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 () - 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 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:

(2.20)

После окончания генерации, интервал ожидания заканчивается в выбранный момент времени, определяемый шкалой расстояний: ().

Критериями выбора длительности зондирующей пачки () являются следующие параметры:

- расстояние до исследуемого участка волоконного тракта;

- необходимое соотношение сигнал/шум;

- интервала ожидания.

Длительность интервала ожидания 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 () - 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.

В результате обработки зарегистрированного сигнала корреляционными методами, формируется рефлектограмма участка волоконно-оптического тракта, соответствующего интервалу (). 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 последовательностей Голея, посредством однократного или многократного использования правила присоединения, формируется полный набор возможных кодовых последовательностей, из которых, в свою очередь, формируется набор зондирующих сигналов, регистрируется набор сигналов обратного рассеяния и производится суммирование взаимно корреляционных функций каждого зарегистрированного сигнала и соответствующей исходной 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:

. (2.21)

Для k = 1 соотношение (2.21) описывает частный случай, а именно вероятность регистрации первого фотоэлектрона в момент времени t:

. (2.22)

При малом среднем числе излученных фотонов в течение одного импульса (), может быть аппроксимировано с допустимой ошибкой, в соответствии с выражением:

. (2.23)

Следовательно, принимая, что , 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:

. (2.24)

Значение минимальной детектируемой мощности может быть получено при условии:

(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 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 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 на расстоянии в сигнальной ветви составляет:

(2.27)

где групповая скорость в сердцевине оптического волокна.

Для когерентного детектирования оба сигнала смешиваются в детекторе. В течение временной задержки линейно перестраиваемая частота оптического излучения изменяется по закону:

(2.28)

Значение можно наблюдать в детекторе при помощи анализатор спектра, оно определяет положение в оптическом волокне. Амплитуда сигнала пропорциональна локальному коэффициенту обратного рассеяния и оптической мощности, которая пропорциональна и описывает затухание сигнала в прямом и обратном направлениях на расстоянии .

С помощью преобразования Фурье для сигнала детектора в низкочастотном анализаторе спектра, можно одновременно наблюдать обратно рассеянные сигналы от всех точек вдоль исследуемого волокна. Они прямопропорциональны оси частот 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 существенным достоинством метода рефлектометрии с синтезированной функцией когерентности, является 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 отклоняемого луча на величину . Фазовый модулятор обеспечивает непрерывное изменение фазы оптической волны в опорной ветви на величину .

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 . Данное решение позволяет исключить влияние шумов.

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:

(2.29)

где групповая скорость;

количество ступенек в модулирующем сигнале;

частота разнесения.

Период следования пиков определяется диапазоном измерения, в соответствии с выражением:

(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.

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 ) 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 ). 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).

Рисунок 2.8 - Блок - схема бриллюэновского рефлектометра (BOTDR)

Спектр обратной волны, рассеянной в волокне, содержит релеевскую компоненту, частота которой равна частоте накачки:

(2.31)

и две бриллюэновские: стоксову и антистоксову.

Стоксова компонента имеет смещение по частоте вниз:

(2.32)

а антистоксова вверх:

(2.33)

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:

(2.34)

где длина волны излучения в мкм;

примерно на 14 дБ меньше коэффициента спонтанного релеевского рассеяния:

(2.35)

Практический выигрыш по сравнению со схемой прямого детектирования, используемой в традиционных OTDR, составляет примерно 10...20 дБ.

Смещение частоты рассеянного света , определяется путем сканирования частоты акустооптической ячейки .

Для каждой частоты накачки 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 на величину.

Когда , 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 ;

- рефлектограмма не зашумлена, не смотря на то, что в B-OTDR осуществляется когерентный прием излучения. Это обусловленно тем, что в B-OTDR регистрируется свет, рассеянный не на релеевских центрах (замороженных в волокне флуктуациях показателя преломления), а на тепловых флуктуациях показателя преломления (акустических фононах). Время жизни акустического фонона составляет:

сек. (2.35)

Данное значение слишком мало по сравнению с временем измерений, поэтому амплитуда и фаза волн, рассеянных на этих неоднородностях эффективно усредняется.

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 ).

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.



3. Исследование метрологических характеристик рефлектометров

3.1 Анализ 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

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, называемыми соответственно отражающими и поглощающими событиями. Рефлектометр позволяет точно 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 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 все-таки 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.);

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:

(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].

Мощность потока обратного рассеяния , измеренная в точке ввода зондирующих импульсов в волокно, с некоторой задержкой 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:

(3.2)

где групповая скорость распространения оптическою импульса, которая, в свою очередь, определяется как:

(3.3)

где скорость света;

групповой показатель преломления сердцевины оптического волокна.

В первом приближении, мощность потока обратного рассеяния определяется с соответствии с выражением:

(3.4)

где максимальное значение оптической мощности зондирующего импульса и его длительности в точке ввода;

параметр Рэлеевского рассеяния, определяемый как отношение мощности, рассеянной в некоторой точке оптического волокна, к падающей оптической мощности в ту же точку;

параметр обратного Рэлеевского рассеяния, определяемый как отношение обратно рассеянной мощности в некоторой точке оптического волокна, к общему значению рассеянной мощности в данной точке;

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 , параметров оптического волокна и . А также, мощность потока обратного 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:

(3.5)

Тогда, из выражения (3.5) следует:

(3.6)

Выражение (3.6) позволяет утверждать, что уровень мощности обратного рассеяния линейно зависит от времени:

(3.7)

А разность уровней обратно рассеянной мощности, измеренных на ближнем конце в моменты времени и , является не чем иным, как затуханием оптического волокна на соответствующем участке линии:

(3.8)

где .

Изменения 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 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.

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, измеренная на ближнем конце оптического излучения, отраженного в некоторой точке , описывается следующим образом:

(3.9)

для

А также:

(3.10)

для

где: ;

расстояние до неоднородности;

коэффициент отражения.

В первом приближении, мощность потока Френелевского отражения на ближнем конце описывается следующей суммой:

(3.11)

где количество неоднородностей на участке.

Как правило, значение коэффициента отражения на несколько порядков превышает значение коэффициента обратного рассеяния.

В моменты времени , 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)).

В месте изгиба, уровень мощности обратного рассеяния уменьшается скачкообразно, что выражается в увеличении потерь на излучение. Соответствующее изменение характеристики обратного рассеяния, на рефлектограмме отражается в 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))

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:



(3.12)

где:

(3.13)

- уровни мощностей потоков обратного рассеяния до и после сварного соединения;

затухание на сварном соединении.

и средние значения коэффициентов обратного рассеяния стыкуемых волокон, расположенных до и после сварного соединения, соответственно, при измерениях со стороны А.

Знак величины определяется соотношением значений и :

- для

;

- для

;

Таким образом, с учетом (3.13) и в зависимости от знака значения , соотношения абсолютных значений величин и , 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 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:

(3.14)

где мощность обратно рассеянного потока;

мощность отраженного потока;

мощности помехи.

Мощность помехи , 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 волоконно-оптической линии с двумя сильно отражающими стыковыми соединениями.

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.

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:

длина измеряемой линии;

период развертки рефлектометра;

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, 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 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].

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 и разности коэффициентов погонных потерь в соединяемых волокнах:

(3.13)

При типичном значении дБ/км величина ошибки незначительна. Так при ширине импульса м (длительность импульса = нс), величина ошибка составляет 0,0001 дБ, и увеличивается при км ( 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:

(3.14)

Для оптического рефлектометра, динамический диапазон является разностью между уровнем мощности обратного рассеяния в самом начале волокна и уровнем шумов при заданном времени измерений в соответствии с выражением:

(3.15)

Динамический диапазон является наиболее важным 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 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 обратного рэлеевского рассеяния имеет прямо пропорциональную зависимость от произведения коэффициента 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 нс., до мкс), коэффициент обратного рэлеевского рассеяния, по шкале рефлектометра, увеличивается на дБ.

Так как, в отсутствие сигнала уровень шумов при этом не меняется, то динамический диапазон тоже увеличивается на дБ.

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 до , значение уровня шума снижается, а динамический диапазон, по шкале рефлектометра, увеличивается на .

В настоящее время, динамический диапазон является основным параметром, по которому сравниваются различные модели рефлектометров. Так как величина данного параметра возрастает с увеличением длительности импульсов и времени усреднения сигнала , то обычно значение динамического диапазона приводится при максимальных для данного прибора значениях и . МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов рефлектометров использовать следующие величины [4]:

мкс; 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.

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].

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:

(3.16)

где длительность импульса;

ширина полосы пропускания усилителя;

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 определения длины волокна является произведением относительной ошибки масштабирования на длину:

. (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, 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 , представляющей собой отношение модуля отклонения дБ измеренного значения от действительного к действительному значению затухания в дБ, и определяется выражением:

. (3.18)

3.4 Факторы влияющие на 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 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 от расстояния имеет следующий вид:



(3.19)

где значение мощности оптического излучения на входе волокна;

длительность тестирующего оптического импульса;

коэффициент затухания световой волны;

групповая скорость распространения излучения по оптическому волокну;

коэффициент, определяющий часть рассеянного во всех направлениях света, которая захвачена волокном и направляется обратно к рефлектометру, определяемая как: