1. Краткие сведения из теории метода обратного рассеяния

Метод обратного рассеяния основан на введении в волокно импульсного оптического излучения и последующим анализе той малой части светового потока, которая возвращается на приемник в результате обратного рассеяния и отражений распространяющейся в волокне световой волны (рисунок 2).

Тестируемое волокно

Лазерный Импульсный

генератор диод Ответвитель

Записывающее Приемник

устройство

Усредняющее Дисплей

устройство

Рисунок 2 – Стандартный метод обратного рассеяния

В результате математической обработки сигнала фотодиода на экране дисплея формируется изображение, которое носит название рефлектограммы (рисунок 1), представляющей собой зависимость уровня данного сигнала от расстояния вдоль волокна.

Как видно из рефлектограммы от коннекторов и от концов волокна относительно большая часть световой энергии отражается обратно, что обуславливает наличие пиков. По разности Δt между двумя пиками, а также провалами, соответствующими сосредоточенным потерям, скорости света в вакууме c₀ и групповому показателю преломления n_g≈1,476 в стекле сердцевины можно рассчитать либо длину волокна, либо координаты указанных выше неоднородностей.

(1)

где L_x – измеряемая длина или координата неоднородности ОВ;

Δt - разность времени между пиками начального и конечного импульсов, с;

c₀ - скорость света в вакууме, равная 300000 км/с;

n_g - действительный групповой показатель преломления стекла серцевины.

Общие потери ВОЛП рассчитываются по формуле:

(2)

где P_k и P_н – уровни оптической мощности на рефлектограмме, соответствующее концу и началу зондируемой ВОЛП, выраженные в мВт или мкВт.

Дальнейшим усовершенствованием методики измерения является калибровка вертикальной шкалы прибора непосредственно в единицах измеряемых потерь. При этом потери для любого участка между точкамиL₁ и L₂ подсчитываются по формуле:

(3)

где и- потери ВОЛП в дБ от начала до координатL₂ и L₁ соответственно.

В случае однородного волокна, т.е. когда потери остаются постоянными по всей длине, коэффициент затухания (погонные или километрические потери) рассчитываются по формуле:

(4)

В целях уменьшения влияния собственных шумов на основные метрологические характеристики (погрешность измерения потерь и динамический диапазон) в современных рефлектометрах эффективно используется алгоритм аппроксимации линейной зависимостью (рисунок 3):

(5)

Рисунок 3 – Линейная аппроксимация рефлектограммы методом наименьших квадратов

Параметры аппроксимации a и b чаще всего определяются методом наименьших квадратов (LSA), то есть с использованием математического аппарата регрессивного анализа. При этом:

, (6а)

, (6б)

где - оценка математических ожиданий измеряемых координат L_i

- оценка математических ожиданий измеряемых значений потерь в координатах L_i

n – количество отсчетов на участке аппроксимации.

Основными метрологическими характеристиками оптических рефлектометров являются:

• динамический диапазон;

• «мертвые зоны»;

• погрешности измерения расстояния и потерь.

Динамический диапазон. Различают несколько оценок этого параметра. Наиболее широко используется эффективное значение диапазона D_эфф, определяемое как разность между уровнем мощности обратно рассеянного потока в точке ввода оптического излучения в оптическое волокно и уровнем на 0,3 дБ выше максимального уровня шума (рисунок 4).

Рисунок 4 – Определение эффективного значения динамического диапазона

“Мёртвые зоны” всегда связаны с наличием отражений и вызваны насыщением приёмника при поступлении на его вход отраженного сигнала высокого уровня. Как результат, определённый сегмент волокна оказывается исключенным из процесса тестирования. Различают два типа “мёртвых зон” (рисунок 5):

-“мёртвая зона”по отражению, определяемая расстоянием между началом отражения и точкой с уровнем –1,5дБ от вершины понижающего отрезка кривой отражения, после чего последующие отражательные события могут быть легко идентифицированы;

-“мёртвая зона” по затуханию, определяемая расстоянием от начала отражения до точки, в которой произошло восстановление чувствительности приёмника с полем в ±0,5 дБ от установившейся рефлектограммы.

Они зависят от длительности зондирующих импульсов, коэффициента отражения, а также длины волны, коэффициента обратного рассеяния и полосы пропускания приёмника.

дБ

-2.00 1.5 дБ

-4.00

-6.00

0.5 дБ

-8.00

ETZ

-10.0

ADZ

-12.0

0 10 20 30 40 50 60 70

Рисунок 5 – “Мёртвые зоны” по ослаблению (ADZ) и отражению (ETZ).