Рефлектометрический метод измерения потерь в волокне (метод обратного релеевского рассеяния)

Лекция №3. Измерение параметров оптических волокон.

Сущность рефлектометрического метода измерения характеристик оптических волокон и кабелей заключается в подаче в оптическое волокно импульса оптического излучения и в последующем анализе той малой части световой мощности, которая возвращается на фотоприемник в результате обратного рассеяния и отражения распространяющейся в волокне световой волны. Регистрируемый фотоприемником сигнал обрабатывается, и из него формируется кривая, которая называется рефлектограммой и представляет собой зависимость уровня мощности этого сигнала от времени распространения импульса или длины линии. Таким образом, рефлектограмма обеспечивает возможность получения зависимости коэффициента затухания светового сигнала по всей длине волоконной линии. Здесь - коэффициент преломления световедущей жилы; - скорость света; - координата вдоль волоконной линии общей длиной .

Главным достоинством этого метода являются возможность проведения измерений при доступности оператора только к одному из концов волоконной линии и получение распределения оптических потерь мощности в зависимости от коэффициента затухания в линии по всей длине . Помимо измерения распределения оптических потерь рефлектометрическим методом можно измерять длины оптических волокон и кабелей, коэффициенты отражения и определять места этих потерь в линии. Прежде чем переходить к описанию рефлектометрических измерений рассмотрим кратко основные причины затухания или ослабления сигналов при распространении света в оптическом волокне.

Как уже упоминалось выше, релеевское рассеяние света представляет собой рассеяние на микронеоднородностях, имеющих место в оптическом волокне. Схема релеевского рассеяния показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема релеевского рассеяния

Свет рассеивается на микронеоднородностях (релеевских центрах) во всех направлениях, в том числе и назад. При этом часть света уходит в оболочку и затухает в ней, а часть света попадает в моду волокна и распространяется в обратном направлении, образуя сигнал обратного релеевского рассеяния в волокне. Именно сигнал обратного релеевского рассеяния и используется в современной рефлектометрии для измерения потерь и других характеристик ВОЛС.

Принцип действия волоконно-оптического рефлекторметра показан на рис. 4.2.

Рис.4.2. Принцип действия оптического рефлектометра

В волоконную линию посылаются мощные импульсы оптического излучения (зондирующие импульсы) и по мере их прохождения по волокну записывается мощность и время запаздывания возвращающихся обратно в рефлектометр импульсов. Релеевские центры распределены вдоль волокна однородно и в рассеянных на них волнах содержится вся информация о параметрах линии, влияющих на затухание света. Путем детектирования сигналов обратного релеевского рассеяния можно обнаруживать как отражающие так и не отражающие (поглощающие) неоднородности в волокне, например, потери, распределение потерь в длинных линиях и потери в сростках (сплавных соединениях волокон). Такие измерения нельзя выполнить регистрируя только отражение, а не рассеянное излучение. Величина мощности света рассеиваемого обратно в моду волокна пропорциональна мощности импульса на входе волокна, но вследствие малости коэффициента обратного релеевского рассеяния составляет от нее очень малую часть. В зависимости от длительности мощность рассеянных обратно импульсов на 80÷50дБ меньше мощности импульсов вводимых в волокно. Длительность зондирующих импульсов Т определяет длину отрезка волокна L, которую он занимает в волокне в процессе распространения и которая определяется как пространственное разрешение рефлектометра – минимальная длина отрезка волокна, на которой можем различить две близко расположенные неоднородности , где C – скорость света в воздухе, n – коэффициент преломления волокна.

Волоконно-оптический рефлектометр состоит из 2 основных блоков: оптического блока и блока обработки сигналов. Блок схема рефлектометра показана на рис.4.3.

Оптический блок (или оптическая часть рефлектометра) показан на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Волоконно-оптический рефлектометр (оптическая часть)

Он состоит из набора источников излучения (импульсные лазеры на рис. 8), мультиплексора, волоконно-оптического разветвителя, фотоприемного устройства (фотодиод с усилителем). Излучение от источника (того или иного лазера в зависимости от нужной длины волны) вводится в тестируемый кабель через модовый фильтр (катушка с волокном) с помощью волоконно-оптического разъема. В качестве источников в рефлектометре применяются лазерные диоды, генерирующие импульсы мощности от 10 мВт до 1 Вт и длительностью от 2 нс до 20 мкс с частотой повторения в несколько килогерц.. Эти импульсы через оптический разветвитель и оптический разъем попадают в исследуемое волокно или кабель. Импульсы обратно рассеянного в волокне излучения возвращаются оптический модуль и через разветвитель подаются на фотоприемник, где они и преобразуются в электрический сигнал. Электрический сигнал усиливается и обрабатывается в блоке обработки сигнала (базовом электронном блоке) и отражается на дисплее в виде рефлектограммы. Такое представление информации позволяет анализировать ее как визуально по рефлектограмме, так и с помощью встроенных программных алгоритмов.

Так как мощность обратно рассеянных импульсов мала, то для повышения отношения сигнал/шум на рефлектограмме применяется многократное усреднение результатов измерений. Следует отметить, что, так как время прохождения импульсов по линии мало (ВОЛС длиной 100 км свет проходит за 1 мсек), то для усреднения достаточно всего нескольких секунд. Обычно типичная рефлектограмма содержит около 32000 точек, и при вычислении каждой точки усредняется несколько тысяч импульсов. Весь этот массив данных современный рефлектометр способен обрабатывать за доли секунды. Первая измеренная рефлектограмма сразу же выводится на дисплей рефлектометра и далее по мере усреднения рефлектограммы, шумы в которых уменьшаются по мере роста времени усреднения. Блок обработки сигнала рефлектометра содержит два быстродействующих микропроцессора. Первый, быстродействующий процессор RISC) обеспечивает возможность усреднения до 50 миллионов точек в секунду, а второй микропроцессор Intel, обеспечивает работу интерфейсной части программы, вывод данных на дисплей, автопоиск дефектов в линии. Этот микропроцессор (Intel) обеспечивает также совместимость с персональными компьютерами, что позволяет применять не только стандартное программное обеспечение, но и стандартное компьютерное оборудование (клавиатура, мышь, принтер, факс/модем, жесткий диск в стандарте PCMCIA). Такой рефлектометр может использоваться и как измерительный прибор и как персональный компьютер, представляющий достаточно широкие возможности для обработки информации, в частности, для выделения в увеличенном виде частей рефлектограмм, создания полного списка неоднородностей и погонного затухания в линии, оформления отчетов о результатах измерений и т.д.

На рис. 4.5 приведена типичная рефлектограмма волоконно-оптической линии длиной 20 км.

Рис. 4.5. Типичная рефлектограмма волоконно-оптической линии.

По вертикальной оси в логарифмическом масштабе откладывается мощность вернувшихся в рефлектометр импульсов, а по горизонтальной оси расстояние до места отражения.

Величина потерь вычисляется в этом случае по формуле:

a(z) = 5 lg (P₀/P_z) – 5 lg(S₀/S_z) (4.1),

где P₀ и P_z – мощности импульса в начале и в конце волокна длиной (z), S₀ и Sz – коэффициенты рассеяния в начале и в конце волокна. Коэффициент перед логарифмами равен 5, а не 10 (как в уравнении 1.4) поскольку импульс проходит двойное расстояние: от начала к концу и затем возвращается назад к началу волокна.

Если коэффициент рассеяния постоянен вдоль всего волокна (линии), т.е. S_z=S₀, то второе слагаемое обращается в ноль, и показания рефлектометра будут прямо пропорциональны величине потерь в волокне (линии). Вариации коэффициента рассеяния возникают, в основном, из-за вариаций диаметра модового пятна, что приводит к появлению систематической погрешности, пропорциональной величине изменения диаметра модового пятна (Dw/w). Эту систематическую погрешность можно устранить, если измерить рефлектограммы с обеих сторон волокна (линии), тогда полусумма рефлектограмм будет показывать изменение коэффициента рассеяния, а полуразность рефлектограмм – изменение величины потерь.

Следует отметить, что рефлектометры используются не только для измерения потерь в волокнах, оптических кабелях и линиях связи, но и для измерения расстояний до неоднородностей волокне (дефектов сварки, трещины в волокне и т.д.), которые после обнаружения можно устранять.

Погрешность измерений возникает за счет:

- инструментальных ошибок, связанных с неточность измерения начала и конца волокна, с ошибками в калибровке горизонтальной шкалы;

- методических ошибок, возникающих из-за того, что неоднородности на рефлектограмме получаются разными для отражающей и не отражающей неоднородности;

- ошибок оператора и т.д.

4.2. Измерение потерь с помощью мультиметров.

Схема измерения потерь в волокне с помощью мультиметров показана на

рис. 4.6.

В начале, оператор, соединив вход и выход мультиметра оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъем шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет через розетку к началу волокна (линии), а выходной конец волокна подсоединяет к фотоприемному блоку второго мультиметра. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков, полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле:

a (дБ) = опорный сигнал в дБм – сигнал в дБм (4.2),

где дБм – мощность оптического излучения (Р), соотнесенная с 1 мВт, т.е.

a = 10 lg (P/1 мВт) (4.3).

При такой системе измерений погрешность возникает в основном по следующим причинам:

· нестабильность источника излучения,

· нелинейность шкалы мультиметра,

· разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах волокна (линии),

· отклонение величины потерь в разъемах от их номинального значения.

Дата добавления: 2014-01-20