Диссертация: Оптические рефлексометры

Ошибки измерения могут возникать также вследствие неверно заданных диапазонов длин волокна, которые устанавливает оператор в начале работы. Если установить на рефлектометре значение длин меньше, чем длина измеряемого волокна, то на рефлектограмме мы будем наблюдать так называемые «ложные сигналы». Их появление связано с тем, что прибор посылает первоначальный импульс раньше, чем успевает возвратиться предыдущий. В результате на приемник одновременно поступят два импульса, отраженных от разных участков волокна. При этом ложный импульс будет отображен ближе к началу рефлектограммы.

3.3 Мертвые зоны рефлектометра

Как уже упоминалось в предыдущей главе, мертвыми зонами рефлектометра являются участки, расположенные в непосредственной близости от отражающих элементов. На данных участках  измерения сильно затруднены.

Напомним, что область, расположенная вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно обнаружить другое отражающее событие, называется мертвой зоной отражения. Область, расположенная 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. Пример отражения мертвой зоны на рефлектограмме приведен на рисунке 3.6.

      Рисунок 3.6 – Рефлектограмма с наличием мертвой зоны

Общеприняты следующие определения двух типов мертвых зон:

-мертвая зона отражения определяется расстоянием между началом отражения и точкой на спаде пика отражения с уровнем – 1,5 дБ относительно вершины;

-мертвая зона затухания определяется расстоянием от начала отражения до точки, в которой уровень сигнала фотоприемника.

Появление на рефлектограмме мертвых зон осложняет процедуру измерений. Так, например, для расчета полных потерь в линии (А) необходимо знать начальный уровень сигнала на вертикальной оси (оси ординат). Положение этого уровня маскируется мертвой зоной в начале рефлектограммы. Поэтому первый линейный участок рефлектограммы экстраполируется (продолжается) до пересечения с осью ординат. Точка пересечения этой прямой с осью ординат принимается за положение начального уровня сигнала [54, 60].

Величина потерь в неоднородностях (а) находится по расстоянию между прямыми линиями, продолжающими линейные участки рефлектограммы до и после неоднородности. Эти прямые линии, вообще говоря, не параллельны, так как погонные потери в соединяемых волокнах не равны между собой. Поэтому расстояние между ними зависит от того, в каком месте оно измеряется. Обычно это расстояние измеряется в начале изогнутого участка рефлектограммы. В этом случае появляется дополнительная ошибка, зависящая от того, с какой стороны линии измеряются потери (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 – Зависимость величины измеренных потерь вместе соединения волокон от разности их погонных потерь.

На рисунке 3.7 представлены следующие ситуации:

а) Рефлектометр подключен со стороны волокна с большими погонными потерями.

б) Рефлектометр подключен со стороны волокна с меньшими погонными потерями.

Величина данной ошибки определяется шириной зондирующего  импульса  и разности коэффициентов погонных потерь в соединяемых волокнах:

                                       (3.13)

  При типичном значении  дБ/км величина ошибки незначительна. Так при ширине импульса  м (длительность импульса  = нс), величина ошибка составляет 0,0001 дБ, и увеличивается при  км ( мкс) до 0,01 дБ. Поэтому в практических измерениях данную ошибку обычно не учитывают. Помимо этого, она устраняется при усреднении результатов измерений потерь с двух сторон линии передачи.

3.3.1 Динамический диапазон и диапазон измерений

Динамический диапазон рефлектометра выражается в дБ и позволяет оценить максимальную длину тестируемого волокна.  При этом, используется следующая формула:

                                                      (3.14)

Для оптического рефлектометра, динамический диапазон является  разностью между уровнем мощности обратного рассеяния в самом начале волокна и уровнем шумов при заданном времени измерений в соответствии с выражением:

                       (3.15)

Динамический диапазон является наиболее важным параметром рефлектометров. Он часто используется для классификации данных приборов и предоставляет данные не только о максимальном допустимом уровне потерь в тестируемом волокне, но и о времени, необходимом для производства измерений [60].

Необходимо отметить, что в приведенном определении, начальный уровень обратного отражения не входит в состав характеристик рефлектометра, т.к. зависит от коэффициента обратного рассеяния.

Флуктуации коэффициента обратного рэлеевского рассеяния в современных волокнах, в первую очередь, обусловлены флуктуациями диаметра модового пятна. Из-за случайного характера вариаций диаметра модового пятна, их разность с одинаковой вероятностью может иметь как положительный, так и отрицательный знак. Поэтому ступеньки, наблюдаемые на рефлектограммах, с примерно одинаковой вероятностью могут быть, направленные как вверх, так и вниз.

Коэффициент обратного рэлеевского рассеяния имеет прямо пропорциональную зависимость от произведения коэффициента прямого рэлеевского рассеяния и коэффициента захвата рассеянного излучения модой волокна. При этом, коэффициент захвата прямо пропорционален квадрату апертурного угла моды и обратно пропорционален квадрату диаметра модового пятна.

Неопределенность также вносит, и возможное различие в определении критического уровня шума, и тот факт, что уровень шума зависит от времени усреднения. Поэтому наиболее целесообразно определять динамический диапазон в одинаковых, общепринятых, т.е. стандартных условиях.

Зачастую, уровень шумов устанавливается двумя способами:

-по среднеквадратичному значению;

-по уровню 98% вероятности.

Для гауссовского шума, уровень 98% примерно в 2,4 раза выше среднеквадратичного значения. Поэтому, значение динамического диапазона, определенное по среднеквадратичному уровню шума, примерно на 1,8 дБ превышает величину динамического диапазона, определенную по 98% уровню шумов.

Величина динамического диапазона имеет зависимость от пользовательских параметров, а именно:

-длительность импульсов;

-время усреднения сигнала;

-диапазон  измеряемых длин.

К  примеру, при увеличении длительности импульса в 1000 раз (от  нс., до  мкс), коэффициент обратного рэлеевского рассеяния, по шкале рефлектометра, увеличивается на дБ.

Так как, в отсутствие сигнала уровень шумов при этом не меняется, то динамический диапазон тоже увеличивается на дБ.

При увеличении времени усреднения, коэффициент рэлеевского рассеяния не меняется, зато снижается среднеквадратичное значение шума, который в первом приближении, можно считать белым (гауссовым). Поэтому среднеквадратичное значение такого шума изменяется обратно пропорционально квадратному корню из времени усреднения сигнала. Следовательно, при увеличении времени усреднения от  до , значение уровня шума снижается, а динамический диапазон, по шкале рефлектометра, увеличивается на .

В настоящее время, динамический диапазон является основным параметром, по которому сравниваются различные модели рефлектометров. Так как величина данного параметра возрастает с увеличением длительности импульсов  и времени усреднения сигнала , то обычно значение динамического диапазона приводится при максимальных для данного прибора значениях  и . МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов рефлектометров использовать следующие величины [4]:

                                                 мкс;

                                                  мин.

Диапазон измерений рефлектометра является характеристикой, близкой к динамическому диапазону, которая определяется как максимальное значение потерь на участке от входа в волокно до тестируемого элемента, при котором параметры этого элемента могут быть аккуратно измерены. В качестве такого элемента, рекомендуется использовать сварное соединение с потерями 0,5 дБ.

Так как точность измерения потерь зависит от отношения сигнал/шум (SNR) в данной точке, то рефлектометры с более широким динамическим диапазоном, обеспечивают больший диапазон измерений, при прочих равных условиях. На рисунке 3.8 показаны значения динамического диапазона и диапазона измерений.

              Рисунок 3.8 – Динамический диапазон и диапазон измерений

Помимо всех описанных выше факторов, на величину диапазона измерений существенное влияние оказывает алгоритм выделения сигнала на фоне сильных шумов.

3.3.2 Пространственная разрешающая способность

Пространственная разрешающая способность характеризуется возможностью рефлектометра различить два события, что справедливо также и для  мертвой зоны. Но если в определении мертвой зоны отражения рассматриваются два отражающих события, то пространственная разрешающая способность характеризует способность различать поглощающее событие на фоне отражающего.

Пространственная разрешающая способность вблизи входного торца тестируемого волокна определяется как минимальное расстояние, на котором рефлектометр способен обнаружить и аккуратно измерить поглощающее событие, которым, к примеру, может являться сварное соединение [60].

Спецификации пространственной разрешающей способности предложены также и для одиночных событий. Для сварки с потерями менее 1 дБ разрешающая способность определяется как длина ступеньки между уровнями 10% и 90% ее высоты. Для одиночного отражающего события пространственная разрешающая способность определяется как длительность пика по уровню 50%.

Пространственная разрешающая способность зависит, как от длительности импульса, так и от ширины полосы пропускания предварительного усилителя.

Для оценки значения разрешающей способности одиночного отражающего события можно использовать следующее приближенное выражение:

                                    (3.16)

где  длительность импульса;

 ширина полосы пропускания усилителя;

 показатель преломления.

3.3.3 Точность измерения расстояния

Локализация дефектов является одной из важнейших задач при тестировании оптических волокон. При использовании рефлектометра для локализации дефекта, всегда следует помнить, что прибор измеряет время прохождения света до неисправности и обратно. Измеренная величина используется для вычисления расстояния от торца до неисправности вдоль волокна. Длина волоконно-оптического кабеля меньше этого расстояния, причем отношение длин волокна и кабеля, является индивидуальной характеристикой конкретного кабеля. При этом, точность определения расстояния характеризуется величиной абсолютной и относительной погрешности измерения расстояния [60].

Необходимость пересчета и возможная неточность внутренних часов рефлектометра вызывают появление постоянной относительной ошибки, называемой ошибкой масштабирования. Абсолютная ошибка  определения длины волокна является произведением относительной ошибки масштабирования на длину:

.                                                   (3.17)

На величину относительной ошибки масштабирования влияет ошибка в определении показателя преломления и нестабильность тактовой частоты (неточность внутренних часов). В качестве еще одних источников ошибок, выступают ошибки дискретизации и ошибки локализации.

Ошибки дискретизации зависят от быстродействия аналого-цифрового преобразователя, задающего период между двумя последовательными отсчетами.

Ошибка локализации возникает в результате неточности определения положения события, обусловленной наличием шумов и непосредственно связанной с пространственной разрешающей способностью рефлектометра.

Необходимо также отметить, что на ошибку локализации существенное влияние оказывает тип события,  алгоритм определения его положения и уровень шума в точке измерений.

Расстояние до событий может определяться оператором посредством использования курсора, устанавливаемого в точке начала пика и ступеньки. В данном случае, точность определения расстояния может зависеть от субъективных факторов, и в том числе, от опыта оператора.

3.3.4 Точность измерения затухания  

Расчет затухания оптического волокна  производится рефлектометром косвенно, по величине сигнала обратного рассеяния. Изменение коэффициента обратного рассеяния может являться причиной возникновения ошибок измерений, не связанных с техническими характеристиками рефлектометра, поэтому точность измерения затухания целесообразно специфицировать для поглощающих событий и для отрезков однородного волокна.

Ошибки измерений затухания определяются ошибками измерения мощности сигнала обратного рассеяния. В большинстве моделей рефлектометров, световой сигнал преобразуется в электрический, посредством использования измерительного преобразования, который, в свою очередь, состоит из фотоприемника и предварительного усилителя [60, 63].