Диссертация: Оптические рефлексометры

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].

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.

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

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.

Очевидно, что отсчеты, представляющие короткие импульсы, в процессе

сортировки смещаются к краю группы, тогда как если имеется ступенчатый перепад сигнала, его форма сохраняется.

5.4 Алгоритм увеличения метрологических характеристик рефлектометров

Современный подход к изучению различных явлений предусматривает компьютерную обработку результатов измерений. При исследовании явлений, происходящих в волоконных световодах, последнее является особенно актуальным, ввиду весьма высокой сложности исследуемых процессов. Поэтому, создание компьютерных программ обработки результатов измерения волокон, представляет собой очень важную задачу.

Волновые процессы, происходящие в многомерных системах, к каким относится волоконно-оптические линии связи, достаточно сложны. В случае одномодового оптического волокна, рассматриваемого как среда распространения сигнала, процесс существенно упрощается, если такое волокно рассматривать в качестве одномерной системы, состоящей из некоторого числа одинаковых элементов, передающих воздействие [54].  Каждый элемент должен обладать возможностью настройки, в зависимости от конкретных условий.

Участку подобной протяженной системы, длина которого равна длине распространяющейся волны той спектральной составляющей исследуемого сигнала, которая имеет максимальную частоту, должны соответствовать минимум два таких элемента. Это следует из теоремы Котельникова. Если имеется в виду оптический сигнал, то количество элементов является чрезвычайно большим и в ряде случаев оказывается необходимым другое решение.

По мнению автора, наиболее перспективным для создания алгоритмов обработки результатов измерения параметров рассматриваемых протяженных структур и пространственных срезов процессов, происходящих в них, является подход, основанный на использовании полиноминальной аппроксимации [36].