Диссертация: Оптические рефлексометры

Еще одно существенное достоинство этих последовательностей, выражается в возможности формирования последовательности неограниченной длины, реализуемой посредством использования правил «присоединения» или «чередования» [39, 40].

При исследовании волоконно-оптических трактов оптическими рефлектометрами со сложным сигналом процесс измерения состоит из трех частей:

-генерирование зондирующего сигнала;

-интервала ожидания;

-регистрация сигнала обратного рассеяния.

На рисунке 2,7 а, изображен генерируемый на интервале () – зондирующий сигнал, а на рисунке 2,7 б – сигнал обратного рассеяния, сформированный этим зондирующим сигналом.

Рисунок 2.7 – Процесс измерения рефлектометром со сложным зондирующим сигналом

Из представленного рисунка видно, что амплитуда сигнала обратного рассеяния во время генерации зондирующего сигнала, а также в течение некоторого промежутка времени после ее окончания, значительно превышает амплитуду сигнала в конце регистрации. Это обусловлено отражением потока излучения от торца оптического тракта и мощным сигналом обратного рассеяния его ближней зоны. Значительная разница амплитуд приводит к насыщению фотоприемника и усилителей фототока, что не позволяет проводить регистрацию сигнала обратного рассеяния во время генерации, а также в течение некоторого промежутка времени после ее окончания. Поэтому перед регистрацией (рис. 2.7, в) всегда имеется некоторый интервал ожидания, который может быть представлен как:

                                                   (2.20)

После окончания генерации, интервал ожидания заканчивается в выбранный момент времени, определяемый шкалой расстояний:

                                                    ().

Критериями выбора длительности зондирующей пачки () являются следующие параметры:

-расстояние до исследуемого участка волоконного тракта;

-необходимое соотношение сигнал/шум;

-интервала ожидания.

Длительность интервала ожидания зависит от технических характеристик фотоприемного устройства и усилителей фототока, Она может изменяться при использовании фотоприемника и усилителей фототока, оснащенных переключателями коэффициента передачи.

Длительность интервала времени () – времени  регистрации сигнала, превышает или равна длительности пачки зондирующего сигнала и определяется следующими параметрами:

-расстояние до исследуемого участка оптического тракта;

-длина исследуемого участка оптического тракта;

-общая протяженность исследуемого участка;

-реально существующее отношением сигнал-шум.

В результате обработки зарегистрированного сигнала корреляционными методами, формируется  рефлектограмма участка волоконно-оптического тракта, соответствующего интервалу (). От каждого элемента этого участка принимается сигнал обратного рассеяния, длительность которого, равна длительности пачки зондирующего сигнала.

Ближняя точка исследуемого участка отстоит от начала тракта на величину мертвой зоны, которая, в свою очередь, определяемой длительностью пачки зондирующего сигнала и интервалом ожидания.

Отношение сигнала/шум и динамический диапазон корреляционного рефлектометра увеличивается в 2/K раза по сравнению с традиционным рефлектометром с такими же параметрами [36].

Увеличение длительности зондирующей пачки, дает увеличение отношения сигнал/шум, но при этом, приводит к уменьшению протяженности исследуемого участка, а также к увеличению мертвой зоны. Сокращение длительности зондирующей пачки с целью увеличения  протяженности исследуемого участка, в свою очередь, к уменьшению отношения сигнал/шум.

Усеченные сигналы обратного рассеяния принимаются от тех элементов волоконного тракта, которые расположены ближе зарегистрированного участка. Длительность усеченных сигналов короче длительности зондирующей пачки. После обработки этих сигналов корреляционными методами, полученный фрагмент рефлектограммы будет искажен, что обусловлено появлением боковых лепестков у суммарной автокорреляционной функции, что, в свою очередь,  является результатом усечения сигналов обратного рассеяния.

Использование наборов кодовых последовательностей Голея позволяет увеличить протяженность исследуемого участка и сократить мертвую зону. Для этого, из пары исходных комплементарных последовательностей Голея, посредством однократного или многократного использования правила присоединения, формируется полный набор возможных кодовых последовательностей, из которых, в свою очередь, формируется набор зондирующих сигналов, регистрируется набор сигналов обратного рассеяния и производится суммирование взаимно корреляционных функций каждого зарегистрированного сигнала и соответствующей исходной кодовой последовательности [36].

Для каждого зондирующего сигнала выбирается исходная кодовая последовательность, совпадающая с его последним фрагментом, но при этом, необходимо измерять, регистрировать и обрабатывать большое число сигналов обратного рассеяния волоконно-оптических трактов, что весьма затруднительно в реальных условиях. Это требует значительного увеличение объемов памяти оптических рефлектометров, и приводит к существенному увеличению времени обработки зарегистрированных сигналов обратного рассеяния.

2.5 Рефлектометрия на основе счета фотонов

В основе метода счета фотонов (PC-OTDR), лежит использование квантовой природы света и статистики Пуассона, которая приобретает актуальность при сверхнизких уровнях оптической энергии [40].

Вероятность регистрации k-го фотоэлектрона в момент времени t задана сложной вероятностью, которeю можно описать как произведение вероятности появления фотоэлектрона в единичном интервале времени, начиная с момента времени t, и вероятности того, что (k-1) фотоэлектронов будут зарегистрированы в интервале времени (0, t).

Следовательно, вероятность регистрации k-го фотоэлектрона в момент времени t будет задан следующим выражением:

.                           (2.21)

Для k=1 соотношение (2.21) описывает частный случай, а именно вероятность регистрации первого фотоэлектрона в момент времени t:

.                                 (2.22)

При малом среднем числе излученных фотонов в течение одного импульса (),  может быть аппроксимировано с допустимой ошибкой, в соответствии с выражением:

.                                                (2.23)

Следовательно, принимая, что , вероятность регистрации первого фотоэлектрона «точно» соответствует функции освещенности.

В результате проведения многократных измерений временной задержки между началом генерации излучения и регистрацией первого фотоэлектрона, полученное относительное число появления отдельных временных задержек будет точно соответствовать временной зависимости исследуемой оптической мощности.

Выражение (2.23) является основной формулой метода распределения временной задержки единичного фотона.

При N-кратном измерении, отношение сигнал/шум можно определить из соотношения:

.                              (2.24)

Значение минимальной детектируемой мощности может быть получено при условии:

                                                                                                       (2.25)

.                                                 (2.26)

Из ввыражения (2.26) следует один серьезный недостаток PC-OTDR, а именно, относительно продолжительное время измерения, которое может составлять от единиц до десятков или сотен минут.  Такое время измерения не приемлимо в большинстве практических случаев.

2.6 Рефлектометрия с частотным сканированием

Рефлектометрия с частотным сканированием является одним из методов увеличения пространственной разрешающей способности. Данный метод имеет так же называние: «рефлектометрией с непрерывным частотно-модулированным сигналом». Метод предусматривает использование в качестве зондирующего сигнала, непрерывной частотно модулированной оптической волны.

По сравнению с временной рефлектометрией, рефлектометрия с частотным сканированием использует непрерывный сигнал более высокой мощности, что обеспечивает не зависимость динамического диапазона, от пространственной разрешающей способности, что в свою очередь, позволяет достигать высокую пространственную разрешающую способность без потери динамического диапазона. Комбинация данного метода и когерентного детектирования позволяет получить высокую чувствительность [40].

Основной принцип рефлектометрии с частотным сканированием заключается в том, что несущая частота оптического излучения, генерируемого высоко когерентным лазерным диодом, медленно и линейно изменяется около центральной частоты  и подается в волоконно-оптический интерферометр Майкельсона, опорная ветвь которого оканчивается зеркалом. Сигнальная ветвь интерферометра соединяется с исследуемым волокном. Временная задержка между сигналом от зеркала в опорной ветви, и обратно рассеянным сигналом от произвольного элемента на расстоянии  в сигнальной ветви составляет:

                                                      (2.27)

где групповая скорость в сердцевине оптического волокна.

Для когерентного детектирования оба сигнала смешиваются в детекторе. В течение временной задержки  линейно перестраиваемая частота оптического излучения изменяется по закону:

                                                (2.28)

Значение  можно наблюдать в детекторе при помощи анализатор спектра, оно определяет положение  в оптическом волокне. Амплитуда сигнала пропорциональна локальному коэффициенту обратного рассеяния и оптической мощности, которая пропорциональна  и описывает затухание сигнала в прямом и обратном направлениях на расстоянии .

С помощью преобразования Фурье для сигнала детектора в низкочастотном анализаторе спектра, можно одновременно наблюдать обратно рассеянные сигналы от всех точек вдоль исследуемого волокна. Они прямопропорциональны оси частот  анализатора спектра.

Шумы негативно влияют на качество измерений в рефлектометрии с частотным сканированием. Наличие шумов приводит к снижению пространственной разрешающей способности и уменьшениюдлины исследуемой оптической линии. Кроме этого, шумы так же укорачивают длину секции волоконно-оптической линии, в которой могут одновременно присутствовать измеряемый  сигнал обратного рассеяния и сильные френелевские отражения [40, 46].

2.7 Рефлектометрия с синтезом функции когерентности

Наиболее существенным достоинством метода рефлектометрии с синтезированной функцией когерентности, является возможность непосредственного получения результатов измерений без проведения каких-либо вычислений, необходимых при использовании других методов [46].

По своему принципу, рефлектометр с синтезом функции когерентности представляет собой интерферометр Майкельсона, управляемый высококогерентным лазером, который имеет возможность перестройки в относительно широком диапазоне частот.

В состав рефлектометра с синтезом функции когерентности ходит акустооптический дефлектор  и фазовый модулятор. Первый смещает частоту колебания  отклоняемого луча на величину . Фазовый модулятор обеспечивает непрерывное изменение фазы оптической волны в опорной ветви на величину .

Сложение сигналов, поступающих из опорной и сигнальной ветвей, осущетвляется в оптическом ответвителе. В результате, на выходе оптического ответвителя присутствуют два сигнала, взаимно сдвинутых по фазе на величину . Данное решение позволяет исключить влияние шумов.

Динамический диапазон, а, следовательно, и чувствительность данного метода главным образом зависит от используемой схемы гетеродинного приема, и в определенных случаях, чувствительность может достигать значения  - 130 дБ/мВт. Кроме всего прочего, метод рефлектометрии с синтезом функции свободен от мертвой зоны, обусловленной френелевскими отражениями [46].

Пространственная разрешающая способность данного метода определяется полной шириной на половинном уровне основного пика функции когерентности и может быть описана выражением:

                                              (2.29)

где  групповая скорость;

 количество ступенек в модулирующем сигнале;

 частота разнесения.

Период следования пиков определяется диапазоном измерения, в соответствии с выражением:

                                               (2.30)

Увеличение пространственной разрешающей способности наблюдается с ростом количества ступенек в одном периоде сигнала частотной модуляции и частоты разнесения в первой ступеньке модулирующего сигнала.

Диапазон измерения данного метода определяется только значением частоты разнесения в первой ступеньке модулирующего сигнала.

С экспериментальной точки зрения, наиболее существенная проблема рефлектометрии с синтезом функции когерентности, заключается в нелинейной зависимости между амплитудой тока инжекции и частотой оптического излучения лазерного диода, а также в изменении частоты, вызванном сигналом модуляции (переходные процессы). В качестве метода компенсации описанных факторов, могут быть использованы предыскажения модулирующего сигнала и специальные оптические фильтры и дифракционные решетки.