Временной когерентный симметричный рефлектометр

Выводы по главе

Краткий обзор современных НРС показал, что противоречие между динамическим диапазоном и пространственным разрешением в рефлектометрических системах временной области (OTDR) в настоящее время решается с помощью использования специальных методов зондирования (псевдослучайные последовательности импульсов, кодированные последовательности по Голею, слабо коррелированные источники излучения) и приема (метод счета фотонов). С развитием источников излучения с высокой когерентностью и методов перестройки их частоты в широких пределах (перестраиваемые лазерные диоды, волоконные лазеры, широкополосные электро- и акустооптические модуляторы) появилась возможность использования OTDR с когерентным приемом (OTDR-CR). Кроме того, получили дальнейшее развитие методы оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR), в которых динамический диапазон не зависит от пространственного разрешения. В частности следует выделить OFDR со сканированием частоты (OFDR-SF) и с синтезированной функцией когерентности (OFDR-SCF).

Системы, реализующие OTDR-CR и OFDR-SCF, используют в своем составе акустооптические и электрооптические модуляторы. Цель их применения заключается в обеспечении необходимого сдвига частоты лазерного излучения и изменении его фазы. В обоих случаях представляется не оптимальным как структурное использование модуляторов, так и метод преобразования частотных и фазовых параметров излучения. В первом случае для генерации зондирующих импульсов, сдвинутых по частоте, применяется акустооптический модулятор. Хотя, более широкополосные электрооптические модуляторы (ЭМ) позволили бы получать более короткие импульсы. Кроме того, в составе ЭМ используются поляризаторы излучения, которые позволили бы обеспечить выполнение поляризационных требований в данной системе. Во втором случае используются два устройства – акустооптический дефлектор и фазовый электрооптический модулятор. При этом не учитывается возможность использования амплитудно-фазовых способов модуляции в одном электрооптическом модуляторе, которые позволяют одновременно и синхронно воздействовать как на частотные, так и на фазовые параметры лазерного излучения, что является необходимым требованием при синтезе функций когерентности.

Амплитудно-фазовые способы преобразования оптического излучения приводят, как правило, к формированию симметричного выходного излучения с подавленной частотой опорного излучения. Рассмотрим основы построения рефлектометрических систем с симметричным зондирующим излучением в следующей главе.

ГЛАВА 3

СИММЕТРИЧНЫЕ системы РЭЛЕЕВСКОЙ рефлектометриИ

Устройства формирования двухчастотного лазерного излучения (УФДЛИ) позволяют формировать как несимметричное, так и симметричное выходное излучение. При этом в последнем случае сдвинутые по частоте составляющие расположены симметрично относительно частоты исходного опорного излучения, которое подавлено.

Совокупный анализ характеристик НРС и симметричных УФДЛИ позволил предложить новый класс рефлектометрических систем – симметричных (СРС), обладающих улучшенными метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями по сравнению с НРС.

СРС строятся на основе:

· НРС на основе двухчастотных и двухмодовых лазеров, характерными чертами которых являются высокая точность измерений, простые оптические схемы, простое выполнение жестких требований гетеродинирования (отсутствие пространственного разнесения спектральных компонент и их одинаковая поляризация) с возможностью, при необходимости, разделения спектральных компонент с помощью фильтров, что существенно для ряда применений;

· НРС на основе волоконных электрооптических УФДЛИ, характерными чертами которых являются возможность получения высокой чувствительности измерений, оптимальных разностных частот для переноса спектра информационного сигнала в область минимальных шумов, пространственного разрешения за счет использования ЛЧМ, вводимой в процессе сдвига частоты, простой реализации электронного опорного канала для обработки сигналов.

Рассмотрим вопросы эффективности применения двухчастотного зондирующего излучения для мониторинга ВС на примере временного рефлектометра с когерентным приемом, частотного некогерентного рефлектометра с ЛЧМ сканированием частоты, частотного рефлектометра с формированием требуемой функции когерентности [17].

Местные потери в области микроизгибов ВС обычно детектируются с помощью метода рефлектометрии во временной области. Они могут выразиться либо в увеличении коэффициента отражения, либо, что более вероятно в локализованном снижении уровня рэлеевского сигнала обратного рассеяния оптического временного рефлектометра. Современные временные рефлектометры, построенные на основе метода счета фотонов, позволяют регистрировать сигнал с пространственным разрешением в несколько сантиметров на расстоянии до нескольких километров, но они очень дороги и малофункциональны с точки зрения протяженных ВС.

Альтернативой методу временной рефлектометрии служит метод детектирования прямого сигнала и метод рефлектометрии в частотной области. Для простых систем первого класса выходной сигнал ВС постоянно измеряется с помощью фотодетектора. Любое изменение микроизгибных потерь в любом месте ВС приводит к уменьшению уровня сигнала на входе детектора. Хотя данный метод дешев и прост, он не позволяет локализовать зону микроизгибных потерь, и характеризуется высоким уровнем ложной тревоги, поскольку любое изменение интенсивности лазерного источника или условий его согласования с ВС приводят к аналогичным изменениям уровня сигнала.

В симметричной системе временного рефлектометра частотный режим реализуется внутри импульса зондирования с разносом двух частотных составляющих на величину W, равную нескольким десяткам или сотням МГц, которая будет определять центральную частоту избирательного усилителя промежуточной частоты. Таким об­разом, осуществляются измерения с переносом спектра сигнала обратного рассеяния в область с минимальным уровнем шумов фотоприемника.

На рис.3.1 представлена структурная схема временного рефлектометра с когерентным приемом. Оптическое излучение с угловой частотой делится на две части в оптическом разветвителе ОР 1. Одна его часть сдвигается по частоте в УФДЛИ и полученные зондирующие колебания через ОР 2 поступают в тестируемый ВС. Обратно рассеянное излучение складывается в ОР 3 с сигналом лазера. На фотоприемник поступают оптический сигнал с мощностью лазера и обратно рассеянный сигнал с мощностями .

Обеспечив одинаковую поляризацию лазерного и обратно-рассеянного сигнала итоговое электрическое поле фотоприемника можно записать как

, (3.1)

где - амплитуда излучения лазера, – амплитуда обратно рассеянного сигнала на частотах . Фототок пропорционален квадрату амплитуды электрического поля. Опуская некоторые несущественные для рассмотрения детали, его квадрат можно записать как

Рис.3.1. Структурная схема временного рефлектометра

с УФДЛИ

, (3.2)

где e – заряд электрона, ħ ω– энергия фотона.

Шум фотоприемника в области w представлен в основном дробовым шумом и определяется темновым током фотоприемника i _T, шумом лазера и другими компонентами, которые могут быть определены как эквивалентная шумовая мощность фотоприемника P _ЭШМ. Отношение сигнал шум на выходе фотоприемника при когерентном приеме определяется отношением среднеквадратичного значения сигнала и шума

, (3.3)

и соответствует квантово-механическому пределу чувствительности фотоприемника.

В режиме прямого детектирования (исключаем ОР1 и ОР3) можно записать

, (3.4)

, (3.5)

и при равенстве получим

. (3.6)

Анализ (3.6) при позволяет утверждать, что, несмотря на снижение чувствительности приемника по сравнению с когерентным приемом, получен выигрыш за счет переноса спектра информационного сигнала в область с минимальным уровнем шумов по сравнению с прямым детектированием, поскольку практически реализуется режим автогетеро-динирования.

Необходимо отметить, что полученные соотношения справедливы лишь в случае параллельных поляризации лазера и обратнорассеянного излучений. В противном случае сигнал значительно снижается, что приводит к увеличению погрешности измерений. Данная проблема присуща лишь первому случаю. Во втором случае (автогетеродинирование) она решается автоматически – обе излучаемые составляющие имеют одинаковую поляризацию. Для решения указанной проблемы в первом случае возможна декомпозиция сигналов по скрещенным поляризациям и их отдельное детектирование и преобразование. Однако это усложняет схемотехническую реализацию метода. Необходимо также обратить внимание, что пространственное разрешение метода определяется длительностью импульса, т.е. шириной спектральной характеристики УФДЛИ и его возможностью генерировать очень короткие импульсы.

Дата добавления: 2015-04-30