
возникновения
ошибок
измерений, не связанных с техническими характеристиками рефлектометра,
поэтому точность измерения затухания целесообразно специфицировать для
поглощающих событий и для отрезков однородного волокна.
Ошибки
измерений
затухания
определяются
ошибками
измерения
мощности сигнала обратного рассеяния. В большинстве моделей рефлектометров,
73
световой сигнал преобразуется в электрический, посредством использования
измерительного
преобразования,
который,
в
свою
очередь,
состоит
из
фотоприемника и предварительного усилителя [60, 63].
В идеальном преобразователе, величина
электрического тока
(или
напряжения) должна иметь прямо пропорциональную зависимость от мощности
светового
сигнала.
Выходной
ток
(или
напряжение)
измерительного
преобразователя измеряется цифровым амперметром (вольтметром).
Ошибки измерений обусловлены наличием шумов преобразователя и
случайных ошибок измерителя, а также нелинейным характером характеристик
фотоприемника, предварительного усилителя и амперметра (или вольтметра).
В
рефлектометрах,
ошибка
измерений
затухания
характеризуется
линейностью рефлектометра 𝐿𝑁 [дБ/дБ], представляющей собой отношение
модуля отклонения Δ𝐴 дБ измеренного значения от действительного 𝐴 дБ к
действительному значению затухания в дБ, и определяется выражением:
𝐿=
3.4
Факторы
влияющие
Δ𝐴 дБ
𝐴 дБ
на
.
(3.18)
метрологические
характеристики
рефлектометров
Таким образом, на основании приведенного выше, материала можно
подвести определенные итоги и описать основные факторы влияющие на
метрологические характеристики рефлектометров.
Как уже было сказано ранее, к числу наиболее важных параметров любого
оптического
рефлектометра
относятся
длина
дистанции
измерения
и
пространственная разрешающая способность.
Очевидно, что расстояние до наиболее дальних участков анализируемого
волокна, сигналы от которых может распознавать прибор, зависит как от энергии
тестирующего оптического импульса, так и от параметров приемного тракта, в
частности – от коэффициентов передачи входящих в него усилителей и от его
собственных шумов. Энергия вводимого в оптическое волокно тестирующего
74
импульса прямо пропорциональна его длительности и амплитуде. Но увеличению
пиковой мощности этого импульса препятствуют нелинейные эффекты в волокне,
а возрастание его длительности приводит к падению разрешающей способности
прибора [60, 63].
Функция рассеянной мощности 𝑃 от расстояния 𝑥 имеет следующий вид:
𝑃𝑥 = 0,5𝑃0 ∙ 𝑇0 ∙ 𝑆 ∙ 𝛼𝑑 ∙ 𝑣𝑔 ∙ 𝑒 −2𝛼𝑥 ;
(3.19)
где 𝑃0 − значение мощности оптического излучения на входе волокна;
𝑇0 − длительность тестирующего оптического импульса;
𝛼𝑑 − коэффициент затухания световой волны;
𝑣𝑔 − групповая скорость распространения излучения по оптическому
волокну;
𝑆 − коэффициент, определяющий часть рассеянного во всех направлениях
света, которая захвачена волокном и направляется обратно к рефлектометру,
определяемая как:
𝑁𝐴 2
𝑆=(
𝑛0
1
) ∙𝑔;
(3.20)
где 𝑁𝐴 − числовая апертура волокна;
𝑛0 − коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;
𝑔 − параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое
значение которого для одномодового волокна равно 4,55;
Известно, что даже в случае использования идеального оптического
приемника,
при
ширине
тестирующего
импульса
𝑇0
пространственная
локализация точки центра рассеяния не может быть лучше, чем:
∆𝑥 = 0,5𝑇0 ∙ 𝑣𝑔 ;
(3.21)
где 𝑣𝑔 − групповая скорость распространения излучения по оптическому
волокну.
Необходимо
также
отметить,
что
соответствующая
разрешающая
способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно
широкой полосы пропускания приемно-усилительного тракта прибора. В [63]
приводится следующее уравнение для разрешающей способности:
75
∆𝑙 =
𝑐
2𝑛0
√𝑇02 + (
1
∆𝑓пр
2
) ;
(3.22)
где 𝑐 − скорость света в вакууме,
∆𝑓пр − полоса пропускания приемного тракта рефлектометра.
При увеличении полосы возрастает и эквивалентная мощность шума
приемника. Таким образом, сокращение длительности тестирующего импульса,
сопровождаемое
соответствующим
расширением
полосы
пропускания
приемника, оказывает двоякое негативное действие на уменьшение отношения
сигнал/шум и дистанции измерения - в результате уменьшения энергии импульса
и увеличения шумов.
Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых
сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал/шум. Основана она
на том факте, что среднее значение шумового компонента в сигнале является
нулевым, что позволяет, последовательно суммируя результаты многократных
измерений, устранить шум на рефлектограммах. Но при этом возрастает время
измерения.
Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между
мощностью
и
продолжительностью тестирующего
импульса
или
между
динамическим диапазоном и пространственным разрешением является взаимно
конкурирующим
и
представляет
фундаментальный
предел
традиционной
оптической рефлектометрии [54].
Таким
образом,
необходимость
поиска
для
данного
метода
рефлектометрии
характерна
компромисса
между
динамическим
диапазоном,
определяющим длину дистанции измерений, и разрешающей способностью.
Очевидно, что расстояние, а так же затухание и погрешность измерения
данных параметров подлежат обязательной поверке. Коэффициент затухания,
коэффициент отражения, затухание в неоднородности, ORL участка оптического
волокна рассчитываются математически по результатам измерения первых двух
параметров.
76
При условии подтверждения точности измерения этих двух величин и
корректности алгоритмов, заложенных в программное обеспечения прибора,
указанные параметры будут отражаться корректно и их в периодической поверке
нет необходимости.
Между тем, такие параметры самого рефлектометра как динамический
диапазон и мертвая зона, оказывают косвенное влияние на основные
метрологические характеристики прибора. К примеру, как было сказано выше, в
результате снижения мощности лазерного источника, возрастает влияние шумов
на результаты измерения и изменяется их погрешность.
Изменение мертвой зоны, к примеру, в результате механического износа
оптического разъема рефлектометра, увеличивается длина начального участка
оптического волокна, с которого можно оценивать его состояние.
Оставшиеся параметры, такие как, длина волны излучения, длительность
зондирующих импульсов, разрешающая способность, в наименьшей степени
подвержены изменениям с течением времени, так как они обусловлены
физическими характеристиками комплектующих деталей (лазерный диод,
кварцевый резонатор, микропроцессор).
77
Выводы по главе
В данной главе были рассмотрены метрологические характеристики
рефлектометров на основе математического анализа всех участков типовой
рефлектограммы, получаемой в результате проведения измерений параметров
оптического волокна.
На основании приведенного материала, можно сделать
определенные выводы.
Таким
образом,
к
характеристикам
оптического
рефлектометра,
подверженным влиянию различных факторов можно отнести следующие:
-измеряемое расстояние;
-измеряемое затухание;
-величина мертвой зоны при заданном коэффициенте отражения;
-динамический диапазон рефлектометра.
С целью определения погрешности указанных характеристик, необходимо
обязательное проведение периодических поверок.
При производстве измерений оптического волокна, а также при поверке
характеристик рефлектометра существуют, как погрешности самого прибора
(инструментальная
погрешность),
так
и
погрешности,
обусловленные
характеристиками оптического волокна (методическая погрешность).
Инструментальная
характеристики
быстродействием
погрешность
аналого-цифрового
фотоприемного
обусловлена
преобразователя,
устройства,
нелинейностью
недостаточным
начальной
задержкой
тестирующего оптического импульса и т.д.
Методическая погрешность возникает за счет неточности оценки показателя
преломления, длины волны излучения, дисперсии, старения волокна и т.д.
78
4 Методы
увеличения
предельных
функциональных
возможностей оптических рефлектометров
4.1 Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии
Метод обратного рассеяния был изобретен в 1976 году [24, 28]. Авторами
изобретения была предложена оптическая рефлектометрия временной области
(Optical Time-Domain Reflectometry - OTDR), широко применяемая в настоящее
время во всем мире.
Сущность метода, как известно, состоит в посылке в волокно коротких
оптических волновых пакетов с последующим приемом из него отраженного и
рассеянного излучения. Уровень этого излучения отображается на экране прибора
как функция интервала времени от момента посылки импульса в волокно.
Поскольку скорость распространения излучения в волокне известна, то имеется
однозначное соответствие между задержкой поступления рассеянного или
отраженного от какой-либо неоднородности сигнала и расстоянием до этой
неоднородности.
В
ряд
наиболее
ответственных
параметров
любого
оптического
рефлектометра, с точки зрения точности измерений, входит длина измеряемого
участка и разрешающая способность прибора.
Очевидно, что значение расстояния до наиболее дальних участков
тестируемого волокна, сигналы от которых может распознавать рефлектометр,
определяется, как величиной энергии тестирующего оптического импульса
(волнового пакета), так и параметрами его приемного тракта, в частности,
коэффициентами передачи входящего в него усилителя и уровнем его
собственных шумов.
Энергия вводимого в оптическое волокно тестирующего импульса прямо
пропорциональна его длительности и амплитуде. Но увеличению пиковой
мощности этого импульса препятствуют нелинейные эффекты в волокне, а
возрастание его длительности приводит к падению разрешающей способности
прибора.
79
Еще раз напомним, что функция рассеянной мощности 𝑃 от расстояния 𝑥
имеет следующий вид [29]:
𝑃(𝑥) = 0,5𝑃0 ∙ 𝑇0 ∙ 𝑆 ∙ 𝛼𝑑 ∙ 𝑣𝑔 ∙ е~2𝛼𝑥 ;
(4.1)
где 𝑃0 − значение мощности оптического излучения на входе волокна;
𝑇0 − длительность тестирующего импульса;
𝛼𝑑 − коэффициент затухания световой волны;
𝑣𝑔 − групповая скорость распространения излучения по оптическому
волокну;
𝑆 − коэффициент, определяющий часть рассеянного во всех направлениях
света, которая захвачена волокном и направляется обратно к рефлектометру [29]:
𝑁𝐴 2
𝑆=(
𝑛0
1
) ∙𝑔;
(4.2)
где 𝑁𝐴 − числовая апертура волокна;
𝑛0 − коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;
𝑔 − параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое
значение которого для одномодового волокна равно 4,55.
Хорошо известно, что даже в случае использования идеального оптического
приемника,
при
ширине
тестирующего
импульса
𝑇0
пространственная
локализация точки центра рассеяния не может быть лучше, чем:
∆𝑥 = 0,5𝑇0 ∙ 𝑣𝑔 ;
(4.3)
где 𝑣𝑔 − групповая скорость распространения импульса в волокне.
Необходимо
также
отметить,
что
соответствующая
разрешающая
способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно
широкой полосы пропускания приемно-усилительного тракта прибора. В [29]
приводится следующее уравнение для разрешающей способности:
∆𝑙 =
𝑐
2𝑛0
1
2
∙ √𝑇02 + ( ) ;
∆𝑓
пр
где 𝑐 − скорость света в вакууме;
∆𝑓пр − полоса пропускания приемного тракта рефлектометра.
(4.4)
80
При увеличении полосы пропускания приемно-усилительного тракта
рефлектометра увеличивается и эквивалентная мощность шума приемника. Таким
образом, уменьшение длительности тестирующего импульса, сопровождаемое
соответствующим расширением полосы пропускания приемника, оказывает
двоякое негативное влияние на снижение отношения сигнал/шум и дистанцию
измерения, что является результатом уменьшения энергии импульса и увеличения
шумов.
Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых
сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал-шум. В основе данной
возможности лежит тот факт, что среднее значение шумового компонента в
сигнале является нулевым, и позволяет устранить шум на рефлектограммах
посредством
последовательного
суммирования
результатов
многократных
измерений. Но при этом неизбежно увеличивается время, необходимое для
проведения измерений.
Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между
мощностью и продолжительностью тестирующего импульса, или между
динамическим диапазоном и пространственным разрешением, является взаимно
конкурирующим, и представляет фундаментальный предел традиционной OTDR
[30, 45]. Следовательно, для указанного метода рефлектометрии необходим поиск
компромисса
между
динамическим
диапазоном,
определяющим
длину
измеряемой дистанции, и разрешающей способностью прибора.
Необходимость одновременного улучшения перечисленных параметров
рефлектометра,
продиктованная,
в
частности,
развитием
систем
RFTS,
обусловливает актуальность поиска новых технических решений в области
оптической рефлектометрии.
В настоящее время, кроме традиционной OTDR, существует множество
разновидностей методов оптической рефлектометрии, каждый из которых
характеризуется своими особенностями, преимуществами и недостатками, а
также областью применения.
81
Среди них можно назвать методы оптической рефлектометрии в частотной
области (Optical Frequency Domain Reflectometry - OFDR). К ним относится метод
OFDR
с
частотным
сканированием
(OFDR-FS),
называемый
также
частотномодулированной непрерывноволновой рефлектометрией (FMCW) [25], и
метод OFDR с синтезированной функцией когерентности (OFDR-SCF) [26].
Кроме того, имеются также две модификации корреляционной OTDR (COTDR) [31] - с использованием псевдослучайного сигнала (PRS C-OTDR) и метод
комплементарной
коррелированной
OTDR
(CC-OTDR).
Существует
и
низкокорреляционная рефлектометрия (LC-OTDR) [30].
Среди вариантов OTDR следует также назвать методы когерентной OTDR
(CO-OTDR)
[29],
OTDR
с
подсчетом
фотонов
(PC-OTDR)
[30]
и
поляризационную рефлектометрию во временной области (PO-OTDR) [30].
Методы OFDR-FS и LC-OTDR можно назвать модифицированными,
отличительной особенностью которых является использование измерительных
сигналов радиочастотного диапазона и модуляция ими оптической несущей. Это
позволяет получить ряд возможностей по улучшению параметров рефлектометра,
которые будут рассмотрены ниже.
4.2 Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия
оптических волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне
4.2.1 Обоснование технического решения
Метод оптической рефлектометрии частотной области с частотным
сканированием (OFDR-FS) является весьма перспективным, поскольку ему не
присуще
известное
ограничение
OTDR,
не
позволяющее
одновременно
реализовать максимально-возможные значения динамического диапазона и
разрешающей способности прибора [39]. Однако этому методу, как в прочем, и
любому другому, также свойственны и характерные ограничения, обусловленные
определенными факторами. В частности, для варианта данного метода, таковыми
82
являются длина когерентности, фазовый шум и шум интенсивности источника
излучения
(лазера),
нелинейная
зависимость
его
частоты
от
времени,
проявляющаяся в процессе модуляции, перескакивания моды, а также эффекты
вызванные поляризацией.
Нелинейность качания частоты и фазовые шумы снижают разрешающую
способность. Помимо этого, фазовые шумы и ограниченная длина когерентности
лазера уменьшает максимальную длину измеряемого расстояния до нескольких
сотен метров.
Еще одной разновидностью вредного влияния фазового шума является
уменьшение
длины
участка
волокна,
на
котором
возможно
надежное
одновременное измерение сильного френелевского отражения и обратно
рассеянного сигнала.
Так как данный вариант метода предполагает когерентный прием
оптического сигнала, существенную роль играет поляризация оптических
сигналов и особенно ее стабильность в процессе измерения.
Перескакивания моды повышают уровень шумов и создают побочные пики
на рефлектограмме, обусловленные периодическими скачками фазы.
Между тем, существует возможность в достаточно существенной мере
снизить влияние большинства указанных факторов. Этого можно достичь
посредством
использования
радиочастотного
измерительного
сигнала
качающейся частоты [39].
Оптическая несущая, амплитудно модулированная данным сигналом,
необходима лишь для осуществления распространения данного измерительного
сигнала в оптическом волокне. При этом требования к лазеру и его излучению
значительно снижаются.
Использование
данного
способа
предоставляет
также
некоторые
дополнительные интересные возможности.
Учитывая сказанное, можно сформулировать следующую постановку
задачи:
83
-обосновать пригодность описанного варианта метода, основанного на
использовании радиочастотного измерительного сигнала, для
достижения
вышеуказанных целей;
-привести возможный вариант функциональной схемы прибора;
-рассмотреть другие возможности, даваемые использованием в оптической
рефлектометрии
радиочастотных
измерительных
сигналов,
которыми
модулируется оптическая несущая.
Прежде чем приступить непосредственно к обоснованию возможности и
эффективности использования указанных сигналов в оптической рефлектометрии,
необходимо отметить, что, поскольку оптическое излучение используется здесь
лишь как переносчик измерительных сигналов, имеет смысл упрощенно
рассматривать распространение последних вдоль трассы волокна, что дает
возможность анализировать принцип метода на примере электрической длинной
линии. Кроме того, основная идея метода OFDR-FS может быть объяснена
двояко. Можно, например, трактовать ее следующим образом.
Допустим, имеется некоторая длинная линия, подключенная к генератору
качающейся частоты и рассогласованная на другом конце, в результате чего в
этой линии создан режим стоячих волн. Предположим также, что частота
генератора, равномерно повышается (хотя аналогичное объяснение можно
привести и для случая равномерного понижения частоты в процессе ее качания).
В зависимости от вида рассогласования на конце линии имеется либо
максимум, либо минимум стоячей волны напряжения. Поскольку длина линии
является постоянной, а длина волны изменяется в процессе качания частоты,
максимумы и минимумы напряжения стоячей волны, как бы постепенно
«заполняя» линию, перемещаются мимо входного ее конца.
Если сигналы падающей и отраженной волн, имеющиеся на входном конце
линии, одновременно подать на амплитудный детектор, то на выходе последнего
будет иметь место переменная составляющая напряжения. При этом величина
изменения фазы стоячей волны для фиксированного приращения частоты
генератора будет зависеть от длины линии, поскольку изменение этой фазы прямо
84
пропорционально сумме изменений длин пространственных периодов стоячей
волны и, следовательно, зависит от их количества в линии. Поэтому, чем длиннее
линия, то есть чем больше расстояние от ее начала до отражающей
неоднородности, которой в данном случае, является конец линии, тем выше
частота
переменной
составляющей
напряжения
на
выходе
детектора.
Посредством подачи этого сигнала на вход низкочастотного анализатора спектра,
можно получить рефлектограмму данной волоконно-оптической линии.
Другое объяснение, суть которого приведена в [39], является следующим.
Предположим, что на каком-то малом отрезке времени частоту генератора
можно считать постоянной и равной f1 . Рассмотрим некоторое (достаточно малое)
количество волн, созданных в линии за этот промежуток времени. За время
распространения их вдоль линии до отражающей неоднородности и обратно
частота генератора изменяется на некоторую величину и становится равной f2 , в
результате чего на выходе детектора (который, в данном случае, точнее будет
назвать смесителем) возникает сигнал с частотой биений, равной f1 − f2 .
Необходимо отметить, что рассмотренные процессы лежат в основе
известного панорамного метода измерения согласования, который широко
используется в практической радиотехнике.
Следует также подчеркнуть, что приведенные объяснения в данном случае
относятся к одному и тому же процессу и при анализе различных технических
вопросов, связанных с ним, может применяться то объяснение, которое в
конкретном случае является наиболее удобным и наглядным. Но, как будет
показано ниже, существуют ситуации, при которых может быть использовано
лишь одно из них.
Эти объяснения весьма наглядно иллюстрируют механизм влияния
фазового шума, небольших значений длины когерентности излучения, на
получаемые рефлектограммы. В самом деле, флуктуации фазы оптического
сигнала вызывают хаотические смещения интерференционной картины в волокне,
что представляет собой ни что иное, как фазовые флуктуации низкочастотного
85
сигнала на выходе детектора. В результате, спектральные линии расширяются, за
счет чего происходит ухудшение разрешающей способности рефлектометра.
Этот же результат можно представить и как непосредственное следствие
влияния дополнительной фазовой модуляции оптической несущей шумовым
сигналом на ширину спектральной линии сигнала разностной частоты,
существующего на выходе амплитудного детектора (смесителя).
В [39] показано, что цель измерения OFDR-FS состоит в получении
изображения спектральной плотности мощности детектированного сигнала
𝑆1 (𝑓). В данном источнике также же приводится и формула для нее:
𝜏
𝑆1 (𝑓) = (1 + 𝑅)2 ∙ 𝛿(𝑓) + 2𝑅 ∙ exp [−2 ( 0 )] ∙ 𝛿(𝑓 − 𝑓𝑏 ) + 𝜉;
𝜏
(4.5)
𝑐
где 𝑓 − частота частотно модулированного (ЧМ), оптического сигнала;
𝑓𝑏 − частота биений;
𝑅 − коэффициент отражения в конце измеряемого плеча интерферометра (в
оптическом рефлектометре OFDR-FS, взаимодействие падающей и отраженной
волн осуществляется в интерферометре Майкельсона);
𝛿 − коэффициент отражения в конце эталонного плеча интерферометра;
𝜏0 − время задержки между этими сигналами;
𝜏𝑐 − время когерентности источника ЧМ-сигнала;
𝜉 − слагаемое, соответствующее фазовому шуму источника, которое, в
свою очередь, определяется как:
𝜉=
2𝑅∙𝜏𝑐
1+𝜋2 ∙𝜏𝑐2 ∙(𝑓−𝑓𝑏 )2
𝜏
∙ {1 − exp [−2 ( 0)]] ∙ [cos2𝜋(𝑓 − 𝑓𝑏 ) ∙ 𝜏0 +
𝜏
𝑐
𝑠𝑖𝑛2𝜋(𝑓−𝑓𝑏 )∙𝜏0
𝜋∙𝜏0 ∙(𝑓−𝑓𝑏 )
]}. (4.6)
Первый член в выражении (4.5) соответствует постоянной составляющей
тока на выходе детектора. Второй член данного выражения представляет собой
сигнал частоты биений, обусловленный отражением на конце тестируемого
волокна.
Формула
показывает,
что
амплитуда
этого
сигнала
имеет
экспоненциальную зависимость от отношения времени прохождения оптического
излучения по волокну, до отражающей неоднородности и обратно - к времени
когерентности источника излучения (время прохождения излучения в эталонном
плече интерферометра является пренебрежимо малым).
86
В источнике [26] упоминается лазер, ширина спектральной линии которого,
составляет 10 кГц. Применение его в рефлектометре OFDR-FS позволило
реализовать возможность измерений с разрешающей способностью 16 см при
дальности 150 м. Но в радиочастотных генераторах относительно несложно
получить более узкие спектральные линии.
4.2.2 Анализ возможных вариантов схем построения рефлектометров
OFDR-FS с использованием поднесущей частоты радиодиапазона
Схема рефлектометра, построенная в соответствии с рассматриваемым
способом рефлектометрии, приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Блок-схема оптического рефлектометра OFDR-FS с
использованием радиочастотного измерительного сигнала
87
Рефлектометр (рис. 4.1)содержит следующие функциональные узлы:
-1лазер;
-2 амплитудный модулятор;
-3направленный ответвитель;
-5 генератор пилообразного напряжения (ГПН);
-6 генератор качающейся частоты (ГКЧ);
-7 фотодетектор;
-8, 9 усилители;
-10 фильтр низкой частоты (ФНЧ);
-11смеситель;
-12 аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
-13 интерфейс;
-14 персональный компьютер (ПК).
Оптическое излучение лазера 1, модулируется в амплитудном модуляторе 2
радиочастотным сигналом ГКЧ 6 и через направленный ответвитель 3 вводится в
исследуемое волокно 4.
Поток обратно рассеянного излучения, приходящий из волокна, выделяется
направленным ответвителем 3 и подается на фотодетектор 7, на выходе которого
имеется сигнал ГКЧ, задержанный на время, пропорциональное расстоянию до
анализируемой точки волокна. После усиления усилителем 8 этот сигнал подается
на один из входов смесителя 11, на другой вход которого поступает сигнал
непосредственно с выхода ГКЧ 6.
Сигнал биений с частотой, пропорциональной указанному расстоянию,
имеющийся на выходе смесителя 11, после фильтрации при помощи ФНЧ 10 и
усиления усилителем 9, подается на вход АЦП 12.
Спектральный анализ сигнала осуществляется программно в ПК 14, с
которым АЦП связан посредством интерфейса 13. Интерфейс обеспечивает также
управление генератором пилообразного напряжения 5, модулирующего частоту
ГКЧ.
88
Особо следует отметить то обстоятельство, что технические требования к
используемому лазеру, в таком приборе, являются существенно более низкими,
примерно
одинаковыми,
как
и
требования,
предъявляемые
к
лазеру,
применяемому в системе передачи.
Это обусловленно тем, что форма спектра радиочастотного сигнала после
прохождения ряда преобразований, включающего в себя лишь модуляцию им
оптической несущей и последующую ее демодуляцию, остается практически
идентичной форме спектра исходного сигнала (в данном случае, влияние
задержки сигнала в волокне и других процессов в нем не рассматривается).
Причем, отсутствует также зависимость от спектра излучения оптического
источника.
Если перед попаданием в приемник излучение проходит через оптическое
волокно, то следует учитывать влияние дисперсии, состоящее в появлении
неравномерности АЧХ системы «оптический передатчик-волокно – оптический
приемник»,
следствием
которой
является
дополнительная
амплитудная
модуляция спектральных составляющих выходного сигнала фотодетектора
сигналом, частота которого равна частоте колебаний на выходе генератора 5.
Каждая спектральная линия, связанная с неоднородностью волокна, имеет в
таком случае боковые полосы частот. Так как этот модулирующий сигнал
содержит большое количество гармоник, то и боковые полосы являются
достаточно
широкими.
Однако,
учитывая
реальные
значения
частоты
модулирующего сигнала, дисперсии и ряда других параметров, необходимо
отметить, что вероятнее всего, рассмотренный фактор не должен оказывать
существенного влияния на измерения данным методом.
Как и в случае с частотно модулируемым лазером, требования к
спектральному составу сигнала ГКЧ являются повышенными. Для эффективного
подавления высших гармоник этого сигнала целесообразно использовать ФНЧ.
С целью упрощения схемотехнической реализации прибора, фильтр должен
иметь фиксированную частоту среза (то есть, не перестраиваться одновременно с
изменением частоты генератора в процессе модуляции). Очевидно, что для
89
достижения такой возможности необходимо обеспечить при модуляций менее
чем двукратное изменение частоты.
Кроме того, необходимо выполнение еще одного условия: изменение
частоты от минимума до максимума должно вызывать более чем двукратное
возрастание
количества
пространственных
периодов
стоячей
волны
в
исследуемой линии. Это означает, что наименьшая длина линии должна в
несколько раз превышать длину волны сигнала генератора при минимальной его
частоте, рассчитанную с учетом показателя преломления стекла в сердцевине
оптического волокна. Указанный фактор ограничивает частоту колебаний
генератора снизу.
Рассмотренное выше влияние дисперсии является, по крайней мере, одним
из факторов, обусловливающих ограничение частоты сверху. Существенное
значение имеет вопрос о типе исследуемого волокна, о наличии в нем модовой
дисперсии.
В случае одномодового волокна, снижения влияния хроматической
дисперсии
можно
достичь
применением
источника
излучения
с
узкой
спектральной линией. Однако, как указывалось выше, требования к источникам
излучения, используемым в данном рефлектометре, являются несравненно менее
жесткими,
чем
к
частотно
модулируемым
лазерам,
применяемым
в
«традиционной» разновидности рефлектометров OFDR-FS [34].
Учитывая сказанное выше, можно сделать предварительный вывод, что
центральная частота генератора должна находиться в пределах от нескольких
десятков до нескольких сотен мегагерц. Схемотехническая реализация такого
генератора может быть различной. В любом случае, следует стремиться к
максимально возможному снижению уровней побочных составляющих в его
спектре.
Нелинейность модуляционной характеристики может быть скорректирована
посредством введения предыскажений модулирующего сигнала.
Принимая во внимание первое из приведенных объяснений принципа
действия прибора, реализующего данный метод измерения, можно сделать вывод
90
о возможности использования несколько иного подхода к нему. Дело в том, что
процесс получения цифрового образа сигнала, спектральные составляющие
которого, соответствуют неоднородностям, существующим в волокне, также как
и процесс получения его спектрограммы, не обязательно должны происходить в
реальном масштабе времени.
Работа прибора может состоять в поэтапной реализации ряда операций,
включающего в себя установку частоты, получение в цифровом виде отсчета
сигнала, имеющегося на выходе усилителя 9 (рис. 4.1) и сохранение его в памяти,
с последующей обработкой последовательности отсчетов с целью получения
спектрограммы. Причем, для описанного ряда операций принципиальную
значимость имеет лишь их последовательность, а не конкретные временные
позиции отдельных событий. Таким образом, оказывается возможным перейти от
равномерно изменяемой во времени частоты к частоте, устанавливаемой
программно в произвольные моменты времени.
Необходимо также отметить, что, не имеет значения и порядок задания
конкретных значений частоты. Важно только обеспечить соответствие этих
значений номерам отсчетов сигнала в массиве.
В этом случае в качестве генератора может быть применен синтезатор
частоты, управляемый от ПК через интерфейс 13. Хотя, использование такой
схемы сопровождается необходимостью решения ряда технических проблем,
связанных как с обеспечением необходимой спектральной «чистоты» сигнала
синтезатора, так и ускоренного входа его в установившийся режим работы после
задания другой частоты.
4.3 Низкокорреляционая оптическая рефлектометрия с применением
шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона
Ограничения, присущие
существующим
в настоящее время
видам
рефлектометрии оптических волокон, делают актуальной задачу поиска новых
технических решений в этой области. Анализируя возможности, даваемые
91
использованием радиочастотных измерительных сигналов, следует обратить
внимание на метод LC-OTDR [28].
Рефлектометры,
исследования
основанные
коротких
участков
на
данном
оптических
методе,
применяются
волокон
и
для
компонентов
интегральной оптики. Данные приборы имеют в своем составе интерферометр
Майкельсона, в одном плече которого установлено сканирующее зеркало.
Перемещением его задается задержка отраженного сигнала. К другому плечу
подключен
исследуемый
объект
(волокно).
Оптический
источник
имеет
минимально возможную длину когерентности. Поток излучения с выхода
интерферометра подается на фотодетектор. В процессе перемещения зеркала,
когда
значения
длин
путей,
проходимых
излучением
интерферометра,
становятся
близкими,
начинает
интерференционная
картина,
что
выражается
в
в
обоих
плечах
формироваться
появлении
на
выходе
.фотодетектора последовательности чередующихся максимумов и минимумов
напряжения.
Поскольку
сущность
известного,
описанного
выше,
метода
низкокорреляционной оптической рефлектометрии, состоит в получении на
выходе
интерферометра
Майкельсона
интерференционной
картины
двух
сигналов, один из которых отражается от исследуемой неоднородности, а другой
от подвижного зеркала, то принципиально важным требованием к излучению
является малая длина когерентности. Перемещением подвижного зеркала
осуществляется
сканирование
исследуемого
объекта
по
направлению
распространения излучения [28].
Метод обладает высокой разрешающей способностью и, как указывалось
выше, хорошо подходит для исследования компонентов интегральной оптики, а
также для некоторых других приложений.
Однако использование данного метода при анализе оптических волокон
большой длины ограничено рядом факторов, в частности - влиянием дисперсии.
Другим
фактором
является
относительно
малая
длина
траектории
перемещения зеркала в измерительном плече интерферометра. Эта длина,
92
определяющая пределы изменения временной задержки оптического сигнала,
задает разность между максимальным и минимальным расстояниями до
исследуемого участка волокна. Таким образом, диапазон указанных расстояний
прямо пропорционален интервалу возможных значений временной задержки.
Задача увеличения этого интервала значительно упрощается, если речь идет
о сигналах, которые можно перевести в цифровой вид. В таком случае имеется
возможность сохранения их образов в электронной памяти и последующей
обработки полученных данных при помощи вычислительных устройств. При этом
внесение необходимой задержки осуществляется лишь в процессе обработки,
путем сдвига цифрового образа сигнала на необходимое число отсчетов.
Очевидно, что осуществить это можно только при переходе из оптического
диапазона в область более низких частот в радиодиапазон. Для обеспечения
распространения
измерительного
сигнала
по
волоконному
световоду
используется оптическая несущая, модулируемая этим сигналом по амплитуде.
Необходимо отметить, что влияние дисперсии в этом случае не является
таким существенным, как в классическом варианте метода LC-OTDR (с
источником низкокогерентного оптического излучения и интерферометром
Майкельсона). Это фактически устраняет действие первого из перечисленных
выше ограничивающих факторов, характерных для данного метода.
93
Выводы по главе
Поиск путей совершенствования оптических рефлектометров является
предметом непрекращающихся исследований. Метод традиционной импульсной
рефлектометрии имеет недостаток, суть которого состоит в необходимости
компромисса между разрешающей способностью прибора и его динамическим
диапазоном. Разрешающая способность является тем более высокой, чем короче
зондирующий импульс. Однако, при уменьшении его длительности снижается
энергия зондирующего сигнала и расширяется необходимая полоса пропускания
приемного тракта рефлектометра. Оба эти фактора снижают динамический
диапазон.
Одним из вариантов решения проблемы является переход к методу
непрерывно волновой рефлектометрии с частотной модуляцией зондирующего
сигнала. Но и здесь имеют место факторы, снижающие значение измеряемого
расстояния, и один из наиболее существенных
– ограниченная длина
когерентности лазерных источников излучения.
Решить
способностью
проблему
и
оптимизации
динамическим
соотношения
диапазоном
между
позволяет
разрешающей
использование
радиочастотного измерительного сигнала качающейся частоты с последующей
модуляцией им оптической несущей. В этом случае можно значительно увеличить
длину когерентности и ослабить требования к применяемому источнику
оптического излучения.
Технически
задача
оптимизации
может
быть
решена
посредством
применения модифицированного метода низкокорреляционной рефлектометрии,
характерной
особенностью
которого
также
является
использование
радиочастотного (шумоподобного) измерительного сигнала и модуляция им
оптической несущей, о которых будет рассказано в следующей главе.
94
5
Разработка
методов
улучшения
метрологических
характеристик рефлектометров
5.1 Обоснование технического решения
Наиболее
перспективным
волоконно-оптических
мультиплексирования
линий
направлением
связи,
(DWDM-системы).
в
дальнейшем
развитии
системы
волнового
являются
Присутствие
в
таких
системах
оптических селективных пассивных компонентов, таких как мультиплексоры и
демультиплексоры, значительно усложняет контроль параметров оптического
волокна с применением обычных рефлектометров. Если же в состав ВОЛС входят
промежуточные
мультиплексоры
ввода-вывода,
которые
осуществляют
ответвление сигналов с различными значениями длины волны в иное направление
по отдельному оптическому волокну, то произвести измерения затухания
обычным рефлектометром крайне затруднительно. Применение РОС-лазеров с
длинами волн из линейки фиксированных нормативных длин волн систем DWDM
позволяет решить это проблему только для крайне ограниченного числа случаев.
По
обозначенной
причине
возникает
необходимость
разработки
перспективных методов оптической рефлектометрии.
Метод радиочастотной низкокорреляционной рефлектометрии оптических
волокон является весьма перспективным и может быть реализован в устройстве,
принцип действия которого состоит в следующем.
Подаваемое в исследуемое волокно оптическое излучение модулировано
шумоподобным радиочастотным сигналом, цифровое представление которого
формируется при помощи вычислительного устройства и сохраняется в его
памяти.
Приходящий из волокна отраженный (или рассеянный) оптический сигнал
демодулируется. Затем, после усиления, радиочастотный сигнал преобразуется в
цифровую форму и также сохраняется в электронной памяти.
В ходе дальнейшей обработки сигналов, осуществляемой программно,
производится вычисление значений корреляционной функции от принятого
95
сигнала и от переданного, последовательно сдвигаемого относительно принятого
на определенное количество отсчетов.
Данная модификация метода не чувствительна к дисперсии и пригодна для
исследования волокон большой длины. Необходимо отметить, что указанный
метод
во
многом
рефлектометрии,
фактически
аналогичен
использующему
методу
двоичную
корреляционной
псевдослучайную
последовательность (PRS C-OTDR) [30, 41].
5.2
Анализ
возможных
вариантов
схем
построения
низкокорреляционных рефлектометров с применением шумоподобных
сигналов радиочастотного диапазона
Схема рефлектометра, в котором реализована описанная разновидность
метода LC-OTDR, позволяющая исследовать оптические волокна большой длины,
представлена на рисунке 5.1. Устройство в своем составе содержит следующие
элементы:
-1 лазер;
-2 амплитудный модулятор;
-3направленный ответвитель;
-5 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
-6 аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
-7 фотодетектор;
-8 память отсчетов выходного сигнала;
-9 интерфейс;
-10 память отсчетов входного сигнала
-11 усилитель;
-12 персональный компьютер (ПК).
96
Рисунок 5.1 – Блок-схема оптического рефлектометра LC-OTDR с
использованием радиочастотного измерительного сигнала
Оптический сигнал лазера модулируется по амплитуде сигналом, в котором
одновременно присутствует множество спектральных составляющих (сетка
частот). Этот сигнал формируется посредством ЦАП из потока отсчетов,
считываемых из памяти 8.
Модулированный оптический сигнал, через направленный ответвитель 3,
подается в исследуемое волокно 4.
Оптический сигнал, приходящий из волокна, выделяется направленным
ответвителем 3 и поступает на фотодетектор 7, выходной сигнал которого после
усиления подается на вход АЦП 6, где преобразуется в последовательность
цифровых отсчетов, сохраняемых в памяти 10.
Интерфейс 9 формирует последовательность адресов для блоков памяти 8 и
10 в режиме выдачи на ЦАП и приема от АЦП последовательностей отсчетов
соответственно, обмен данными между этими блоками памяти и
синхронизацию АЦП и ЦАП, а также некоторые другие функции.
ПК,
97
В процессе работы по команде, которую ПК выдает блоку интерфейса, в
исследуемое волокно подается измерительный сигнал. Одновременно с этим,
отсчеты принятого сигнала сохраняются в блоке памяти 10. Процессы
формирования
и
приема
сигналов
начинаются
одновременно,
но
продолжительность процесса приема является большей на удвоенное время
прохождения оптическим сигналом волокна максимальной длины.
По окончании процесса приема ПК осуществляет обработку данных,
фактически сводящуюся к получению интерференционной картины от цифровых
образов переданного и принятого сигналов с выделением огибающей кривой,
которая характеризует зависимость интенсивности сигнала на выходе программно
реализованного «интерферометра» от временного сдвига образа переданного
сигнала.
Необходимо подчеркнуть, что указанный сдвиг организуется только на
этапе обработки данных программой.
В работе [44] показано, что при полосе частот измерительного сигнала 300
МГц,
минимальное
обнаруживаемое
расстояние
между
соседними
неоднородностями составляет около 0,464 м, а при дальнейшем расширении этой
полосы указанное расстояние уменьшается достаточно медленно.
Ширина спектра измерительного сигнала, равная 2 ГГц, соответствует
расстоянию, равному 0,202 м. Здесь можно сделать вывод, что расширение
полосы частот измерительного сигнала свыше 2 ГГц не имеет смысла.
Следует также отметить, что даже при частоте 300 МГц, требуемое
быстродействие некоторых узлов рефлектометра, построенного в соответствии
со схемой, изображенной на рисунке 5.1, является чрезвычайно высоким. К таким
узлам относятся АЦП, ЦАП, устройства памяти отсчетов, а также блок
интерфейса.
Помимо
этого,
представляет
определенную
проблему
и
создание
соответствующего широкополосного малошумящего усилителя с необходимым
коэффициентом передачи.
98
Для сужения необходимой полосы пропускания радиочастотного тракта
приемного устройства, а также требуемого быстродействия упомянутых выше
узлов прибора, можно применить последовательный анализ ограниченных
смежных участков спектра сигналов. Это возможно потому, что спектральные
составляющие шума являются, в общем случае, взаимно независимыми.
Для реализации описанного метода рефлектометрии, необходимо дополнить
схему, изображенную на рисунке 4.2, преобразователями частоты, имеющими
общий перестраиваемый гетеродин. Один из этих преобразователей должен
осуществлять переноску спектра узкополосного шумового сигнала в заданную
область частот, а другой, должен осуществлять обратное действие.
Таким
образом,
формируется
частотное
«окно»,
последовательно
сдвигаемое перестройкой гетеродина, и сканирующее всю полосу частот в
процессе измерения.
Возможен также и несколько иной подход, при котором сохраняется
одновременная подача в волокно всех частотных составляющих измерительного
сигнала, но анализ передаваемого и принимаемого сигналов производится внутри
сканирующего «окна», что реализуется при помощи двух узкополосных
перестраиваемых приемников. Блок-схема такого рефлектометра изображена на
рисунке 5.2 [44].
Устройство содержит аппаратный генератор шума, сигналом которого
модулируется оптическая несущая. Поступающий из исследуемого волокна
сигнал, обусловленный рассеянием и отражением, проходя через направленный
ответвитель, подается на фотодетектор.
Шумовой сигнал генератора, а также усиленный сигнал фотодетектора,
подаются на входы двух идентичных каналов, каждый из которых содержит
смеситель, узкополосный полосовой фильтр, усилитель и АЦП.
Настройка каналов на одну частоту обеспечивается использованием общего
гетеродина, которым является синтезатор частоты.
Управление этим синтезатором, а также считывание из АЦП значений
отсчетов сигналов ПК осуществляет посредством интерфейса.
99
Рисунок 5.2 – Блок-схема оптического рефлектометра LC-OTDR с
использованием радиочастотного измерительного сигнала и сканированием
спектра
В процессе измерения, производится последовательная установка частот
настройки каналов таким образом, чтобы на каждом шаге их полоса пропускания
частично перекрывала таковую, имеющую место на предыдущем и последующем
шагах. Затем осуществляется получение необходимого числа цифровых отсчетов
сигналов. Указанное перекрытие полос пропускания должно учитываться при
обработке данных программой.
100
5.2.1 Использование сигнала, переносящего трафик, в качестве
измерительного сигнала
Особый практический интерес представляет применение рассмотренного
метода радиочастотной низкокорреляционной рефлектометрии в RFTS (Remote
Fiber Test System). В этом случае сигнал системы передачи данных, несущий
полезную информацию, может быть использован в качестве измерительного [45].
Рефлектометр, основанный на таком методе, должен иметь два канала
приема и обработки сигналов, на вход одного из которых подается сигнал,
ответвляемый с выхода системы передачи, а на вход другого подается сигнал,
возвращающийся из волокна в результате отражений и рассеяния.
Преимуществом
такого
варианта
метода
является
отсутствие
необходимости ввода в оптическое волокно дополнительного измерительного
сигнала, что в условиях, например,
систем DWDM, может оказаться весьма
полезным. В этом случае оптические приемники рефлектометра могут
воспринимать сигналы всех каналов одновременно.
Метод
идеально
подходит
для
анализа
пассивных
разветвленных
оптических сетей. Однако если в узле разветвленной сети имеется активное
оборудование, то рефлектометр должен находиться в том же узле и анализировать
каждое ответвление по отдельности.
Возможный вариант схемы рефлектометра, использующего сигнал системы
передачи для измерительных целей, приведен на рисунке 5.3.
Схема во многом аналогична изображенной на рисунке 5.2 и отличается от
нее отсутствием лазера, генератора шума и оптического амплитудного
модулятора. Вместо этого, устройство имеет еще один направленный ответвитель,
предназначенный
для
отбора
части
мощности
дополнительный фотодетектор и усилитель его сигнала.
передатчика,
а
также
101
Рисунок 5.3 – Блок-схема оптического рефлектометра LC-OTDR с
использованием сигнала трафика системы передачи в качестве измерительного
сигнала
За исключением некоторых очевидных особенностей, устройства, схемы
которых показаны на рисунках 5.2 и 5.3 функционируют одинаково.
102
5.2.2
Классификация
методов
оптической
рефлектометрии
с
радиочастотными измерительными сигналами
Рассмотренный выше способ обработки полученных рефлектометром
данных, состоящий в вычислении корреляционной функции от цифровых образов
сигналов при выполнении серии последовательных сдвигов одного из них, не
является единственно возможным. В работе [49] излагается суть еще одного
метода, который заключается в следующем.
Сумма переданного и принятого шумовых (или шумоподобных) сигналов
подвергается спектральному анализу, затем выделяется огибающая полученного
спектра.
Далее осуществляется спектральный анализ этой огибающей. Полученное
изображение спектра и является рефлектограммой исследуемого волокна.
Можно видеть, что описанный метод по сути весьма похож на OFDR-FS и
отличается от него принципиальной возможностью одновременного анализа
исследуемого объекта (волокна) на всех частотах измерительного сигнала. В
дальнейшем для его обозначения будет применяться термин «спектрографическая
рефлектометрия» [51].
Если принять этот метод за основу и обратить внимание на упомянутый
ранее, вариант схемы устройства, содержащий узкополосный шумовой генератор
и преобразователи частоты в трактах приема и передачи, то можно видеть, что
при уменьшении ширины частотного окна шумовой сигнал в предельном случае
становится гармоническим, а реализованный в таком устройстве метод
рефлектометрии фактически превращается в OFDR-FS с радиочастотным
измерительным сигналом. Отличие состоит лишь в отсутствии в последнем
селективного приема, что в данном случае не имеет принципиального значения.
В
работе
[49]
предлагается
классификация
рассматриваемых
рефлектометрических методов по следующим признакам:
- одновременное/разновременное наличие всех частотных составляющих
измерительного сигнала на выходе прибора;
103
-одновременное/разновременное
прохождение
всех
частотных
составляющих измерительного сигнала через приемный тракт рефлектометра;
-способ обработки данных - посредством вычисления корреляционной
функции от образов переданного и принятого сигнала, один из которых
последовательно сдвигается относительно другого на каждом шаге обработки
данных, либо получение спектрограммы огибающей спектра суммы переданного
и принятого сигналов.
Из трех признаков, имеющих по два варианта, можно составит восемь
комбинаций. В представленной ниже таблице 5.1 приведены все указанные
варианты с необходимыми комментариями.
Таблица 5.1 – Классификация методов рефлектометрии
№
1
2
3
4
5
6
7
8
1
0
0
0
0
1
1
1
1
Признак
2
0
0
1
1
0
0
1
1
Комментарий
3
0
1
0
1
0
1
0
1
Реализован в схеме, изображенной на рисунке 5.1
Реализован в схеме, изображенной на рисунке 5.1
Реализован в схемах, изображенных на рисунках 5.2 и 5.3
Реализован в схемах, изображенных на рисунках 5.2 и 5.3
Не имеет смысла
OFDR-FS
Вариант со сканирующим частотным окном
Вариант со сканирующим частотным окном (при сокращении его
ширины в пределе фактически аналогичном OFDR-FS)
В таблице 5.1 принято следующее обозначение вариантов:
-для первого и второго признаков:
0 – одновременный;
1– разновременный;
-для третьего признака:
0 – корреляционный;
1 – спектральный.
104
5.3 Разработка алгоритма увеличения метрологических характеристик
рефлектометров
5.3.1 Общие сведения об алгоритмических методах
Высокие технические характеристики современных средств измерения, а
также их развитие, в значительной мере обусловлены широким применением
средств
вычислительной
техники
-
встроенных
микропроцессоров
и
персональных компьютеров (ПК). Это объясняется тем, что внедрение таких
средств позволило реализовать ряд полезных функциональных возможностей
программным путем, сделав их наличие практически оправданным. В случае
использования только аппаратной реализации указанных возможностей, приборы
стали бы неприемлемо сложными и дорогими.
К числу таких возможностей можно отнести, в частности, те, которые
касаются пользовательского интерфейса - имеющиеся в настоящее время способы
представления информации и система удобных меню обуславливают качественно
иные,
исключительно
высокие
эргономические
параметры
приборов
и
измерительных систем (таких, как RFTS).
Имеются
также
и
другие
положительные
следствия
применения
программных технологий в рассматриваемой сфере. Среди наиболее интересных
из них – возможность улучшения метрологических характеристик измерительных
устройств и систем, посредством использования различных математических
методов обработки данных [52].
В оптических рефлектометрах, например, находят применение методы
регрессионного анализа и медианной фильтрации.
5.3.2 Метод регрессионного анализа
При измерении потерь на сварных соединениях волокон необходимо
сопоставлять уровни рассеянного сигнала для точек, расположенных в
105
непосредственной близости от такого соединения до и после него. Этот вид
потерь может быть вызван как отражательными, так и неотражательными
событиями [39]. В идеальном случае, сварной стык должен быть представлен на
рефлектограмме в виде резкого перепада уровня, но отражение излучения и
изменение его модового состава обусловливает искажение рефлектограммы в
некоторой зоне вблизи места соединения. Эта зона может иметь достаточно
большую протяженность (100...200 м). Поэтому оценка затухания оптического
излучения на стыке, полученная как разность уровней в точках до и после
соответствующего
изгиба
кривой,
может
иметь
весьма
значительную
погрешность, достигающую 100% и более.
Для снижения указанной погрешности, а также в целях уменьшения
влияния
собственных
современных
шумов
рефлектометрах
на
погрешность
эффективно
измерения
затухания,
используются
в
алгоритмы
аппроксимации фрагментов рефлектограммы линейной зависимостью:
𝑌 = 𝑎 + 𝑏𝑥.
(5.1)
При этом, определение параметров аппроксимации 𝑎 и 𝑏 наиболее часто
осуществляется с применением метода наименьших квадратов (LSA), то есть,
используя математический аппарат регрессионного анализа. В таком случае [54]:
𝑎=
̂ 𝑛 ̂ 2 𝑛 ̂ 𝑛 ̂ ̂
∑𝑛
𝑖=1 𝑌𝑖 ∑𝑖=1(𝑋𝑖 ) −∑𝑖=1 𝑋𝑖 ∑𝑖=1 𝑋𝑖 𝑌𝑖
;
̂ 2 𝑛 ̂ 2
𝑛 ∑𝑛
𝑖=1(𝑋𝑖 ) −∑𝑖=1(𝑋𝑖 )
𝑏=
𝑛 ̂
𝑛 ̂
̂ ̂
𝑛 ∑𝑛
𝑖=1 𝑋𝑖 𝑌𝑖 −∑𝑖=1 𝑋𝑖 ∑𝑖=1 𝑌𝑖
;
̂ 2 𝑛 ̂ 2
𝑛 ∑𝑛
𝑖=1(𝑋𝑖 ) −∑𝑖=1(𝑋𝑖 )
(5.2)
(5.3)
где 𝑋̂𝑖 − оценка математических ожиданий измеряемых координат 𝐿𝑖 ;
𝑌̂𝑖 − оценка математических ожиданий измеряемых координат 𝐿𝑖 ;
𝑛 − количество отсчетов на участке аппроксимации.
Аппроксимирующие линии экстраполируют в сторону стыка. Затухание для
стыков ОВ, как правило, измеряется рефлектометрами в автоматическом режиме.
При этом существует несколько методов задания исходных данных для
проведения таких измерений.
Указанные методы состоят в расстановке специальных маркеров на
рефлектограмме. Наибольшее распространение нашел способ пяти точек. Он
106
реализован в рефлектометрах стран СНГ, фирм Anritsu, Laser Precision и ряде
других. В соответствии с ним, в режиме «Измерение затухания на стыках ОВ»,
оператор расставляет по два маркера (с условно назначенными номерами 1, 2 и 4,
5) на монотонно спадающих фрагментах рефлектограммы, соответствующих
участкам волокон, которые граничат со стыком с разных сторон. При этом важно,
чтобы они не находились на выбросах и провалах характеристики.
Последний маркер (номер 3) устанавливается в месте стыка - там, где
планируется произвести измерение затухания. Вычисление параметров 𝑎 и 𝑏
происходит в режиме линейной аппроксимации, по отсчетам рефлектограммы
между границами, обозначенными маркерами 1 и 2, а также 4 и 5.
Расстояние по оси ординат между полученными прямыми в точке установки
маркера 3 пропорционально искомому значению затухания.
Применяется и полиноминальная аппроксимация участков, расположенных
между маркерами 1, 2 и 4, 5. В этом случае участки разбиваются на равные
интервалы, на границах которых измеряются уровни мощности. По измеренным
значениям производится аппроксимация кривых каким-либо полиномом. Весь
процесс
измерения
(кроме
расстановки
маркеров)
осуществляется
а
автоматическом режиме.
Известен также двухмаркерный способ, реализованный в рефлектометре
ОР-310, при котором по обе стороны от стыка на одинаковом расстоянии, на
монотонных участках рефлектограммы, устанавливаются два маркера. Затем
измерительная программа производит разбиение участка между ними на равные
интервалы и осуществляет измерение уровней мощности, аппроксимацию,
экстраполяцию и расчет затухания [54].
5.3.3 Метод медианной фильтрации
При обработке сигнала, полученного на выходе приемного тракта
рефлектометра, важной задачей является устранение в сигнале коротких
импульсов, обусловленных шумами.
107
Метод медианной фильтрации позволяет решить данную задачу, сохранив
при
этом
крутизну
«ступенек»
сигнала,
что
является
существенным
преимуществом указанного метода по сравнению, например, с использованием в
рассматриваемом случае фильтра низкой частоты (ФНЧ). Суть метода состоит в
следующем.
На каждом шаге обработки сигнала, результатом которого должно явиться
установление нового значения одного из его отсчетов, выделяется некоторая
последовательная группа отсчетов, причем указанный отсчет является в ней
центральным. Группа имеет фиксированную длину.
Далее производится сортировка отсчетов внутри этой группы по
возрастанию значений, после чего в качестве результата операции на данном шаге
берется значение среднего отсчета в группе. Группа отсчетов, обрабатываемых на
следующем шаге, является сдвинутой относительно текущей на один отсчет.
Очевидно, что отсчеты, представляющие короткие импульсы, в процессе
сортировки смещаются к краю группы, тогда как если имеется ступенчатый
перепад сигнала, его форма сохраняется.
5.4
Алгоритм
увеличения
метрологических
характеристик
рефлектометров
Современный подход к изучению различных явлений предусматривает
компьютерную обработку результатов измерений. При исследовании явлений,
происходящих
в
волоконных
световодах,
последнее
является
особенно
актуальным, ввиду весьма высокой сложности исследуемых процессов. Поэтому,
создание компьютерных программ обработки результатов измерения волокон,
представляет собой очень важную задачу.
Волновые процессы, происходящие в многомерных системах, к каким
относится волоконно-оптические линии связи, достаточно сложны. В случае
одномодового оптического волокна, рассматриваемого как среда распространения
сигнала, процесс существенно упрощается, если такое волокно рассматривать в
108
качестве одномерной системы, состоящей из некоторого числа одинаковых
элементов, передающих воздействие [54].
Каждый элемент должен обладать
возможностью настройки, в зависимости от конкретных условий.
Участку подобной протяженной системы, длина которого равна длине
распространяющейся волны той спектральной составляющей исследуемого
сигнала, которая имеет максимальную частоту, должны соответствовать минимум
два таких элемента. Это следует из теоремы Котельникова. Если имеется в виду
оптический сигнал, то количество элементов является чрезвычайно большим и в
ряде случаев оказывается необходимым другое решение.
По мнению автора, наиболее перспективным для создания алгоритмов
обработки результатов измерения параметров рассматриваемых протяженных
структур и пространственных срезов процессов, происходящих в них, является
подход, основанный на использовании полиноминальной аппроксимации [36].
Как уже упоминалось, одномодовое оптическое волокно может быть
представлено в качестве одномерной среды распространения волн, которая
содержит различные неоднородности, отражающие и рассеивающие излучение
[53].
Распространяющиеся в волокне оптические импульсы представляют собой в
каждый момент времени некоторое распределение электромагнитного поля вдоль
световода. Поэтому мгновенное состояние процесса распространения излучения
может рассматриваться с точки зрения реализации алгоритма, так же, как и
неоднородности волокна.
В соответствии с данным подходом предлагается представить каждый
измеряемый параметр волокна, как функцию расстояния от его начала, описать
бесконечную
последовательность
копий
получившейся
зависимости
периодической функцией и осуществить аппроксимацию последней рядом Фурье
[54].
На рисунке 5.4 изображена блок схема модели компьютерной обработки
результатов измерений параметров оптического волокна, основанной на
полиноминальной аппроксимации.
109
Рисунок 5.4 – Блок схема модели компьютерной результатов измерений
параметров оптического волокна, основанной на полиноминальной
аппроксимации
Исходные данные от источника помещаются в четыре базы данных (БД):
-БД – излучения;
-БД – механического напряжения;
-БД – структуры волокна;
-БД – параметров процесса.
Источником может быть рефлектометр, имеющий интерфейс соединения с
компьютером.
Выбор вида представления информационного элемента в БД является
весьма важной технической задачей, поскольку от этого сильно зависит как
точность обработки, так
и производительность системы в целом. С одной
стороны необходимо наличие максимальных возможностей описания физических
процессов, с другой — минимизация объема данных в каждой записи БД.
Поскольку, число информационных элементов является чрезвычайно
большим. Например, при длине световода 100 км и длине волны излучения 1,55
110
мкм оно равно 1,89·1011, это создает заметные проблемы с хранением
соответствующего объема данных в одной таблице БД.
С точки зрения автора, наиболее оптимальным является сопоставление
каждой такой таблицы одному непрерывному участку волокна (например,
строительной длины).
В первых трех базах данных содержится информация, представляющая
пространственно-неоднородные структуры
- распределение напряженности
электрической составляющей поля вдоль оптического пути, распределение
механического напряжения по длине волокна, а также структуру оптического
пути (неоднородности). Следует отметить, что перечисленные данные должны
храниться в указанных базах с исключением избыточности, поскольку в
противном случае объем БД мог бы оказаться чрезвычайно большим.
Содержимое
осуществляющими
этих
баз
считывается
полиноминальную
модулями
аппроксимацию.
подготовки
данных,
Выходные
данные
модулей сохраняются в соответствующих промежуточных БД, из которых они
поступают в модуль обработки.
Модуль обработки данных является главным и осуществляет основные
операции с данными. На характер обработки оказывает влияние информация,
расположенная в БД параметров процесса. Выходные данные модуля попадают
в БД состояния объекта, которое соответствует определенному шагу обработки.
Эти данные, представленные в виде параметров аппроксимирующего полинома,
подаются на вход следующей ступени обработки, реализуемой модулем
преобразования данных, который переводит результаты моделирования в
пространственную форму представления и записывает их в БД с исключением
избыточности.
Модуль обработки данных имеет две таблицы, одна из которых
предназначена для передаваемых данных, а другая - для принимаемых. Данные
в первой таблице формируется внешними (по отношению к рассматриваемому
комплексу), средствами. По окончании работы программ, приемная таблица
содержит выходные данные. Таблицы передачи и приема, а также ряд других
111
таблиц, через которые проходят обрабатываемые данные, имеют одинаковый
базовый
набор
полей.
Некоторые
из
этих
таблиц
содержат
также
и
дополнительные поля.
По отношению к каждому измеряемому параметру волокна, следует
рассматривать два направления распространения света, для каждого из которых
формируются проходящий и отраженный выходные сигналы. Таким образом,
имеются четыре группы параметров, характеризующих пространственные срезы
процесса — то есть его состояние в точках неоднородности. В этих точках
определяются параметры сигнала (процесса), сохраняемые в таблице, которая
имеет связь с таблицей неоднородностей (нормированных значений сигнала, для
каждого вида неоднородности).
Ниже перечислены сохраняемые параметры:
-значение огибающей мощности оптического сигнала после прохождения
через неоднородность в прямом направлении;
-время окончания прохождения сигнала через неоднородность в прямом
направлении;
-амплитуда оптического сигнала после прохождения через неоднородность
в прямом направлении;
-фаза оптического сигнала после прохождения через неоднородность в
прямом направлении;
-частота оптического сигнала после прохождения его через неоднородность
в прямом направлении;
-значение огибающей мощности отраженного сигнала для прохождения
через неоднородность в прямом направлении;
-время окончания формирования отраженного сигнала для прямого
направления прохождения через неоднородность;
-амплитуда отраженного оптического сигнала для прохождения через
неоднородность в прямом направлении;
-фаза
отраженного
оптического
неоднородность в прямом направлении;
сигнала
для
прохождения
через
112
-частота отраженного оптического сигнала для прямого направления
прохождения через неоднородность;
-значение огибающей мощности оптического сигнала после прохождения
через неоднородность в обратном направлении;
-время окончания прохождения сигнала через неоднородность в обратном
направлении
-амплитуда оптического сигнала после прохождения через неоднородность
в обратном направлении;
-фаза оптического сигнала после прохождения через неоднородность в
обратном направлении;
-частота оптического сигнала после прохождения его через неоднородность
в обратном направлении;
-значение огибающей мощности отраженного сигнала для прохождения
через неоднородность в обратном направлении.
-время окончания формирования отраженного сигнала для обратного
направления прохождения через неоднородность;
-амплитуда отраженного оптического сигнала для прохождения через
неоднородность в обратном направлении;
-фаза
отраженного
оптического
сигнала
для
прохождения
через
неоднородность в обратном направлении;
-частота отраженного оптического сигнала для обратного направления
прохождения через неоднородность.
Приведенный список параметров обладает некоторой избыточностью.
Например, значение огибающей мощности оптического сигнала в точке
неоднородности может быть вычислено исходя из амплитуды, а время появления
сигнала на выходе элемента, можно определить при известном значении фазы в
этой точке. Однако, наличие указанной дополнительной информации является
полезным для облегчения дальнейших расчетов, исходные данные которых
формирует рассматриваемый алгоритм.
113
Для каждого из приведенных параметров, в таблицах предусмотрено
специальное поле, начиная
с
соответственно,
номер
порядковый
четвертого.
Первые
группы
записей
три
поля
содержат,
элемента,
метку
и
идентификатор подпроцесса.
Меткой может являться любая текстовая строка. Она не обрабатывается
данным алгоритмом и может быть использована для обозначения определенных
точек волокна с целью повышения удобства работы с программой.
Таблица параметров волокна имеет для каждой из перечисленных величин
специальное поле. Поля расположены в том же порядке, начиная с третьего.
Первые два поля заняты соответственно номером группы записей элемента и
меткой.
Помимо перечисленных выше, существуют еще две таблицы, первая из
которых имеет одно поле и предназначена для ведения списка идентификаторов
отражательных
событий,
задействованного
в
дополнительном
механизме
контроля их уникальности.
Вторая
таблица является промежуточной, и служит для временного
хранения данных всех параметров зафиксированного события, предшествующего
текущему (для которого на текущем шаге работы алгоритма производится
обработка данных). Список полей этой таблицы является таким же, как и для
таблицы состояния процесса.
Блок-схемы алгоритмов модуля подготовки данных и модуля обработки
данных приведены соответственно на рисунках 5.2 и 5.3.
Модуль подготовки данных имеет блок, обозначенный как «обработка
данных». Соответствующая ему процедура состоит из двух частей, первая из
которых предназначена для продвижения сигнала на один шаг в обратном
направлении (от конца волокна к началу) а вторая - в прямом направлении (от
начала к концу). Такая последовательность действий обусловлена тем, что
продвижение,
например,
в
обратном
направлении
реализуется
последовательностью действий, для каждого из которых исходными данными
являются параметры процесса для события, расположенного на один шаг дальше
114
от текущего, по направлению к концу волокна. Поэтому, при выполнении
расчетов каждого из направлений происходит поочередная обработка элементов в
противоположном направлении.
Таким образом, вычисление состояния любого подпроцесса на одном шаге
продвижения сигнала предполагает существование последовательности стадий
для ряда событий при переходе от каждого из них к предыдущему, и так далее, до
начальной записи подпроцесса. А затем - к порождающей записи этого
подпроцесса, то есть на другое направление, и через всю последовательность
предшествующих подпроцессов, и отражательных событий - к первичному
источнику сигнала.
Блок-схема алгоритма первой части процедуры обработки данных
представлена на рисунке 5.6. Вторая часть отличается от первой только
соответствующей сменой направления.
Взаимодействие между модулями организовано с помощью системы
флагов, сигнализирующих о состоянии готовности данных на выходе одного, а
также о факте считывания их другим. Сами данные передаются через две
буферные таблицы, каждая из которых имеет единственную запись. Одна из этих
таблиц предназначена для передачи данных от модуля подготовки данных к
модулю обработки, а другая – в обратном направлении.
Имеется два флага готовности данных (по числу направлений). Флаги
представляют собой поля логического типа, организованные в третьей,
специальной таблице, которая также имеет одну запись. Каждый модуль
анализирует состояние своего флага готовности выходных данных и, обнаружив
его сброшенное состояние, свидетельствующее о считывании предыдущих
данных другим модулем, производит выдачу новых данных в буферную таблицу с
последующей установкой указанного флага.
Такое решение несколько замедляет работу всего алгоритма, что
обусловлено ожиданием готовности данных, однако, позволяет разместить
компоненты на разных компьютерах, давая определенные удобства.
115
Рисунок 5.4 – Блок схема алгоритма модуля подготовки данных
116
Рисунок 5.5 – Блок схема алгоритма модуля обработки данных
117
Рисунок 5.6 – Блок схема алгоритма процедуры обработки данных
118
Помимо двух перечисленных флагов, имеется и третий, организованный в
той же таблице. Это флаг конца процесса. Его установка происходит при
достижении заданного максимального количества отсчетов данных, принимаемых
модулем обработки, и вызывает завершение работы модуля подготовки данных.
Необходимо
подчеркнуть,
что
такая
структура,
осуществляющая
ступенчатую обработку данных с сохранением результатов ее промежуточных
стадий, является очень гибкой и позволяет модифицировать весь процесс
проведения
измерений,
путем
подключения
любых
необходимых
обрабатывающих модулей, имеющие соответствующий интерфейс. По мнению
автора, описанный подход является наиболее оптимальным.
119
Выводы по главе
В данной главе было поведено рассмотрение методов улучшения
метрологических характеристик рефлектометров, в ходе которого обозначились
определенные сложности, связанные со спецификой рассматриваемых методов,
к числу которых следует отнести, например, рефлектометрический анализ
волокон большой длины.
Автором предлагается реализовать модульный алгоритм распределенных
вычислений на основе программного обрабатывающего комплекса, идеи которого
рассмотрены в [52].
Разработанный
алгоритм
позволяет
выполнять
основные
функции
обработки информации конвейерным методом. Это осуществляется в так
называемых передаточных цепях и сетях, в которые входят программные модули,
связанные через промежуточные базы данных. Взаимодействие модулей в
процессе обработки данных осуществляется посредством флагов.
Указанный подход удалось реализовать, путем представления каждого
измеряемого параметра в виде функции расстояния от начала волокна, описания
бесконечной
последовательности
копий
этой
зависимости
периодической
функцией и осуществить ее полиноминальную аппроксимацию рядом Фурье.
Актуальность задачи компьютерной обработки полученных данных при
измерении световодов, различных элементов оптического тракта и изучении
процессов, которые происходят в них, создает предпосылки применения
модульного подхода к проблеме улучшения
метрологических характеристик
рефлектометров. Это не только позволяет получить возможность расширения
функциональности рефлектометров
и увеличения точности измерений, но и
добиться максимальной эффективности и удобства работы с ними.
120
Заключение
Повсеместному
внедрению
волоконно-оптических
линий
связи,
способствует устойчивый рост информационного обмена, наблюдаемый в
современном обществе, а также развитие высокоточных технологий. На фоне
всего этого, создаются предпосылки для широкого использования средств и
методов диагностики ВОЛС, в основе которых лежат принципы непрерывного
мониторинга оптических волокон, и бриллюэновская рефлектометрия.
В диссертационной работе осуществлен обзор достижений в сфере
упомянутых методов, и поведен их анализ. Рассмотрены варианты реализации
систем
диагностики
оптических
волокон,
технические
характеристики
используемых средств измерений.
Поскольку одним из основных средств измерений, проводимых на ВОЛС
является оптический рефлектометр, значительная часть исследования посвящена
поиску путей усовершенствования данных приборов.
Такими
направлениями
частотномодулированная,
Использование
а
являются
также
радиочастотных
непрерывноволновая
низкокорреляционная
измерительных
сигналов,
рефлектометрия.
модулирующих
оптическую несущую, позволяет существенно увеличить длину тестируемых
участков оптического кабеля.
Особое
внимание
в
данной
работе
уделено
бриллюэновской
рефлектометрии. Рассмотрены принципы действия приборов, в основе принципа
действия которых, реализован этот метод.
Поскольку
широкому
и
основным
сдерживающим
повсеместному
внедрению
фактором,
оптических
препятствующим
рефлектометров
и
анализаторов, является весьма высокая стоимость этих приборов, разработан
алгоритм, позволяющий повысить метрологические характеристики широко
распространенных
рефлектометров,
посредством
использования
метода
распределенных вычислений, реализованного в виде алгоритма для программного
обрабатывающего комплекса.
121
В основе используемого метода лежит принцип
полиноминальной
аппроксимации, идеи которого рассмотрены в [52], но до сих пор так и не
реализованы.
Основным
препятствием
здесь
послужили
ограничения
вычислительной мощности и объемов памяти портативных измерительных
приборов. Но в данный момент, с появлением планшетных компьютеров и
малогабаритных ноутбуков, данная задача может быть успешно решена.
Повышение точности измерений является ключевым, перспективным
направлением развития оптических рефлектометров, а
дороговизна этих
приборов, способствует поиску путей усовершенствования наиболее простых и
дешевых моделей.
Разработанный
алгоритм,
реализованный
программно,
позволит
усовершенствовать существующие средства диагностики оптических волокон,
повысить точность проводимых измерений и функциональность измерительных
приборов.
122
Список использованных источников
1. Рекомендация ITU-T G.652. Характеристики одномодового волоконнооптического кабеля.
2. Рекомендация ITU-T G.653. Характеристики одномодового волоконнооптического кабеля со сдвигом дисперсии.
3. Рекомендация ITU-T G.975. Forward error correction for submarine systems.
4.
Рекомендация
ITU-T
G.662.
Общие
характеристики
волоконно-
оптических усилителей и систем.
5. Конструкция, прокладка, соединение и защита оптических кабелей связи
//Рекомендации МСЭТ, Женева, 1994 г.
6. Андреев В.А. Измерения на ВОЛП методом обратного рассеяния.
Учебное пособие для ВУЗов / В.А. Андреев, В.А. Бурдин, В.С. Баскаков, А.Л.
Косова – Самара: СРТТЦ ПГАТИ, 2000. – 107 с.: ил.
7.
Акопов
С.Г.,
Васильев
Н.А.,
Поляков
М.И.
Использование
бриллюэновского рефлектометра при испытаниях оптического кабеля на
растяжение / LIGHTWAVE Russian Edition №1 2006, www.lightwave-rassia.com.
8. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Семин А.В. Методические
особенности регистрации и обработки сигналов обратного рассеяния / Тезисы
докладов
14
научно-технической
конференции
«Фотометрия
и
ее
метрологическое обеспечение», М, 2004. С. 53.
9. Аджемов, А. С. Перспективные направления развития оптических сетей
связи / А. С. Аджемов, А. Б. Васильев, А. Е. Кучерявый // Электросвязь. – 2008. –
№10. – С. 6–7.
10. Былина М.С., Глаголев С.Ф., Кочановский Л.Н., Пискунов В.В.
Измерение параметров волоконно-оптических линейных трактов. Учебное
пособие. – СПб: СПб ГУТ, 2002. – 68 с.
11. Битнер, В. И. Нормирование качества телекоммуникационных услуг :
учеб. пособие для вузов / В. И. Битнер, Г. Н. Попов. – М. : Горячая линия –
Телеком, 2004. – 312 с.
123
12. Вербовецкий А.А. Основы проектирования цифровых оптоэлектронных
систем связи. М.: Радио и связь, 2000. – 487 с.
13. Горлов Н.И., Ремпель Р.В., Татаркина О.А., Черкашин В.К. Волоконнооптические линии передачи. Методы и средства измерения их параметров Новосибирск: Веди, 2005. – 261с, ил.
14. Горлов Н.И., Ситнов Н.Ю. Распределенные волоконно-оптические
датчики на принципе вынужденного бриллюэновского рассеяния / Материалы X
международной
конференции
«Актуальные
проблемы
электронного
приборостроения», Новосибирск, 2010г., Том 4, С. 174-176.
15. Горлов Н.И., Микиденко А.В, Минина Е.А. Оптические линии связи и
пассивные компоненты ВОСП. Учебное пособие/ Сибирский государственный
университет телекоммуникаций и информатики. − Новосибирск, 2003. – 154с.
16. Gorlov N.I., Sitnov N.Y. Distributed Fiber Optical Sensors on a Principle of
Stimulated Brillouin Scattering // International Conference on ≪Actual Problems of
Electronic Instrument Engineering Proceeding≫, 2010, Vol. 1,P. С. 145-147.
17. Гуртов В. А. Оптоэлектроника и волоконная оптика. Учебное пособие. Петрозаводск: ПетрГУ, 2005.-238 с. /http://dssp.petrsu.ru/files/pdfopto.pdf.
18. Гуров И.П. Оптическая когерентная томография: принципы, проблемы
и перспективы. М.: Радио и связь, 2010. – 347 с.
19. Глаголев С.Ф. Передаточные характеристики оптических волокон.
Учебное пособие для вузов. С.Ф. Глаголев, В.С. Иванов, Л.Н. Кочановский СПб
ГУТ, 2014. – 115 с.
20. Гордиенко В.Н. Оптические телекоммуникационные системы/В.Н.
Гордиенко, В.В., Крухмалев, А.Д. Моченов, Р.М. Шарафутдинов; под ред.
Проффесора В.Н. Гордиенко. – М.: Горячаялиния, 2013. – 368с.
21. Здоровцов И.А., Семенюта Н.Ф. Системы оптической связи //
Автоматика, телемеханика и связь. – 2002. – 336 с.
22. Здоровцов И.А., Семенюта Н.Ф. Проблемы надежности волоконнооптических
линий
передачи
данных
//Комплексная
эксплуатация
видов
124
транспорта: Международный сборник научных трудов. – Гомель: БелГУТ, 2004. –
206 с.
23. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии
связи. М: Эко-Трендз, 2002. – 356 с.
24. Иванов А. Б. Волконная оптика: компоненты, системы передачи,
измерения. – М.: Компания Сайрус Системс, 2009. – 671 с.
25. Jasenek J. OFDR with the frequency scanning (OFDR-FS) // The theory
and application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project
No.10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE.
26. Jasenek J. OFDR with the synthesized coherence function (OFDR-SCF) //
The theory and application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE
project No. 10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE.
27. Jasenek J. Correlation OTDR (C-OTDR) // The theory and application of
the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No. 10063-CP-l2000-1-PT-ERASMUS-ETNE http://www.eaeeie.org/theiere_bratislava/4-2.html.
28. Jasenek J. Low correlation OTDR (LC-OTDR) // The theory and
application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No.
10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE.
29. Jasenek J. Coherent OTDR (CO-OTDR) // The theory and application of
the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No. 10063-CP-12000-1-PT-ERASMUS-ETNE http://www.eaeeie.org/theiere_bratislava/4-l.html#ss4.1.
30. Jasenek J. Photon-Counting OTDR (PC-OTDR) // The theory and application
of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No.
10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE.
31. Кулева Н. Н., Федорова Е. Л. Архитектурное представление сетевых
слоев в процессах мультиплексирования в транспортных сетях SDH/ СПб ГУТ. –
СПб., 2004. – 236 с.
32. Кулева Н. Н., Федорова Е. Л. Транспортные технологии SDH и OTN:
учебное пособие / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2009. – 316 с.
125
33. Кулева Н. Н., Федорова Е. Л. Оптические интерфейсы транспортных
сетей SDH и OTN : учебное пособие / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2009. – 126 с.
34. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон ЛЕСАРарт, 2005. – 208 с.
35. Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика:
Пер. с англ. М.: Наука. Физматлит, 2010. – 896 с.
36. Пальчун Ю.А., Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Мониторинг и методы ранней
диагностики повреждений оптических волокон // Измерительная техника
№5,2010г. / Новосибирск, 2010. - С. 24-28.
37. Петренко И.И., Убайдуллаев Р.Р. Пассивные оптические сети. Часть 1.
Архитектура и стандарты//LIGHTWAVE Russian edition. – 2004. - №1. – С.22 – 28.
38. Петренко И.И., Убайдуллаев Р.Р. Пассивные оптические сети. Часть 3.
Проектирование оптимальных сетей//LIGHTWAVE Russian edition. – 2004. - №3. –
С.21 – 28.
39. Проблемы когерентной и нелинейной оптики. Под ред. Гурова И.П. и
Козлова С.А. СПб.: СПб ГУ ИТМО. - 2004. - С. 6-30.
40. Ракк, М. А. Измерения в цифровых системах передачи / М. А. Ракк :
учеб. пособие для вузов – М. : Маршрут, 2004. – 196 с.
41. Семенюта Н.Ф. Волоконно-оптические кабельные системы связи. –
Гомель: БелИИЖТ, 2002. – 579 с.
42. Семенюта Н.Ф., Малявко В.Е., Смоленчук B.C. Волоконно-оптические
линии связи. – Гомель: БелИИЖТ, 2009. – 456 с.
43.
Семенюта
Н.Ф.,
Котов
А.А.
Волоконно-оптические
кабели
//
Автоматика, информатика и связь. – 1999. – № 5.
44. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей
связи. М.: Радио и связь, 2012. – 417 с.
45. Ситнов Н.Ю. Методы контроля натяжения оптических волокон
Материалы
Российской
науч.-техн.
конф.
«Информатика
и
проблемы
телекоммуникаций», Новосибирск, 2008г., Том 1. – 311 с.
46. Ситнов Н.Ю. Задачи и методы мониторинга ВОЛП // Информатика и
126
проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 26-27
апреля 2007 г. / ред. Г.В.Катунина; Новосибирск, 2007. - Т.2 - С. 91-92.
47. Ситнов Н.Ю. Структура и функции RFTS // Информатика и проблемы
телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 26-27 апреля 2007 г.
/ ред. Г.В.Катунина; Новосибирск, 2007. - Т.2 - С. 92-93.
48. Ситнов Н.Ю. Проблемы технической эксплуатации разветвленных
ВОЛП.
Материалы
5-й
Международной
заочной
научно-практической
конференции «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 2008г, С. 197-199.
49. Ситнов Н.Ю. Вариант реализации обрабатывающих структур в
информационных системах / http://dataprocessor.narod2.ru/index.htm.
50. Ситнов Н.Ю. Моделирование процессов в волоконных световодах /
Материалы
российской
науч.-техн.
конф.
«Информатика
и
проблемы
телекоммуникаций», Новосибирск 2009г., Том 1, С. 160-161.
51. Ситнов Н.Ю. Вариант модели оптического волокна и процессов в нем /
Материалы
российской
науч.-техн.
конф.
«Информатика
и
проблемы
телекоммуникаций», Новосибирск 2009г., Том 1, С. 161-162.
52. Ситнов Н.Ю. Вариант технической реализации системы распределенных
вычислений / Материалы российской науч.-техн. конф. «Информатика и
проблемы телекоммуникаций», Новосибирск 2010г., Том 1, С. 205.
53. Ситнов Н.Ю. Упрощенное моделирование процесса формирования
рефлектограмм
волоконных
световодов
//
Информатика
и
проблемы
телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 21-22 апреля 2011
г./Новосибирск, 2011.-Т. 1- С. 237-238.
54. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы измерения параметров
ВОЛС // Метрология и измерительная техника связи. – 2002. – № 5. – С. 64–65.
55. Семин А.В., Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф. Патент на полезную
модель № 37209 «Оптический корреляционный рефлектометр» от 10.04.2004 г.
бюл. №10 по заявке 2003137925/20 от 18.12.2003.
56. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH/ Н.Н. Слепов. М.: ЭкоТрендз, 2007. – 567 с.
127
57. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. М: Эко-трендз, 2010. –
235 с.
58. Свинцов А.Г. Тридцать лет ВОЛС. Эволюция систем передачи
информации/ А.Г. Свинцов. М.: Фотон-Экспресс, 2013. – 455 с.
59. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических
линий связи. Под редакцией Б.В.Попова -М. «Радио и связь»-2005 г. – 615 с.
60. Хрычев В.Е. Разработка и исследование методов и приборов оптической
рефлектометрии во временной области. / Санкт-Петербургский государственный
ун-т телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. – СПб, 2008. – 135 с.
61.Шмалько А.В. Системы спектрального уплотнения оптических каналов.
М.: Вестник связи, №4, 2012. – 355 с.
62. Фримен Р. Перевод с английского под редакцией Слепова Н.Н.
Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2013 г, 381 с.
63. Элькинд С.А., Быков В.П. Оптический резонатор // Физический
энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.М.Алексеев,
А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. -М.: Сов. Энциклопедия, 1984. 944 с.
