Диссертация: Оптические рефлексометры

Как уже упоминалось, одномодовое оптическое волокно может быть представлено в качестве одномерной среды распространения волн, которая содержит различные неоднородности, отражающие и рассеивающие излучение [53].

Распространяющиеся в волокне оптические импульсы представляют собой в каждый момент времени некоторое распределение электромагнитного поля вдоль световода. Поэтому мгновенное состояние процесса распространения излучения может рассматриваться с точки зрения реализации алгоритма, так же, как и неоднородности волокна.

В соответствии с данным подходом предлагается представить каждый измеряемый параметр волокна, как функцию расстояния от его начала, описать бесконечную последовательность копий получившейся зависимости периодической функцией и осуществить аппроксимацию последней рядом Фурье [54].

На рисунке 5.4 изображена блок схема модели компьютерной обработки результатов измерений параметров оптического волокна, основанной на полиноминальной аппроксимации.

Рисунок 5.4 –  Блок схема модели компьютерной результатов измерений параметров оптического волокна, основанной на полиноминальной аппроксимации

Исходные данные от источника помещаются в четыре базы данных (БД):

-БД – излучения;

-БД – механического напряжения;

-БД – структуры волокна;

-БД – параметров процесса.

Источником может быть рефлектометр, имеющий интерфейс соединения с компьютером.

Выбор вида представления информационного элемента в БД является весьма важной технической задачей, поскольку от этого сильно зависит как точность обработки, так  и производительность системы в целом. С одной стороны необходимо наличие максимальных возможностей описания физических процессов, с другой — минимизация объема данных в каждой записи БД.

Поскольку, число информационных элементов является чрезвычайно большим. Например, при длине световода 100 км и длине волны излучения 1,55 мкм оно равно 1,89·10¹¹, это создает заметные проблемы с хранением соответствующего объема данных в одной таблице БД.

 С точки зрения автора, наиболее оптимальным является сопоставление каждой такой таблицы одному непрерывному участку волокна (например, строительной длины).

В первых трех базах данных содержится информация, представляющая

пространственно-неоднородные структуры - распределение напряженности электрической составляющей поля вдоль оптического пути, распределение механического напряжения по длине волокна, а также структуру оптического

пути (неоднородности). Следует отметить, что перечисленные данные должны храниться в указанных базах с исключением избыточности, поскольку в противном случае объем БД мог бы оказаться чрезвычайно большим.

Содержимое этих баз считывается модулями подготовки данных, осуществляющими полиноминальную аппроксимацию. Выходные данные модулей сохраняются в соответствующих промежуточных БД, из которых они поступают в модуль обработки.

Модуль обработки данных является главным и осуществляет основные операции с данными. На характер обработки оказывает влияние информация, расположенная в БД параметров процесса. Выходные данные модуля попадают

в БД состояния объекта, которое соответствует определенному шагу обработки. Эти данные, представленные в виде параметров аппроксимирующего полинома, подаются на вход следующей ступени обработки, реализуемой модулем преобразования данных, который переводит результаты моделирования в пространственную форму представления и записывает их в БД с исключением избыточности.

Модуль обработки данных имеет две таблицы, одна из которых предназначена для передаваемых данных, а другая - для принимаемых. Данные

в первой таблице формируется внешними (по отношению к рассматриваемому

комплексу), средствами. По окончании работы программ, приемная таблица

содержит выходные данные. Таблицы передачи и приема, а также ряд других

таблиц, через которые проходят обрабатываемые данные, имеют одинаковый

базовый набор полей. Некоторые из этих таблиц содержат также и дополнительные поля.

По отношению к каждому измеряемому параметру волокна, следует рассматривать два направления распространения света, для каждого из которых

формируются проходящий и отраженный выходные сигналы. Таким образом, имеются четыре группы параметров, характеризующих пространственные срезы процесса — то есть его состояние в точках неоднородности. В этих точках определяются параметры сигнала (процесса), сохраняемые в таблице, которая имеет связь с таблицей неоднородностей (нормированных значений сигнала, для каждого вида неоднородности).

Ниже перечислены сохраняемые параметры:

-значение огибающей мощности оптического сигнала после прохождения через неоднородность в прямом направлении;

-время окончания прохождения сигнала через неоднородность в прямом направлении;

-амплитуда оптического сигнала после прохождения через неоднородность в прямом направлении;

-фаза оптического сигнала после прохождения через неоднородность в прямом направлении;

-частота оптического сигнала после прохождения его через неоднородность в прямом направлении;

-значение огибающей мощности отраженного сигнала для прохождения через неоднородность в прямом направлении;

-время окончания формирования отраженного сигнала для прямого направления прохождения через неоднородность;

-амплитуда отраженного оптического сигнала для прохождения через неоднородность в прямом направлении;

-фаза отраженного оптического сигнала для прохождения через неоднородность в прямом направлении;

-частота отраженного оптического сигнала для прямого направления прохождения через неоднородность;

-значение огибающей мощности оптического сигнала после прохождения через неоднородность в обратном направлении;

-время окончания прохождения сигнала через неоднородность в обратном направлении

-амплитуда оптического сигнала после прохождения через неоднородность в обратном направлении;

-фаза оптического сигнала после прохождения через неоднородность в обратном направлении;

-частота оптического сигнала после прохождения его через неоднородность в обратном направлении;

-значение огибающей мощности отраженного сигнала для прохождения через неоднородность в обратном направлении.

-время окончания формирования отраженного сигнала для обратного направления прохождения через неоднородность;

-амплитуда отраженного оптического сигнала для прохождения через неоднородность в обратном направлении;

-фаза отраженного оптического сигнала для прохождения через неоднородность в обратном направлении;

-частота отраженного оптического сигнала для обратного направления прохождения через неоднородность.

Приведенный список параметров обладает некоторой избыточностью.

Например, значение огибающей мощности оптического сигнала в точке неоднородности может быть вычислено исходя из амплитуды, а время появления сигнала на выходе элемента, можно определить при известном значении фазы в этой точке. Однако, наличие указанной дополнительной информации является полезным для облегчения дальнейших расчетов, исходные данные которых формирует рассматриваемый алгоритм.

Для каждого из приведенных параметров, в таблицах предусмотрено специальное поле, начиная с четвертого. Первые три поля содержат, соответственно, порядковый номер группы записей элемента, метку и идентификатор подпроцесса.

Меткой может являться любая текстовая строка. Она не обрабатывается данным алгоритмом и может быть использована для обозначения определенных точек волокна с целью повышения удобства работы с программой.

Помимо перечисленных выше, существуют еще две таблицы, первая из которых имеет одно поле и предназначена для ведения списка идентификаторов отражательных событий, задействованного в дополнительном механизме контроля их уникальности.

Вторая  таблица является промежуточной, и служит для временного хранения данных всех параметров зафиксированного события, предшествующего текущему (для которого на текущем шаге работы алгоритма производится обработка данных). Список полей этой таблицы является таким же, как и для таблицы состояния процесса.

Блок-схемы алгоритмов модуля подготовки данных и модуля обработки данных приведены соответственно на рисунках 5.2 и 5.3.

Модуль подготовки данных имеет блок, обозначенный как «обработка данных». Соответствующая ему процедура состоит из двух частей, первая из которых предназначена для продвижения сигнала на один шаг в обратном направлении (от конца волокна к началу) а вторая - в прямом направлении (от начала к концу). Такая последовательность действий обусловлена тем, что продвижение, например, в обратном направлении реализуется последовательностью действий, для каждого из которых исходными данными являются параметры процесса для события, расположенного на один шаг дальше от текущего, по направлению к концу волокна. Поэтому, при выполнении расчетов каждого из направлений происходит поочередная обработка элементов в противоположном направлении.

Таким образом, вычисление состояния любого подпроцесса на одном шаге продвижения сигнала предполагает существование последовательности стадий для ряда событий при переходе от каждого из них к предыдущему, и так далее, до начальной записи подпроцесса. А затем - к порождающей записи этого подпроцесса, то есть на другое направление, и через всю последовательность предшествующих подпроцессов, и отражательных событий - к первичному источнику сигнала.

Блок-схема алгоритма первой части процедуры обработки данных представлена на рисунке 5.6. Вторая часть отличается от первой только соответствующей сменой направления.

Взаимодействие между модулями организовано с помощью системы флагов, сигнализирующих о состоянии готовности данных на выходе одного, а также о факте считывания их другим. Сами данные передаются через две буферные таблицы, каждая из которых имеет единственную запись. Одна из этих таблиц предназначена для передачи данных от модуля подготовки данных к модулю обработки, а другая – в обратном направлении.

Имеется два флага готовности данных (по числу направлений). Флаги представляют собой поля логического типа, организованные в третьей, специальной таблице, которая также имеет одну запись. Каждый модуль анализирует состояние своего флага готовности выходных данных и, обнаружив его сброшенное состояние, свидетельствующее о считывании предыдущих данных другим модулем, производит выдачу новых данных в буферную таблицу с последующей установкой указанного флага.

Такое решение несколько замедляет работу всего алгоритма, что обусловлено ожиданием готовности данных, однако, позволяет разместить компоненты на разных компьютерах, давая определенные удобства.

Рисунок 5.4 –  Блок схема алгоритма модуля подготовки данных

         Рисунок 5.5 –  Блок схема алгоритма модуля обработки данных

Рисунок 5.6 –  Блок схема алгоритма процедуры  обработки данных

Помимо двух перечисленных флагов, имеется и третий, организованный в

той же таблице. Это флаг конца процесса. Его установка происходит при достижении заданного максимального количества отсчетов данных, принимаемых модулем обработки, и вызывает завершение работы модуля подготовки данных.

Необходимо подчеркнуть, что такая структура, осуществляющая ступенчатую обработку данных с сохранением результатов ее промежуточных

стадий, является очень гибкой и позволяет модифицировать весь процесс проведения измерений, путем подключения любых необходимых обрабатывающих модулей, имеющие соответствующий интерфейс. По мнению автора, описанный подход является наиболее оптимальным.

Выводы по главе

В данной главе было поведено рассмотрение методов улучшения  метрологических характеристик рефлектометров, в ходе которого обозначились определенные сложности, связанные со спецификой рассматриваемых методов,

к числу которых следует отнести, например, рефлектометрический анализ волокон большой длины.

Автором предлагается реализовать модульный алгоритм распределенных вычислений на основе программного обрабатывающего комплекса, идеи которого рассмотрены в [52].

Разработанный алгоритм позволяет выполнять основные функции обработки информации конвейерным методом. Это осуществляется в так называемых передаточных цепях и сетях, в которые входят программные модули, связанные через промежуточные базы данных. Взаимодействие модулей в процессе обработки данных осуществляется посредством флагов.

Указанный подход удалось реализовать, путем представления каждого измеряемого параметра в виде функции расстояния от начала волокна, описания бесконечной последовательности копий этой зависимости периодической функцией и осуществить ее полиноминальную аппроксимацию рядом Фурье.

Актуальность задачи компьютерной обработки полученных данных при измерении световодов, различных элементов оптического тракта и изучении процессов, которые происходят в них, создает предпосылки применения модульного подхода к проблеме улучшения  метрологических характеристик рефлектометров. Это не только позволяет получить возможность расширения функциональности рефлектометров  и увеличения точности измерений, но и добиться максимальной эффективности и удобства работы с ними.

Заключение

Повсеместному внедрению волоконно-оптических линий связи, способствует устойчивый рост информационного обмена, наблюдаемый в современном обществе, а также развитие высокоточных технологий. На фоне всего этого, создаются предпосылки для широкого использования средств и методов диагностики ВОЛС, в основе которых лежат принципы непрерывного мониторинга оптических волокон, и бриллюэновская рефлектометрия.

В диссертационной работе осуществлен обзор достижений в сфере упомянутых методов, и поведен их анализ. Рассмотрены  варианты реализации систем диагностики оптических волокон, технические характеристики используемых средств измерений.

Поскольку одним из основных средств измерений, проводимых на ВОЛС является оптический рефлектометр, значительная часть исследования посвящена поиску путей усовершенствования данных приборов.

Такими направлениями являются непрерывноволновая частотномодулированная, а также низкокорреляционная рефлектометрия. Использование радиочастотных измерительных сигналов, модулирующих оптическую несущую, позволяет существенно увеличить длину тестируемых участков оптического кабеля.

Особое внимание в данной работе уделено бриллюэновской рефлектометрии. Рассмотрены принципы действия приборов, в основе принципа действия которых, реализован этот метод.