Диссертация: Оптические рефлексометры

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:

-1лазер;

-2 амплитудный модулятор;

-3направленный ответвитель;

-5 генератор пилообразного напряжения (ГПН);

-6 генератор качающейся частоты (ГКЧ);

-7 фотодетектор;

-8,  9 усилители;

-10 фильтр низкой частоты (ФНЧ);

-11смеситель;

-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 обусловленно 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.