Диссертация: Оптические рефлексометры

где  максимальное значение оптической мощности зондирующего импульса и его длительности в точке ввода;

параметр Рэлеевского рассеяния, определяемый как отношение мощности, рассеянной в некоторой точке оптического волокна, к падающей оптической мощности в ту же точку;

 параметр обратного Рэлеевского рассеяния, определяемый как отношение обратно рассеянной мощности в некоторой точке оптического волокна, к общему значению рассеянной мощности в данной точке;

 коэффициент затухания оптического волокна [дБ/км].

Выражение  (3.4) позволяет утверждать, что мощность потока обратного рассеяния находится в пропорциональной зависимости от параметров зондирующего импульса на входе оптического волокна , параметров оптического волокна  и . А также,  мощность потока обратного экспоненциально зависит от затухания и групповой скорости оптического волокна. При чем, групповая скорость, в свою очередь, обратно пропорциональна групповому показателю преломления оптическою волокна.

Таким образом,  коэффициент обратного рассеяния можно выразить как:

                                                  (3.5)

Тогда, из выражения (3.5) следует:

                                 (3.6)

Выражение (3.6) позволяет утверждать, что уровень мощности обратного рассеяния линейно  зависит от времени:

                                (3.7)

А разность уровней обратно рассеянной мощности, измеренных на ближнем конце в моменты времени  и , является не чем иным, как затуханием оптического волокна на соответствующем участке линии:

                               (3.8)

где      .                                              

   Изменения  коэффициента обратного рассеяния вдоль волокна носят случайный характер, что обусловлено флюктуациями показателя преломления, и особенностями конструктивных характеристик оптическою волокна. Следовательно, на однородных участках (участок 2, рис. 3.1), оптическое волокно является квазирегулярным и реальная зависимость флюктуирует около некоторой прямой, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс, соответствует коэффициенту затухания волокна.

Пики или ступеньки на рефлектограмме, называемыми соответственно отражающими и поглощающими событиями, возникают на рефлектограмме в силу наличия в оптическом волокне неоднородностей, на которых показатель преломления, существенно отличаются от среднего значения для данного волокна (участки 1, 4, 3 (рис. 3.1)).

Все неоднородности оптической линии подразделяются на две группы:

- неоднородности, формирующие  Френелевские отражения;

-неоднородности  не образующие отражений.

Кроме этого, все неоднородности подразделяются также на внутренние –обусловленные флюктуациями параметров, дефектами волокон в строительных длинах оптических кабелей, и стыковые – образующиеся в местах сращивания оптических волокон. Стыковые неоднородности, как правило, обусловлены  изменениями параметров оптической линии на стыке волокон, а так же отличиями параметров сращиваемых волокон [45].

Мощность потока Френелевского отражения, сформированного неоднородностями, измеренная на ближнем конце оптического излучения, отраженного в некоторой точке , описывается следующим образом:

                                  (3.9)

для

А также:

                                                          (3.10)

для

где: ;

 расстояние до неоднородности;

 коэффициент отражения. 

В первом приближении, мощность потока Френелевского отражения на ближнем конце описывается следующей суммой:

                                               (3.11)                                           

где  количество неоднородностей на участке. 

Как правило, значение коэффициента отражения на несколько порядков превышает значение коэффициента обратного рассеяния.

В моменты времени , мощность обратно рассеянного потока пренебрежимо мала по сравнению с мощностью потока отражения. Следовательно, проводя измерения мощности обратного потока, поступающего на ближний конец волокна и анализируя ее изменения, можно получить оценки параметров исследуемой линии связи.

Неоднородности, на которых отсутствуют отражения, обусловлены изгибами и сварными соединениями оптических волокон (участок 3, (рис. 3.1)).

В месте изгиба, уровень мощности обратного рассеяния уменьшается скачкообразно, что выражается в увеличении потерь на излучение.  Соответствующее изменение характеристики обратного рассеяния, на рефлектограмме  отражается в  виде ступеньки между двумя прямыми - аппроксимирующими характеристики участков квазирегулярного волокна до и после изгиба (рис. 3.2).

       Рисунок 3.2 – Ступенька на изгибе оптического волокна

В случае наличия сварных соединений, вид данного участка рефлектограммы, также приобретает вид ступеньки, но в отличие от внутренних нерегулярностей, здесь может наблюдаться как снижение, так и возрастание уровня мощности обратного рассеяния (ступенька «вниз» (рис. 3.2) и ступенька «вверх» (рис. 3.3))

 Рисунок 3.3 – Ступенька на сварном соединении оптического волокна

Такие изменения характеристики обратного рассеяния являются результатом того, что изменения уровня мощности на сварных соединениях вызваны не только потерями, но и различием характеристик стыкуемых оптических волокон.

Изменение уровня мощности обратного рассеяния на стыке двух волокон можно описать с помощью выражения:

                                        (3.12)

где:

                                               (3.13)

 – уровни мощностей потоков обратного рассеяния до и после сварного соединения;

 затухание на сварном соединении.

 и  средние значения коэффициентов обратного рассеяния стыкуемых волокон, расположенных до и после сварного соединения, соответственно, при измерениях со стороны А.

 Знак величины  определяется соотношением значений  и :

-для  

                                                   ; 

-для  

; 

Таким образом, с учетом (3.13) и  в зависимости от знака значения ,  соотношения абсолютных значений величин  и  , результирующее изменение уровня мощности потока обратного рассеяния может быть как положительным, так и отрицательным. Следовательно, на сварных соединениях может наблюдаться, как снижение, так и возрастание уровня мощности.

Необходимо также отметить, что описанное явление относится только к потоку обратного рассеяния. Увеличения мощности прямого потока невозможно добиться с помощью пассивных элементов линии, к каковым можно отнести и сварные соединения. При оценке затухания оптического излучения прямого направления, по результатам измерений потока обратного рассеяния, значение   является методической систематической погрешностью, которую необходимо исключать.

Если результатом изменения показателя преломления сердцевины, является существенное изменение волнового сопротивления оптической линии, то в данном случае появляются отражения (участок 4, (рис. 3.1)). Это характерно для механических соединений оптических волокон, микротрещин, воздушных включений и т.д. Неоднородности отображаются на рефлектограмме как положительные выбросы оптической мощности. В общем случае рефлектограммы неоднородностей имеют вид рефлектограмм соответствующих неоднородностям не вызывающим отражения, на которые наложены импульсы отраженной мощности.                         

В общем случае, измеряемую на ближнем конце оптического волокна мощность обратного потока можно представить как сумму:

                                        (3.14)                                           

где мощность обратно рассеянного потока;

мощность отраженного потока;

мощности помехи.

Мощность помехи , является случайной функцией образованной в результате влияния совокупности факторов (участок 6 (рис. 3.1)).

Некоторые составляющие помехи, такие как, тепловые шумы фотоприемника, собственные шумы лазера, не зависят от уровня мощности передаваемого оптического сигнала.

Ряд других составляющих, таких как, дробовой шум фотоприемника, модовый шум, шумы, возникающие в результате взаимодействия лазера с нерегулярным волокном, и т.д., непосредственно связаны с уровнем мощности передаваемого оптического сигнала [45, 48].

Значение суммарной мощности помех соизмеримо со значением мощности обратно рассеянного потока и являются величинами одного порядка. Это существенно ухудшает выделение полезного сигнала на фоне высокого уровня помех.

3.2 Ложные сигналы и ошибки измерений

Стандартный анализ рефлектограммы предполагает распространение в прямом направлении только одного зондирующего импульса, а  рефлектограмма формируется в результате однократного рассеяния или отражения этого импульса. Однако данное предположение не справедливо. Если на измеряемом участке оптической линии имеется более одного элемента с сильным отражением, то это является причиной возникновения многократных отражений от каждой пары таких элементов. В результате данных многократных отражений  появляются ложные сигналы («фантомы») [42, 54].

Формирование ложных сигналов объясняет рисунок 3.4, на котором представлено прохождение зондирующего импульса через участок волоконно-оптической линии с двумя сильно отражающими стыковыми соединениями.

   Рисунок 3.4 – Формирование ложного сигнала рефлектометра

Формирование ложного сигнала происходит в результате трех последовательных отражений соответственно от стыка В, стыка А и снова от стыка В. Ложный сигнал расположен симметрично отражению от стыка А, относительно отражения от стыка В, а значение его амплитуды значительно  ниже значений амплитуд сигналов от реальных отражающих стыков.

У ложных сигналов определенные признаки, позволяющие отличать их от отраженных импульсов, а именно:

-в линии должно присутствовать не менее двух неоднородностей с большим коэффициентом отражения. Расстояние между ложными импульсами от этих неоднородностей, равно расстоянию от дальней неоднородности до ложного импульса;

-параметры аппроксимирующей прямой при прохождении через ложный импульс, не изменяются;

-при измерении с двух концов местоположения ложного импульса, на рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии.

При больших значениях коэффициента отражения по концам линии, формируются «фантомы», которые наиболее трудно распознать. Механизм  их возникновение поясняет рисунок 3.5.

                   Рисунок 3.5 – Образование ложных сигналов

На рисунке 3.5 показаны следующие параметры:

 длина измеряемой линии;

 период развертки рефлектометра;

 групповая скорость распределения в сердцевине волокна;

Ложные импульсы, возникающие в результате больших значениях коэффициента отражения, можно отличить по следующим признакам:

-параметры аппроксимирующей прямой на «фантоме» не меняются;

-изменение периода развертки может изменять расположение «фантома» на рефлектограмме;

-при использовании иммерсионных гелей, вспомогательного волокна и т.д., «фантом» исчезает, изменяет свое расположение на рефлектограмме;

-при измерении с двух концов, расположение «фантома» на рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии.

Залогом правильной расшифровки рефлектограммы является точная установка исходных параметров. Эта, на первый взгляд, простая процедура, требует от оператора определенных знаний и практических навыков. Зачастую, именно ошибки в настройке рефлектометра определяют значение общей погрешности измерений.

Угол наклона участков рефлектограммы между пиками характеризует погонное затухание по длине кабеля. Если используется однотипное волокно одного и того же качества, все участки рефлектограммы, снятой на одной длине волны, должны иметь одинаковый наклон.

В достаточно длинных (порядка нескольких километров) оптических линиях, рефлектограмма «размывается». Это связано с тем, что параметры оптоволоконных кабелей зависят от амплитуды, частоты и фазы сигнала, из-за чего возникает дисперсия (зависимость скорости распространения сигнала от частоты) [42, 54].