Диссертация: Оптические рефлексометры

;                                                     (2.9)

где  разрешение частоты генератора функции;

ошибка частоты алгоритма обработки данных.

Здесь предполагатся, что фазовая ошибка  в поиске точки минимума не зависит от длины волокна [32].

С помощью описанного метода, достаточно просто можно достичь разрешения порядка 10^-6 для длинных волокон, при  динамическом диапазоне 60 км.

Для изучения возможности и пределов повышения точности измерения коэффициента затухания ОВ было использовано два метода: применение поляризационного смесителя и изменение длины волны (спектра) излучения лазера рефлектометра во время измерения.

Применение поляризационного смесителя наиболее эффективно, когда в рефлектометре используются лазеры Фабри-Перо, и основной причиной «шума» на рефлектограмме является PDL оптики прибора, прежде всего выходного разветвителя или циркулятора. Он позволяет даже при относительно большом PDL снизить размах «шума» до нескольких сотых дБ.

Уменьшение «шума» до меньших значений достигается за счет модуляции длины волны лазера путем изменения его температуры. При этом использовались лазеры, установленные на термоэлектрическом охладителе (ТЭО). Изменение длины волны уменьшает интерференционную составляющую «шума», на которую смешение поляризации влияет незначительно.

С помощью метода изменения длины волны лазера с использованием ТЭО был реализован оптический рефлектометр с погрешностью измерения коэффициента затухания ОВ не более ±0,004 дБ/км на длине волны 1550 нм. Данные значения получены для ОВ длиной от 1 км.

2.3 Рефлектометр оптической частоты

Описанные выше методы, предусматривают наличие компромисов в таких параметрах как:

-диапазон изерений;

-разрешающая способность метода измерения;

-быстродействие измерений;

-чувствительность;

-точность измерений.

Низкокогерентный метод обычно используется для субмиллиметрового разрешения измерения с очень высокой чувствительностью, но при этом, диапазон измерений очень ограничен (< 5 м).OTDR позволяет достичь дальности в несколько километров, но при достаточно низком  разрешении.

Метод поляризационно-чувствительной оптической рефлектометрии частотной области (OFDR), работает и во временной, и в частотной областях. Он основан на длинах волн гомодинной интерферометрии, и позволяет  достигать  двухточечного пространственного разрешения 22 мкм, при оптической длине свыше 35 метров, и чувствительности  - 97 дБ. Разовое измерение, производится всего за несколько секунд. Блок схема частотного рефлектометра приведена на рисунке 2.5.

В исследуемое волокно вводится не импульсное оптическое излучение, а непрерывный оптический сигнал, у которого частота изменяется по заданному закону. Отраженный в ОВ, задержанный сигнал, возвращается и смешивается с зондирующим незадержанным (опорным). В результате формируется сигнал биений, частотный спектр которого U_(F) и описывает эволюцию зондирующего сигнала P_(x) вдоль волоконного тракта [20].

Рисунок 2.5 – Блок схема частотного рефлектометра

Как правило, в методе OFDR используется линейная модуляция частоты сигнала. При этом, частота сигнала биений связана с задержкой  прохождения зондирующего сигнала до участка оптического волокна с координатой  следующим образом:

;                                    (2.10)

где  – девиация частоты зондирующего сигнала;

 – частота повторения функции модуляции зондирующего сигнала;

 – скорость перестройки частоты зондирующего сигнала, которая, в свою очередь, выражается как:

;                                                (2.11)

Таким образом, из спектра сигналараспределение по координате  восстанавливается по формуле:

                                                     (2.12)

В методе OFDR, в отличие от импульсной рефлектометрии, разрешение определяется не длительностью зондирующего импульса, а величиной девиации частоты:

;                                                (2.13)

где  – точность измерения спектра сигнала биений.

В отличие от импульсной рефлектометрии в методе OFDR для улучшения разрешения необходимо не расширять полосу пропускания блока обработки, а снижать. Чем уже полоса пропускания фильтра в блоке спектральной обработки, тем лучше спетральное разрешение сигнала биений и, соответственно, лучше пространственное разрешение. Это принципиальное отличие в основном и обеспечивает преимущества метода OFDR. Для разрешения порядка одного метра в импульсном рефлектометре необходимо обеспечить полосу пропускания блока обработки порядка 100 МГц, а в OFDR - рефлектометре можно использовать блок обработки с полосой  Гц [20].

При равенстве спектральной плотности шума ФПУ:

выигрыш в шумах приемного блока OFDR можно оценить как:

                                           (2.14)

Из-за особенностей сигнала биений:, и тогда:

  МГц.                                     (2.15)

В таблице 2.1 представлена зависимость разрешающей способности от величины девиации частоты зондирующего сигнала.

Таблица 2.1 – зависимость разрешающей способности от величины девиации частоты зондирующего сигнала

Полоса пропускания аппаратуры анализа сигнала биений OFDR - рефлектометра не зависит от пространственного разрешения и, в конечном итоге, определяется временем обработки:

                                                     (2.16)

                                         (2.17)

Шумы ФПУ не зависит от пространственного разрешения, а определяются временем обработки. Величина шума достаточно мала и может достигать –153 дБм [6].

Таким образом, для метода OFDR динамический диапазон определяется в соответствии с выражением:

                 (2.18)

Оценки динамического диапазона при , следующие:

;

 ;

 ;

Для  и GRо = -73 дБ динамический диапазон  .

В табл. 2.2 представлены оценки динамического диапазона для методов OTDR  и метода OFDR . При ; ;   дБм;  дБм;  дБм;  дБ; ; с для разных разрешений .

Таблица 2.2 – Оценка динамического диапазона для методов OTDR и OFDR

Из таблицы 2.2 видно, что OFDR - рефлектометры наиболее эффективно работают при высоких требованиях к пространственному разрешению, где выигрыш в динамическом диапазоне наиболее существенен.

К преимуществам OFDR также можно отнести более простое и эффективное решение приемной части прибора, в частности аналогоцифрового преобразователя (АЦП). Так как сигнал биений - это фактически сигнал звуковых частот (десятки кГц), то можно использовать более точные и одновременно существенно более дешевые АЦП.

К недостаткам OFDR можно отнести серьезные и не до конца решенные проблемы, связанные со спектральным анализов сигнала биений (в особенности для рэлеевского отражения), с обеспечением необходимой длины когерентности зондирующего сигнала и с обеспечением заданных режимов модуляции зондирующего сигнала [20].

2.4 Корреляционная рефлектометрия с применением псевдослучайного сигнала

В конечном итоге, ограничения по динамическому диапазону для OTDR при фиксированном времени измерений связаны с условием:

                                                  (2.19)

Данное условие для заданного пространственного разрешения ограничивает

скважность зондирующих импульсов.

Эти ограничения снимаются в корреляционной рефлектометрии с применением псевдослучайного сигнала.

Одним из предполагаемых свойств псевдослучайных сигналов, является то, что они содержат импульсы с положительной и отрицательной амплитудой,  а также и то, что за пределами пачки импульсы отсутствуют. Такое математическое представление зондирующего сигнала позволяет получить более удобное рассмотрение способов формирования зондирующего сигнала и регистрации сигнала обратного рассеяния.

Лазерный источник излучения не имеет возможности одновременного формирования импульсов положительной и отрицательной полярности, поэтому сначала формируется пачка зондирующих импульсов, положительной амплитуды, затем происходит формирование пачка импульсов отрицательной амплитуды. Эти пачки поочередно поступают на лазерный источник, который формирует две пачки импульсов излучения с положительной интенсивностью, а принятые сигналы обратного рассеяния этих пачек, суммируются. В результате значения принятые от первой пачки, имеют знак плюс, а принятые от второй – знак минус [34, 36].

В описанных выше методах рефлектометрии, испытываемое волокно зондируется одиночным импульсом. Сформированная при этом рефлектограмма, отражает  отклик волоконного тракта на одиночный импульс, который сравнительно легко интерпретируется в визуальную информацию о распределении затухания вдоль волоконно-оптического тракта, наличии и неоднородностей различного характера, и их расположении.

Применение псевдослучайного сигнала для получения традиционной рефлектограммы, предусматривается введение в волоконно-оптический тракт сложного зондирующего сигнала, с последующим приемом и регистрацией отраженного от неоднородностей и рассеянного излучения, и вычисления  взаимно корреляционной функции принятого и опорного сигналов с помощью коррелятора. Эта функция является описанием отклика коррелятора на принятый сигнал.

При использовании в качестве зондирующего сигнала кодовых фрагментов случайной последовательности, величина относительной погрешности регистрации рефлектограммы, достигнет недопустимой величины. Эта погрешность возникает из-за наличия больших боковых лепестков у автокорреляционной функции кодовой последовательности зондирующего сигнала.

При практической реализации рефлектометра, предусматривающего высокие технические характеристики, следует использовать кодовые последовательности, корреляционные функции с максимальной амплитудой основного лепестка, и с минимальными амплитудами боковых лепестков, либо которые, их вообще не имеют, а также  согласованные с ними способы обработки сигналов обратного рассеяния, не требующие больших объемов памяти и сложных алгоритмов обработки.

Наиболее широкое распространение для формирования сложных зондирующих сигналов оптических рефлектометров, получили комплементарные последовательности Голея [36], представляющие собой пару кодовых последовательностей одинаковой длины. Две пачки прямоугольных импульсов, полярности которых изменяются по закону одной из этих последовательностей, изображены на (рис. 2.6, а, б).

Рисунок 2.6 – Автокорреляционные функции комплементарных последовательностей Голея

Основные лепестки автокорреляционных функций каждой пачки импульсов (рис. 2.6, в, г), имеют максимальную амплитуду, но и боковые лепестки достаточно значительны. Боковые лепестки разных последовательностей имеют одинаковую амплитуду и аналогичное взаимное расположение, но противоположный знак. Результативная автокорреляционная функция (рис. 2.6, д), полученная посредством суммирования, имеет основной лепесток удвоенной амплитуды, а  боковые лепестки полностью отсутствуют.

Таким образам, комплементарные последовательности Голея идеально подходят для корреляционных рефлектометров с применением псевдослучайного сигнала. Результативная автокорреляционная функция этих последовательностей свободна от боковых лепестков, а стационарная форма зондирующего сигнала позволяет его многократное повторение, что, в свою очередь, обеспечивает суммирование и накопление в одних и тех же ячейках памяти, данных разных измерений одних и тех же мгновенных значений сигнала обратного рассеяния.