Диссертация: Оптические рефлексометры

Введение множителя -0,5 обусловлено тем, что оптическому сигналу приходится  проходить  двойное расстояние: от источника к точке отражения и обратно [8].

В случае возникновения дефекта или стыка оптического волокна, происходит резкое увеличение обратного излучения. Вычисление расстояния до точки дефекта, стыка и обрыва волокна осуществляется посредством подсчета времени обратного излучения.

Одним из основных компонентов рефлектометра, является схема измерения временных задержек, входящая в состав блока обработки данных. Расстояние до тестируемого участка ВОЛС является результатом расчета измеренной временной задержки, соответствующей этому участку, рассеянного или отраженного сигнала. Очевидно, что точность измерения временных задержек, непосредственным образом влияет пространственная точность измерений, поэтому, с целью получения правильного значения расстояния при измерениях рефлектометром, необходимо точно установить значение показателя преломления. Это обусловленно тем, что расстояние равно произведению скорости света на групповую скорость, обратно пропорциональную величине показателя преломления волокна.

В современных рефлектометрах, в состав блока обработки входит аналогово-цифровой преобразователь и модуль цифровой обработки, собранный на основе специализированного микропроцессора.

С целью снижения влияния шумов и, следовательно, расширения динамического диапазона при сохранении пространственного разрешения, блок цифровой обработки производит накопление данных от большого числа отраженных сигналов, этим достигается снижение уровня шума до значения пропорционального квадратному корню от количества отраженных сигналов.

Рефлектограмма, сформированная блоком обработки данных, подается на приборный дисплей, либо обрабатывается в специальных блоках автоматической обработки, и на дисплей выводятся непосредственно результаты обработки. Рефлектограмма может хранится в памяти рефлектометра и сравниваться с другими рефлектограммами из  памяти устройства.

1.3 Технические характеристики оптического рефлектометра

Процесс проведения измерений с помощью рефлектометра, предусматривает расположение его фотоприемника вблизи того же конца волокна, через который вводится зондирующий оптический импульс. Это позволяет регистрировать только ту часть рассеянного (отраженного) излучения, которая распространяется вдоль волокна по сердцевине. При этом, анализ временной зависимости принятого излучения, дает возможность рассчитать целый ряд характеристик, как самого волокна, так и волоконно-оптической линии в целом [25].

Рефлектометр позволяет определить мощность зондирующего сигнала в некоторой области волокна, при известном коэффициенте рассеяния света в этой области. А при неизвестной величине коэффициента обратного рассеяния, но одинаковой  в определенных участках ВОЛС, с помощью рефлектометра можно определить отношение мощностей сигнала на этих участках а, следовательно, значение затухания между этими участками.

С точки зрения пользователя, работающего с оптическим рефлектометром, важно знать следующие параметры:

-максимально возможная длина тестируемого участка ВОЛС;

-точность определения расстояния до обнаруженных дефектов;

-величина минимальных потерь, при которой возможно обнаружение дефектов;

-точность измерения потерь.

В большинстве случаев, указанные параметры определяются не только техническими характеристиками рефлектометра, но и характеристиками тестируемого объекта (участка ВОЛС или отдельного волокна). К примеру, если тестировать одним и тем же рефлектометром разные волокна, то максимальная длина будет зависеть от коэффициента затухания света этих волокон.

Технические характеристики рефлектометров измеренные в стандартных условиях, как правило не связаны с характеристиками конкретного тестируемого объекта, а зависят только от возможностей устройства. По известным техническим характеристикам можно определить возможный диапазон применения конкретного прибора при требуемой точности измерений в конкретных условиях.

К техническим характеристикам рефлектометра относятся следующие:

-динамический диапазон и диапазон измерений;

-мертвые зоны рефлектометра;

-пространственная разрешающая способность;

-точность измерения расстояния;

-точность измерения затухания.

Динамический диапазон.

Динамический диапазон рефлектометра выражается в дБ и выражает максимально возможную  длину тестируемого участка ВОЛС, которую можно определить по формуле:

, м.                                                      (1.2)

где  динамический диапазон рефлектометра, дБ;

 потери в волокне,  дб/км.

Динамический диапазон является наиболее важным параметром, и часто используется для классификации рефлектометров.  По значению данного параметра можно получить информацию не только о максимально допустимом уровне потерь в тестируемой ВОЛС, но и о длительности процесса измерений, производимых с помощью данного прибора[25].

Значение динамического диапазона оптического рефлектометра определяется как разность между уровнем мощности обратного рассеяния в самом начале волокна и уровнем шумов при заданном времени измерений, в соответствии с выражением:

                                              , дБ.                        (1.3)

где  уровень мощности обратного рассеяния, дБм;

 уровень шумов, дБм.

При сравнении различных моделей рефлектометров, динамический  диапазон прибора, также выступает в качестве  основного критерия. Это объясняется тем, что значение данного параметра увеличивается с увеличением длительности импульсов (t), и времени усреднения сигнала (Т).  Как правило, это значение приводится при максимальных для конкретной модели прибора значениях t и Т. МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов рефлектометров использовать следующие величины: t =10 мкс и Т = 3 мин [4].

Мертвые зоны.

Мертвыми зонами называются участки вблизи отражающих элементов. На этих участках измерения крайне затруднены.

Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно обнаружить другое отражающее событие, называется мертвой зоной отражения.

Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно точно измерить уровень мощности обратного рассеяния называется мертвой зоной затухания, т.к. этот участок волокна исключается из процесса измерения затухания. Определение мертвой зоны отражения и мертвой зоны затухания представлены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Определение мертвой зоны отражения и мертвой зоны затухания

Мертвая зона отражения представляет собой расстояние между началом отражения и точкой на спаде пика отражения с уровнем – 1,5 дБ относительно вершины.

Мертвая зона затухания представляет собой расстояние от начала отражения до точки, в которой уровень сигнала фотоприемника отличается не более чем на 0,5 дБ от уровня обратного рассеяния [5].

Пространственная разрешающая способность.

Пространственная разрешающая способность рефлектометра,  наравне с мертвой зоной отражения, определяет способность измерительного прибора различить два события. Но если в определении мертвой зоны отражения рассматриваются два отражающих события, то пространственная разрешающая способность характеризует способность различать поглощающее событие на фоне отражающего.

Вблизи входного торца, пространственная разрешающая способность отражает минимальное расстояние, на котором рефлектометр обнаруживает и позволяет аккуратно измерить поглощающее событие (например, сварное соединение).

Для некоторых одиночных событий предложены спецификации пространственной разрешающей способности. Для сварки с потерями менее 1 дБ разрешающая способность представляет собой  длину ступеньки между уровнями 10% и 90% ее высоты. Для одиночного отражающего события пространственная разрешающая способность равна длительности пика по уровню 50%.

Пространственная разрешающая способность зависит, как от длительности импульса, так и от полосы пропускания предварительного усилителя, входящего в состав приемного преобразователя (рис. 1.1).

Представленное ниже выражение, позволяет приближенно оценить величину разрешающей способности одиночного отражающего события:

,                                            (1.4)

где длительность импульса;

 ширина полосы усилителя;

 показатель преломления.

Точность измерения расстояния.

Измерение расстояния до точки возникновения скачка показателя преломления (по сути, повреждения оптического волокна), является одной из важнейших задач для ВОЛС, при тестировании которых, проблема локализация повреждений приобрела определенные, присущие только оптической технике, особенности [5].

При использовании рефлектометра для целей локализации повреждения ВОЛС, следует помнить, что рефлектометр измеряет время прохождения света до неисправности и обратно. Измеренное значение времени используется для вычисления расстояния от торца до неисправности вдоль волокна. Длина оптического кабеля меньше длины, составляющего его волокна, и при этом, зависит также от  индивидуальных характеристик кабеля.

Точность определения расстояния характеризуется величиной абсолютной и относительной погрешности измерения расстояния.

Необходимость пересчета и возможная неточность внутреннего таймера рефлектометра, являются причиной возникновения постоянной относительной ошибки, называемой ошибкой масштабирования. Абсолютная ошибка (Δm) определения длины волокна определяется, как произведение относительной ошибки (m_d) масштабирования на длину (L):

                   .                                                  (1.5)

Достаточно ощутимый вклад в величину относительной ошибки масштабирования вносит ошибка определения показателя преломления и нестабильность тактовой частоты, а также ошибки дискретизации и локализации.

Величина ошибки дискретизации зависит от быстродействия аналого-цифрового преобразователя.

Ошибка локализации обусловлена неточностью определения положения события из-за наличия шумов и  непосредственно связана с пространственной разрешающей способностью рефлектометра. Необходимо также отметить, что ошибка локализации существенно зависит от типа события и от алгоритма определения его положения, а также от уровня шума в точке измерений [8].

Точность измерения затухания.

Расчет величины затухания рефлектометром осуществляется косвенным образом, в зависимости от величины сигнала обратного рассеяния. В результате изменения коэффициента обратного рассеяния могут появляться ошибки измерений, ни как не связанные с техническими характеристиками рефлектометра.

Ошибки измерений затухания определяются ошибками измерения мощности сигнала обратного рассеяния.

В большинстве моделей рефлектометров оптический сигнал преобразуется в электрический при помощи приемного преобразования (рис. 1.1), в состав которого входит фотоприемник и предварительный усилитель.

В идеальном преобразователе электрический ток должен быть прямо пропорционален мощности светового сигнала. Выходной ток измерительного преобразователя измеряется цифровым измерителем.

Ошибки измерений возникают из-за наличия шумов преобразователя и случайных ошибок измерителя, а также из-за нелинейности характеристик фотоприемника и  предварительного усилителя.

В рефлектометрах, ошибку измерений затухания характеризуют линейностью рефлектометра LN [дБ/дБ]:

.                                                    (1.6)

где  отклонение измеренного значения затухания от действительного;

 действительное значение затухания.

Погрешность измерения затухания и коэффициента затухания оптических волокон (ОВ) является одним из основных параметров оптического рефлектометра. На величину погрешности влияют как характеристики приемного устройства рефлектометра, так и свойства оптического сигнала обратного рассеяния.

При достаточно большом увеличении масштаба экрана рефлектометра видно, что рефлектограмма формально однородного ОВ неоднородна, зашумлена. Из нескольких причин, вызывающих такую неоднородность, можно выделить две основные:

-зависимость потерь оптических компонентов рефлектометра от поляризации излучения, пришедшего на его вход;

-интерференция составляющих сигнала обратного рассеяния, пришедших от различных участков зондирующего оптического импульса.

Выводы по главе

Современные рефлектометры определяют значения оптических потерь на участках волокна, соединительных стыках и в местах возникновения дефектов.

Оценка значения оптических потерь, производится в рефлектометрах на основании отраженного излучения. Данный метод заведомо предусматривает определенную точность измерения, но вместе с тем, с помощью рефлектометрии можно определить, какой из элементов ВОЛС вносит наибольший вклад в общие потери, и тем самым, позволяет осуществлять детализацию линии по ее составным элементам.

Порт рефлектометра совмещает в себе функции передатчика и приемника. Источник излучения генерирует световые импульсы определенной мощности определенное время, затем отключается, и на том же порту начинает работать фотоприемник, который регистрирует мощность сигналов обратного отражения, фиксирует время их поступления и прохождения вдоль  волокна и выдает результаты в виде графика - рефлектограммы с обнаруженными в сегменте событиями. Время регистрации событий пересчитывается в расстояние, которое откладывается по горизонтали в метрах или километрах.

Технические характеристики рефлектометров измеренные в стандартных условиях, как правило не связаны с характеристиками конкретного тестируемого объекта, а зависят только от возможностей устройства. По известным техническим характеристикам можно определить возможный диапазон применения конкретного прибора при требуемой точности измерений в конкретных условиях.

2 Методы рефлектометрии

2.1 Оптической когерентный рефлектометр

Принцип действия OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) во многом схож с работой, импульсных рефлектометров, используемых для проведения измерений металлических кабелей. Оба типа рефлектометров используют мощный зондирующий импульс (оптический или электрический), посылаемый в линию,  с последующими измерениями мощности и времени запаздывания отраженных, по разным причинам, импульсов [21].

Основное отличие в работе OTDR проявляется в том, что в оптических волокнах обратная волна формируется не только в результате отражения от больших (по сравнению с длиной волны) дефектов, но и за счет релеевского рассеяния.