Системы мониторинга и контроля параметров кабельной сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

1 ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ ВОЛС

Измерение затухания ОВ осуществляется на всех стадиях производства оптического кабеля, строительства и эксплуатации ВОЛС.

В общем случае затухания сигнала между точками 1 и 2 системы, что направляет поток энергии, определяются как;

( 1)

где Р1 - мощность сигнала в точке 1, Вт;

Р2 - мощность сигнала в точке 2, Вт, или как разница уровней

( 2)

где p1 и p2 абсолютные уровни мощности в точках 1 и 2 соответственно, дБп.

Таким образом, для оценки затухания необходимо измерять мощность оптического сигнала на входе и выходе ОВ. Основные проблемы измерения затухания ОК связаны с введением оптического излучения в ОВ. Наиболее существенная из этих проблем - некоторая неопределенность оптической мощности, что вводится в ОВ. Эта мощность зависит от качества обработки входного торца ВС, точности юстирования возбуждающего пучка излучения относительно торца ОВ, соотношение между показателями преломления сердцевины ОВ и среды между излучателем и торцом ОВ. В случае использования оптических разъёмов эта мощность зависит также от качества этих разъёмов.

Кроме того, для однозначного определения затухания необходимо на входе ОВ, что измеряется, обеспечить режим равномерного распределения мод, при котором сохраняется постоянное распределение мощности между модами. При введение оптического излучения в волокно вместе с модами, что распространяются по сердцевине, возбуждаются моды оболочки и моды, что излучаются. Последние моды, распространяясь по волокну, достаточно быстро загасают, это вызывает перераспределение оптической мощности между модами и нелинейный характер изменения затухания оптической мощности вдоль волокна (рис. 1).

Моды, что излучаются та моды оболочки возникают также на неоднородности, микроизгибах ОВ. Для обеспечения равномерного распределения мод используют смесители мод. Смеситель мод - устройство в виде отрезка ОВ с равномерным распределением неоднородности. Существуют несколько конструкций смесителей мод. На неоднородности модового фильтра между отдельными модами появляются связи, что перераспределяют энергию между модами, в результате нарушения условия полного внутреннего отбивания моды оболочки превращаются в такие, что излучаются, они быстро загасают в полимерном покрытие. В то же время часть энергии высших мод переходит к ниже, увеличивая их мощность, в результате чего устанавливается равномерное распределение мод. Смеситель мод имеет некоторое затухание, но оно не влияет на результат измерений.

Проблема неопределенности введения мощности в ОВ решается применением методов измерений, что позволяют исключить возникающую за счет указанной неопределенности систематическую погрешность. Существуют достаточно много методов измерения затухания, но практически применяются такие методы:

- метод обрыва;

- метод измерения затухания, что вносится;

- метод обратного рассеивания.

Эти методы достаточно просто реализуются относительно недорогими средствами. Метод обратного рассеивания нуждается в применение специальных ценных средств измерения - рефлектометров. Но посредством рефлектометров возможные неразрушительные измерения, измерение затухания любого участка ВОЛС.

2 МЕТОД ОБРЫВА

Метод отличается достаточно высокой точностью, с его помощью можно выполнить измерение затухания в границах до 10 дБ с абсолютной погрешностью не более 0,03 дБ, основной недостаток метода - его разрушительный характер.

Схема измерения приведена на рис. 2.

Рисунок 2 - Структурная схема для измерения затухания ОВ методом обрыва

Затухание измеряется на фиксированной длине волны. От источника излучения (лазерного диода) светло через устройство введения излучения (ПВВ) поступает в смеситель мод ЗМ и фильтр мод оболочки (ФМО), который обеспечивает выведение мод из оболочки. ФМО - это отрезок ОВ, лишенный защитных покрытий, что погружается в глицерин Из кабеля светло через адаптер (на схеме не указанный) поступает к ВОП.

Излучение источника вводится в ОВ длиной L, замеряется его мощность на выходе Р2. Потом ОВ обрывается на расстоянии l=13 м от начала и измеряется мощность Р1 на выходе короткого отрезка. Коэффициент затухания определяется, дБ/км

.

Метод нуждается в неизменности условий введения оптической мощности. При подключение неармированного конца ОВ к ВОП через адаптер имеет место некоторая погрешность, что обусловленная качеством обработки торца ОВ и качеством установления его в адаптере. Чтоб снизить эту погрешность, измерения осуществляют несколько раз, взламывая конец ОВ, что подключается к адаптеру на 12 см, потом полученные данные усредняют. Этот метод применяется при входном контроле ОВ.

3 МЕТОД ВНОСИМЫХ ПОТЕРЬ

Этот метод достаточно часто применяется при приемо-сдаточных измерениях и в процессе эксплуатации ВОЛС.

Оптическими потерями, что вносятся, зовется отношение суммарной мощности оптического излучения на входных оптических полюсах компонента ВОСП к суммарной мощности оптического излучения на исходных полюсах компонента ВОСП в относительных единицах (дБп). Соответственно при измерение затухания, что вносится, определяют разницу уровней мощности, которую воспринимает приемник излучения при его непосредственном подключение к источнику излучения и мощности, что поступает к приемнику при его включило на выходе волокна, что измеряется. Концы ОВ должны быть армированы кабельной частью оптического соединителя

Рисунок 3 - Схема измерения затухания методом вносимых потерь

Схема содержит источник излучения 1; вспомогательный отрезок кабеля 2; проходной оптический розъём (розетку) 3; кабель, что измеряется 4; фотодетектор 5 и индикатор мощности 6. Сначала складывается схема, которая не содержит волокна, что измеряется. Таким образом, регистрируется мощность на выходе так называемого «эквивалентного источника излучения», то есть мощность в т.А. Дальше к розетке с армированным концом присоединяется ОВ, что измеряется, и измеряется мощность в т.Б. Оба мощности имеют систематическую погрешность, что определяется потерями в месте подключения армированного конца ОВ к фотодетектору. Но эта погрешность на конечный результат не влияет, поэтому, что затухание ОВ, что измеряется, определяется как разница уровней в т.А (Рвх) и т.Б (Рвих), дБ

;, дБ/км

где А0 - среднее значение потерь в соединителя.

Погрешность этого метода достаточно большая ( 0,5 дБ), Этот метод используется в приборах для измерения затухания, что зовутся оптическими тестерами. Промышленностью выпускается достаточно большая номенклатура оптических тестеров, они также могут использоваться как источники оптического излучения. Технические характеристики некоторых тестеров приведены в табл. 1, 2.

контроль кабельный сеть затухание сигнал

Таблица 1 - Технические характеристики оптического тестера FOD1204

Тестер предназначен для измерений на ВОЛС и локальных сетях, для калибрования источников оптического излучения, для контроля волокон и пассивных оптических компонентов.

Таблица 2 - Технические характеристики оптического тестера универсального ПТУ-96 НПО «Оптел»

В некоторых типах тестеров предусматривается микропроцессорная обработка сигнала, коррекция неравномерности спектральной характеристики фотоприёмника

4 МЕТОД ОБРАТНОГО РАССЕИВАНИЯ

Метод обратного рассеивания является разновидностью импульсного метода, который применяется для измерений на линиях связи с металлическими кабелями. Основой импульсных методов является исследование рассеивания света, что распространяется в обратном направление.

Особенностью применения импульсных методов в технике волоконно-оптического связи является то, что от места повреждения (обрыва) отражается лишь незначительная часть оптической мощности, то есть коэффициент отбивания намного меньше единицы, в то время, как коэффициент отражения при обрыве металлического кабеля равняется 1. Поэтому возникает проблема регистрации достаточно низких мощностей, а следовательно, проблема высокой чувствительности и потребность большого динамического диапазона приемных устройств аппаратуры измерения. Но эти средства позволяют находить места повреждений ОК, измерять затухание на отдельных участках и сростках ОК.

Метод обратного рассеивания основан на свойствах стекла, которое за своей природой является неупорядоченной структурой (некристаллической, аморфной). В этой структуре имеющиеся микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные изменения в составе стекла. Эти отклонения приводят к флуктуациям показателя преломления в микрозонах, размеры которых малы в сравнимые с длиной волны. Флуктуации показателя преломления вызывают рассеивание Релея, которое и используется в методе обратного рассеивания. При реализации этого метода волокно, что исследуется, зондируется оптическими импульсами, которые вводятся в ОВ через направленный ответвитель. К входному торцу ОВ, на который поступают зондирующие импульсы, возвращаются такие сигналы:

- отраженные от микро- и макроизгибов;

- рассеянные в обратном направление в результате хаотического размещения границы распределения локальных областей сердцевины, которые отличаются показателями преломления (френелевское отбивание);

- лучевого и молекулярного рассеивания.

Момент измерения мощности обратного потока в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно имеет некоторую задержку относительно момента ссылки зондирующих импульсов t.

Таким образом, можно получить характеристику обратного рассеивания волокна. За этой характеристикой можно определить функцию затухания по длине кабеля от его конца, определить местонахождение и характер неоднородности. Обобщенная характеристика обратного рассеивания приведена на рис. 4.

Рисунок 4- Обобщенная характеристика обратного рассеивания

Эта характеристика имеет вид ниспадающей прямой, что характеризует зависимость уровня мощности от длины линии (или времени распространения импульса). Если мощность определяется в абсолютных единицах (Вт), то характеристика имеет вид ниспадающей экспоненты. Наклон прямой характеризует затухание кабеля, значение затухания определяется формулой

, дБ. (4)

Выбросы 1 на характеристике обусловленные отражением от входного и выходного торцов ОВ. Выбросы 2 и 3 отображают отражаются от неоднородности, и не вносят потерь

Для реализации вышеуказанного метода разработанные специальные приборы - оптические рефлектометры. Они нашли широкое распространение благодаря своей универсальности, поэтому, что метод позволяет одновременно определить несколько важнее всего параметров: степень регулярности кабеля, место повреждения, потери в местах объединения ОВ, затухание ОВ, место нахождения поглощающей и непоглощающей неоднородности, место обрыва ОВ, потери оптической мощности в местах объединения ОВ, получать информацию о стабильности затухания на отдельных участках линии.

Важным преимуществом этого метода является возможность проведения измерений в полевых условиях и при наличии доступа лишь до одного конца кабеля.

На рис. 5 приведенная упрощенная структурная схема оптического рефлектометра.

Рисунок 5 - Структурная схема оптического рефлектометра

Оптический рефлектометр содержит: генератор коротких электрических импульсов 1, ПОМ, что превращает электрические импульсы в оптические 2, распределитель оптической мощности (направленный ответвитель) 3, ПрОМ 4, блок обработки сигналов 5, устройство отображения (осциллограф, дисплей ) 6, канал синхронизации и управление Зондирующие импульсы поступают к ПОМ, через распределитель оптической мощности 3, часть света ответвляется и посредством трёхкоординатного устройства юстироавания 8 поступают в волокно, что исследуется 9. Отраженный от неоднородности, имеющейся в кабеле оптический сигнал через направленный ответвитель поступает к высокочувствительному ПрОМ, превращается в электрический сигнал, который после обработки в 5 (определение временной задержки отраженных импульсов, усиление) поступает к устройству отображения. Если в качестве этого устройства используется электронный осциллограф, отраженный сигнал вызывает соответствующее отклонение электронного луча по оси В на экране. Вертикальная ось градуируется в относительных единицах мощности (дБп). Отклонение по горизонтали изменяется в зависимости от времени задержки отраженного сигнала t, если время распространения электромагнитной энергии по ОК известно, то легко определить расстояние к неоднородности, обычно горизонтальная ось осциллографа градуируется в единицах длины.

Блок синхронизации и управления обеспечивает согласованную работу генератора зондирующих импульсов и устройства отображения, в результате чего генератор разворачивания запускается тем же импульсом, что и генератор зондирующих импульсов. Это дает возможность наблюдать поток обратного рассеивания по всей линии или по ее частям. Этот блок также вносит в память реализации временных характеристик и осуществляет их усреднение. Рефлектограма на экране осциллографа является усредненной. Этот блок также управляет работой рефлектометра по заданной программе, выполняет обработку данных, а также ряд сервисных функций.

Расстояние до месту отражения (рассеивание) оптической мощности в ОВ равняется

( 5)

где V - скорость света в сердцевине ОВ,

с - скорость света в свободном пространстве,

n1- показатель преломления сердцевины ВС

t - отрезок времени между зондирующим и отраженным импульсами,

коэффициент 2 учитывает пробег импульса в прямом и обратном направлениях.

С (5) выплывает, что точность определения расстояния к месту отражения зондирующих импульсов определяется точностью определения скорости распространения света в сердцевине ОВ. Типичный комплект оптического рефлектометра содержит базовый блок и несколько переменных блоков для разных длин волн (0,85; 1,3; 1,55 мкм).

Основным недостатком рефлектометров является их относительно небольшой динамический диапазон, что обусловленно малой мощностью излучения обратного рассеивания. Существующие рефлектометры позволяют проводить измерение как у стационарных, так и полевых условиях, они комплектуются графопостроителями.

5 РЕФЛЕКТОГРАМИ

Одной из основных операций при работе с оптическим рефлектометром является идентификация характеристики обратного рассеивания. На рис. 10 приведенная обобщенная рефлектограма и ее идентификация. Но необходимо тщательнее проанализировать характеристики обратного рассеивания на отдельных участках.

В случае отсутствия локальной неоднородности, стыков характеристика обратного рассеивания ОВ, что измеряется в границах динамического диапазона рефлектометра, имеет монотонный линейный характер. Угол наклона характеристики к оси абсцисс определяет коэффициент затухания ОВ, чем больший этот угол, тем более затухание (рис. 6 а, б). Изменение показателя преломления больше влияет на обратнорассеянный поток, чем на поток, что распространяется в прямом направление. Поэтому флуктуации показателя преломления сердцевины ОВ вызывают «дрожание» характеристики, однако монотонный характер ее среднего значения сохраняется (рис. 6).

Рисунок 6 - Участок характеристики обратного рассеивания однородного ОВ: а) при малом затухание и малых флуктуациях показателя преломления; бы) при большом затухание и больших флуктуациях показателя преломления

Локальная неоднородность, стыки нарушают монотонный ход характеристики, при этом рефлектограма искажается не только в точке, что отвечает местонахождению неоднородности, но и в некоторой зоне возле нее (приблизительно 100-200 м). Это обусловлено возбуждением на неоднородности ОВ мод, что распространяются в обратном направление, а также мод оболочки. При введение оптического излучения в ОВ, что исследуется, возникает френелевское отражение на торцах кабельной части розёмного оптического соединителя, поэтому рефлектограма в начале имеет выброс, за которым начинаются искривления (рис 3 т.1). Поэтому на начальном участке рефлекограми (100-200 м) измерения проводить нельзя, конец этого участка определяется как начало линейной монотонной характеристики.

Типичный вид участков характеристики обратного рассеивания, что отвечает торцу ОВ для разных случаев приведено на рис 7 при наличии френелевского отражения от торца ОВ (рис. 7 а); при отсутствии френелевского отражения (конец ОВ погружен в глицерин или абсолютно поглощающую среду) (рис. 7 бы).

Рисунок 7- Типу вид участков характеристик обратного рассеивания, который соответствует концу ОВ

Если рефлектометр работает на грани своего динамического диапазона, то рефлектограма имеет вид, изображенный на рис. 7 в

Размещено на Allbest.ru