Диссертация: Оптические рефлексометры

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;

-3направленный 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.