Диссертация: Оптические рефлексометры

В идеальном преобразователе, величина электрического тока (или напряжения) должна иметь прямо пропорциональную зависимость от  мощности светового сигнала. Выходной ток (или напряжение) измерительного преобразователя измеряется цифровым амперметром (вольтметром).

Ошибки измерений обусловлены наличием шумов преобразователя и случайных ошибок измерителя, а также нелинейным характером характеристик фотоприемника, предварительного усилителя и амперметра (или вольтметра).

В рефлектометрах, ошибка измерений затухания характеризуется линейностью рефлектометра , представляющей собой отношение модуля отклонения дБ измеренного значения от действительного  к действительному значению затухания в дБ, и определяется выражением:

.                                                        (3.18)

3.4 Факторы влияющие на метрологические характеристики рефлектометров

Таким образом, на основании приведенного выше, материала можно подвести определенные итоги и описать основные факторы влияющие на метрологические характеристики рефлектометров.

Как уже было сказано ранее, к числу наиболее важных параметров любого оптического рефлектометра относятся длина дистанции измерения и пространственная разрешающая способность.

Очевидно, что расстояние до наиболее дальних участков анализируемого волокна, сигналы от которых может распознавать прибор, зависит как от энергии тестирующего оптического импульса, так и от параметров приемного тракта, в частности – от коэффициентов передачи входящих в него усилителей и от его собственных шумов. Энергия вводимого в оптическое волокно тестирующего импульса прямо пропорциональна его длительности и амплитуде. Но увеличению пиковой мощности этого импульса препятствуют нелинейные эффекты в волокне, а возрастание его длительности приводит к падению разрешающей способности прибора [60, 63].

Функция рассеянной мощности  от расстояния  имеет следующий вид:

                                (3.19)

где  значение мощности оптического излучения на входе волокна;

 длительность тестирующего оптического импульса;

 коэффициент затухания световой волны;

 групповая скорость распространения излучения по оптическому волокну;

 коэффициент, определяющий часть рассеянного во всех направлениях

света, которая захвачена волокном и направляется обратно к рефлектометру, определяемая как:

                                               (3.20)

где  числовая апертура волокна;

коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;

 параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое значение которого для одномодового волокна равно 4,55;

Известно, что даже в случае использования идеального оптического приемника, при ширине тестирующего импульса  пространственная локализация точки центра рассеяния не может быть лучше, чем:

                                              (3.21)

где  групповая скорость распространения излучения по оптическому волокну.

Необходимо также отметить, что соответствующая разрешающая способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно широкой полосы пропускания приемно-усилительного тракта прибора. В [63]

приводится следующее уравнение для разрешающей способности:

где  скорость света в вакууме,

 полоса пропускания приемного тракта рефлектометра.

При увеличении полосы возрастает и эквивалентная мощность шума приемника. Таким образом, сокращение длительности тестирующего импульса,

сопровождаемое соответствующим расширением полосы пропускания приемника, оказывает двоякое негативное действие на уменьшение отношения сигнал/шум и дистанции измерения - в результате уменьшения энергии импульса и увеличения шумов.

Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых

сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал/шум. Основана она

на том факте, что среднее значение шумового компонента в сигнале является нулевым, что позволяет, последовательно суммируя результаты многократных измерений, устранить шум на рефлектограммах. Но при этом возрастает время измерения.

Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между мощностью и продолжительностью тестирующего импульса или между динамическим диапазоном и пространственным разрешением является взаимно

конкурирующим и представляет фундаментальный предел традиционной оптической рефлектометрии [54].

Таким образом, для данного метода рефлектометрии характерна необходимость поиска компромисса между динамическим диапазоном, определяющим длину дистанции измерений, и разрешающей способностью.

Очевидно, что расстояние, а так же затухание и погрешность измерения данных параметров подлежат обязательной поверке. Коэффициент затухания, коэффициент отражения, затухание в неоднородности, ORL участка оптического волокна рассчитываются математически по результатам измерения первых двух параметров.

При условии подтверждения точности измерения этих двух величин и корректности алгоритмов, заложенных в программное обеспечения прибора, указанные параметры будут отражаться корректно и их в периодической поверке нет необходимости.

Между тем, такие параметры самого рефлектометра как динамический диапазон и мертвая зона, оказывают косвенное влияние на основные метрологические характеристики прибора. К примеру, как было сказано выше, в результате снижения мощности лазерного источника, возрастает влияние шумов на результаты измерения и изменяется их погрешность.

Изменение мертвой зоны, к примеру, в результате механического износа оптического разъема рефлектометра, увеличивается длина начального участка оптического волокна, с которого можно оценивать его состояние.

Оставшиеся параметры, такие как, длина волны излучения, длительность зондирующих импульсов, разрешающая способность, в наименьшей степени подвержены изменениям с течением времени, так как они обусловлены физическими характеристиками комплектующих деталей (лазерный диод, кварцевый резонатор, микропроцессор).

Выводы по главе

В данной главе были рассмотрены метрологические характеристики рефлектометров на основе математического анализа всех участков типовой рефлектограммы, получаемой в результате проведения измерений параметров оптического волокна.  На основании приведенного материала, можно сделать определенные выводы.

Таким образом, к характеристикам оптического рефлектометра, подверженным влиянию различных факторов можно отнести следующие:

-измеряемое расстояние;

-измеряемое затухание;

-величина мертвой зоны при заданном коэффициенте отражения;

-динамический диапазон рефлектометра.

С целью определения погрешности указанных характеристик, необходимо обязательное проведение периодических поверок.

При производстве измерений оптического волокна, а также при поверке характеристик рефлектометра существуют, как погрешности самого прибора (инструментальная погрешность), так и погрешности, обусловленные характеристиками оптического волокна (методическая погрешность).

Инструментальная погрешность обусловлена нелинейностью характеристики аналого-цифрового преобразователя, недостаточным быстродействием фотоприемного устройства, начальной задержкой тестирующего оптического импульса и т.д.

Методическая погрешность возникает за счет неточности оценки показателя преломления, длины волны излучения, дисперсии, старения волокна и т.д.

4 Методы увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров 

4.1 Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии

Метод обратного рассеяния был изобретен в 1976 году [24, 28]. Авторами изобретения была предложена оптическая рефлектометрия временной области

(Optical Time-Domain Reflectometry - OTDR), широко применяемая в настоящее

время во всем мире.

Сущность метода, как известно, состоит в посылке в волокно коротких оптических волновых пакетов с последующим приемом из него отраженного и рассеянного излучения. Уровень этого излучения отображается на экране прибора как функция интервала времени от момента посылки импульса в волокно. Поскольку скорость распространения излучения в волокне известна, то имеется однозначное соответствие между задержкой поступления рассеянного или отраженного от какой-либо неоднородности сигнала и расстоянием до этой неоднородности.

В ряд наиболее ответственных параметров любого оптического рефлектометра, с точки зрения точности измерений, входит длина измеряемого участка и разрешающая способность прибора.

Очевидно, что значение расстояния до наиболее дальних участков тестируемого волокна, сигналы от которых может распознавать рефлектометр, определяется, как величиной энергии тестирующего оптического импульса (волнового пакета), так и параметрами его приемного тракта, в частности, коэффициентами передачи входящего в него усилителя и уровнем его собственных шумов.

Энергия вводимого в оптическое волокно тестирующего импульса прямо

пропорциональна его длительности и амплитуде. Но увеличению пиковой мощности этого импульса препятствуют нелинейные эффекты в волокне, а возрастание его длительности приводит к падению разрешающей способности прибора.

Еще раз напомним, что функция рассеянной мощности  от расстояния  имеет следующий вид [29]:

                        (4.1)

где  значение мощности оптического излучения на входе волокна;

 длительность тестирующего импульса;

коэффициент затухания световой волны;

 групповая скорость распространения излучения по оптическому волокну;

 коэффициент, определяющий часть рассеянного во всех направлениях света, которая захвачена волокном и направляется обратно к рефлектометру [29]:

                                                 (4.2)

где  числовая апертура волокна;

коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;

 параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое значение которого для одномодового волокна равно 4,55.

Хорошо известно, что даже в случае использования идеального оптического приемника, при ширине тестирующего импульса  пространственная локализация точки центра рассеяния не может быть лучше, чем:

                                             (4.3)

где  групповая скорость распространения импульса в волокне.

Необходимо также отметить, что соответствующая разрешающая способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно широкой полосы пропускания приемно-усилительного тракта прибора. В [29] приводится следующее уравнение для разрешающей способности:

                                        (4.4)

где  скорость света в вакууме;

 полоса пропускания приемного тракта рефлектометра.

При увеличении полосы пропускания приемно-усилительного тракта рефлектометра увеличивается и эквивалентная мощность шума приемника. Таким образом, уменьшение длительности тестирующего импульса, сопровождаемое соответствующим расширением полосы пропускания приемника, оказывает двоякое негативное влияние на снижение отношения сигнал/шум и дистанцию измерения, что является результатом уменьшения энергии импульса и увеличения шумов.

Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых

сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал-шум. В основе данной возможности лежит тот факт, что среднее значение шумового компонента в сигнале является нулевым, и позволяет устранить шум на рефлектограммах посредством последовательного суммирования результатов многократных измерений. Но при этом неизбежно увеличивается время, необходимое для проведения измерений.

Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между мощностью и продолжительностью тестирующего импульса, или между динамическим диапазоном и пространственным разрешением, является взаимно

конкурирующим, и представляет фундаментальный предел традиционной OTDR [30, 45]. Следовательно, для указанного метода рефлектометрии необходим поиск компромисса между динамическим диапазоном, определяющим длину измеряемой дистанции, и разрешающей способностью прибора.

Необходимость одновременного улучшения перечисленных параметров рефлектометра, продиктованная, в частности, развитием систем RFTS, обусловливает актуальность поиска новых технических решений в области оптической рефлектометрии.

В настоящее время, кроме традиционной OTDR, существует множество разновидностей методов оптической рефлектометрии, каждый из которых характеризуется своими особенностями, преимуществами и недостатками, а также областью применения.