Разработка системы поверки и калибровки оптико-волоконных измерительных приборов

21

Оглавление

Введение

Техническое задание

Методология калибровки оптико-волоконных измерительных приборов

Базовые концепции

Калибровка измерителя оптической мощности

Калибровка источника оптического излучения

Калибровка анализаторов затухания оптических кабелей

Калибровка оптического аттенюатора

Разработка системы калибровки оптико-волоконных измерительных приборов

Калибровка оптического рефлектометра

Определение динамического диапазона

Калибровка расстояния

Калибровка затухания

Мертвая зона отражения

Общие параметры калибровки OTDR системой CS-200

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

В связи с широким распространением средств измерений, предназначенных для волоконно-оптических систем связи, все более актуальной становится проблема их периодической поверки и калибровки. Особенно это касается операторов телекоммуникационных сетей, так как проведение калибровки приборов в метрологических организациях приводит к значительной потере времени и средств. Для эффективного решения этой проблемы, ряд компаний, специализирующихся в области средств измерений, разработали автоматизированные комплексы калибровки приборов волоконной оптики, из которых можно выделить, систему CS-200 широко известной на российском рынке компании EXFO (приложение 1). Данная система позволяет производить калибровку измерителей мощности, источников излучения, аттенюаторов и OTDR, обеспечивая при этом возможность автоматического управления всеми процессами калибровки в соответствии со стандартом NIST. Система калибровки оптических приборов CS-200 выполняет всесторонние автоматизированные тесты, в том числе:

· калибровку по абсолютной мощности и измерение линейности измерителей мощности;

· измерение выходной мощности, стабильности и чувствительности к уровню отражений сигнала оптических источников излучения;

· калибровку оптического затухания, отражения, вносимых потерь, линейности и повторяемости оптических аттенюаторов;

· калибровку OTDR как по затуханию, так и по расстоянию;

Важной чертой данной системы является возможность ее развития от базисной установки до системы калибровки, которая может быть приспособлена для решения наиболее сложных задач.

Техническое задание

Наименование разработки:

Разработка системы поверки и калибровки волоконно-оптических измерительных приборов.

Основание для создания:

Материалы научно-методических разработок.

Назначение и цель:

Назначение: Комплексная поверка оптико-волоконных приборов.

Цель: Разработка новой системы калибровки для оптико-волоконных приборов.

Требования к средствам поверки:

При поверке оптико-волоконных опираясь на правило, что образцовое средство должно по классу превышать поверяемое не менее чем в три раза, определяем следующие технические условия для средств поверки:

· магазин сопротивлений МСР - 60 (применяется в качестве меры сопротивления)

· низкоомный потенциометр постоянного тока Р 306 (применяется в качестве меры напряжения)

· мегомметр типа М 101 М с номинальным напряжением 100 и 500 В

· установка для проверки испытания электрической прочности изоляции типа УПУ -1М

· манганиновые катушки  сопротивления с номинальными значениями сопротивления, указанными в технической документации, аттестованные органами метрологической службы

· термостат для обеспечения стабильной температуры спаев термоээлектродныхх и медных проводов

· делитель напряжения Р 35

· источник регулируемого напряжения ИРН - 64

· стеклянный ртутный термометр с ценой деления шкалы не более 0.1°С

· психрометр, измеряющий влажность окружающего воздуха с погрешностью не более 7%

· секундомер с ценой деления 0.1

· штангенциркуль с ценой деления 0.1 мм, предназначенный для измерения ширины записи диаграммных лент

Методология калибровки оптико-волоконных измерительных приборов

Базовые концепции

Система калибровки CS-200 управляется одним из визуальных приложений программного обеспечения IQ-12002, которое интегрирует операции тестирования и измерения параметров приборов, позволяя проводить операции калибровки в полностью автоматизированном режиме. Подобно всем визуальным приложениям, IQ-12002 является эффективным и дружественным. Оно управляет полным циклом измерения согласно предустановленным параметрам пользователя, что устраняет возможность ввода неверных данных и исключает дорогостоящие процедурные ошибки. Благодаря используемому программному обеспечению, позволяющему значительно экономить время, необходимое для калибровки большого числа приборов благодаря тестированию подобно проходит / не проходит и, выполняя автоматический запрос следующего поверяемого устройства, эффективность данной системы значительно выше по сравнению с традиционными испытательными системами. Данное программное обеспечение характеризуется:

· логично-связанным построением инструкций, как в графических, так и в текстовых форматах, используя интуитивно ясное представление информации;

· сохранением в базе данных полной информации относительно каждого поверяемого устройства;

· генерированием детализированных отчетов с таблицами данных и графиками, которые могут быть распечатаны в виде резюме или преобразованы в форматы среды Windows 95 РС компьютера;

Таким образом, встроенная гибкость программного обеспечения IQ-12002 совместно с модульной конструкцией IQ-200 системы дает пользователю свободу быстрого реконфигурирования любых тестов как на одной длине волны, так и на двух длинах волн для одномодового оптического волокна. Ниже рассмотрена базовая система калибровки CS-200 основных измерительных приборов волоконной оптики.

Калибровка измерителя оптической мощности

Как известно [1] измеритель оптической мощности (Optical Power Meter - OPM) выполняется на основе фотоприемника - последовательно соединенных фотодиода и прецизионного нагрузочного резистора, значения тока и температуры которых поддерживаются на заданном уровне посредством стабилизированного источника тока и термостабилизатора (приложение 2).

Переменная составляющая напряжения на резисторе, пропорциональная модулированному входному световому потоку, подается через аналого-цифровой преобразователь на микропроцессор, связанный с блоком памяти и интерфейсом ввода-вывода. Такая архитектура OPM позволяет автоматизировать ряд операций, которые ранее выполнялись вручную, например, операцию установки нуля, самокалибровки, определения оптимального динамического диапазона измерений, длины волны входного светового потока, сохранения и печати полученных результатов и др. Несмотря на возможность самокалибровки, OPM необходимо периодически поверять для того, чтобы гарантировать неизменность параметров в течение продолжительного времени. При этом используют две основные методики калибровки: прямой метод и метод сравнения. Первый метод заключается в измерении оптической мощности высокостабильного источника оптического излучения поступающего на вход калибруемого OPM через аттенюатор и получении зависимости показаний прибора от уровня входного сигнала. Второй метод заключается в сравнении показаний калибруемого и прецизионного OPM в составе калибровочной системы. Учитывая, что в последнем случае результат калибровки не зависит от затухания вносимого соединительными кабелями, данный метод обеспечивает более высокую точность калибровки. В системе CS-200 могут использоваться как оба рассмотренных метода калибровки OPM по абсолютной мощности, так и определение линейности его характеристики преобразования, например:

· калибровка по абсолютной мощности (рис. 3) выполняется путем сравнения показаний поверяемого устройства (измерителя мощности) с показаниями высокоточного измерителя мощности IQ-1500 на длине волны источника излучения IQ-2100 системы калибровки CS-200, в качестве которого используется высокостабильный DFB лазер. Использование данного источника излучения обусловлено тем, что его центральная длина волны может быть установлена с высокой степенью точности, а ошибка из-за спектральной ширины значительно меньше, чем у лазера Fabry-Perot. При вычислении погрешности поверяемого прибора, программное обеспечение вносит соответствующие поправочные коэффициенты, которые позволяют учесть ряд произвольных источников погрешности системы и тем самым обеспечивает высокую точность расчета коэффициента калибровки.

Рисунок 3 Типовая схема калибровки линейности ОРМ

· определение линейности характеристики преобразования (рис. 4) выполняется методом наложения, основанном на том, что сумма показаний мощности в каждой из двух ветвей оптического ответвителя равна значению мощности на его входе, при этом программное обеспечение может быть сконфигурировано таким образом, чтобы полный тест на линейность включал режимы измерений при увеличении и уменьшении мощности. Для реализации такого метода калибровки, CS-200 дополняется переменными аттенюаторами (IQ-3100) с оптическими соединителями (IQ-9600) имеющими низкие потери вставки. При необходимости охвата наиболее широкого динамического диапазона калибруемого прибора, совместно с переменным аттенюатором может использоваться усилитель оптического диапазона (IQ-6100). Данный метод позволяет определить нелинейность прибора более точно, чем при использовании метода, основанного на одном аттенюаторе.

Рисунок 4 Типовая схема калибровки линейности ОРМ

Калибровка источника оптического излучения

Стабилизированные источники оптического излучения (Stabilized Light Source - SLS) представляют собой излучатель, выполненный на основе полупроводникового лазера, постоянная составляющая мощности излучения которого поддерживается на заданном уровне путем регулирования тока излучателя по сигналу рассогласования источника опорного напряжения и напряжения эталонного фотоприемника, находящегося под воздействием части выходного светового потока - ответвителя (приложение 4).

Стабилизация рабочей точки излучателя осуществляется компаратором, а модулирование светового потока выполняется путем подключения коммутатором либо внешнего, либо внутреннего генератора, управляющего током протекающим через излучатель, необходимый температурный режим которого поддерживается с высокой точностью термостабилизатором. Несмотря на использование стабилизации излучения SLS, нередко возникает необходимость установки точного значения выходной мощности и минимизации неопределенности длины волны полупроводникового лазера, который кроме этого очень чувствителен к отраженным сигналам. В связи с этим очень важно проведение калибровки SLS, включающей определение центральной длины волны, выходной мощности и стабильности источника, а также его чувствительности к отраженным сигналам. Для этого в CS-200 используются высокостабильный источник и измеритель длины волны излучения лазера, прецизионные OPM и аттенюатор, а так же генератор обратно отраженных сигналов (оптического излучения). Последний, как правило, представляет собой перестраиваемый оптический рефлектор, обеспечивающий возврат части излучения к лазеру. При этом:

· определение центральной длина волны осуществляется посредством измерителя длины волны (IQ-5310) отличающегося высокой стабильностью (±10 ppm) в широком диапазоне длин волн (600-1700 нм).

· определение выходной мощности и стабильности (рис. 5) выполняется измерителем мощности (IQ-1100) в течение 15 минут или 8 часов, с представлением результата в виде зависимости показаний последнего от времени.

Рисунок 5 Типовая схема калибровки выходной мощности и определение стабильности SLS

· чувствительность к отраженным сигналам (рис. 6) определяется путем измерения выходной мощности источника излучения при воздействии на его выход сигнала генератора обратно отраженных сигналов IQ-3300, который обеспечивает достаточный диапазон воздействий, чтобы проверить источник излучения.

Рисунок 6 Типовая схема определения чувствительности SLS к отраженным сигналам

В тех случаях, когда необходимо определение спектрального состава оптического излучения полупроводникового лазера, в состав системы калибровки может быть включен анализатор оптического спектра IQ-5200.

Калибровка анализаторов затухания оптических кабелей

На основе рассмотренных оптоэлектронных устройств, строятся анализаторы затухания оптического кабеля (Optical Loss Test Set - OLTS), представляющие собой SLS и OPM, выполненные в одном корпусе. Очевидно, что калибровка данного класса приборов, производится с использованием рассмотренных выше методов калибровки SLS и OPM, которые могут производиться как одновременно, так и последовательно во времени.

Калибровка оптического аттенюатора

Перестраиваемые оптические аттенюаторы представляют собой устройства, основанные на относительном перемещении оптических компонентов на пути прохождения светового излучения, например, оптических призм с тем, чтобы обеспечить требуемый уровень вносимых ими потерь. На в приложении 5 представлена функциональная схема перестраиваемого оптического аттенюатора с микропроцессорным управлением [2].

Калибровка оптических аттенюаторов включает определение коэффициента отражения, вносимых потерь, линейности и повторяемости, установленных значений ослабления, в заданном динамическом диапазоне регулирования затухания:

· затухание отраженного сигнала или что тоже коэффициент отражения (рис. 9), определяются с помощью источника (IQ-2100) и измерителя (IQ-3200) ORL в строгом соответствии с процедурой калибровки EIA-TIA (FOTP 107).

Рисунок 8 Типовая схема измерения отражений

· вносимые потери, определяются по значению мощности источника излучения (IQ-2100), измеренному измерителем мощности (IQ-1100) подключенным вначале двумя соединенными перемычкой пачкордами (patchcords) непосредственно к излучателю, а затем к аттенюатору, установленному в режим минимального ослабления. В результате световое излучение источника передается через калибруемый аттенюатор, и полученное значение мощности вновь измеряется IQ-1100.

· линейность характеристики преобразования аттенюатора (рис. 10) определяется в заданном диапазоне ослабления, используя высокостабильный DFB источник (IQ-2100 BLD) и измеритель мощности IQ-1103, который отличается высокой линейностью характеристики преобразования. Расхождение между установленным значением ослабления и показанием измерителя мощности равно ошибке линейности аттенюатора во всем диапазоне изменения ослабления.

Рисунок 9 Типовая схема линейности аттенюатор

· повторяемость значений ослабления, определяется путем изменения последних от предыдущего значения к новому значению и обратно, во всем диапазоне аттенюации.

Разработка системы калибровки оптико-волоконных измерительных приборов

Калибровка оптического рефлектометра

Принцип действия оптических рефлектометров (Optical Time Domain Reflectometer - OTDR) основан на цифровой обработке с помощью процессора, электрического сигнала оптического приемника, который пропорционален световому потоку, отраженному от неоднородностей светопроводящей среды и представляет собой часть импульсного светового потока создаваемого источником оптического излучения (рис. 11). Для разделения прямого и обратного световых потоков, используется ответвитель, соединенный, соответственно, с выходом излучателя, фото приемником и контролируемой линией связи. В результате цифровой обработки выходного сигнала оптического приемника, синхронизируемой тактовым генератором, на экране дисплея, формируется рефлектограмма, которая представляет собой зависимость отраженной мощности излучения от длины оптического кабеля. Она позволяет определить величину затухания, значение потерь и уровень отраженной мощности, как на всей длине, так и на любом участке оптического кабеля. Кроме этого, по виду рефлектограммы можно установить место обрыва, а так же качество механического или сварного сочленения кабеля.



Рисунок 10 Схема оптического рефлектометра

Очевидно, что рефлектометры, как и рассмотренные выше приборы, требуют периодической калибровки. Кроме этого, в ряде случаев, необходимо самостоятельно удостовериться в соответствии параметров рефлектометра паспортным данным. Учитывая, что этот вопрос слабо отражен в литературе и часто вызывает интерес эксплуатационных служб, рассмотрим его детальнее и покажем основные приемы экспериментального определения параметров OTDR.

Определение динамического диапазона (приложение 7)

· Одномодовое волокно калиброванной длины L_k (рекомендуется производителем конкретного OTDR, например, 10 000 м)

Процедура

1. Выбрать тестируемый модуль.

2. Задать наибольшую длительность импульса, мкс.

3. Выбрать максимальный диапазон рефлектометра, км.

4. Oчистить соединитель и затем подключить к OTDR оптическое волокно.

5. Начать измерение, затем скорректировать вертикальное, и горизонтальное увеличение, отобразить полную кривую, включая шум и участок ввода с максимумом подробностей.

6. В соответствии с рисунком найти точку А и аппроксимировать 2% шумы.
Предупреждение: Область шумов должна быть вне сигналов обратного рассеяния, отражения и сигнала отражения призрака.

7. Вычислить динамический диапазон вдоль вертикальной оси.

8. Удостовериться, что результат отвечает спецификации.
Примечание: Здесь необходимо обратить внимание на то, что уровень излучения зависит от коэффициента обратного рассеяния волокна при тесте.

Калибровка расстояния (Приложение 8)

· Одно одномодовое волокно калиброванной длины (10 000 м).

· Одна френелевская неоднородность с отражением сигнала на расстоянии LF (рекомендуется производителем конкретного OTDR, например, 1250 м).

Процедура

1. Уточнить параметры, используемого для измерения волокна.

2. Выбрать тестируемый модуль.

3. Установить параметры, соответствующие паспорту волокна.

4. Установить время измерения.

5. Выбрать длительность и дальность согласно табл. 1.

6. Oчистить соединитель и подключить OTDR к соответствующему волокну согласно табл. 2.

7. Начать измерение, затем точно установить курсор В на дальнем френелевском отражении сигнала как показано на рисунке.

8. Измерить волоконную длину и сравнить ее с паспортной длиной.

9. Проверить, что результат отвечает спецификации волокна.

10. Повторить эту операцию для каждой длительности импульса.

Таблица 1 - Измерение расстояния модулем DR

Импульс, мкс	0.01	0.02	0.1	0.3	1	3	10
Диапазон, км	5	10	20	40	140
Длина волокна, м	LF	Lk

Таблица 2 - Измерение расстояния модулем SR

Импульс, мкс	0.01	0.02	0.1	0.3	1	3	10
Диапазон, км	5	20	40	140
Длина волокна, м	LF	Lk

Примечание: Здесь необходимо обратить внимание на то, что значения длительностей импульсов для различных OTDR будут отличаться и устанавливаются фирмами производителями.

Калибровка затухания (приложение 9)

· Одномодовое оптическое волокно с известным затуханием.

Процедура

1. Обратить внимание на использование двух позиций маркера для измерения линейного затухания используемого волокна.
Предупреждение: Должно быть только линейное затухание.

2. Выбрать тестируемый модуль.

3. Установить время измерения.

4. Выбрать адаптируемую длительность импульса.

5. Oчистить соединитель и подключить источник к волокну.

6. Начать измерение, потом установить А и В маркеры и выполнить полуавтоматическое измерение ослабления в соответствии с рисунком.

7. Определить линейное затухание на расстоянии А-В.

8. Проверить, что результат отвечает спецификации волокна.

Мертвая зона отражения (приложение 10)

· Источник с френелевским отражением сигнала, равным -27дБ без затухания.

Процедура

1. Выбрать тестируемый модуль.

2. Установить время измерения.

3. Выбрать минимальную длительность импульса.

4. Выбрать диапазон (дальность, дистанцию) до 5000 м.

5. Oчистить соединитель и подключить OTDR к волокну.

6. Начать измерение, затем установить курсор точно на верхней части отраженного сигнала. Примечание. Eсли сигнал отражения не наблюдается, вставьте удлинитель после источника.

7. Выбрать В курсор и переместить его вправо до -1.5 дБ по B-A, а затем выбрать курсор А и переместить его влево до 0.0 дБ по B-A как показано на рисунке.

8. Определить мертвую зону на расстояние B-A.

9. Проверить, что результат отвечает спецификации.

Общие параметры калибровки OTDR системой CS-200:

· калибровка по затуханию и расстоянию выполняются с калиброванным волокном Европейской национальной лаборатории NPL., длиной 2.2 и 12.8 км

· погрешность измерения затухания при двунаправленном измерении: ±0.006 дБ/км

· погрешность измерения расстояния: ±0.5 м

В заключение следует отметить, что система CS-200 полностью соответствует стандартам международной организации по стандартизации ISO-9000.

Основные оптические характеристики для калибровки в одномодовом режиме

Калибровка измерителя оптической мощности
Длина волны, нм	1310±1	1550±1
Рекомендуемое значение калибруемой мощности, мкВт	100 (-10дБм)	100 (-10дБм)
Диапазон изменения мощности при определении линейности, дБм	от -7 до -92	от +7 до -73 EDFA
Нелинейность калибровочной системы, дБ	±0.01	±0.01

Калибровка источника излучения
Тест	Выходная мощность и стабильность	Чувствительность к отражениям
Длина волны, нм	800 - 1700	1200 - 1600
Диапазон мощности источника, дБм	от +5 до -60	от +5 до -40
Рекомендуемое значение калибруемой мощности, мкВт	100 (-10дБм)	100 (-10дБм)
Диапазон изменения отражений, дБ	-	от -15 до -55
Максимальное число выборок	3600	3600

Калибровка аттенюатора
Длина волны, нм	1310±1	1550±1
Диапазон ослабления, дБ	от 0 до 60	от 0 до 60
Нелинейность калибровочной системы, дБ	±0.02	±0.02
Разрешение, дБ	0.001	0.001

Заключение

Повышение производительности труда человека - это заслуга механизации. Уже долгое время она облегчает задачи человека, но не может полностью освободить его от ручного труда или присутствия на рабочем месте. Такие вещи, как оценка результатов контроля и решения вопроса о дальнейшей судьбе проверенной детали - забраковать ее или отправить на доработку, были только в компетенции человека, что требовало затрат умственного труда и относятся к сфере управления производством. Очевидно, эти функции тоже можно упразднить, заменив человека механизмами способными самостоятельно решать данные проблемы. Переложение функций управления процессом с человека на автоматические устройства стало началом нового времени - эры автоматизации.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Вершиной автоматизации стало появление автоматизированных измерительных и диагностических комплексов, которые позволили полностью заменить человека, как важного элемента любого производственного или научно-исследовательского процесса. Опираясь на возможности таких систем и комплексов, человечество поднялось на еще одну ступень в бесконечном стремлении взойти на вершину технического совершенства.

Список литературы

1. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат, 1985

2. Кузьмичев Д. А., Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация экспериментальных исследований. - М.: Наука, 1983.

3. Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г. И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и систем управления,1981.

4. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.

5. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.

Приложения

Приложение 1

Внешний вид поверочной системы CS-200Приложение 2

Схема измерителя оптической мощности

Приложение 3

Схема калибровки ОРМ

Приложение 4

Схема калибровки линейности ОРМ

Приложение 5

Схема стабилизированного источника оптического излучения

Приложение 6

Схема оптического аттенюатора

Приложение 7

Схема калибровки линейности аттенюатора

Приложение 8

Определение динамического диапазона OTDR

Приложение 9

Калибровка OTDR по расстоянию

Приложение 10

Калибровка OTDR по затуханию

Приложение 11

Определение мертвой зоны по отражению