Диссертация: Оптические рефлексометры
Оптические рефлексометры
Содержание
1 Измерение параметров ВОЛС с помощью оптического рефлектометра. 8
1.1 Конструкция оптического рефлектометра. 8
1.2 Принцип действия оптического рефлектометра. 10
1.3 Технические характеристики оптического рефлектометра. 12
2.1 Оптической когерентный рефлектометр. 20
2.2 Частотно-сдвинутый асимметричный интерферометр Саньяка. 26
2.3 Рефлектометр оптической частоты.. 30
2.4 Корреляционная рефлектометрия с применением псевдослучайного сигнала 35
2.5 Рефлектометрия на основе счета фотонов. 41
2.6 Рефлектометрия с частотным сканированием. 42
2.7 Рефлектометрия с синтезом функции когерентности. 44
2.8 Бриллюэновская оптическая рефлектометрия. 46
3 Исследование метрологических характеристик рефлектометров. 51
3.1.1 Математическое описание всех участков рефлектограммы.. 54
3.2 Ложные сигналы и ошибки измерений. 61
3.3 Мертвые зоны рефлектометра. 64
3.3.1 Динамический диапазон и диапазон измерений. 67
3.4 Факторы влияющие на метрологические характеристики рефлектометров. 73
4 Методы увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров. 78
4.1 Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии. 78
4.2.1 Обоснование технического решения. 81
4.3 Низкокорреляционая оптическая рефлектометрия с применением. 90
шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона. 90
5 Разработка методов улучшения метрологических характеристик рефлектометров 94
5.1 Обоснование технического решения. 94
5.2.1 Использование сигнала, переносящего трафик, в качестве измерительного сигнала. 100
5.3 Разработка алгоритма увеличения метрологических характеристик рефлектометров 104
5.3.1 Общие сведения об алгоритмических методах. 104
5.3.2 Метод регрессионного анализа. 104
5.3.3 Метод медианной фильтрации. 106
5.4 Алгоритм увеличения метрологических характеристик рефлектометров. 107
Список использованных
источников. 122
Введение
Актуальность темы.
Основной причиной возникновения повреждения на действующих волоконно – оптических линиях связи (ВОЛС), является механическое напряжение оптического волокна. Это, в неменьшей мере, также относится и к вновь строющимся ВОЛС. По данным исследований, для безотказного и продолжительного (25 и более лет) функционирования оптичесого кабеля, относительное удлинение волокна не должно превышает 0,3%, тогда как, при достижении данного значения более 0,6%, возникает большая вероятность отказа уже в течение первого года эксплуатации. В этой связи, контроль натяжения оптического волокна должен проводиться на всех этапах производства кабеля.
Под действием окружающей среды, неизбежно возникают деформации оптического кабеля, но они не должны становится причиной напряжений в волокне. Достигается это, благодаря простому конструктивному решению, обеспечивающиму механическую развязку волокна от несущих элементов кабеля, посредством свободной укладки волокна в виде спирали. Соблюдение данного требования позволяет исключить возникновение дополнительных потерь в волокне, обусловленных микро - и макронапряжениями, и обеспечить продолжительный срок службы кабеля.
Широкое внедрение систем волнового мультиплексирования (DWDM-систем) способствовало возникновению новых проблем с области диагностики волоконно-оптических линий связи. Присутствие в DWDM-системах оптических селективных пассивных компонентов, таких как мультиплексоры и демультиплексоры, серьезно усложнило контроль параметров оптического волокна с применением обычных рефлектометров на основе лазеров Фабри-Перо. Если же в составе ВОЛС присутствуют промежуточные мультиплексоры ввода-вывода, осуществляющие ответвление сигналы с различными длинами волн в иное направление по отдельному оптическому волокну, то произвести измерения затухания в мультиплексоре и параметры оптического волокна конкретного направления, с помощью обычного рефлектометра вообще невозможно. Применение РОС-лазеров с длинами волн из линейки фиксированных нормативных длин волн систем DWDM позволяет решить это проблему только для крайне небольшого числа случаев.
По обозначенной причине возникает необходимость разработки принципиально нового типа оптического рефлектометра с возможностью перестройки длины волны оптического сигнала, на основе мощного аппаратно- программного комплекса, позволяющего производить измерения, результаты которых не зависят от опыта и знаний оператора.
На сегодняшний день, освоены методы измерения натяжения волокон, в основе которых лежат принципы оптической рефлектометрии. Эти методы являются наиболее эффективными, но чрезвычайно высокая стоимость современного измерительного оборудования, становится серьезной проблемой для их широкого внедрения. И весьма актуальной задачей становится исследование возможностей использования альтернативных методов и поиск новых технических решений, которые позволили бы, проводить подобные измерения более простыми средствами.
Одним из направлений использования альтернативных методов, является создание математических моделей, с последующей их реализаций в виде компьютерных программ, поиск технических решений, нацеленных на упрощение оптических рефлектометров, путем оптимизации их технико-экономических показателей. Сюда же можно включить и создание новых алгоритмов обработки данных рефлектограммы, с целью получения более точных реультатов измерений, которых невозможно при «ручной обработке», когда точность измерений в большой степени зависит от опыта оператора. Решению этих задач и посвящена данная работа.
Цели работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы являются исследование методов рефлектометрии с целью ранней диагностики волоконно-оптических линий связи и научное обоснование алгоритмического принципа обработки данных оптических рефлектометров.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. Изучение существующих конструкций рефлектометров, принципов работы и технических характеристик оптических рефлектометров.
2. Изучение существующих методов рефлектометрии. Определение перспективных направлений развития методов методов рефлектометрии в контексте существующей ситуации и технических решений, имеющихся в данной области.
3. Исследование метрологических характеристик рефлектометров, с проведениес анализа рефлектограммы и математическим описанием всех ее участков. Исследование влияния основных факторов на метрологические характеристики рефлектометров, применительно к диагностике волоконно-оптических линий связи.
4. Исследование функциональных возможностей оптических рефлектометров и методов увеличения их предельных функциональных возможностей. Анализ функциональных схем альтернативных вариантов оптических рефлектометров и их элементов.
5. Разработка методов и алгоритма улучшения метрологических характеристик рефлектометров.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались метод исследования метод математического анализа метрологических характеристик рефлектометров.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что компьютерное имитационное моделирование процессов распространение сигналов в волоконных световодах является весьма востребованным, что обусловленно высокой стоимостью лабораторного оборудования для проведения реальных экспериментов.
Структура и объем диссертации.
В первой главе проведено объяснение принципа рефлектометрии, рассмотрены конструкции рефлектометров и их технические характеристики.
Во второй главе рассматриваются существующие методы рефлектометрии.
Третья глава посвящена исследованиям метрологических характеристик рефлектометров. приведен анализ рефлектограммы и математическое описание ее участков.
В четвертой главе рассмотрены возможные методы увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров.
В пятой главе приводятся результаты исследований и предлагаются варианты решения задачи по увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров.
В заключении изложены основные результаты работы.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Работа изложена на 127 страницах основного текста. В состав
ее входят 11 иллюстраций и 3 таблицы.
1 Измерение параметров ВОЛС с помощью оптического рефлектометра
1.1 Конструкция оптического рефлектометра
В качестве примера будет рассмотрена наиболее
распространенная конструкция устройства – импульсный оптический рефлектометр. Структурная
схема рефлектометра данного типа приведена на рисунке 1.1.
Рисунок
1.1 – Структурная схема импульсного оптического рефлектометра
В качестве источников зондирующих импульсов, в подавляющем большинстве рефлектометров, используются полупроводниковые лазеры с прямой модуляцией током накачки. Лазеры данного типа обеспечивают генерацию световых импульсов фиксированной мощности и переменной длительности при фиксированном токе накачки. Длительность генерируемых импульсов определяется значением длительности импульса тока накачки, вырабатываемого блоком управления. Наиболее широкое распространение получили полупроводниковые лазеры, генерирующие импульсы длительностью от 1 нс до 10 мкс [14].
Частота импульсов тока накачки, вырабатываемых блоком управления, может устанавливаться вручную или определятся автоматически, в зависимости от максимальной длины тестируемого участка ВОЛС. Одновременно с импульсами тока накачки, с блока управления на блок обработки данных подаются синхронизующие импульсы.
Приемный преобразователь служит для приема и преобразования оптических сигналов обратного рассеяния в электрические ток. Помимо фотоприемника, в состав приемного преобразователя входит предварительный усилитель.
Основные требования, предъявляемые к приемному преобразователю, следующие:
-высокая чувствительность;
-низкий уровень собственных шумов;
-широкая полоса пропускания, что эквивалентно малой постоянной времени.
Наряду с указанными требованиями, приемный преобразователь должен обладать максимально возможной линейностью преобразования в достаточно широком динамическом диапазоне мощностей светового сигнала.
Блок обработки данных представляет собой вычислительную систему рефлектометра, которая осуществляет обработку электрического сигнала от приемного преобразователя и строит рефлектограмму на экране дисплея. В данном блоке также производятся все виды автоматической обработки рефлектограмм и автоматических измерений [14].
Зондирующий световой импульс вводится в тестируемую ВОЛС
через разветвитель, имеющий два рабочих входных порта и один выходной порт, как
показано на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Схема оптического разветвителя
Разветвитель предназначен для разделения зондирующих импульсов, вводимых в волокно, сигнала обратного рассеяния, принимаемого высокочувствительным фотоприемником.
Обычно в качестве разветвителей используется устройство, выполняемое на основе четырехполюсника с двумя входными (1,2) и двумя выходными (3,4) портами, из которых задействованы только три (1,2,3),
К входным портам подключаются импульсный лазер и приемный преобразователь, а с рабочим выходным портом соединяется тестируемый участок ВОЛС.
Четвертый , неиспользуемый порт разветвителя должен быть обязательно закрыт специальным устройством, поглощающим излучение без отражения.
С помощью этого же разветвителя сигнал обратного рассеяния от
ВОЛС через порт (3) и порт (2) попадает на фотоприемник приемного преобразователя
[10].
1.2 Принцип действия оптического рефлектометра
В основе принципа действия рефлектометра, лежит анализ отраженных оптических импульсов. Измерения параметров оптического волокна, проводимые с помощью рефлектометра, основаны на явлении обратного рассеяния света в волокне и отражения оптического сигнала в точках, в которых наблюдаются скачки показателя преломления.
Световые импульсы, вводимые в тестируемое волокно, имеют относительно высокую мощность, которая ослабевает в процессе распространения по волокну в соответствии с коэффициентом его затухания. Незначительная часть мощности рассевается, а основной отраженный световой сигнал принимается приемным преобразователем и преобразуется в электрические ток, величина которого прямо пропорциональна мощности светового сигнала [10].
В основе измерений затухания с помощью оптического рефлектометра, лежит предположение, что коэффициент обратного рассеяния является для тестируемого волокна величиной постоянной, то есть в каждой точке волокна назад рассеивается одинаковое количество оптической мощности. При этом, затухание самого волокна выражается в том, что на вход фотоприемника приходит отраженный сигнал, оптическая мощность которого, линейно уменьшается. Затухание волокна между точками А и Б определяется как половина разности между соответствующими уровнями мощности PА и PБ:
дБ. (1.1)