10.3.4. Метод обратного рассеяния

Наибольшее распространение получил метод обратного рас­сеяния, который является вторым альтернативным методом для измерений затуханий ОВ и позволяет осуществлять:

• контроль состояния оптических волокон (ОВ), выявления, определения характера и поиска дефектов ОВ;

• измерения затухания ОВ на строительных длинах оптичес­ких кабелей (ОК), на отдельных участках ВОЛС, на длине эле­ментарного кабельного участка (ЭКУ), на стыках ОВ;

• измерения коэффициента затухания ОВ;

• измерения расстояний до мест соединений ОВ и оценку ка­чества стыков;

• измерения характеристики обратного рассеяния ОВ и при­вязку ее к трассе прокладки ОК при паспортизации ЭКУ ВОЛС.

б)

ч

Метод применяется на всех этапах строительства и эксплуа­тации ВОЛС. В частности, при входном контроле строительных длин ОК, в процессе монтажа муфт ОК, при приемо-сдаточных измерениях и паспортизации РУ. А также для непрерывного конт-

роля состояния ОВ в процессе эксплуатации ВОЛС, при выпол­нении аварийных измерений, для поиска мест повреждений ОК и т.п. Оптические рефлектометры, реализующие метод обратного рассеяния, являются основными средствами измерений приме­няемыми при строительстве и эксплуатации ВОЛС.

В основе метода лежит зондирование ОВ испытательным сиг­налом, измерение поступающей из ОВ обратно ко входу оптичес­кой мощности и расчета по результатам этих измерений искомых параметров ОВ. При распространении по ОВ оптического излу­чения из-за флуктуаций показателя преломления возникает по­ток рассеяния (Рис. 10.3), мощность которого пропорциональна отношению

Рис. 10.3 Формирование потока обратного рассеяния.

Часть потока рассеяния излучается в оболочку и там затухает, часть распространяется вперед вместе с основным потоком, а часть - в сторону ближнего конца по направлению к источнику излучения, образуя поток обратного рассеяния.

Известны реализации метода обратного рассеяния [20] в час­тотной и временной областях. При строительстве и эксплуатации ВОЛП применяют оптические рефлектометры обратного рассея­ния, работающие во временной области - OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) [11,20]. В дальнейшем ограничимся анали­зом принципов работы только этих приборов.

На практике наиболее широкое применение нашли оптичес­кие рефлектометры, работающие во временной области - OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) [23]. Упрощенная структурная схема такого рефлектометра приведена на рис. 10.4, где

1. генератор зондирующих импульсов (ГИ);

2. источник оптического излучения (лазерный диод - ЛД);

3. оптический разветвитель - ОР;

4. исследуемое оптическое волокно - ОВ;

5-фотоприемное устройство (ФП);

5-блок управления и математической обработки - БУМО;

7-устройство отображения.

Рис. 10.4 Структурная схема оптического рефлектометра, работающего во временной области

Вырабатываемые ГИ импульсы преобразуются в ЛД путем мо­дуляции оптической несущей по интенсивности в зондирующие оптические импульсы, которые поступают через ОР в исследуе­мое волокно. Поток обратного рассеяния, возбуждаемый при рас­пространении зондирующих импульсов в оптическом волокне, че­рез оптический разветвитель поступает на вход чувствительного ФП, где преобразуется в электрический сигнал, который после специальной обработки в БУМО подается в канал вертикального отклонения УО, вызывая соответствующие изменения характе­ристики по вертикальной оси Y. Вертикальная ось градуируется в дБ. Отклонение по горизонтальной оси X происходит под дей­ствием пилообразного напряжения развертки, которая запуска­ется импульсами ГИ. В результате этого абсцисса характеристи­ки прямо пропорциональна времени запаздывания сигнала t.

Мощность обратно рассеянного оптического потока Ps(t), из­меренная в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно с некоторой задержкой t относительно момента посыл­ки зондирующего импульса, определяется мощностью обратно рассеянной в точке кабеля, расположенной на расстоянии от ме­ста измерения равном

(10.6)

где V - групповая скорость распространения оптического им­пульса, которую можно полагать равной

Здесь с – скорость света; (10.7)

п - групповой показатель преломления сердцевины ОВ.

Поскольку групповой показатель преломления сердцевины, а соответственно и групповая скорость распространения V опти­ческого сигнала в волокне известны, горизонтальная ось градуи­руется в единицах длины. Построенная в логарифмическом мас­штабе зависимость мощности обратного рассеяния от расстоя­ния называется характеристикой обратного рассеяния оптичес­кого волокна (рис. 10.5).

БУМО согласовывает работу ГИ и УО, синхронизируя запуск генератора развертки импульсами ГИ, и создает возможность наблюдения характеристики обратного рассеяния или полностью, или по частям. Обеспечивает регистрацию и занесение в память реализаций зависимостей от времени мощности обратного рас­сеяния и их усреднение. А также осуществляет управление ра­ботой рефлектометра по заданной программе, обработку данных, выполняет ряд сервисных функций.

Основные положения теории. Данный способ ограничива­ет энергию принимаемого сигнала энергией зондирующего им­пульса, которая пропорциональна его максимальному значению

Рис. 10.5 Характеристика

обратного рассеяния

и длительности. Это вынуждает в процессе работы искать компро­мисс между динамическим диапазоном, определяющим дальность действия, и разрешающей способностью, обеспечивающий оптимальное решение для условий измерения. Вместе с тем он позволяет получать приемлемые результаты с удовлетворитель­ным быстродействием, что и обеспечило широкое внедрение ре­ализующих его средств измерений.

В первом приближении мощность потока обратного рассеяния завна

INCLUDEPICTURE "media/image33.jpeg" \* MERGEFORMAT (10.8)

где- максимальное значение и длительность зондирующего импульса оптической мощности в точке ввода;

- параметр Рэлеевского рассеяния, равный отношению мощности рассеянной в некоторой точке оптического волокна к падающей оптической мощности в эту же точку;

- параметр обратного Рэлеевского рассеяния, равный отношению обратно рассеянной мощности в некоторой точке оптического волокна ко всей рассеянной в этой точке мощности;

- коэффициент затухания оптического волокна,

Из данного выражения следует, что мощность потока обратного рассеяния прямо пропорциональна параметрам зондирующего импульса на входе оптического волокна ии.параметрам оптического волокнаи, и экспоненциально зависит от затухания и групповой скорости оптического волокна. Причем груп­повая скорость в свою очередь обратно пропорциональна груп­повому показателю преломления оптического волокна. Параметр

(10.9)

иногда называют коэффициентом обратного рассеяния. Тогда

INCLUDEPICTURE "media/image43.jpeg" \* MERGEFORMAT (10.10)

Отсюда следует, что зависимость уровня мощности обратного рассеяния от времени - линейная

(10.11)

и разность уровней обратнорассеянной мощности, измеренных на ближнем конце в моменты времени t1 и t2 есть затухание во­локна на соответствующем участке линии

INCLUDEPICTURE "media/image45.jpeg" \* MERGEFORMAT (10.12)

где

(10.13)

Из-за флюктуаций показателя преломления, конструктивных характеристик оптического волокна коэффициент обратного рас­сеяния изменяется вдоль волокна случайным образом. Другими словами на однородных участках оптическое волокно является квазирегулярным и реальная зависимость флюктуирует

около некоторой прямой, тангенс угла наклона которой к оси абс­цисс равен коэффициенту затухания волокна.

В месте соединения оптических волокон вследствие локаль­ного изменения параметров характеристика обратного рассеяния меняется скачком и ее изменения согласно (10.10) равны

Или, после простейших преобразований

(10.14)

где ас- потери в соединении.

Очевидно, что величинапри измерениях

с разных сторон меняет знак. Она определяется разбросом ко­эффициентов обратной связи соединяемых оптических волокон и может быть как положительной, так и отрицательной. Соответ­ственно и изменения характеристики в месте соединения в за­висимости от соотношения величини, а также знака могут быть как положительными, так и отрицательными, и ото­бражаются либо ступенькой вниз, либо ступенькой вверх. Други­ми словами, мощность потока обратного рассеяния в месте со­единения волокон может возрасти из-за увеличения коэффици­ента обратного рассеяния, что отображается на характеристике скачкообразным увеличением уровня.

При наличии в оптическом волокне неоднородностей - вклю­чений, на которых характеристики среды распространения, в ча­стности показатель преломления, существенно отличаются от их средних значений для данного волокна, образуется поток Френе- левского отражения. Измеренная на ближнем конце мощность (t) оптического излучения отраженного в некоторой точке х , равна:

для

И для (10.15)

где

- расстояние до неоднородности;

- коэффициент отражения.

В первом приближении мощность потока Френелевского отра­жения на ближнем конце можно рассматривать как сумму

(10.16)

где m - количество неоднородностей на участке.

Коэффициент отражения как правило на несколько порядков превышает коэффициент обратного рассеяния. Соответственно в моменты времени

мощность обратно рассеянного потока пренебрежимо мала по сравнению с мощностью потока отражения.

В общем случае измеряемую на ближнем конце оптического волокна мощность обратного потока можно представить в виде суммы мощностей обратно рассеянного потока, отраженного по­тока и мощности помехи

(10.17)

Мощность помехи есть случайная функция, обусловленная совокупностью факторов. Ряд составляющих помехи не зависят от уровня мощности передаваемого оптического сигнала. Это теп­ловые шумы фотоприемника, собственные шумы лазера. Другие составляющие, такие как дробовой шум фотоприемника, модо- вый шум, шумы, обусловленные взаимодействием лазера с не­регулярным волокном, и т.п., связаны с ним. Результирующая мощность помех соизмерима с мощностью обратно- рассеянного потока. Это величины одного порядка. Поэтому одна из основных проблем реализации метода обратного рассеяния - выделение полезного сигнала на фоне высокого уровня помех.

Как следует из представленного выше анализа, характеристи­ка обратного рассеяния волокна или, как ее чаще называют, реф- лектограмма является кусочно-регулярной. Теоретически она представляет совокупность прямых, разделенных локальными не- регулярностями. Неоднородности или нерегулярности, на кото­рых имеет место отражение, отображаются изменениями харак­теристики, повторяющими форму зондирующего импульса. Не­регулярности без отражений, на которых происходит только из­менения мощности обратного рассеяния за счет потерь и изме­нений коэффициента обратного рассеяния, отображаются на рефпектограмме в виде ступенек (вверх или вниз).

Идентифткация рефлектограммы. На основе данных те­оретических положений выполняется одна из основных операций рефлектометрии, которой является идентификация характерис­тики - определение соответствия изменений рефлектограммы и реальных событий на линии. Квазипрямые отрезки характерис­тики соответствуют регулярным участкам волокна. Импульсы - нео- днородностям, причинами которых могут быть микротрещины в

сердцевине волокна, механические соединители, разъемы. Пе­репады в виде ступенек - сварным соединениям волокон, изги­бам. Причем, поскольку на изгибах волокон имеют место только потери, они вызывают на рефлектограммах только уменьшение уровня мощности обратного рассеяния. Пример характеристики обратного рассеяния оптического волокна, отображаемой на эк­ране оптического рефлектометра, представлен на рис. 10.5. Здесь участки рефлектограммы могут быть идентифицированы следу­ющим образом:

1. - начальный выброс уровня обратного потока оптической мощности, обусловленный Френелевским отражением при вво­де оптического излучения в волокно;

2. - участки рефлектограммы, соответствующие квазирегуляр­ным участкам волокна, на которых нет отражений и изменения уровня обратного потока оптической мощности обусловлены по­терями за счет поглощения и Рэлеевского рассеяния, а также флюктуациями коэффициента обратного рассеяния;

3. - изменения мощности обратно рассеянного потока на ло­кальной нерегулярности без отражений(сварные соединения, из­гибы);

4. - изменения уровня обратного потока за счет отражения и потерь на локальной неоднородности (механические соедине­ния, микротрещины и т.п.);

5. - изменение уровня обратного потока оптической мощности на конце оптического волокна;

6. - шумы.

«Мертвая зона» и динамический диапазон. Реальные реф­лектограммы хорошо согласуются с теоретическими моделями в общих тенденциях изменения уровня мощности потока обратно­го рассеяния, но существенно отличаются от них в деталях. Это отличие в основном обусловлено внутренними и стыковыми не- регулярностями оптических волокон на ЭКУ и помехами.

На нерегулярностях наряду с явлениями рассеяния, отраже­ния имеет место преобразование мод, излучение, тунеллирование. Как следствие, вблизи нерегулярностей не выполняется ус­ловие равновесного распределения мод и коэффициент затуха­ния изменяется вдоль волокна. Соответственно, на прилегающих к нерегулярностям участках закон изменения мощности отлича­ется от экспоненциального и характеристика обратного рассея­ния не линейна. В этой зоне однозначно определить связь между прямым и обратным потоками оптического излучения, а значит и параметры волокна, нельзя. Поэтому она получила название

«мертвая» зона. Не менее существенным фактором возникновения «мертвой» зоны на неоднородностях является насыщение фотодиода приемного оптического модуля. При поступлении от­раженного импульса рефлектометру оптическая мощность на вхо­де приемного оптического модуля возрастает скачком от значе­ний мощности обратного рассеяния до превышающей ее на не­сколько порядков мощности Френелевского отражения. При этом фотодиод насыщается, и будет находится в этом состоянии еще некоторое время даже после снятия воздействия. Очевидно, что ширина «мертвой» зоны зависит от длительности зондирующего импульса и при этом превышает ее. В зависимости от задачи раз­личают «мертвую» зону по затуханию и «мертвую» зону по отра­жению.

«Мертвая» зона по затуханию есть расстояние между нача­лом отраженного импульса и точкой, в которой приемник воспро­изводит продолжение прямой линии усредненной характеристи­ки обратного рассеяния следующего за неоднородностью квази­регулярного участка волокна с погрешностью не хуже(ри­с.1 0.6а). Как правило принимают. Однако в [24] рекомендуется= 0.1 дБ. А согласно [ 26] эта величина прини­мается= 0.2 дБ. Нередко, говоря о «мертвой зоне» подразу­мевают «мертвую зону» на ближнем конце, которую определяют по затуханию. Иногда вводят параметр - «мертвая» зона на ближ­нем конце, который приводят в паспортных данных рефлектометра [27]. При этом «мертвая» зона на ближнем конце есть значение «мертвой» зоны по затуханию, которое определяется на вводе. В [20] рекомендуется «мертвую» зону определять в соответствии с рис. 10.6б.

Рис. 10.6 - К определению «мертвой» зоны по затуханию

Обычно «мертвую зону» по отражению, определяют как разре­шающую способность по отраженному потоку, значение которой находится согласно рис. 10.7а или рис.10.76 [27]. Но иногда эту величину определяют как показано на рис. 10.7в [26]. В отдель­ных случаях вводят понятие «мертвой зоны по отражению на ближнем конце» [20]. Ее в соответствии с рис.10.7г находят как расстояние от начала импульса отраженного на вводе до импульса, отражен­ного на неоднородности, при условии, что отраженный от неоднородности импульс может быть выявлен на характеристике на уровне превышающем ее усредненное значение на прилегаю­щем квазирегулярном участке волокна на 4% от уровня мощности потока обратного рассеяния на вводе.

По определению протяженность «мертвой» зоны по отраже­нию существенно меньше, чем «мертвой» зоны по затуханию.

Степень влияния помех на характеристику обратного рассея­ния определяется отношением сигнал/шум в исследуемой точке, которое, в свою очередь, зависит от такой характеристики реф­лектометра как динамический диапазон. Именно этот параметр

б)

а)

в) г)

Рис. 10.7 К определению "мертвой" зоны по отражению

определяет дальность действия рефлектометра. В общем слу­чае динамический диапазон есть выраженное в логарифмичес­ких единицах отношение вводимой в волокно мощности излуче­ния Р0 к некоторому минимальному значению мощности Pmln, кото­рое еще может быть принято фотоприемником. Для оптического

рефлектометра, учитывая, что оптический сигнал проходит удвоен­ное расстояние, динамический диапазон принято определять как

(10.18)

Наиболее широко используется оценка динамического диапа­зона по потоку обратного рассеяния Dr которую принято назы­вать динамическим диапазоном при отношении сигнал/помеха равном единице. Именно эту оценку как правило приводят в паспортных данных рефлектометра [27]. Величина Dt определя­ется как показано на рис. 10.8. Здесь Р0 принимают равной мощ­ности потока обратного рассеяния в точке ввода оптического излучения в исследуемое волокно, a Pmin - среднеквадратическому значению мощности помех.

Значения оценок динамического диапазона непосредственно связаны с параметрами зондирующего импульса, временем и методами усреднения, степенью сглаживания характеристики, полосой пропускания фотоприемника и меняются в широких пре­делах в зависимости от указанных величин.

Алгоритмы определения параметров волокна. Следует особо подчеркнуть, что измерения характеристик оптических во­локон методом обратного рассеяния являются косвенными. Иско­мые величина находят в результате математической обработки ре­зультатов измерения мощности обратного потока оптического из­лучения. Причем характеристики распространения оптического сигнала в прямом направлении определяют по изменениям мощ­ности излучения, распространяющегося в обратном направлении, полагая при этом, что параметры оптических волокон в прямом и обратном направлении идентичны. Последнее условие выполня­ется с определенной погрешностью. Для корректного выполне­ния измерений и правильной интерпретации их результатов необ­ходимо знать и учитывать принципы обработки данных прямых

Рис. 10.8 Определение динамического диапазона D

измерений, в основе которых лежат рассмотренные выше теорети­ческие положения. Кратко их можно сформулировать следующим образом.

Рефлектограмма состоит из регулярных или нерегулярных участков

На регулярных участках рефлектограмма описывается линей­ной зависимостью, причем тангенс угла наклона прямой равен коэффициенту затухания

Закон изменения характеристики для нерегулярных участ­ков неизвестен и взаимосвязи ее с параметрами волокна не оп­ределяются

В соответствии с этим, алгоритм определения параметров волокна по характеристике обратного рассеяния включает пос­ледовательность следующих операций.

Выделение точек, в которых для решения поставленной зада­чи необходимо определить уровни мощности потока обратного рассеяния.

Выделение исследуемой области характеристики и раз­биение ее на регулярные и нерегулярные участки.

Аппроксимация характеристик регулярных участков прямы­ми и экстраполяция (продолжение) этих прямых на прилегающие нерегулярные участки.

Определение уровней мощности обратного рассеяния в за­данных точках путем отсчета значений по аппроксимирующим прямым.

• Расчет разности уровней для заданных точек и последую­щие вычисления искомых параметров согласно их определению.

Очевидно, что здесь важнейшей операцией является аппрок­симация характеристики линейной зависимостью

Используют два способа аппроксимации [25]: метод двух то­чек и метод наименьших квадратов (рис. 10.9).

Рис. 10.9- Методы линейной аппроксимации

Принцип аппроксимации методом двух точек можно пояснить с помощью рис.10.9а, где

c = b b =

уровни мощности обратнорассеянного потока в выбран­ных измерителем точкахсоответственно. Принцип определения параметров аппроксимации методом наи­меньших квадратов поясним с помощью рис. 10.9б. Исследуе­мый участок рефлектограммы между выбранными точками с ко­ординатами () и () разбивается на (п-1) интервал и по рефлектограмме определяются значения (xi уi)

для каждой границы интервалов (, ),..., (). Па­раметры аппроксимации с,b получают из условия минимума зна­чения суммы квадратов отклонений теоретической и эксперимен­тальной кривой. Здесь

(10.19)

где:

Условия минимума величины S описывает система уравнений

(10.20)

В оптическом рефлектометре должна быть предусмотрена воз­можность выбора способа линейной аппроксимации в зависимо­сти от поставленной задачи. Рекомендации по выбору способа аппроксимации могут быть сформулированы следующим обра­зом.

1. При измерении затухания волокон в пределах регулярных участков рекомендуется метод наименьших квадратов.

2. При измерении затухания соединений волокон рекоменду­ется метод наименьших квадратов.

3. При измерении результирующего затухания на участках с нерегулярностями рекомендуется метод двух точек.

Определение затухания оптических волокон. Для опреде­ления затухания усредненная характеристика обратного рассея­ния на исследуемом участке аппроксимируется линейной зави­-

симостьюметодом двух точек или методом наименьших

квадратов Коэффициент затухания а определяется как абсо­лютная величина параметра аппроксимациии а затухание на участке по формулегде- координаты

оси абсцисс, соответствующие границам исследуемого диапазо­на. На рис. 10.10 представлены примеры оценки затухания участ­ка оптоволоконной линии для двух случаев аппроксимации - ме­тодом двух точек (рис. 10.10а) и методом наименьших квадратов (рис.10.106).

Рис. 10.10 К оценке затухания и коэффициента затухания на участке линии

Определение затухания сварных соединений оптических волокон. Регулярные участки характеристики обратного рассе­яния оптических волокон до и после стыка аппроксимируются линейной зависимостью. Затем путем экстраполяции в первом случае вперед, а во втором случае назад, находят уровни мощности потока обратного рассеяния в точке стыка. Искомая оцен­ка затухания стыка есть разность этих уровней. Поясним данный алгоритм на примере пятимаркерной схемы измерений (рис.10 11). Маркер устанавливается в точке стыка. Маркеры - до стыка, а за стыком При этом, маркеры размеща­ют на квазирегулярных участках строительных длин, соединения волокон которых исследуются. Эти маркеры служат для определе­ния параметров аппроксимирующих прямых (коэффициентов за­тухания стыкуемых волокон). Погрешность оценки затухания сты­ка зависит от погрешности аппроксимации, и следовательно, кор­ректности расстановки маркеров. Желательно, чтобы маркеры находились по возможности ближе к месту стыка, и важно, чтобы маркеры не были установлены на участках, где характеристика искажена. Корректность расстановки маркеров можно проверить, сопоставляя значения оценок затухания стыка при установке маркера в начале и в конце ступеньки, отобража­ющей на рефлектограмме изменения уровня мощности обратного

эассеяния на стыке (рис.10.11 а,б). При правильной расстановке маркеров разница между полученными оценками не должна пре- зышать 10 - 15 %. Если разница превышает указанное значение, го необходимо уточнить позиции маркеров . Если это не поможет, уменьшить затухание аттенюатора рефлектометра, уве- пичигь длительность или число усреднений, изменить степень ста­лкивания характеристики (уровень цифровой фильтрации). Боль- нинство рефлектометров позволяет осуществлять позициониро­вание системы маркеров в целом или каждого из маркеров в от­дельности. При проверке расстановки маркеров допустимо пере­мещать как всю систему маркеров в целом, так и только маркер

Наряду с пятимаркерной схемой применяются чегырехмаркер- ная, шестимаркерная схемы и ряд других [27]. При этом на рас­становку маркеров накладываются дополнительный ограничения. Это может быть условие равенства расстояний между соответ­ствующими маркерами, от маркеров до начала исследуемой не­регулярности и т.п. Может быть условие равенства затуханий или какое-либо другое. Во всяком случае, во избежание ошибок, эти условия надо знать и необходимо выполнять.

Рис.10.11 Пятимаркерная схема измерения потерь на стыке

Изменения характеристики обратного рассеяния, отображаю­щие стык оптических волокон, определяются в основном потеря­ми энергии на соединении и расхождением параметров сращи­ваемых волокон - отличием их средних значений коэффициентов обратного рассеяния. Изменения коэффициента обратного рас­сеяния приводят к существенным изменениям мощности потока обратного рассеяния, но никак не влияют на мощность прямого потока. Фактически, при измерении потерь мощности прямого потока на соединениях оптических волокон методом обратного рассеяния, они вносят систематическую погрешность, которую необходимо исключить. Чем больше отличие характеристик со­единяемых волокон, тем больше указанная погрешность. При

рассеяния на стыке (рис.10.11а,б). При правильной расстановке маркеров разница между полученными оценками не должна превышать 10 - 15 %. Если разница превышает указанное значение, то необходимо уточнить позиции маркеров х₁ х₂ х₄ х₅. Если это не поможет, уменьшить затухание аттенюатора рефлектометра, увеличить длительность или число усреднений, изменить степень сглаживания характеристики (уровень цифровой фильтрации). Большинство рефлектометров позволяет осуществлять позиционирование системы маркеров в целом или каждого из маркеров в отдельности. При проверке расстановки маркеров допустимо перемещать как всю систему маркеров в целом, так и только маркер х₃. Наряду с пятимаркерной схемой применяются чегырехмаркерная, шестимаркерная схемы и ряд других [27]. При этом на расстановку маркеров накладываются дополнительный ограничения. Это может быть условие равенства расстояний между соответствующими маркерами, от маркеров до начала исследуемой не­регулярности и т.п. Можетбыть условие равенства затуханий или какое-либо другое. Во всяком случае, во избежание ошибок, эти условия надо знать и необходимо выполнять.

Рис.10.11 Пятимаркерная схема измерения отерь на стыке

Изменения характеристики обратного рассеяния, отображающие стык оптических волокон, определяются в основном потерями энергии на соединении и расхождением параметров сращиваемых волокон - отличием их средних значений коэффициентов обратного рассеяния. Изменения коэффициента обратного рассеяния приводят к существенным изменениям мощности потока обратного рассеяния, но никак не влияют на мощность прямого потока. Фактически, при измерении потерь мощности прямого потока на соединениях оптических волокон методом обратного рассеяния, они вносят систематическую погрешность, которую необходимо исключить. Чем больше отличие характеристик соединяемых волокон, тем больше указанная погрешность. При

измерениях с противоположных концов линии эта погрешность входит в результат измерения с разным знаком. Учитывая это, в целях исключения систематической погрешности, рекомендуется затухание стыка ОВ измерять с противоположных концов ли­нии, а результат определять как среднее значение:

Тогда

Измерение затухания механических сростков оптических волокон. В целом алгоритм обработки результатов измерений тот же, что и для сварных соединений - соединений без отражений (рис. 10.12). Особенности измерения затухания механических соединений связаны с высоким уровнем отраженной мощности и большей шириной «мертвой» зоны. Это увеличивает погреш­ность измерений и создает определенные трудности при расста­новке маркеров. По этим же причинам в данном случае прове­рять корректность расстановки маркеров путем их смещения нельзя.

Рис.10.12 К оценке затухания механических соединителей

Определение затухания отражения. Наряду с потерями метод обратного рассеяния позволяет оценивать величину неоднородности. В частности, измерять выраженное в логарифмических единицах значение коэффициента отражения

(10.21)

где р-коэффициент отражения, равный отношению отраженной мощности оптического излучения к падающей. Но значительно чаще используюттакую оценку, как затухание отражения - а_н. Эта величина определяется выражением

(10.22)

Соответственно . Причем. Очевидно, чем больше величина затухания отражения, тем меньше неоднородность.

Рис.10.13 К измерению потерь отражений

Для измерения затухания отражения наибольшее применение нашли двух и трехмаркерные схемы. Примеры расстановки маркеров в этом случае приведены на рис. 10.13. Здесь важно, чтобы фотодиод при приеме импульса, отраженного от исследуемой неоднородности, не находился в состоянии глубокого насыщения. Для этого максимальный уровень мощности отображаемого на характеристике сигнала, отраженного на данной неоднородности, не должен превышать уровень мощности обратного рассеяния на ближнем конце. Выполнение данного условия обеспечивается путем установки необходимого затухания аттенюатора рефлектометра. Алгоритм расчета зависит от принятого определения коэффициента обратного рассеяния. В [20] под коэффициентом обратного рассеяния понимают отношение вводимой в волокно мощности оптического излучения к мощности сигнала обратного рассеяния на ближнем конце. Эта величина обратно про­порциональна длительности зондирующего оптического импульса. Ее типичные значения, выраженные в логарифмических единицах (уровень коэффициента обратного рассеяния), при длительности зондирующего импульса 1,0 мкс составляет примерно 50дБ и зависит от длины волны и типа волокна. Здесь затухание отражения расчитывается по формуле

(10.23)

где С - выраженное в дБ значение коэффициента обратного рассеяния для заданной длительности зондирующего импульса.

В [17] коэффициент обратного рассеяния определяют как среднее отношение падающей мощности оптического излучения в некоторой точке к обратно рассеянной мощности в этой же точке.

Здесь формула для расчета затухания отражения имеет следующий вид

(10.24)

где С - выраженное в дБ значение коэффициента обратного рассеяния при длительности зондирующего импульса 1,0 нС.

Типичные значения параметра С₁₍ рекомендуемые [14], равны

- для одномодового волокна -79 дБ на длине волны 1310 нм и -81 дБ на длине волны 1550 нм;

- для многомодового волокна -70 дБ на длине волны 850 нм и -75 дБ на длине волны 1300 нм.

Необходимо отметить следующее. Все вычисления выполняются рефлектометром в процессе измерений автоматически. Задача измерителя установить оптимальные условия измерения, режимы обработки и корректно расставить маркеры. Для этого в целях избежания грубых ошибок до начала измерений необходи- мотщательно изучить описание оптического рефлектометра. Причем, учитывая возможные отличия в трактовке некоторых понятий и достаточно большое разнообразие используемых оптическими рефлектометрами алгоритмов, особое внимание следует уделить принятым для данного рефлектометра определениям параметров, методикам обработки характеристики обратного рассеяния и рекомендациям по размещению маркеров и и выбору режимов измерений.

Оптимальные режимы измерений. Как уже было отмечено, у оптических рефлектометров, работающих во временной области, мощность полезного сигнала на приеме ограничена энергией зондирующего импульса. Относительно низкий уровень мощности полезного сигнала, формируемого потоком обратного рассеяния, выделить на фоне собственных шумов фотодиода достаточно сложно, особенно при работе на пределе динамического диапазона, где отношение сигнал помеха стремится к единице. Существует несколько путей увеличения отношения сигнал/помеха:

-Увеличение мощности источника оптического излучения и чувствительности фотоприемника, что ограничивается возможностями элементной базы.

-Применение узкополосных фотоприемных устройств, что ухудшает разрешающую способность и увеличивает ширину «мертвой зоны».

-Увеличение длительности зондирующего импульса, что также снижает разрешающую способность и увеличивает ширину

«мертвой зоны».

-Исключение случайной погрешности статистической обработкой результатов прямых измерений - усредненением характерис­тики обратного рассеяния. Это увеличивает время измерений.

-Сглаживание характеристики обратного рассеяния методами цифровой фильтрации. Это дает небольшой выигрыш по динамическому диапазону, но при этом ухудшается разрешающая способность и могут быть «потеряны» отраженные импульсы.

Взаимосвязь между динамическим диапазоном и отношением сигнал/помеха поясняется с помощью рис. 10.14. Очевидно, что именно динамический диапазон определяет дальность действия оптического рефлектометра и наименьшее значение затухания на

Рис. 10.14 К выбору динамического диапазона

нерегулярности, которое может быть им измерено. Чем меньше затухание на нерегулярности, тем большее отношение сигнал/помеха необходимо в точке измерения. Естественно полагать, что уровень мощности шума не должен превышать измеряемую ве­личину затухания. Тогда, с запасом 0,3 дБ требуемое отношение сигнал/помеха (5ЫР?.,) в зависимости от измеряемого затухания на нерегулярности (а) можно приближенно оценить как

(10.25)

Результаты расчета этой зависимости представлены на рис.10.15

Рис. 10.15-Требуемое значение отношения сигналЛюмеха.

Рекомендуемые значения для отношения сигнал/помеха приведены также в табл. 10.2.

В соответствии с определением динамического диапазона при отношении сигнал/помеха равном единице - его значение, необходимое для выполнения измерений, равно сумме требуемого для измеряемой величины отношения сигнал/помеха и ре­зультирующего затухания оптической линии до исследуемой нерегулярности.

(10.26)

Рабочий диапазон, в котором могут выполняться измерения исследуемой величины, равен результирующему затуханию оптической линии до исследуемой нерегулярности. Отсюда, рабочий диапазон может быть найден как

(10.27)

Таким образом, дальность действия оптического рефлектометра определяется динамическим диапазоном, а не максимальным значением шкалы расстояний. Это поясняет рис.10.16. Фактически при выборе диапазона расстояний устанавливается период развертки.

Рис. 10.16 К оценке дальности действия рефлектометра

Приближенно дальность действия рефлектометра можно оценить, воспользовавшись формулой

(10.28)

где D_р - рабочий динамический диапазон;

а_s - суммарные потери на нерегулярностях;

α - среднее значение коэффициента затухания.

Рассмотрим подробнее как на динамический диапазон и, соответственно, дальность действия рефлектометра влияют отдельные факторы.

При увеличении длительности зондирующего импульса возрастает его энергия и соответственно мощность сигнала на приеме, что, в свою очередь, ведет к увеличению динамического диапазона. Чем больше длительность зондирующего импульса, тем больше динамический диапазон. Но с увеличением длительности импульса увеличивается ширина «мертвой» зоны и снижается разрешающая способность - способность различать рядом расположенные нерегулярности.

Это поясняет рис.10.17, где представлены рефлекгограммы участка с двумя близко расположенными неоднородностями, измеренные при коротком зондирующем импульсе (рис.10.17а) и импульсе с увеличенной длительностью (рис. 10.176).

На рис.10.18 приведен пример изменения рефлекгограммы, отображающей нерегулярность без отражений, при изменении длительности зондирующего импульса для случая удовлетворительного отношения сигнал/помеха.

Рис. 10.17 К выбору длительности зондирующего импульса

Рис. 10.18-К выбору длительности зондирующего импульса

Необходимое значение разрешающей способности зависит отрешаемой задачи. При выявлении дефектов она должна быть такова, чтобы можно было различать расположенные рядом нерегулярности и просматривать как можно большую часть иссле­дуемого участка. При измерении затухания на нерегулярностях разрешающая способность должна быть такова, чтобы длина квазирегулярного участка между нерегулярностями в несколько раз превышала ширину «мертвой» зоны (рис.10.19).

Рис. 10.19- Копределению необходимой разрешающей способности

Соответственно, важнейшей задачей измерителя является поиск компромисса между динамическим диапазоном, обеспечивающего наиболее оптимальные условия измерений.

Оптический рефлектометр может работать в двух режимах: режиме реального времени и режиме усреднения. В режиме реального времени каждая реализация характеристики обратного рассеяния, принимаемая втечение периода линейной развертки, выводится на дисплей. Для этого режима характерны высокий уровень шума и изменения наблюдаемой характеристики с частотой развертки. Он используется для качественной оценки влияния каких-либо операций с оптическим волокном на характеристики последнего. Например, наблюдения изменений затухания механического соединения при юстировке волокон.

В режиме усреднения при выполнении многократных измерений реализации характеристик обратного рассеяния запоминаются, затем усредняются, после чего усредненная характеристика выводится на дисплей. Все измерения выполняются в этом режиме. Степень усреднения задается в начальных установках перед измерениями либо количеством усреднений, либо временем усреднения. Выбор этого параметра зависит от требуемого значения динамического диапазона. Известно несколько способов усреднения. При использовании общего метода вся характеристика усредняется полностью с одной и той же степенью усреднения. При использовании методов усреднения с разделением вся характеристика разбивается на участки в зависимости от значений отношения сигнал/помеха. Отдельно выделяются участки с Френелевскими отражениями. Степень усреднения для каждого из участков определяется отношением сигнал/помеха. Количество усреднений тем больше, чем меньше это отношение. Метод усреднения с разделением повышенной точности предусматривает, кроме того, сглаживание характеристики на нерегулярностях. Естественно, что с увеличением сложности обработки реализаций характеристики увеличивается время измерений.

Увеличение времени усреднения увеличивает динамический диапазон за счет исключения случайных погрешностей при статистической обработке и соответственно снижения уровня шумов отображаемой на дисплее усредненной характеристики. На рис.10.20 (а,б) приведены рефлектограммы одного и того же участка, снятые с разной степенью усреднения.

Можно полагать, что степень усреднения должна быть такой, чтобы при дальнейшем ее увеличении вид рефлектограммы на исследуемом участке уже не изменялся. Чем ближе диапазон, в

Рис. 10.20 К выбору степени усреднения

котором производятся измерения, к допустимому значению рабочего диапазона, тем большая степень усреднения требуется. Как правило, при измерениях на строительных длинах рекомендуется начинать с числа усреднений от 2¹⁵..2¹⁷, а при измерениях на регенерационных участках с времени усреднения от 3 .10 минут и более. При работе на пределе динамического диапазона степень усреднения значительно выше и, соответственно, время измерений увеличено.

Стандартный способ усреднения применяется во всех случаях, когда требуемое значение отношения сигнал/помеха может быть достигнуто обычными средствами, без специальных приемов. Рекомендуется использовать его при измерениях на участках с затуханием менее 18 .20 дБ. На участках с большим затуханием рекомендуются способы с разделением. Причем для измерения затухания стыков следует применять способ с разделением повышенной точности. Для выявления дефектов последний из указанных способов неприемлем. Естественно, чем сложнее способ усреднений, тем больших затрат времени он требует.

Применяя методы цифровой фильтрации, за счет сглажива­ния характеристики удается увеличить динамический диапазон на величину до 1..2дБ. Однако при сглаживании характеристики могут потеряться ее изменения обусловленные нерегулярностями линии. Потому область применения данного способа ограничена и его следует использовать с осторожностью. Цифровой фильтр (сглаживание) не допускается включать при решении задач анализа состояния линии, выявления нерегулярной и поиска повреждений. При измерениях затухания на стыках оптических волокон, затуханий волокна введение фильтра позволяет увеличить динамический диапазон и тем самым снизить погрешность измерений.

Параметры, определяющие условия измерения характеристики обратного рассеяния - динамический диапазон, ширина мертвой зоны, разрешающая способность - существенно зависят от выбора сменного блока. Принято различать сменные блоки рефлектометров с высоким разрешением и сменные блоки для протяженных линий (с высоким динамическим диапазоном). Основное их различие заключается в ширине полосы пропускания фотоприемного устройства. Для неискаженной передачи коротких импульсов необходима широкая полоса пропускания. Требуемая ширина полосы пропускания обратно пропорциональна длительности импуль­сов. Вместе с тем, среднеквадратическая мощность шума прямо пропорциональна полосе пропускания. Соответственно, для улуч­шения отношения сигнал/помеха и, тем самым, увеличения динамического диапазона необходима узкая полоса пропускания. Поэтому в рефлектометрах с высоким разрешением используются широкополосные приемники, которые обеспечивают малую ширину «мертвой зоны», но при этом обладают небольшим динамическим диапазоном. В рефлектометрах для линий большой протяженности применяются узкополосные приемники, обеспечивающие большой динамический диапазон за счет низкого уровня шумов на приеме, но при этом имеющие большую ширину «мертвой» зоны. Различие рассмотренных типов сменных блоков поясняется рис. 10.21, где приведены рефлекгограммы одного и того же участка линии снятые при одной и той же длительности зондирующего импульса, равной 1 мкс, но с применением разных сменных блоков.

Рис. 10.21- К выбору типа сменного блока

Таким образом, добиваясь высокой разрешающей способности и небольшой «мертвой» зоны, получаем малый динамический диапазон. Добиваясь большого динамического диапазона, получаем большую «мертвую» зону и низкую разрешающую способность. Оптимальное для конкретной измерительной задачи отношение сигнал/помеха находится в результате компромисса меж-

ду динамическим диапазоном и разрешающей способностью. В зависимости от выбора сменного блока, включающего источник излучения и фотоприемное устройство, характеристик зондирующего импульса, способа усреднения, степени сглаживания ха­рактеристики методами цифровой фильтрации могут улучшаться условия измерения затуханий и при этом ухудшаться условия измерения расстояний и выявления отдельных нерегулярностей, и наоборот. В общем случае различают оптимизации по измерению затуханий и по измерению расстояний.

Рис. 10.21- К использованию вспомогательного волокна

Эффективный способ исключения «мертвой» зоны на ближнем конце исследуемой линии- применение вспомогательного волокна. Вспомогательное волокно используется не только для исключения «мертвой» зоны на ближнем конце при исследовании состояния волокон, но и для оценки характеристик соединителей оконечных устройств волокон на смонтированном участке оптической линии, и, иногда, для снижения погрешности измерения расстояний. Вспомогательное волокно включается между рефлектометром и исследуемой линией. Его длина должна превышать максимальную ширину «мертвой» зоны приблизительно в два и более раз. Как правило, используют длины по 500..1000 м.

Одной из задачей при измерениях оптическим рефлектометром является снижение погрешности измерения расстояний. Следует подчеркнуть, что, поскольку результаты измерения расстояний используются в расчетах характеристик затухания (коэффициент затухания, затухание отражения, затухания стыков), погрешность определения последних зависит от погрешности определения расстояний.

Рассмотрим подробнее факторы влияющие на погрешность измерения расстояний. Эта погрешность является функцией нестабильности частоты задающего генератора, шага дискретизации, погрешности установки значения группового показателя прелом-

ления сердцевины, а также параметров кабеля. Очевидно, что погрешность оценки расстояния прямо пропорциональна погрешности установки значения группового показателя преломления и измеряемой величине. Длина волокна из-за свободной укладки и скрутки в сердечнике кабеля всегда превышает длину кабеля. А последняя, учитывая реальную прокладку кабеля, запас кабеля на муфтах и т.п., больше длины, отсчитываемой вдоль трассы про­кладки. Естественно, что это также вносит свой вклад в погрешность оценки расстояния до нерегулярности оптической линии.

Основной путь снижения погрешности расхождения отсчитываемых длин - паспортизация участков линии, причем тщательность ведения документации должно соблюдаться на всех стадиях строительства и эксплуатации ВОЛС. На сегодняшний день подавляющее большинство кабельных компаний осуществляют маркировку оптических кабелей по оболочке, с указанием метража. Соответственно, при входном контроле, длины оптических волокон измеряются рефлектометром, а строительная длина кабеля определяется как разность меток на концах кабеля на барабане. Аналогично эти длины уточняются после прокладки кабеля. При этом осуществляется отсчет расстояния вдоль трассы и привязка трассы к местности. По окончании монтажа регенерационного участка линии все эти данные заносятся в паспорт уча­стка и увязываются с характеристикой обратного рассеивания. Некоторые оптические рефлектометры позволяют данные по при­вязке трассы заносить в память рефлектометра и обрабатывать их на рефлектограмме.

Сервисные функции оптических рефлектометров. Оптические рефлектометры- типичные современные автоматизированные средства измерений, которые обеспечивают не только собственно измерения, но и обработку, запись хранение и анализ данных, совместимость со стандартными интерфейсами ин­формационных сетей, ряд прочих сервисных функций.

Рефлектометры имеют удобный пользовательский интерфейс. Причем, современные приборы, как правило, предусматривают работу в общепринятой среде программирования (DOS, WINDOWS).

Обычно предусматривается работа в двух режимах - режим пользователя (автоматический ) и режим эксперта ( профессиональный). В режиме пользователя работа рефлектометра осуществляется под управлением заранее записанных макропрограмм. Этот режим применяется для выполнения многократно повторяющихся стандартных измерений. Измерения 'ручным' способом,

а также все установки программирования с помощью макрокоманд для режима пользователя, выполняется в режиме эксперта. Этот режим применяется для нестандартных измерений, измерений в условиях, которые не столь часто повторяются, для поиска мест повреждений и т.п. А так же для подготовки программ работы в режиме пользователя.

Возможности микропрограммирования позволяют обеспечить стандартизацию измерений и документирования. Рефлектометры, как правило, предусматривают несколько форм представления данных в виде графика-характеристики обратного рассеяния, в виде таблицы результатов измерений, иногда данных установок измерений, рефлектограмм как рисунков (в последнем случае обработка и анализ данных невыполнимы).

Оптические рефлектометры являются весьма гибкой системой, которую можно наращивать по мере необходимости. Как уже отмечалось, рефлектометр представляет из себя базовый блок, в который включаются сменные блоки, определяющие оптические характеристики рефлектометра. Путем выбора сменного блока рефлектометр легко адаптируется к условиям измерений и обеспечивает необходимые параметры: динамический диапазон, разрешающую способность, мертвую зону, типы оптического выхода и т.п. Кроме того, как правило, на каждом сменном блоке возможна замена выходного оптического разъема на требуемый тип.

Рефлектометр обычно имеет внутреннюю память, карту памяти РС, встроенный дисковод для записи, хранения и обработки данных измерений, программ пользователя, выполненных в режиме микропрограммирования, установок и программного обеспечения фирмы-разработчика.

К рефлектометру могут быть подключены внешние устройства: монитор, принтер, клавиатура, мышь. Нередко рефлектометры имеют встроенный принтер. Рефлектометр имеет стандартные выходы на сеть: LAN, КОП и т.п.

Фирмы- разработчики поставляют также программное обеспечение для 1ВМ совместимых компьютеров, выполняющее функции виртуального рефлектометра. Это позволяет при измерениях на сети управлять удаленным рефлектометром с персонального компьютера. Кроме того, программное обеспечение позволяет на персональном компьютере проводить полностью тот же анализ данных измерений, что и на рефлектометре. И что весьма важно, эта работа может выполняться автономно. Можно выполнять полный анализ измеренных характеристик, легко изменять масштаб, выделять области аппроксимации (расставлять

маркеры) и аппроксимировать характеристику прямыми, оценивать параметры линии передачи и ее нерегулярностей. Можно осуществлять совместную обработку нескольких характеристик. Например, характеристик одной и той же линии, измеренных в разное время. Или характеристик разных волокон одной строительной длины. В режиме сравнения можно наблюдать и анализировать сразу несколько характеристик, а также отличия - разность двух характеристик. Возможна также обработка характеристик одного волокна, измеренных в двух направлениях. Сопоставление этих характеристик и расчет результирующих потерь. Все это значительно повышает эффективность применения оп­тических рефлектометров при строительстве и эксплуатации ВОЛС. В ОР автоматически поддерживаются текущие время и длина. Имеется широкая возможность комментировать данные с указанием направлений, кабелей, волокон и т.п. Возможны также запись привязок нерегулярностей к трассе и отображение их на рефлектограмме.

Здесь перечислены основные, но далеко не все сервисные возможности оптических рефлектометров. При этом, естественно, рефлектометры и программное обеспечение к ним различных фирм имеют свои особенности, свой пользовательский интерфейс и т.п.

В табл. 10.3 приведены основные характеристики рефлектометров фирм-производителей наиболее широко представленных в России.

10.3 Методы измерения полосы пропускания и дисперсии

Наряду с затуханием, важнейшим параметром волоконно-оптических линий передачи является дисперсия, которая ограничивает полосу пропускания РР и, соответственно, пропускную способность, скорость передачи информации по волокну. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Проявляется она как уширение- увеличение длительности входного импульса. Абсолютная величина уширения определяется соотношением

(10.29)

где t_вых и t_вх - длительности импульсов на выходе и входе ВОЛС определенные на уровне половины амплитуды импульсов.

Рис. 10.23 График зависимости уровня мощности оптического сигнала на выходе ОВ от частоты модуляции.

10.3.1 Измерение межмодовой дисперсии.

Межмодовая дисперсия обычно определяется наименьшим значением частоты, при котором амплитудно- частотная характеристика спадает на ЗдБ (рис. 10.21) и в общем случае ее измерение сводится к измерению полосы частот волокна на различных длинах волн. Для измерения полосы пропускания используются два основных метода [26]: частотный и импульсный. Частотный метод предполагает определение полосы пропускания ОК по амплитудно-частотной модуляционной характеристике (АЧМХ). Структурная схема измерения АЧМХ приведена на рис. 10.22.

Рис 10.24 Структурная схема измерения амплитудно-частотной модуляционной характеристики

ГИС - генератор испытательных сигналов; СМ - смеситель мод;

ИОМ - измеритель оптической мощности; Ф - фильтр мод.

В схеме измерений применяются генератор испытательных сигналов, на выходе которого формируется оптический сигнал с гармонической модуляцией интенсивности в полосе частот заведомо превышающей полосу пропускания ОК. Все остальные блоки структурной схемы рис. 10.24 (в том числе: оптоэлектронный преобразователь и измеритель оптической мощности) должны иметь полосу пропускания не уже чем Длина волны и ширина спектра вводимого в ОК излучения должны соответствовать требованиям ТУ на измеряемый кабель.

Коэффициент широкополосности определяется по формуле (МГцЧкм),

(10.30)

где у - эмпирический коэффициент, установленный ТУ.

Выбирается в пределах 0,5< у <1,0.

При импульсном методе полосу пропускания определяют путем последовательной регистрации импульса оптического излучения на выходе измеряемого кабеля и импульса на выходе его короткого отрезка, полученного при обрыве кабеля в начале. Формулу последнего импульса принимают за формулу импульса на входе кабеля. Далее, используя известные соотношения теории линейных цепей, вычисляют амплитудные спектры импульсов и АЧМХ измеряемого кабеля, а по ней определяют полосу пропускания.

Если импульсы на входе и выходе измеряемого кабеля имеют гауссовскую форму, то полоса пропускания может быть F_L МГц по формуле

(10.31)

где 1_вх, 1_вых - определяемые по уровню 0,5 длительности импульсов на входе и выходе кабеля соответственно, нс.

10.3.2 Измерение хроматической дисперсии.

Для одномодовых кабелей нормируется хроматическая дисперсия. В паспортных данных указывается коэффициент хроматической дисперсии, который определяется как уширение оптического импульса на 1,0 км ОВ, отнесенное к полосе длин волн источника излучения.

Для измерения хроматической дисперсии одномодовых кабелей используется метод временной задержки (метод амплитудной модуляции) и фазовый метод. Оба метода удовлетворяют требованиям точности и воспроизводимости результатов и одобрены МККТТ. Однако метод временной задержки реализовать сложнее, поскольку из-за того, что значения коэффициента хроматической дисперсии кабелей связи менее 1,5 пс/(нмЧкм), он требует применения чрезвычайно быстродействующих устройств и подходит только для измерения сравнительно больших значений хроматической дисперсии.

Фазовый метод основан на измерении фазового сдвига сигнала, модулированного по интенсивности излучения, которым зондируют ОВ кабеля на различных длинах волн. Известно два спо-

соба реализации фазового метода измерения хроматической дис­персии: метод сдвига фаз и метод дифференциального сдвига фаз. Оба способа предполагают использование перестраиваемого по частоте источника оптического излучения. На практике наибольшее распространение получил первый метод, поскольку второй требует наличия дополнительного эталонного волокна. Частота модуляции интенсивности обычно фиксирована и лежит в пределах 30...100 МГц. Измерение зависимости фазового сдвига <р(Л) между сигналами от длины волны Л позволяет найти зависимость временной задержки сигнала г(Л)

(10.32)

и ее производную - хроматическую дисперсию:

(10.33)

В паспортных данных на волокно приводятся значения дисперсии О_л пс/(нм.км) и коэффициент наклона кривой дисперсии 5₀ пс/(нм².км) для центральной длины волны

Для оценки дисперсии на соседних длинах волн обычно используют выражение.

(10.34)

В качестве источника с перестраиваемой длиной волны излучения могут служить: рамановский лазер с широким спектром излучения и перестраиваемым узкополосным оптическим фильтром на его выходе, лазер с перестраиваемой частотой или набор из нескольких лазеров с фиксированными дискретными длинами волн. Последний вариант наиболее часто применяется в установках и приборах для измерения хроматической дисперсии.

В настоящее время номенклатура серийно производимых измерителей хроматической дисперсии весьма ограничена. Фирма Hewlett Packard выпускает прибор для измерения хроматической дисперсии НР86037А. В основу его работы заложен метод сдвига или модуляции фаз. С помощью НР86037А можно измерять дисперсию во втором (1300 нм) и третьем (1550 нм) окнах прозрачности. Коэффициент дисперсии определяется кривой зависимости отображающейся на дисплее прибора. Точность определения Э составляет 0,1 с.

Измеритель хроматической дисперсии одномодовых световодов ИД-2-1 выпускается в Минске, в Институте информационных

технологий. Этот прибор также основан на методе сдвига фаз, в качестве излучателя с переменной длиной волны в нем использу­ется шесть полупроводниковых лазеров с различными длинами волн в диапазоне 1200...1600 нм. Управление работой прибора и обработка результатов осуществляется с помощью персонально­го компьютера. Прибор имеет следующие характеристики: диапа­зон длин волн 1200-1600 нм, допустимое затухание в волокне 20 дБ, погрешность измерений хроматической дисперсии 0,1 пс нм.км, погрешность измерения длины волны нулевой дисперсии <1 нм.

10.4 ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Важным классом измерительного оборудования являются при­боры для измерений длины волны и ширины спектральной линии оптического излучения - анализаторы спектра оптического излуче­ния. Известны методы анализа оптического спектра, основанные на оптической фильтрации, и интерферометрические методы, ис­пользующие гомодинный и гетеродинный приемы. Методы опти­ческой фильтрации используются для узкополосного спектрально­го анализа. В тех случаях, когда их разрешения недостаточно при­меняют гомодинный и гетеродинный методы измерения спектра.

Принцип действия анализаторов спектра на основе оптичес­кого фильтра основан на пространственном разделении входно­го излучения на спектральные составляющие, в результате изме­рения мощности которых строится спектральная характеристи­ка. Совокупность элементов оптической системы, служащей для разделения входного сигнала на спектральные составляющие называют монохроматором. Монохроматор с фотоприемным ус­тройством, служащим для измерения мощности спектральной составляющей, называют спектрометром. В качестве оптическо­го фильтра может быть использован интерферометр Фабри - Перо или дифракционные решетки. Принцип работы последних в ана­лизаторе спектра поясняет рис. 10.23.

Рис 10.25 Принцип работы дифракционной решетки

Известны автокорреляционные методы анализа спектра, основанные на преобразовании Фурье автокорреляционной функции входного сигнала. Они реализуются на интерферометре Майкельсона, включающего два оптических резонатора - один фик­сированной длины с неподвижным зеркалом, - другой варьируемой длины с зеркалом, которое может перемещаться. Свет с входа через светоделитель поступает в резонаторы. За счет разницы длин резонаторов на выходе интерферометра получают две копии входного сигнала с временной задержкой относительно друг друга. В результате их взаимодействия формируется сигнал являющийся автокорреляционной функцией входного излучения. Этот сигнал называют интерферограммой. Данный метод в отличие от других позволяет осуществлять прямые измерения длины волны когерентного излучения с высокой точностью.

Для определения ширины спектральной линии оптического излучения когерентных источников необходимо применение методов измерения спектральных характеристик с высоким разрешением, к которым, как было отмечено выше, относятся интер- ферометрические методы.

Известны гетеродинный, автогетеродинный и автогомодинный методы, метод когернтного дискриминатора. Результаты сравнения данных методов измерения приведены в табл. 10.3

Мировой лидер по производству оптических анализаторов спектра излучения - компания Hewlett Packard. Она выпускает несколько типов таких приборов: НР86140А (стационарный), НР86143А (портативный), высокоточные НР86142А (стационарный) и НР86145А (портативный). Оптический спектральный анализатор OSP-102A фирмы Wavetek Wandel&Goltermann имеет встроенный оптический аттенюатор. Кроме того, аппаратуру аналогичного назначения производят также фирмы ANDO, Anritsu, отечествен-

ное предприятие FOD. Основные характеристики приборов представлены в табл. 10.4.

10.4 ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

10.4.1 Измерение поляризационных модовых потерь

Практически все лазеры, а одномодовые и одночастотные в особенности, излучают световую энергию с высокой степенью поляризации. При распространении в волокне поляризованное излучение может проходить через участки со значительной анизотропией, вызванной как производственными погрешностями (эллипсоидностью и неконцентричностью),так и анизотропией, появляющейся при производстве ОК, при его прокладке и т.д. Поэтому на выходе волокна состояние поляризации практически непредсказуемо. При этом возникают дополнительные потери, вызванные поляризацией излучения - поляризационные модовые потери (Polarisation Dependent Loss - PDL). Наиболее распространенными методами измерения PDL. являются метод сканирования поляризации и метод Мюллера. Хотя известны и другие методы. Например, метода матрицы Джонса.

Метод сканирования поляризации. Схема измерений приведена на рис. 10.24. Метод основан на преобразовании поляризованного излучения на выходе лазера в оптическое излучение с произвольной поляризацией, включая все линейные, эллиптические и круговые состояния. Преобразование осуществляется с помощью контроллера поляризации, который состоит из нескольких механически управляемых петель волокна, вращаемых с различной скоростью, что и позволяет получать произвольные состояния поляризации. Процедура измерений определяется используемым контроллером поляризации, а результат измерений рассчитывается по формуле

(10.35)

где Р_тах,Р_тin максимальное и минимальное значения измеряемой на выходе мощности.

Это надежный и точный метод, который предъявляет достаточно высокие требования к измерительному оборудованию. Большое время измерения, ограничивает область его применения из­мерениями только на одной длине волны.

Рис. 10.26 Схема измерения поляризационных модовых потерь

LD - перестраиваемый лазерный источник излучения;

КП - контроллер поляризации; ИОМ - измеритель оптической мощности; ОВ - исследуемое оптическое волокно (оптический компонент)

Метод Мюллера. Метод основан на анализе четырех состояний поляризации, измерении параметров передачи оптической мощности через исследуемый объект только в этих четырех состояниях и последующем расчете PDL на основании полученных результатов измерений. Схема измерений та же, что и для метода сканирования (рис. 10.24). Но здесь контроллер поляризации выполнен на основе волновых пластин. Для получения необходимых состояний поляризации используют четвертьволновую и полуволновую пластины. Кроме того, для обеспечения необходимой ориентации поляризованного сигнала на входе контроллера поляризации устанавливается поляризатор. Измерения выполняются в два этапа. Предварительно, вращая поляризатор, добиваются максимального уровня сигнала на выходе контроллера при максимальном уровне входного сигнала. На первом этапе выполняют измерения оптической мощности на выходе контроллера при четырех определенных состояниях поляризации, задаваемых соответствующими установками пластин контроллера. Вторым этапом между контроллером и измерителем оптической мощности подключается исследуемый объект и выполняются измерения оптической мощности на его выходе при тех же четырех опреде­ленных состояниях поляризации. По результатам измерений коэффициентов передачи для указанных четырех состояний поляризации рассчитывается матрица Мюллера, описывающая характеристики передачи и поляризации исследуемого объекта. Элементы первого ряда матрицы полностью определяют максимальное и минимальное значение коэффициентов передачи исследуемого объекта Т_тax,Т_тin и искомые потери, которые рассчитываются по формуле

(10.36)

Сравнивая рассмотренные выше методы можно отметить следующее. Оба метода для достижения высокой точности измерений данный метод требует соблюдения определенных условий, а именно: обеспечение постоянства входной оптической мощнос­ти; обеспечение создания всех состояний поляризации с контролем их изменений в реальном масштабе времени; обеспечение независимости показаний измерителя мощности от поляризации.

С точки зрения точности измерений они равноценны. Метод Мюллера более сложен, но предъявляет менее жесткие требования к оборудованию и, в частности, к контроллеру. Основное преимущество метода Мюллера сокращении по сравнению с методом сканирования времени измерений, что чрезвычайно важно для проведения независимых от длины волны измерений.

На сегодняшний день прибор для измерения PDL - НРЕ5574А - выпустила на рынок тоже фирма Hewlett Packard. Предусмотрены три модификации аппарата: ОР.013 - для работы на длине волны 1310±20 нм; ОР.015-для 1550±20 нм и ОР.135 - для 1310/ 1550 ±20 нм. В приборе применен лазер с резонатором Фабри- Перо со встроенным изолятором. НРЕ5574А предназначен для измерения PDL. в одномодовом 0В. Его разрешающая способность дисплея 0,001 дБ.

10.4.2 Измерение поляризационной модовой дисперсии

Поляризационная модовая дисперсия (PMD) - это дисперсия, обусловленная разностью скоростей распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне. В идеальном волокне эти моды являются вырожденными, имеют одинаковые скорости распространения и поэтому PMD отсутствует. В реальных оптических волокнах разность в скоростях распространения ортогональных мод имеет место. Она может быть вызвана целым рядом причин, которые в общем случае влияют на такие характеристики волокна как двулучепреломление и взаимодействие или смешение мод. Двойное лучепреломление (или двулучепреломление) обусловлено разницей значений показателей преломления для двух ортого­нальных мод. Чем выше двулучепреломление в волокне, тем больше его PMD. Взаимодействие или смешение мод происходит на нерегулярностях волокна, например в местах соединения волокон или изгибах. При этом, периодические нерегулярности могут приводить к двулучепреломлению. Величина двулучепреломления волокна и степень взаимодействия мод зависят как от

внутренних, так и от внешних факторов. К внутренним факторам относятся асимметричность световедущей жилы волокна (отклонение геометрических размеров световедущей жилы и распределения профиля показателя преломления от кругового), возникающая после вытяжки волокна из-за несовершенства заготовок. К внешним факторам относятся сжатие, изгиб, растяжение, скручивание волокна, возникающие, например, в процессе изготовления кабеля или при его прокладке. Причины вызывающие PMD носят случайный характер. Как следствие и результирующая PMD участка волокна есть величина случайная. В этом принципиальное отличие PMD от хроматической дисперсии, которая является детерминированной величиной. В остальном же влияние PMD на передачу сигналов по оптическому волокну проявляется так же. Поскольку PMD величина случайная, то на длинных отрезках волокна ее значение пропорционально квадратному корню из длины волокна

(10.37)

В настоящее время Международным телекоммуникационным союзом утверждена спецификация на PMD волокна, которая ограничивает PMD значением 0,5 пс/км^1/2, что ограничивает полосу частот до 40 ГГц на 100 км.

Применяемые для измерения РМD методы можно разделить на две группы: временной метод, и волновой (частотный) методы. К волновым методам относятся методы измерения РМD путем сканирования длины волны и анализа методом подсчета эк­стремальных значений оптической мощности(минимальных и максимальных), анализа методом преобразования Фурье, анализа методом параметров Стокса, анализа методом матриц Джонса, а также анализа медодом сферы Пуанкаре. К временным методам относится интерферометрический метод, а также методы измерения по смещению фазы и задержке импульса. Все выше перечисленные методы заключаются в измерении РМD по средней дифференциальной групповой задержке и среднеквадратич­ному отклонению интервалов времени, соответственно, тем или иным способом.

Первой фирмой, начавшей производство оборудования для измерения PMD, является Hewlett Packard она разработала и выпустила на рынок прибор НР8509В. Аппарат с аналогичными функциями - АQ6330 - выпускает фирма ANDO. Работа подобного прибора основана на двух методах - волновом сканировании и анализе матриц Джонса.