(3.20)

где числовая апертура волокна;

коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;

параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое значение которого для одномодового волокна равно 4,55;

Известно, что даже в случае использования идеального оптического приемника, при ширине тестирующего импульса пространственная локализация точки центра рассеяния не может быть лучше, чем:

(3.21)

где групповая скорость распространения излучения по оптическому волокну.

Необходимо также отметить, что соответствующая разрешающая способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно широкой полосы пропускания приемно-усилительного тракта прибора. В [63] приводится следующее уравнение для разрешающей способности:

(3.22)

где скорость света в вакууме,

полоса пропускания приемного тракта рефлектометра.

При увеличении полосы возрастает и эквивалентная мощность шума приемника. Таким образом, сокращение длительности тестирующего импульса, сопровождаемое соответствующим расширением полосы пропускания приемника, оказывает двоякое негативное действие на уменьшение отношения сигнал/шум и дистанции измерения - в результате уменьшения энергии импульса и увеличения шумов.

Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал/шум. Основана она на том факте, что среднее значение шумового компонента в сигнале является нулевым, что позволяет, последовательно суммируя результаты многократных измерений, устранить шум на рефлектограммах. Но при этом возрастает время измерения.

Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между мощностью и продолжительностью тестирующего импульса или между динамическим диапазоном и пространственным разрешением является взаимно конкурирующим и представляет фундаментальный предел традиционной оптической рефлектометрии [54].

Таким образом, для данного метода рефлектометрии характерна необходимость поиска компромисса между динамическим диапазоном, определяющим длину дистанции измерений, и разрешающей способностью.

Очевидно, что расстояние, а так же затухание и погрешность измерения данных параметров подлежат обязательной поверке. Коэффициент затухания, коэффициент отражения, затухание в неоднородности, ORL участка оптического волокна рассчитываются математически по результатам измерения первых двух параметров.

При условии подтверждения точности измерения этих двух величин и корректности алгоритмов, заложенных в программное обеспечения прибора, указанные параметры будут отражаться корректно и их в периодической поверке нет необходимости.

Между тем, такие параметры самого рефлектометра как динамический диапазон и мертвая зона, оказывают косвенное влияние на основные метрологические характеристики прибора. К примеру, как было сказано выше, в результате снижения мощности лазерного источника, возрастает влияние шумов на результаты измерения и изменяется их погрешность.

Изменение мертвой зоны, к примеру, в результате механического износа оптического разъема рефлектометра, увеличивается длина начального участка оптического волокна, с которого можно оценивать его состояние.

Оставшиеся параметры, такие как, длина волны излучения, длительность зондирующих импульсов, разрешающая способность, в наименьшей степени подвержены изменениям с течением времени, так как они обусловлены физическими характеристиками комплектующих деталей (лазерный диод, кварцевый резонатор, микропроцессор).

оптический рефлектометрия диагностика связь

Выводы по главе

В данной главе были рассмотрены метрологические характеристики рефлектометров на основе математического анализа всех участков типовой рефлектограммы, получаемой в результате проведения измерений параметров оптического волокна. На основании приведенного материала, можно сделать определенные выводы.

Таким образом, к характеристикам оптического рефлектометра, подверженным влиянию различных факторов можно отнести следующие:

- измеряемое расстояние;

- измеряемое затухание;

- величина мертвой зоны при заданном коэффициенте отражения;

- динамический диапазон рефлектометра.

С целью определения погрешности указанных характеристик, необходимо обязательное проведение периодических поверок.

При производстве измерений оптического волокна, а также при поверке характеристик рефлектометра существуют, как погрешности самого прибора (инструментальная погрешность), так и погрешности, обусловленные характеристиками оптического волокна (методическая погрешность).

Инструментальная погрешность обусловлена нелинейностью характеристики аналого-цифрового преобразователя, недостаточным быстродействием фотоприемного устройства, начальной задержкой тестирующего оптического импульса и т.д.

Методическая погрешность возникает за счет неточности оценки показателя преломления, длины волны излучения, дисперсии, старения волокна и т.д.



4. Методы увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров

4.1 Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии

Метод обратного рассеяния был изобретен в 1976 году [24, 28]. Авторами изобретения была предложена оптическая рефлектометрия временной области (Optical Time-Domain Reflectometry - OTDR), широко применяемая в настоящее время во всем мире.

Сущность метода, как известно, состоит в посылке в волокно коротких оптических волновых пакетов с последующим приемом из него отраженного и рассеянного излучения. Уровень этого излучения отображается на экране прибора как функция интервала времени от момента посылки импульса в волокно. Поскольку скорость распространения излучения в волокне известна, то имеется однозначное соответствие между задержкой поступления рассеянного или отраженного от какой-либо неоднородности сигнала и расстоянием до этой неоднородности.

В ряд наиболее ответственных параметров любого оптического рефлектометра, с точки зрения точности измерений, входит длина измеряемого участка и разрешающая способность прибора.

Очевидно, что значение расстояния до наиболее дальних участков тестируемого волокна, сигналы от которых может распознавать рефлектометр, определяется, как величиной энергии тестирующего оптического импульса (волнового пакета), так и параметрами его приемного тракта, в частности, коэффициентами передачи входящего в него усилителя и уровнем его собственных шумов.

Энергия вводимого в оптическое волокно тестирующего импульса прямо пропорциональна его длительности и амплитуде. Но увеличению пиковой мощности этого импульса препятствуют нелинейные эффекты в волокне, а возрастание его длительности приводит к падению разрешающей способности прибора.

Еще раз напомним, что функция рассеянной мощности от расстояния имеет следующий вид [29]:

(4.1)

где значение мощности оптического излучения на входе волокна;

длительность тестирующего 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 [29]:

(4.2)

где числовая апертура волокна;

коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;

параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое значение которого для одномодового волокна равно 4,55.

Хорошо известно, что даже в случае использования идеального оптического приемника, при ширине тестирующего импульса пространственная локализация точки центра рассеяния не может быть лучше, чем:

(4.3)

где групповая скорость распространения импульса в волокне.

Необходимо также отметить, что соответствующая разрешающая способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно широкой полосы пропускания приемно-усилительного тракта прибора. В [29] приводится следующее уравнение для разрешающей способности:

(4.4)

где скорость света в вакууме;

полоса пропускания приемного тракта рефлектометра.

При увеличении полосы пропускания приемно-усилительного тракта рефлектометра увеличивается и эквивалентная мощность шума приемника. Таким образом, уменьшение длительности тестирующего импульса, сопровождаемое соответствующим расширением полосы пропускания приемника, оказывает двоякое негативное влияние на снижение отношения сигнал/шум и дистанцию измерения, что является результатом уменьшения энергии импульса и увеличения шумов.

Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал-шум. В основе данной возможности лежит тот факт, что среднее значение шумового компонента в сигнале является нулевым, и позволяет устранить шум на рефлектограммах посредством последовательного суммирования результатов многократных измерений. Но при этом неизбежно увеличивается время, необходимое для проведения измерений.

Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между мощностью и продолжительностью тестирующего импульса, или между динамическим диапазоном и пространственным разрешением, является взаимно конкурирующим, и представляет фундаментальный предел традиционной OTDR [30, 45]. Следовательно, для указанного метода рефлектометрии необходим поиск компромисса между динамическим диапазоном, определяющим длину измеряемой дистанции, и разрешающей способностью прибора.

Необходимость одновременного улучшения перечисленных параметров рефлектометра, продиктованная, в частности, развитием систем RFTS, обусловливает актуальность поиска новых технических решений в области оптической рефлектометрии.

В настоящее время, кроме традиционной OTDR, существует множество разновидностей методов оптической рефлектометрии, каждый из которых характеризуется своими особенностями, преимуществами и недостатками, а также областью применения.

Среди них можно назвать методы оптической рефлектометрии в частотной области (Optical Frequency Domain Reflectometry - OFDR). К ним относится метод OFDR с частотным сканированием (OFDR-FS), называемый также частотномодулированной непрерывноволновой рефлектометрией (FMCW) [25], и метод OFDR с синтезированной функцией когерентности (OFDR-SCF) [26].

Кроме того, имеются также две модификации корреляционной OTDR (C-OTDR) [31] - с использованием псевдослучайного сигнала (PRS C-OTDR) и метод комплементарной коррелированной OTDR (CC-OTDR). Существует и низкокорреляционная рефлектометрия (LC-OTDR) [30].

Среди вариантов OTDR следует также назвать методы когерентной OTDR (CO-OTDR) [29], OTDR с подсчетом фотонов (PC-OTDR) [30] и поляризационную рефлектометрию во временной области (PO-OTDR) [30].

Методы OFDR-FS и LC-OTDR можно назвать модифицированными, отличительной особенностью которых является использование измерительных сигналов радиочастотного диапазона и модуляция ими оптической несущей. Это позволяет получить ряд возможностей по улучшению параметров рефлектометра, которые будут рассмотрены ниже.

4.2 Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия оптических волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне

4.2.1 Обоснование технического решения

Метод оптической рефлектометрии частотной области с частотным сканированием (OFDR-FS) является весьма перспективным, поскольку ему не присуще известное ограничение OTDR, не позволяющее одновременно реализовать максимально-возможные значения динамического диапазона и разрешающей способности прибора [39]. Однако этому методу, как в прочем, и любому другому, также свойственны и характерные ограничения, обусловленные определенными факторами. В частности, для варианта данного метода, таковыми являются длина когерентности, фазовый шум и шум интенсивности источника излучения (лазера), нелинейная зависимость его частоты от времени, проявляющаяся в процессе модуляции, перескакивания моды, а также эффекты вызванные поляризацией.

Нелинейность качания частоты и фазовые шумы снижают разрешающую способность. Помимо этого, фазовые шумы и ограниченная длина когерентности лазера уменьшает максимальную длину измеряемого расстояния до нескольких сотен метров.

Еще одной разновидностью вредного влияния фазового шума является уменьшение длины участка волокна, на котором возможно надежное одновременное измерение сильного френелевского отражения и обратно рассеянного сигнала.

Так как данный вариант метода предполагает когерентный прием оптического сигнала, существенную роль играет поляризация оптических сигналов и особенно ее стабильность в процессе измерения.

Перескакивания моды повышают уровень шумов и создают побочные пики на рефлектограмме, обусловленные периодическими скачками фазы.

Между тем, существует возможность в достаточно существенной мере снизить влияние большинства указанных факторов. Этого можно достичь посредством использования радиочастотного измерительного сигнала качающейся частоты [39].

Оптическая несущая, амплитудно модулированная данным сигналом, необходима лишь для осуществления распространения данного измерительного сигнала в оптическом волокне. При этом требования к лазеру и его излучению значительно снижаются.

Использование данного способа предоставляет также некоторые дополнительные интересные возможности.

Учитывая сказанное, можно сформулировать следующую постановку задачи:

- обосновать пригодность описанного варианта метода, основанного на использовании радиочастотного измерительного сигнала, для достижения вышеуказанных целей;

- привести возможный вариант функциональной схемы прибора;

- рассмотреть другие возможности, даваемые использованием в оптической рефлектометрии радиочастотных измерительных сигналов, которыми модулируется оптическая несущая.

Прежде чем приступить непосредственно к обоснованию возможности и эффективности использования указанных сигналов в оптической рефлектометрии, необходимо отметить, что, поскольку оптическое излучение используется здесь лишь как переносчик измерительных сигналов, имеет смысл упрощенно рассматривать распространение последних вдоль трассы волокна, что дает возможность анализировать принцип метода на примере электрической длинной линии. Кроме того, основная идея метода OFDR-FS может быть объяснена двояко. Можно, например, трактовать ее следующим образом.

Допустим, имеется некоторая длинная линия, подключенная к генератору качающейся частоты и рассогласованная на другом конце, в результате чего в этой линии создан режим стоячих волн. Предположим также, что частота генератора, равномерно повышается (хотя аналогичное объяснение можно привести и для случая равномерного понижения частоты в процессе ее качания).

В зависимости от вида рассогласования на конце линии имеется либо максимум, либо минимум стоячей волны напряжения. Поскольку длина линии является постоянной, а длина волны изменяется в процессе качания частоты, максимумы и минимумы напряжения стоячей волны, как бы постепенно «заполняя» линию, перемещаются мимо входного ее конца.

Если сигналы падающей и отраженной волн, имеющиеся на входном конце линии, одновременно подать на амплитудный детектор, то на выходе последнего будет иметь место переменная составляющая напряжения. При этом величина изменения фазы стоячей волны для фиксированного приращения частоты генератора будет зависеть от длины линии, поскольку изменение этой фазы прямо пропорционально сумме изменений длин пространственных периодов стоячей волны и, следовательно, зависит от их количества в линии. Поэтому, чем длиннее линия, то есть чем больше расстояние от ее начала до отражающей неоднородности, которой в данном случае, является конец линии, тем выше частота переменной составляющей напряжения на выходе детектора. Посредством подачи этого сигнала на вход низкочастотного анализатора спектра, можно получить рефлектограмму данной волоконно-оптической линии.

Другое объяснение, суть которого приведена в [39], является следующим.

Предположим, что на каком-то малом отрезке времени частоту генератора можно считать постоянной и равной . Рассмотрим некоторое (достаточно малое) количество волн, созданных в линии за этот промежуток времени. За время распространения их вдоль линии до отражающей неоднородности и обратно частота генератора изменяется на некоторую величину и становится равной , в результате чего на выходе детектора (который, в данном случае, точнее будет назвать смесителем) возникает сигнал с частотой биений, равной .

Необходимо отметить, что рассмотренные процессы лежат в основе известного панорамного метода измерения согласования, который широко используется в практической радиотехнике.

Следует также подчеркнуть, что приведенные объяснения в данном случае относятся к одному и тому же процессу и при анализе различных технических вопросов, связанных с ним, может применяться то объяснение, которое в конкретном случае является наиболее удобным и наглядным. Но, как будет показано ниже, существуют ситуации, при которых может быть использовано лишь одно из них.

Эти объяснения весьма наглядно иллюстрируют механизм влияния фазового шума, небольших значений длины когерентности излучения, на получаемые рефлектограммы. В самом деле, флуктуации фазы оптического сигнала вызывают хаотические смещения интерференционной картины в волокне, что представляет собой ни что иное, как фазовые флуктуации низкочастотного сигнала на выходе детектора. В результате, спектральные линии расширяются, за счет чего происходит ухудшение разрешающей способности рефлектометра.

Этот же результат можно представить и как непосредственное следствие влияния дополнительной фазовой модуляции оптической несущей шумовым сигналом на ширину спектральной линии сигнала разностной частоты, существующего на выходе амплитудного детектора (смесителя).

В [39] показано, что цель измерения OFDR-FS состоит в получении изображения спектральной плотности мощности детектированного сигнала

В данном источнике также же приводится и формула для нее:

(4.5)

где частота частотно модулированного (ЧМ), оптического сигнала;

частота биений;

коэффициент отражения в конце измеряемого плеча интерферометра (в оптическом рефлектометре OFDR-FS, взаимодействие падающей и отраженной волн осуществляется в интерферометре Майкельсона);

коэффициент отражения в конце эталонного плеча интерферометра;

время задержки между этими сигналами;

время когерентности источника ЧМ-сигнала;

слагаемое, соответствующее фазовому шуму источника, которое, в свою очередь, определяется как:

(4.6)

Первый член в выражении (4.5) соответствует постоянной составляющей тока на выходе детектора. Второй член данного выражения представляет собой сигнал частоты биений, обусловленный отражением на конце тестируемого волокна. Формула показывает, что амплитуда этого сигнала имеет экспоненциальную зависимость от отношения времени прохождения оптического излучения по волокну, до отражающей неоднородности и обратно - к времени когерентности источника излучения (время прохождения излучения в эталонном плече интерферометра является пренебрежимо малым).

В источнике [26] упоминается лазер, ширина спектральной линии которого, составляет 10 кГц. Применение его в рефлектометре OFDR-FS позволило реализовать возможность измерений с разрешающей способностью 16 см при дальности 150 м. Но в радиочастотных генераторах относительно несложно получить более узкие спектральные линии.



4.2.2 Анализ возможных вариантов схем построения рефлектометров OFDR-FS с использованием поднесущей частоты радиодиапазона

Схема рефлектометра, построенная в соответствии с рассматриваемым способом рефлектометрии, приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Блок-схема оптического рефлектометра OFDR-FS с использованием радиочастотного измерительного сигнала

Рефлектометр (рис. 4.1)содержит следующие функциональные узлы:

1. лазер;

2. амплитудный модулятор;

3. направленный ответвитель;

5. генератор пилообразного напряжения (ГПН);

6. генератор качающейся частоты (ГКЧ);

7. фотодетектор;

8, 9. усилители;

10. фильтр низкой частоты (ФНЧ);

11. смеситель;

12. аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

13. интерфейс;

14. персональный компьютер (ПК).

Оптическое излучение лазера 1, модулируется в амплитудном модуляторе 2 радиочастотным сигналом ГКЧ 6 и через направленный ответвитель 3 вводится в исследуемое волокно 4.

Поток обратно рассеянного излучения, приходящий из волокна, выделяется направленным ответвителем 3 и подается на фотодетектор 7, на выходе которого имеется сигнал ГКЧ, задержанный на время, пропорциональное расстоянию до анализируемой точки волокна. После усиления усилителем 8 этот сигнал подается на один из входов смесителя 11, на другой вход которого поступает сигнал непосредственно с выхода ГКЧ 6.

Сигнал биений с частотой, пропорциональной указанному расстоянию, имеющийся на выходе смесителя 11, после фильтрации при помощи ФНЧ 10 и усиления усилителем 9, подается на вход АЦП 12.

Спектральный анализ сигнала осуществляется программно в ПК 14, с которым АЦП связан посредством интерфейса 13. Интерфейс обеспечивает также управление генератором пилообразного напряжения 5, модулирующего частоту ГКЧ.

Особо следует отметить то обстоятельство, что технические требования к используемому лазеру, в таком приборе, являются существенно более низкими, примерно одинаковыми, как и требования, предъявляемые к лазеру, применяемому в системе передачи.

Это обусловлено тем, что форма спектра радиочастотного сигнала после прохождения ряда преобразований, включающего в себя лишь модуляцию им оптической несущей и последующую ее демодуляцию, остается практически идентичной форме спектра исходного сигнала (в данном случае, влияние задержки сигнала в волокне и других процессов в нем не рассматривается). Причем, отсутствует также зависимость от спектра излучения оптического источника.

Если перед попаданием в приемник излучение проходит через оптическое волокно, то следует учитывать влияние дисперсии, состоящее в появлении неравномерности АЧХ системы «оптический передатчик-волокно - оптический приемник», следствием которой является дополнительная амплитудная модуляция спектральных составляющих выходного сигнала фотодетектора сигналом, частота которого равна частоте колебаний на выходе генератора 5.

Каждая спектральная линия, связанная с неоднородностью волокна, имеет в таком случае боковые полосы частот. Так как этот модулирующий сигнал содержит большое количество гармоник, то и боковые полосы являются достаточно широкими. Однако, учитывая реальные значения частоты модулирующего сигнала, дисперсии и ряда других параметров, необходимо отметить, что вероятнее всего, рассмотренный фактор не должен оказывать существенного влияния на измерения данным методом.

Как и в случае с частотно модулируемым лазером, требования к спектральному составу сигнала ГКЧ являются повышенными. Для эффективного подавления высших гармоник этого сигнала целесообразно использовать ФНЧ.

С целью упрощения схемотехнической реализации прибора, фильтр должен иметь фиксированную частоту среза (то есть, не перестраиваться одновременно с изменением частоты генератора в процессе модуляции). Очевидно, что для достижения такой возможности необходимо обеспечить при модуляций менее чем двукратное изменение частоты.

Кроме того, необходимо выполнение еще одного условия: изменение частоты от минимума до максимума должно вызывать более чем двукратное возрастание количества пространственных периодов стоячей волны в исследуемой линии. Это означает, что наименьшая длина линии должна в несколько раз превышать длину волны сигнала генератора при минимальной его частоте, рассчитанную с учетом показателя преломления стекла в сердцевине оптического волокна. Указанный фактор ограничивает частоту колебаний генератора снизу.

Рассмотренное выше влияние дисперсии является, по крайней мере, одним из факторов, обусловливающих ограничение частоты сверху. Существенное значение имеет вопрос о типе исследуемого волокна, о наличии в нем модовой дисперсии.

В случае одномодового волокна, снижения влияния хроматической дисперсии можно достичь применением источника излучения с узкой спектральной линией. Однако, как указывалось выше, требования к источникам излучения, используемым в данном рефлектометре, являются несравненно менее жесткими, чем к частотно модулируемым лазерам, применяемым в «традиционной» разновидности рефлектометров OFDR-FS [34].

Учитывая сказанное выше, можно сделать предварительный вывод, что центральная частота генератора должна находиться в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мегагерц. Схемотехническая реализация такого генератора может быть различной. В любом случае, следует стремиться к максимально возможному снижению уровней побочных составляющих в его спектре.

Нелинейность модуляционной характеристики может быть скорректирована посредством введения предыскажений модулирующего сигнала.

Принимая во внимание первое из приведенных объяснений принципа действия прибора, реализующего данный метод измерения, можно сделать вывод о возможности использования несколько иного подхода к нему. Дело в том, что процесс получения цифрового образа сигнала, спектральные составляющие которого, соответствуют неоднородностям, существующим в волокне, также как и процесс получения его спектрограммы, не обязательно должны происходить в реальном масштабе времени.

Работа прибора может состоять в поэтапной реализации ряда операций, включающего в себя установку частоты, получение в цифровом виде отсчета сигнала, имеющегося на выходе усилителя 9 (рис. 4.1) и сохранение его в памяти, с последующей обработкой последовательности отсчетов с целью получения спектрограммы. Причем, для описанного ряда операций принципиальную значимость имеет лишь их последовательность, а не конкретные временные позиции отдельных событий. Таким образом, оказывается возможным перейти от равномерно изменяемой во времени частоты к частоте, устанавливаемой программно в произвольные моменты времени.

Необходимо также отметить, что, не имеет значения и порядок задания конкретных значений частоты. Важно только обеспечить соответствие этих значений номерам отсчетов сигнала в массиве.

В этом случае в качестве генератора может быть применен синтезатор частоты, управляемый от ПК через интерфейс 13. Хотя, использование такой схемы сопровождается необходимостью решения ряда технических проблем, связанных как с обеспечением необходимой спектральной «чистоты» сигнала синтезатора, так и ускоренного входа его в установившийся режим работы после задания другой частоты.

4.3 Низкокорреляционая оптическая рефлектометрия с применением шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона

Ограничения, присущие существующим в настоящее время видам рефлектометрии оптических волокон, делают актуальной задачу поиска новых технических решений в этой области. Анализируя возможности, даваемые использованием радиочастотных измерительных сигналов, следует обратить внимание на метод LC-OTDR [28].

Рефлектометры, основанные на данном методе, применяются для исследования коротких участков оптических волокон и компонентов интегральной оптики. Данные приборы имеют в своем составе интерферометр Майкельсона, в одном плече которого установлено сканирующее зеркало. Перемещением его задается задержка отраженного сигнала. К другому плечу подключен исследуемый объект (волокно). Оптический источник имеет минимально возможную длину когерентности. Поток излучения с выхода интерферометра подается на фотодетектор. В процессе перемещения зеркала, когда значения длин путей, проходимых излучением в обоих плечах интерферометра, становятся близкими, начинает формироваться интерференционная картина, что выражается в появлении на выходе фотодетектора последовательности чередующихся максимумов и минимумов напряжения.

Поскольку сущность известного, описанного выше, метода низкокорреляционной оптической рефлектометрии, состоит в получении на выходе интерферометра Майкельсона интерференционной картины двух сигналов, один из которых отражается от исследуемой неоднородности, а другой от подвижного зеркала, то принципиально важным требованием к излучению является малая длина когерентности. Перемещением подвижного зеркала осуществляется сканирование исследуемого объекта по направлению распространения излучения [28].

Метод обладает высокой разрешающей способностью и, как указывалось выше, хорошо подходит для исследования компонентов интегральной оптики, а также для некоторых других приложений.

Однако использование данного метода при анализе оптических волокон большой длины ограничено рядом факторов, в частности - влиянием дисперсии.

Другим фактором является относительно малая длина траектории перемещения зеркала в измерительном плече интерферометра. Эта длина, определяющая пределы изменения временной задержки оптического сигнала, задает разность между максимальным и минимальным расстояниями до исследуемого участка волокна. Таким образом, диапазон указанных расстояний прямо пропорционален интервалу возможных значений временной задержки.

Задача увеличения этого интервала значительно упрощается, если речь идет о сигналах, которые можно перевести в цифровой вид. В таком случае имеется возможность сохранения их образов в электронной памяти и последующей обработки полученных данных при помощи вычислительных устройств. При этом внесение необходимой задержки осуществляется лишь в процессе обработки, путем сдвига цифрового образа сигнала на необходимое число отсчетов.

Очевидно, что осуществить это можно только при переходе из оптического диапазона в область более низких частот в радиодиапазон. Для обеспечения распространения измерительного сигнала по волоконному световоду используется оптическая несущая, модулируемая этим сигналом по амплитуде.

Необходимо отметить, что влияние дисперсии в этом случае не является таким существенным, как в классическом варианте метода LC-OTDR (с источником низкокогерентного оптического излучения и интерферометром Майкельсона). Это фактически устраняет действие первого из перечисленных выше ограничивающих факторов, характерных для данного метода.

Выводы по главе

Поиск путей совершенствования оптических рефлектометров является предметом непрекращающихся исследований. Метод традиционной импульсной рефлектометрии имеет недостаток, суть которого состоит в необходимости компромисса между разрешающей способностью прибора и его динамическим диапазоном. Разрешающая способность является тем более высокой, чем короче зондирующий импульс. Однако, при уменьшении его длительности снижается энергия зондирующего сигнала и расширяется необходимая полоса пропускания приемного тракта рефлектометра. Оба эти фактора снижают динамический диапазон.

Одним из вариантов решения проблемы является переход к методу непрерывно волновой рефлектометрии с частотной модуляцией зондирующего сигнала. Но и здесь имеют место факторы, снижающие значение измеряемого расстояния, и один из наиболее существенных - ограниченная длина когерентности лазерных источников излучения.

Решить проблему оптимизации соотношения между разрешающей способностью и динамическим диапазоном позволяет использование радиочастотного измерительного сигнала качающейся частоты с последующей модуляцией им оптической несущей. В этом случае можно значительно увеличить длину когерентности и ослабить требования к применяемому источнику оптического излучения.

Технически задача оптимизации может быть решена посредством применения модифицированного метода низкокорреляционной рефлектометрии, характерной особенностью которого также является использование радиочастотного (шумоподобного) измерительного сигнала и модуляция им оптической несущей, о которых будет рассказано в следующей главе.



5. Разработка методов улучшения метрологических характеристик рефлектометров

5.1 Обоснование технического решения

Наиболее перспективным направлением в дальнейшем развитии волоконно-оптических линий связи, являются системы волнового мультиплексирования (DWDM-системы). Присутствие в таких системах оптических селективных пассивных компонентов, таких как мультиплексоры и демультиплексоры, значительно усложняет контроль параметров оптического волокна с применением обычных рефлектометров. Если же в состав ВОЛС входят промежуточные мультиплексоры ввода-вывода, которые осуществляют ответвление сигналов с различными значениями длины волны в иное направление по отдельному оптическому волокну, то произвести измерения затухания обычным рефлектометром крайне затруднительно. Применение РОС-лазеров с длинами волн из линейки фиксированных нормативных длин волн систем DWDM позволяет решить это проблему только для крайне ограниченного числа случаев.

По обозначенной причине возникает необходимость разработки перспективных методов оптической рефлектометрии.

Метод радиочастотной низкокорреляционной рефлектометрии оптических волокон является весьма перспективным и может быть реализован в устройстве, принцип действия которого состоит в следующем.

Подаваемое в исследуемое волокно оптическое излучение модулировано шумоподобным радиочастотным сигналом, цифровое представление которого формируется при помощи вычислительного устройства и сохраняется в его памяти.

Приходящий из волокна отраженный (или рассеянный) оптический сигнал демодулируется. Затем, после усиления, радиочастотный сигнал преобразуется в цифровую форму и также сохраняется в электронной памяти. В ходе дальнейшей обработки сигналов, осуществляемой программно, производится вычисление значений корреляционной функции от принятого сигнала и от переданного, последовательно сдвигаемого относительно принятого на определенное количество отсчетов.

Данная модификация метода не чувствительна к дисперсии и пригодна для исследования волокон большой длины. Необходимо отметить, что указанный метод во многом фактически аналогичен методу корреляционной рефлектометрии, использующему двоичную псевдослучайную последовательность (PRS C-OTDR) [30, 41].

5.2 Анализ возможных вариантов схем построения низкокорреляционных рефлектометров с применением шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона

Схема рефлектометра, в котором реализована описанная разновидность метода LC-OTDR, позволяющая исследовать оптические волокна большой длины, представлена на рисунке 5.1. Устройство в своем составе содержит следующие элементы:

1. лазер;

2. амплитудный модулятор;

3. направленный ответвитель;

5. цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

6. аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

7. фотодетектор;

8. память отсчетов выходного сигнала;

9. интерфейс;

10. память отсчетов входного сигнала

11. усилитель;

12. персональный компьютер (ПК).



Рисунок 5.1 - Блок-схема оптического рефлектометра LC-OTDR с использованием радиочастотного измерительного сигнала

Оптический сигнал лазера модулируется по амплитуде сигналом, в котором одновременно присутствует множество спектральных составляющих (сетка частот). Этот сигнал формируется посредством ЦАП из потока отсчетов, считываемых из памяти 8.

Модулированный оптический сигнал, через направленный ответвитель 3, подается в исследуемое волокно 4.

Оптический сигнал, приходящий из волокна, выделяется направленным ответвителем 3 и поступает на фотодетектор 7, выходной сигнал которого после усиления подается на вход АЦП 6, где преобразуется в последовательность цифровых отсчетов, сохраняемых в памяти 10.

Интерфейс 9 формирует последовательность адресов для блоков памяти 8 и 10 в режиме выдачи на ЦАП и приема от АЦП последовательностей отсчетов соответственно, обмен данными между этими блоками памяти и ПК, синхронизацию АЦП и ЦАП, а также некоторые другие функции.

В процессе работы по команде, которую ПК выдает блоку интерфейса, в исследуемое волокно подается измерительный сигнал. Одновременно с этим, отсчеты принятого сигнала сохраняются в блоке памяти 10. Процессы формирования и приема сигналов начинаются одновременно, но продолжительность процесса приема является большей на удвоенное время прохождения оптическим сигналом волокна максимальной длины.

По окончании процесса приема ПК осуществляет обработку данных, фактически сводящуюся к получению интерференционной картины от цифровых образов переданного и принятого сигналов с выделением огибающей кривой, которая характеризует зависимость интенсивности сигнала на выходе программно реализованного «интерферометра» от временного сдвига образа переданного сигнала.

Необходимо подчеркнуть, что указанный сдвиг организуется только на этапе обработки данных программой.

В работе [44] показано, что при полосе частот измерительного сигнала 300 МГц, минимальное обнаруживаемое расстояние между соседними неоднородностями составляет около 0,464 м, а при дальнейшем расширении этой полосы указанное расстояние уменьшается достаточно медленно.

Ширина спектра измерительного сигнала, равная 2 ГГц, соответствует расстоянию, равному 0,202 м. Здесь можно сделать вывод, что расширение полосы частот измерительного сигнала свыше 2 ГГц не имеет смысла.

Следует также отметить, что даже при частоте 300 МГц, требуемое быстродействие некоторых узлов рефлектометра, построенного в соответствии

со схемой, изображенной на рисунке 5.1, является чрезвычайно высоким. К таким узлам относятся АЦП, ЦАП, устройства памяти отсчетов, а также блок интерфейса.

Помимо этого, представляет определенную проблему и создание соответствующего широкополосного малошумящего усилителя с необходимым коэффициентом передачи.

Для сужения необходимой полосы пропускания радиочастотного тракта приемного устройства, а также требуемого быстродействия упомянутых выше узлов прибора, можно применить последовательный анализ ограниченных смежных участков спектра сигналов. Это возможно потому, что спектральные составляющие шума являются, в общем случае, взаимно независимыми.

Для реализации описанного метода рефлектометрии, необходимо дополнить схему, изображенную на рисунке 4.2, преобразователями частоты, имеющими общий перестраиваемый гетеродин. Один из этих преобразователей должен осуществлять переноску спектра узкополосного шумового сигнала в заданную область частот, а другой, должен осуществлять обратное действие.

Таким образом, формируется частотное «окно», последовательно сдвигаемое перестройкой гетеродина, и сканирующее всю полосу частот в процессе измерения.

Возможен также и несколько иной подход, при котором сохраняется одновременная подача в волокно всех частотных составляющих измерительного сигнала, но анализ передаваемого и принимаемого сигналов производится внутри сканирующего «окна», что реализуется при помощи двух узкополосных перестраиваемых приемников. Блок-схема такого рефлектометра изображена на рисунке 5.2 [44].

Устройство содержит аппаратный генератор шума, сигналом которого модулируется оптическая несущая. Поступающий из исследуемого волокна сигнал, обусловленный рассеянием и отражением, проходя через направленный ответвитель, подается на фотодетектор.

Шумовой сигнал генератора, а также усиленный сигнал фотодетектора, подаются на входы двух идентичных каналов, каждый из которых содержит смеситель, узкополосный полосовой фильтр, усилитель и АЦП.

Настройка каналов на одну частоту обеспечивается использованием общего гетеродина, которым является синтезатор частоты.

Управление этим синтезатором, а также считывание из АЦП значений отсчетов сигналов ПК осуществляет посредством интерфейса.

Рисунок 5.2 - Блок-схема оптического рефлектометра LC-OTDR с использованием радиочастотного измерительного сигнала и сканированием спектра

В процессе измерения, производится последовательная установка частот настройки каналов таким образом, чтобы на каждом шаге их полоса пропускания частично перекрывала таковую, имеющую место на предыдущем и последующем шагах. Затем осуществляется получение необходимого числа цифровых отсчетов сигналов. Указанное перекрытие полос пропускания должно учитываться при обработке данных программой.

5.2.1 Использование сигнала, переносящего трафик, в качестве измерительного сигнала

Особый практический интерес представляет применение рассмотренного метода радиочастотной низкокорреляционной рефлектометрии в RFTS (Remote

Fiber Test System). В этом случае сигнал системы передачи данных, несущий полезную информацию, может быть использован в качестве измерительного [45].

Рисунок 5.3 - Блок-схема оптического рефлектометра LC-OTDR с использованием сигнала трафика системы передачи в качестве измерительного сигнала

Рефлектометр, основанный на таком методе, должен иметь два канала приема и обработки сигналов, на вход одного из которых подается сигнал, ответвляемый с выхода системы передачи, а на вход другого подается сигнал, возвращающийся из волокна в результате отражений и рассеяния.

Преимуществом такого варианта метода является отсутствие необходимости ввода в оптическое волокно дополнительного измерительного сигнала, что в условиях, например, систем DWDM, может оказаться весьма полезным. В этом случае оптические приемники рефлектометра могут воспринимать сигналы всех каналов одновременно.

Метод идеально подходит для анализа пассивных разветвленных оптических сетей. Однако если в узле разветвленной сети имеется активное оборудование, то рефлектометр должен находиться в том же узле и анализировать каждое ответвление по отдельности.

Возможный вариант схемы рефлектометра, использующего сигнал системы передачи для измерительных целей, приведен на рисунке 5.3.

Схема во многом аналогична изображенной на рисунке 5.2 и отличается от нее отсутствием лазера, генератора шума и оптического амплитудного модулятора. Вместо этого, устройство имеет еще один направленный ответвитель, предназначенный для отбора части мощности передатчика, а также дополнительный фотодетектор и усилитель его сигнала.

За исключением некоторых очевидных особенностей, устройства, схемы которых показаны на рисунках 5.2 и 5.3 функционируют одинаково.

5.2.2 Классификация методов оптической рефлектометрии с радиочастотными измерительными сигналами

Рассмотренный выше способ обработки полученных рефлектометром данных, состоящий в вычислении корреляционной функции от цифровых образов сигналов при выполнении серии последовательных сдвигов одного из них, не является единственно возможным. В работе [49] излагается суть еще одного метода, который заключается в следующем.

Сумма переданного и принятого шумовых (или шумоподобных) сигналов подвергается спектральному анализу, затем выделяется огибающая полученного спектра.

Далее осуществляется спектральный анализ этой огибающей. Полученное изображение спектра и является рефлектограммой исследуемого волокна.

Можно видеть, что описанный метод по сути весьма похож на OFDR-FS и отличается от него принципиальной возможностью одновременного анализа исследуемого объекта (волокна) на всех частотах измерительного сигнала. В дальнейшем для его обозначения будет применяться термин «спектрографическая рефлектометрия» [51].

Если принять этот метод за основу и обратить внимание на упомянутый ранее, вариант схемы устройства, содержащий узкополосный шумовой генератор и преобразователи частоты в трактах приема и передачи, то можно видеть, что при уменьшении ширины частотного окна шумовой сигнал в предельном случае становится гармоническим, а реализованный в таком устройстве метод рефлектометрии фактически превращается в OFDR-FS с радиочастотным измерительным сигналом. Отличие состоит лишь в отсутствии в последнем селективного приема, что в данном случае не имеет принципиального значения.

В работе [49] предлагается классификация рассматриваемых рефлектометрических методов по следующим признакам:

- одновременное/разновременное наличие всех частотных составляющих измерительного сигнала на выходе прибора;

- одновременное/разновременное прохождение всех частотных составляющих измерительного сигнала через приемный тракт рефлектометра;

- способ обработки данных - посредством вычисления корреляционной функции от образов переданного и принятого сигнала, один из которых последовательно сдвигается относительно другого на каждом шаге обработки данных, либо получение спектрограммы огибающей спектра суммы переданного и принятого сигналов.

Из трех признаков, имеющих по два варианта, можно составит восемь комбинаций. В представленной ниже таблице 5.1 приведены все указанные варианты с необходимыми комментариями.

Таблица 5.1

Классификация методов рефлектометрии

№	Признак	Комментарий
	1	2	3
1	0	0	0	Реализован в схеме, изображенной на рисунке 5.1
2	0	0	1	Реализован в схеме, изображенной на рисунке 5.1
3	0	1	0	Реализован в схемах, изображенных на рисунках 5.2 и 5.3
4	0	1	1	Реализован в схемах, изображенных на рисунках 5.2 и 5.3
5	1	0	0	Не имеет смысла
6	1	0	1	OFDR-FS
7	1	1	0	Вариант со сканирующим частотным окном
8	1	1	1	Вариант со сканирующим частотным окном (при сокращении его ширины в пределе фактически аналогичном OFDR-FS)

В таблице 5.1 принято следующее обозначение вариантов:

- для первого и второго признаков:

0 - одновременный;

1- разновременный;

- для третьего признака:

0 - корреляционный;

1 - спектральный.

5.3 Разработка алгоритма увеличения метрологических характеристик рефлектометров

5.3.1 Общие сведения об алгоритмических методах

Высокие технические характеристики современных средств измерения, а также их развитие, в значительной мере обусловлены широким применением средств вычислительной техники - встроенных микропроцессоров и персональных компьютеров (ПК). Это объясняется тем, что внедрение таких средств позволило реализовать ряд полезных функциональных возможностей программным путем, сделав их наличие практически оправданным. В случае использования только аппаратной реализации указанных возможностей, приборы стали бы неприемлемо сложными и дорогими.

К числу таких возможностей можно отнести, в частности, те, которые касаются пользовательского интерфейса - имеющиеся в настоящее время способы представления информации и система удобных меню обуславливают качественно иные, исключительно высокие эргономические параметры приборов и измерительных систем (таких, как RFTS).

Имеются также и другие положительные следствия применения программных технологий в рассматриваемой сфере. Среди наиболее интересных из них - возможность улучшения метрологических характеристик измерительных устройств и систем, посредством использования различных математических методов обработки данных [52].

В оптических рефлектометрах, например, находят применение методы регрессионного анализа и медианной фильтрации.

5.3.2 Метод регрессионного анализа

При измерении потерь на сварных соединениях волокон необходимо сопоставлять уровни рассеянного сигнала для точек, расположенных в непосредственной близости от такого соединения до и после него. Этот вид потерь может быть вызван как отражательными, так и неотражательными событиями [39]. В идеальном случае, сварной стык должен быть представлен на рефлектограмме в виде резкого перепада уровня, но отражение излучения и изменение его модового состава обусловливает искажение рефлектограммы в некоторой зоне вблизи места соединения. Эта зона может иметь достаточно большую протяженность (100...200 м). Поэтому оценка затухания оптического излучения на стыке, полученная как разность уровней в точках до и после соответствующего изгиба кривой, может иметь весьма значительную погрешность, достигающую 100% и более.

Для снижения указанной погрешности, а также в целях уменьшения влияния собственных шумов на погрешность измерения затухания, в современных рефлектометрах эффективно используются алгоритмы аппроксимации фрагментов рефлектограммы линейной зависимостью:

(5.1)

При этом, определение параметров аппроксимации и наиболее часто осуществляется с применением метода наименьших квадратов (LSA), то есть, используя математический аппарат регрессионного анализа. В таком случае [54]:

(5.2)

(5.3)

где оценка математических ожиданий измеряемых координат ;

оценка математических ожиданий измеряемых координат ;

количество отсчетов на участке аппроксимации.

Аппроксимирующие линии экстраполируют в сторону стыка. Затухание для стыков ОВ, как правило, измеряется рефлектометрами в автоматическом режиме. При этом существует несколько методов задания исходных данных для проведения таких измерений.

Указанные методы состоят в расстановке специальных маркеров на рефлектограмме. Наибольшее распространение нашел способ пяти точек. Он реализован в рефлектометрах стран СНГ, фирм Anritsu, Laser Precision и ряде других. В соответствии с ним, в режиме «Измерение затухания на стыках ОВ», оператор расставляет по два маркера (с условно назначенными номерами 1, 2 и 4, 5) на монотонно спадающих фрагментах рефлектограммы, соответствующих участкам волокон, которые граничат со стыком с разных сторон. При этом важно, чтобы они не находились на выбросах и провалах характеристики.

Последний маркер (номер 3) устанавливается в месте стыка - там, где планируется произвести измерение затухания. Вычисление параметров и происходит в режиме линейной аппроксимации, по отсчетам рефлектограммы между границами, обозначенными маркерами 1 и 2, а также 4 и 5.

Расстояние по оси ординат между полученными прямыми в точке установки маркера 3 пропорционально искомому значению затухания.

Применяется и полиноминальная аппроксимация участков, расположенных между маркерами 1, 2 и 4, 5. В этом случае участки разбиваются на равные интервалы, на границах которых измеряются уровни мощности. По измеренным значениям производится аппроксимация кривых каким-либо полиномом. Весь процесс измерения (кроме расстановки маркеров) осуществляется а автоматическом режиме.

Известен также двухмаркерный способ, реализованный в рефлектометре ОР-310, при котором по обе стороны от стыка на одинаковом расстоянии, на монотонных участках рефлектограммы, устанавливаются два маркера. Затем измерительная программа производит разбиение участка между ними на равные интервалы и осуществляет измерение уровней мощности, аппроксимацию, экстраполяцию и расчет затухания [54].

5.3.3 Метод медианной фильтрации

При обработке сигнала, полученного на выходе приемного тракта рефлектометра, важной задачей является устранение в сигнале коротких импульсов, обусловленных шумами.

Метод медианной фильтрации позволяет решить данную задачу, сохранив при этом крутизну «ступенек» сигнала, что является существенным преимуществом указанного метода по сравнению, например, с использованием в рассматриваемом случае фильтра низкой частоты (ФНЧ). Суть метода состоит в следующем.

На каждом шаге обработки сигнала, результатом которого должно явиться установление нового значения одного из его отсчетов, выделяется некоторая последовательная группа отсчетов, причем указанный отсчет является в ней центральным. Группа имеет фиксированную длину.

Далее производится сортировка отсчетов внутри этой группы по возрастанию значений, после чего в качестве результата операции на данном шаге берется значение среднего отсчета в группе. Группа отсчетов, обрабатываемых на следующем шаге, является сдвинутой относительно текущей на один отсчет.