Размещено на http://www.Allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Измерение параметров ВОЛС с помощью оптического рефлектометра
• 1.1 Конструкция оптического рефлектометра
• 1.2 Принцип действия оптического рефлектометра
• 1.3 Технические характеристики оптического рефлектометра
• Выводы по главе
• 2. Методы рефлектометрии
• 2.1 Оптической когерентный рефлектометр
• 2.2 Частотно-сдвинутый асимметричный интерферометр Саньяка
• 2.3 Рефлектометр оптической частоты
• 2.4 Корреляционная рефлектометрия с применением псевдослучайного сигнала
• 2.5 Рефлектометрия на основе счета фотонов
• 2.6 Рефлектометрия с частотным сканированием
• 2.7 Рефлектометрия с синтезом функции когерентности
• 2.8 Бриллюэновская оптическая рефлектометрия
• Выводы по главе
• 3. Исследование метрологических характеристик рефлектометров
• 3.1 Анализ рефлектограммы
• 3.1.1 Математическое описание всех участков рефлектограммы
• 3.2 Ложные сигналы и ошибки измерений
• 3.3 Мертвые зоны рефлектометра
• 3.3.1 Динамический диапазон и диапазон измерений
• 3.4 Факторы влияющие на метрологические характеристики рефлектометров
• Выводы по главе
• 4. Методы увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров
• 4.1 Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии
• 4.2 Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия оптических волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне
• 4.2.1 Обоснование технического решения
• 4.2.2 Анализ возможных вариантов схем построения рефлектометров OFDR-FS с использованием поднесущей частоты радиодиапазона
• 4.3 Низкокорреляционая оптическая рефлектометрия с применением
• шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона
• Выводы по главе
• 5. Разработка методов улучшения метрологических характеристик рефлектометров
• 5.1 Обоснование технического решения
• 5.2 Анализ возможных вариантов схем построения низкокорреляционных рефлектометров с применением шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона
• 5.2.1 Использование сигнала, переносящего трафик, в качестве измерительного сигнала
• 5.2.2 Классификация методов оптической рефлектометрии с радиочастотными измерительными сигналами
• 5.3 Разработка алгоритма увеличения метрологических характеристик рефлектометров
• 5.3.1 Общие сведения об алгоритмических методах
• 5.3.2 Метод регрессионного анализа
• 5.3.3 Метод медианной фильтрации
• 5.4 Алгоритм увеличения метрологических характеристик рефлектометров
• Выводы по главе
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Актуальность темы

Основной причиной возникновения повреждения на действующих волоконно - оптических линиях связи (ВОЛС), 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 (DWDM-систем) способствовало возникновению новых проблем с области диагностики волоконно-оптических линий связи. Присутствие в DWDM-системах оптических селективных пассивных компонентов, таких как мультиплексоры и демультиплексоры, серьезно усложнило контроль параметров оптического волокна с применением обычных рефлектометров на основе лазеров Фабри-Перо. Если же в составе ВОЛС присутствуют промежуточные мультиплексоры ввода-вывода, 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 направления, с помощью обычного рефлектометра вообще невозможно. Применение 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 аппаратно- программного 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 технико-экономических 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 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 волоконно-оптических линий связи.

4. Исследование функциональных возможностей оптических рефлектометров и методов увеличения их предельных функциональных возможностей. Анализ функциональных схем 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 для проведения реальных экспериментов.

Структура и объем диссертации

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.



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.

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 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.

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),

Рисунок 1.2 - Схема оптического разветвителя

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 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 P_А и P_Б:

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, 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].

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.

Динамический диапазон.

Динамический диапазон рефлектометра выражается в дБ и выражает максимально возможную длину тестируемого участка ВОЛС, которую можно определить по формуле:

, м. (1.2)

где динамический диапазон рефлектометра, дБ;

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:

, дБ. (1.3)

где уровень мощности обратного рассеяния, дБм;

уровень шумов, дБм.

При сравнении различных моделей рефлектометров, динамический диапазон прибора, также выступает в качестве 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.

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 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:

, (1.4)

где длительность импульса;

ширина полосы усилителя;

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].

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 (Дm) определения длины волокна определяется, как произведение относительной ошибки (m_d) масштабирования на длину (L):

. (1.5)

Достаточно ощутимый вклад в величину относительной ошибки масштабирования вносит ошибка определения показателя преломления и нестабильность тактовой частоты, а также ошибки дискретизации и локализации.

Величина ошибки дискретизации зависит от быстродействия аналого-цифрового 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 как не связанные с техническими характеристиками рефлектометра.

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]:

. (1.6)

где отклонение измеренного значения затухания от действительного;

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.

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.



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.

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, 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 л_траф оптического луча трафика, независимой от длины волны л_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 частоты оптического излучения. К настоящему времени предложено множество различных схем когерентных 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 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 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:

Гц; (2.1)

; (2.2)

Оптимальная ширина полосы пропускания () полосового фильтра примерно составляет: . Более широкий диапазон ПП снижает чувствительность, тогда же как, сужение полосы пропускания приводит к уменьшению разрешения. Примерное соотношение сигнал-шум () полосового фильтра, определяется с помощь следующего выражения:

; (2.3)

где детектор квантового выхода;

сила сигнала выборки;

постоянная Планка;

оптическая частота;

образец отражения;

эквивалентная шуму, ширина полосы пропускания фильтра.

С помощью выражения (2.3) можно вычислить минимальную разрешающую отражательную способность, при этом полагая, что предел чувствительности составляет .

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;

- 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].

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 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:

; (2.4)

где относительная фаза между S1 и S2; mО [0,1]

параметр, описывающий видимость интерференционной полосы ().

Примем длину волны, до и после прохождения петли: l(n) и l'(n)', соответственно, тогда задержки фазы, испытанные S1 и S2, могут быть описаны следующим образом:

; (2.5)

. (2.6)

где показатель преломления волокна;

длина испытываемого волокна;

общая длина соединительного волокна из соединителя к порту А плюс один из порта B;

длина волокна от петли до муфты.

Постоянные ,----введена, чтобы учитывать разность фаз, обусловленную двулучепреломлением в петле волокна.

Из выражений (2.4-2.6) следует:

; (2.7)

где ; приблизительно равна длине волокна погашения( м.).

Волокно погашения 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:

; (2.8)

где целое число, которое может быть определено, ка число минимумов между и .

В выражении (2.8) отсутствует неизвестная постоянная , а также отсутствует и параметр. Из этого следует, что система нечувствительна к двулучепреломлению в петле волокна. Разрешение может быть увеличена посредством использования поляризационного контроллера.

Ошибка измерения длины волокна (), при использовании выражения (2.8), обусловлена, главным образом, величиной , которая возникает при определении частот и . Величину , можно представить в виде следующей суммы:

; (2.9)

где разрешение частоты генератора функции;

ошибка частоты алгоритма обработки данных.

Здесь предполагатся, что фазовая ошибка 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 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.

Рисунок 2.5 - Блок схема частотного рефлектометра

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].

Как правило, в методе OFDR используется линейная модуляция частоты сигнала. При этом, частота сигнала биений связана с задержкой прохождения зондирующего сигнала до участка оптического волокна с координатой следующим образом:

; (2.10)

где - девиация частоты зондирующего сигнала;

- частота повторения функции модуляции зондирующего сигнала;

- скорость перестройки частоты зондирующего сигнала, которая, в свою очередь, выражается как:

; (2.11)

Таким образом, из спектра сигналараспределение по координате восстанавливается по формуле:

(2.12)

В методе OFDR, в отличие от импульсной рефлектометрии, разрешение определяется не длительностью зондирующего импульса, а величиной девиации частоты:

; (2.13)

где - 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 Гц [20].

При равенстве спектральной плотности шума ФПУ:

выигрыш в шумах приемного блока OFDR можно оценить как:

(2.14)

Из-за особенностей сигнала биений:, и тогда:

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

	1 МГц	10 МГц	100 МГц	1 ГГц	10 ГГц	100 ГГц
	50 м	5 м	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:

(2.16)

(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:

(2.18)

Оценки динамического диапазона при , следующие:

;

;

;

Для и GRо = -73 дБ динамический диапазон .

В табл. 2.2 представлены оценки динамического диапазона для методов OTDR и метода OFDR . При ; ; дБм; дБм; дБм; дБ; ; с для разных разрешений .

Таблица 2.2

Оценка динамического диапазона для методов OTDR и OFDR

	1 м	10 м	100 м	1 км	2 км
	17,5	25	32,5	40	42
	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 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:

(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, 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 относительной погрешности регистрации рефлектограммы, достигнет недопустимой величины. Эта погрешность возникает из-за наличия больших боковых лепестков у автокорреляционной функции кодовой последовательности зондирующего сигнала.

При практической реализации рефлектометра, предусматривающего высокие технические характеристики, следует 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).

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.