Основы измерений оптическим рефлектометром MW9060A
реклама
ПРЕДИСЛОВИЕ Усилиями АО "РОСТЕЛЕКОМ" Россия продолжает включаться в мировое телекоммуникационное пространство. Проекты, реализуемые Министерством связи Российской Федерации и АО "РОСТЕЛЕКОМ" позволят продолжить создание сети связи, которая в конечном итоге, замкнет кольцо вокруг земного шара и свяжет абонентов России со всем миром. Указанные проекты наряду со строительством Международных центров коммутации, станций спутниковой связи, цифровых радиорелейных линий связи предусматривают и строительство волоконно-оптических линий связи. Особенности волоконно-оптических линий связи вызывают ряд проблем, затрудняющих их строительство и эксплуатацию. Это ускоренное старение оптических волокон из-за усталостного разрушения вследствие нарушений технологии строительства. Значительные потери при простоях связи из-за большого времени воссстановления оптических кабелей при значительных объемах передаваемой информации. Эти факторы определили потребность в высоком уровне организации управления качеством строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи. В основе управления качеством любого объекта лежит контроль его параметров. Основным средством измерений для волоконно-оптических линий, на котором базируется контроль их состояния, является оптический рефлектометр обратного рассеяния. Этот прибор - достижение новейших технологий, требует от технического персонала, участвующего в работах по строительству, осуществляющего ввод в эксплуатацию и собственно эксплуатацию оптических линии связи, помимо практических навыков, достаточно глубоких теоретических знаний. В частности принципов реализации метода обратного рассеяния и алгоритмов обработки характеристики обратного рассеяния. Только это может позволить грамотно выбирать условия зондирования, режимы измерений. Строительство волоконно-оптических линий ведется с участием ряда зарубежных фирм. В частности известного производителя волоконно-оптического кабеля , систем передачи и коммутационной техники фирмы АГ "Сименс" . В рамках реализации указанных выше проектов эта фирма обеспечила предприятия АО РОСТЕЛЕКОМА", строительные организации, участвующие в проектах, рефлектометрами фирмы Anritsu типа MW9060A. Объемы и срока введения в эксплуатацию участков волоконно-оптических линий, объемы строительства их в рамках реализуемых проектов вызывают необходимость обучения, переподготовки широкого круга специалистов, участвующих в строительстве, осуществляющих технадзор, эксплуатацию оптических линий связи, для работы с оптическим рефлектометром MW9060A, их качественного обслуживания и грамотного использования. Для решения этой задачи й было подготовлено настоящее учебное пособие. 1 ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛС МЕТОДОМ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ. 1.1 Назначение и область применения. Метод обратного рассеяния предназначен для: - контроля 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 регенерационного участка (РУ), на стыках ОВ; - измерения коэффициента затухания ОВ; - измерения расстояний до мест соединений ОВ и оценки качества стыков; - измерения характеристики обратного рассеяния ОВ и привязки ее к трассе прокладки ОК при паспортизации РУ ВОЛС. Этот метод позволяет: - измерять затухание оптических сигналов на отдельных участках линии; - измерять коэффициент затухания ОВ; - измерять затухание всей исследуемой длины ОВ; - измерять затухание сварных стыков ОВ и механических сростков; - измерять потери оптической мощности за счет отражения нa неоднородности; - выявлять неоднородности, осуществлять их автоматический поиск и определять расстояние до их места расположения. Метод применяется на всех этапах строительства и эксплуации ВОЛС. В частности, при входном контроле строительных длин ОК, в процессе монтажа муфт ОК, при приемо-сдаточных измерениях и паспортизации РУ, для непрерывною контроля состояния ОВ в процессе эксплуатации ВОЛС, при выполнении аварийных измерений, для поиска мест повреждений ОК и т.п. Метод обратного рассеяния реализуется в оптических рефлектометрах обратного рассеяния OTDR (Optical Time Domain Reflectometer),- и определителях места обрыва ОВ - FF (Fault Finder). Эти приборы являются основными средствами измерений при строительстве и эксплуатации ВОЛС. 1.2 Структурная схема оптического рефлектометра обратного рассеяния и принципы его работы. При распространении по ОВ оптических импульсов из-за флюктуаций показателя преломления сердцевины вдоль волокна возникает обратно рассеянный поток (Рис. 1.1). Это явление, получившее название обратного Релеевского рассеяния, лежит в основе рассматриваемого метода измерений характеристик ОВ, который соответственно и называют методом обратного Релеевского рассеяния. Рис. 1.1 Формирование потока обратного рассеяния. Мощность обратно рассеянного оптического потока, измеренная в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно с некоторой задержкой t относительно момента посылки зондирующего импульса, пропорциональна мощности обратно рассеянной в точке кабеля, расположенной на расстоянии от места измерения равном где V-групповая скорость распространения оптического импульса, которую можно полагать равной Здесь с - скорость света; n - показатель преломления сердцевины ОВ. Соответственно при измерении с конца кабеля зависимости мощности обратно рассеянного потока от времени регистрируется распределение мощности обратно рассеянного оптического потока вдоль кабеля - характеристика обратного рассеяния волокна. По этой характеристике можно определять потери оптической мощности на отдельных участках ОВ, фиксировать местоположение и определять характер неоднородностей. Значение обратно- рассеянной мощности в некоторой точке ОВ есть величина случайная. При выполнении измерений регистрируют отдельные реализации характеристики обратного рассеяния, многократно посылая зондирующий импульс. Как правило запоминают их, усредняют, а затем уже усредненную характеристику выводят на устройство отображения. Искомые величины определяют в результате обработки характеристики обратного рассеяния. Для реализации данного метода разработаны специальные приборы -оптические рефлектометры (OTDR). Они получили широкое распространение благодаря своей универсальности, так как обеспечивают одновременное определение целого ряда важнейших параметров: степени регулярности кабеля, мест неоднородностей и повреждений, потерь в местах соединений, затухания и др. Упрощенная структурная схема выполнения измерений методом обратного рассеяния приведена на рис. 1.2. Рис.1.2 Структурная схема оптического рефлектометра Здесь 1 - генератор импульсов (ГИ); 2 - модулируемый источник излучения (ИИ); 3 - направленный оптический ответвитель (НО); 4 - исследуемое ОВ; 5 - фотоприемное устройство(ФП); 6 -блок обработки сигнала обратного рассеяния (БП); 7 – устройство отображения (УО), в качестве которого используют электронно-лучевые трубки. Жидкокристаллические дисплеи и т.п.; 8 – блок управления (БУ). Вырабатываемые ГИ импульсы преобразуются с помощью НИ в зондирующие оптические импульсы, которые поступают от НИ через НО в ОВ. Поток обратного рассеяния регистрируется в чувствительном фотоприемном устройстве (ФП) и преобразуется в электрический сигнал, который после специальной обработки подается в канал вертикального отклонения УО, вызывая соответствующие изменения характеристики по вертикальной оси Y. Вертикальная ось градуируется в дБм. 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. Зная групповую скорость распространения оптического сигнала в сердцевине ОВ- V, можно осуществить градуировку горизонтальной оси в единицах длины измеряемого типа ОВ. БУ обеспечивает согласованную работу ИИ и УО. В результате генератор развертки, запускаемый тем же импульсом, что и ИИ, создает возможность наблюдения характеристики обратного рассеяния или полностью, или по частям. БУ обеспечивает регистрацию и занесение в память реализаций зависимостей от времени мощности обратного рассеяния и их усреднение. На УО либо последовательно выводятся регистрируемые реализации характеристики обратного рассеяния, либо, после заданного числа усреднений (времени усреднения), усредненная характеристика. БУ осуществляет управление работой рефлектометра по заданной программе, обработку данных, а также ряд сервисных функций. Типичный комплект оптического рефлектометра включает базовый блок, в котором осуществляется регистрация, обработка, хранение и отображение характеристики обратного рассеяния, и набор сменных блоков, каждый из которых работает на определенной длине волны и отличается разрешающей способностью по затуханию, по длине, динамическим диапазоном. Оптический рефлектометр как правило имеет выход на канал общего пользования, совместим с ПЭВМ типа IBM-PC, имеет возможность подключения периферийных устройств. 1.3 Идентификация характеристики обратного рассеяния. Одной из основных операций при работе с оптическим рефлектометром является идентификация характеристики обратного рассеяния оптического волокна. На рис. 1.3 представлен типичный вид характеристики обратного рассеяния оптического волокна (рефлектограммы), отображаемой на экране оптического рефлектометра. Рис. 1.3 Характеристика обратного рассеяния участка оптической линии. 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, на которых именения уровня обратного потока оптической мощности обусловлены потерями мощности обратнорассеянного потока в оптическом волокне за счет поглощения и Релеевского рассеяния; 3 - потери мощности обратнорассеянного потока на локальном дефекте типа сварного соединения оптических волокон; 4 - изменения уровня обратнорассеянной мощности из-за внутренних неоднородностей волокна, обусловленных флюктуациями показателя преломления, конструктивных параметров оптического волокна; 5 - выброс уровня обратного потока оптической мощности за счет отражения и потерь на локальной неоднородности типа механический сросток, микротрещина и т.п.; 6 - выброс уровня обратного потока оптической мощности, обусловленный Френелевским отражением от конца оптического волокна. Рассмотрим подробнее типичные формы характеристики обратного рассеяния волокна на отдельных участках. Рис. 1.4 Рефлектограммы ОВ строительных длин ОК. В случае отсутствия локальных неоднородностей, стыков к т.п., харакеристика обратного рассеяния оптического волокна, измеряемая в пределах динамического диапазона рефлектометра, носит монотонный линейный характер. Угол наклона - прямой к оси абсцисс -характеризует коэффициент затухания волокна. Чем больше угол, тем больше коэффициент затухания. Изменения показателя преломления в значительно большей мере сказываются на обратнорассеянном потоке, чем на распространяющемся в прямом направлении. Поэтому флюктуации показателя преломления сердцевины волокна, его конструктивных параметров приводят к "дрожанию" характеристики. Однако, монотонный характер ее среднего значения сохраняется. Примеры характеристик обратного рассеяния ОВ строительной длины кабеля приведены на рис. 1.4а и 1.4б. Локальные неоднородности, стыки нарушают монотонный характер изменения рефлектограммы. Характерно, что рефлектограмма искажается не только в точке, соответствующей местоположению неоднородности, но и в некоторой зоне около нее . Это обусловлено возбуждением на неоднородностях излучаемых и оболочечных мод ОВ, распространяющихся в обратном направлении, насыщением фотодиода. Поэтому для идентификации участков рефлектограммы при анализе характера неоднородностей масштаб оси абсцисс должен выбираться достаточно крупным, чтобы основную часть экрана занимали неискаженные участки. При вводе оптического излучения в исследуемое оптическое волокно из-за Френелевского отражения на торцах вилочной части разъемного соединителя в начале рефлектограммы имеет выброс, за которым рефлектограмма искажена. Это так называемая "мертвая зона"(рис.1.3). Аналогичный эффект проявляется на всех неоднородностях. Примеры участков характеристики обратного рассеяния, соответствующих концу волокна приведены на рис. 1.5а,б. Для случая Френелевского отражения от торца волокна (рис. 1.5а) и для случая, когда отражение оптического излучения от торца ОВ мало (рис. 1.5б), что имеет место если конец ОВ опущен в иммерсионную абсолютно поглощающую жидкость, если скол волокна выполнен в наклонной плоскости к его оси. Когда работа идет на пределе динамического диапазона рефлектометра и при этом Френелевское отражение слабое, то конец волокна идентифицировать на рефлектограмме крайне сложно, так как рефлектограмма конца ОВ искажена из-за малого отношения сигнал/помеха и изменяется нелинейно. Типичный вид характеристики обратного рассеяния в месте сварного соединения оптических волокон приведен на рис.1.6а,б. Рефлектограмма имеет вид перепада (ступеньки вверх или вниз). Изменения мощности обратно рассеянного потока в месте соединения оптических волокон обусловлены потерями в месте соединения и Френелевскими отражениями за счет разности показателей преломления сердцевин соединяемых волокон, их конструктивных отличий и т. п. Соответственно изменения уровней оптической мощности на сварном соединении ОВ определяются как где - искомые потери на сростке для прямого потока; - изменение на сростке уровня мощности обратного потока рассеяной; p1 - уровень мощности отраженного сигнала на стыке сращиваемых волокон; p0 - уровень мощности обратнорассеяного потока непосредственно перед стыком; p2 - уровень мощности обратнорассеянного потока непосредственно после стыка. Знак перед p0 зависит от соотношения значений числовой апертуры сращиваемых волокон NA1 и NA2 которое в свою очередь зависит от соотношений показателей преломления сердцевин и геометрических характеристик сращиваемых волокон Естественно что при измерениях одного и того же участка ВОЛС с двух концов знак перед p0 меняется на противоположный. Это наглядно демонстрируется на рис. 1.7а,б, где представлены рефлектограммы, измеренные с двух концов участка, составленного из отрезков ОВ, один из характеристикам и показателю преломления сердцевины волокна). При значении которых и рефлектограммы стыков, полученные отличается по с двух концов будут совпадать. При существенном отличии характеристик сращиваемых ОВ, когда , изменения характеристик обратного рассеяния, измеренных с двух сторон линии, совпадут по величине, но будут отличаться по знаку. Во всех случаях выполняются следующие условия: 1. Если при измерении с одного конца линии, место стыка оптических волокон отображается ступенькой вверх, то на характеристике обратного рассеяния, регистрируемой с другого конца волокна, оно всегда отобразится ступенькой вниз. 2. Если на характеристике обратного рассеяния, регистрируемой с одного конца линии, место стыка отображается ступенькой вниз, то на характеристике, регистрируемой с другого конца, оно отображается либо ступенькой вверх, либо вниз. Рассмотрим типичную характеристику обратного рассеяния ОВ на участках с локальными неоднородностями (механические сростки, микротрещины, пузырьки воздуха и т.п.). В первом приближении такая неоднородность может быть рассмотрена как очень короткая по длине вставка, показатель преломления которой значительно меньше показателя преломления сердцевины ОВ. Отраженный импульс будет иметь всегда тот же знак, что и зондирующий, и рефлектограмма измерения с обоих концов будет иметь вид как на рис. 1.8. Величина Аа здесь характеризует затухание на неоднородности. Рис. 1.8 Рефлектограмма участка ОВ с локальной неоднородностью. 1.4 Общие указания по работе с оптическим рефлектометром. Порядок регистрации характеристики обратного рассеяния (рефлектограммы) определяется инструкцией по эксплуатации конкретного средства измерений. Однако ряд положений обязателен для всех типов рефлектометров. При регистрации рефлектограммы важно обеспечить требуемое отношение сигнал/шум на входе фотоприемника и снизить случайную погрешность, связанную с нестабильностью параметров источника излучения, собственными шумами фотодиодов и т.п. Максимальный динамический диапазон рефлектометра и соответственно предельно гладкая характеристика обеспечивается при наибольших значениях длительности зондирующих импульсов и времени усреднения реализаций характеристик обратного рассеяния оптического волокна. Однако с увеличением длительности импульса снижается разрешающая способность. С увеличением времени усреднения возрастает время измерения, снижается ресурс работы источника изучения. Поэтому длительность зондирующего импульса и время усреднения выбираются в зависимости от затухания исследуемого участка ОВ. Выбираются наименьшие из значений этих величин, при которых получают устойчивую, предельно гладкую рефлектограмму исследуемого участка волокна. В цепях обеспечения оптимальных условий регистрации рефлектограмм и проведения измерений важно минимизировать потери и Френелевское отражение при вводе оптического излучения в исследуемое волокно. Поэтому подключению ОВ к рефлектометру необходимо уделять особое внимание. Детали устройств подключения должны содержаться в чистоте и периодически протираться спиртом. Категорически запрещено вводить иммерсионную жидкость в оптический разъем прибора. На смонтированных участках при непосредственном подключении вилочной части оконцованного исследуемого ОВ ввод оптического излучения осуществляется через разъемный соединитель выхода прибора. Розеточная часть соединителя рефлектометра должна быть того же типа, что и вилочная часть оптического соединителя оконечного устройства ВОЛС. Однако, как показывает практика, более целесообразно осуществлять подключение через вспомогательный оптический модуль. К розеточной части рефлектометра подключается вилочная часть соединителя оконцованного с двух сторон оптического модуля, входящего в комплект рефлектометра. Вилочная часть свободного конца этого модуля через соединительную розетку соответствующего типа (юстировочную трубку) соединяется с вилочной частью оконцованного исследуемого оптического волокна. При этом допускается ввод в розетку между торцом стыкуемых вилок иммерционной жидкости (рис. 1.9). Аналогично можно подключать неоконцованные ОВ. В этом случае к розеточной части рефлектометра подключается виточная часть соединителя модуля оконцованного с одной стороны. Другой конец модуля после подготовки (снятие покрытий, скол) соединяют с аналогично подготовленным концом исследуемого ОВ через механический сплайс (сросток) многократного использования -рис. 1.10. 1.5 Алгоритмы обработки характеристики обратного рассеяния. При выполнении измерений методом обратного рассеяния прежде всего необходимо учитывать, что это косвенные измерения. Измерения на ВОЛС выполняются в целях контроля условий распространения потока оптической мощности в прямом направлении. При измерениях методом обратного рассеяния искомые параметры для прямого потока определяют путем обработки полученных в результате прямых измерений уровней мощности обратно-рассеянного потока оптического излучения. Для корректного выполнения измерений и правильной интерпретации их результатов необходимо знать и учитывать принципы обработки данных прямых измерений. При этом важно помнить, что отражения оптического сигнала на неоднородностях в значительно большей степени изменяют характеристики потока, распространяющегося в обратном направлении, по сравнению с потоком, распространяющимся в прямом направлении. Во-первых, на неоднородностях ОВ имеет место перераспределение энергии между модами, возбуждаются распространяющиеся в обратном направлении излучаемые и оболочечные моды. То есть нарушается режим равновесного распределения мод. Это приводит к нелинейным изменениям мощности оптического излучения на прилегающих к неоднородности участках ОВ. Причем эти изменения для потоков, распространяющихся в прямом и обратном направлениях не связаны однозначно. Кроме того, поскольку мощность отраженного сигнала на неоднородности значительно превышает мощность обратно рассеянного потока, при поступлении отраженного сигнала мощность на входе фотоприемного устройства скачком возрастает. Фотодиод насыщается и вследствие инерционности находится в состоянии насыщения некоторое время, в течение которого 'слабые' сигналы обратнорассеянного потока не воспринимаются. Это приводит к возникновению на характеристике так называемой «мертвой» зоны за неоднородностями. Как следствие, характеристика обратного рассеяния на участках, прилегающих к неоднородности, искажена, и использовать эти участки характеристики непосредственно для определения параметров передачи ОВ недопустимо. Здесь необходимо применять специальные алгоритмы обработки результатов измерений временной зависимости уровней мощности обратнорассеянного потока, которые предусматривают следующие операции. Выделение 'неискаженных' участков характеристики, на которых отражениями можно пренебречь. Аппроксимация этих участков и на основе данной аппроксимации прогноз поведения характеристики на участках с неоднородностями. Расчет искомых параметров по полученной теоретической зависимости. Описываемые алгоритмы обработки характеристики обратного рассеяния основаны на аппроксимации ее «неискаженных» участков линейной зависимостью Параметры аппроксимации определяются либо методом двух точек (2РА), либо методом наименьших квадратов (LSA). Принцип аппроксимации методом двух точек демонстрируется на рис. 1.11. Рис.1.11 Линейная аппроксимация методом двух точек При этом Где - уровни мощности обратнорассеянного потока в выбранных измерителем точках соответственно. Принцип определения параметров аппроксимации методом наименьших квадратов демонстрируется на рис. 1.12. Рис.1.12 Линейная аппроксимация методом наименьших квадратов Как показано на рис.1.12 исследуемый участок рефлектограммы между выбранными точками разбивается на интервал и по рефлектограмме определяются значения (x1,y1) для каждой границы интервалов Параметры аппроксимации a, b получают из условия минимума значения суммы S квадратов отклонений Ai теоретической и экспериментальной кривой. Здесь Условия минимума величины S описывает система уравнений В оптическом рефлектометре имеется возможность выбора способа определения параметров линейной аппроксимации в зависимости от вида рефлектограмм и измеренной характеристики волокна. Рассмотрим подробнее принципы измерения отдельных характеристик ВОЛС методом обратного рассеяния. Измерение коэффициента затухания оптических волокон. Принцип измерения коэффициента затухания по характеристике обратного рассеяния ОВ состоит в следующем. Характеристика обратного рассеяния аппроксимируется линейной зависимостью и коэффициент затухания определяется как абсолютная величина параметра аппроксимации b. В случае аппроксимации по двум точкам на линейном участке характеристики оптического волокна в пределах исследуемой строительной длины кабеля выделяют две точки 1(х) и 2(ж), в которых измеряют уровни мощности обратно рассеянного потока и расстояния от начала линии до этих точек. Затем коэффициент затухания определяется по формуле В случае выбора параметров линейной аппроксимации методом наименьших квадратов коэффициент затухания определяют как где b вычисляется как описано выше по формуле (1.3). Большинство рефлектометров предусматривает режим измерения затухания, при котором измеритель размещает маркеры в двух точках (рис. 1.13). Остальные операции производятся автоматически и на отображающее устройство выводится значение ко-эффициента затухания. Важно, чтобы маркеры не попали на выбросы и провалы флюктуирующей характеристики обратного рассеяния ОВ. В противном случае погрешность может быть велика. Измерение затухания оптического волокна на участке линии. При измерении затухание на участке, расположенном вне "мертвой" зоны два маркера устанавливаются по концам участка. Значение затухания определяется в зависимости от выбора метода линейной аппроксимации. При аппроксимации по двум точкам -разностью Где уровни обратнорасеянной мощности, измеренные в начале и в конце участка (в точках установки маркеров). При аппроксимации методом наименьших квадратов искомое затухание также определяется данной формулой, но в этом случае 1 уровни мощности в точках установки маркеров на аппроксимирующей характеристику прямой. Измеритель выбирает метод линейной аппроксимации и устанавливает маркеры. Все остальные операции производятся автоматически и значение затухания оптической линии на участке между маркерами выводится на отображающее устройство(рис.1.13). Рис.1.13 Рефлектограмма ОВ в режиме измерение затухания Измерение затухания исследуемой длины ОВ с учетом "мертвой" зоны. При измерении затухания всей исследуемой длины ОВ основная трудность заключается в оценке его значения на начальном участке, где имеет место "мертвая" зона. По рефлектограмме можно оценить результирующие потери в исследуемом оптическом волокне без учета разъемных и неразъемных соединений на начальном участке вблизи точки ввода оптического излучения. Для этого предварительно, как описано выше, измеряют коэффициент затухания волокна первой строительной длины исследуемой линии Затем измеряют потери между точкой 1, расположенной на линейном участке рефлектограммы первой строительной длины и концом исследуемой линии. Измеряют расстояние до точки 1 от начала линии. После чего оценивают результирующее затухание по формуле Вычисления выполняются автоматически, а результат выводится на экран дисплея. Описанный алгоритм может быть реализован по семимаркерной схеме. Пример размещения маркеров на характеристике и принцип обработки данных для этой схемы поясняется на рис.1.14.Маркеры 1,6 отмечают начало и конец линии. Маркер 7-выбранную неоднородность. Маркеры 2,3 служат для определения коэффициента затухания волокна до неоднородности, а 4,5 - за ней. Рис.1.14 Принцип измерения затухания на участке ОВ с включением "мертвой зоны" Измерение затухания сварных соединений оптических волокон. Как отмечалось выше, из-за отражений в месте соединения и соответственно изменений модового состава оптического излучения рефлектограмма на участках прилегающих к месту стыка искажена. Поэтому оценка затухания стыка непосредственно по результатам измерений обратно рассеянной мощности на этих участках до и после стыка недопустима. Принцип измерения затухания на стыках оптических волокон, реализуемый оптическим рефлектометром заключается в следующем. Неискаженные участки характеристики обратного рассеяния оптического волокна в строительных длинах до и после стыка аппроксимируются линейной зависимостью. Затем путем экстраполяции в первом случае вперед, а во втором случае назад определяют уровни мощности обратно рассеянного потока в оптическом волокне в конце первой и в начале второй из сращиваемых строительных длин. То есть уровни мощности до и после стыка, исключая искажения за счет отражения. Оценка затухания на стыке, полученная с одного конца линии определяется как разность Рис.1.15 Принцип измерения затухании стыка ОВ Принцип измерения затухания стыка демонстрируется на рис.1.15. Здесь используется пятимаркерный способ. Один маркер 3 устанавливается непосредственно перед точкой стыка. Маркеры 1 и 2 - до стыка, а маркеры 4 и 5 за стыком. При этом маркеры 1 и 2, 4 и 5 размещают на линейных участках строительных длин, соединение ОВ которых исследуется. Эти маркеры служат для определения коэффициентов затухания стыкуемых волокон, поэтому желательно, чтобы маркеры 2 и 4 находились по возможности ближе к месту стыка, и важно, чтобы маркеры 1, 2, 4, 5 не были установлены на участке, где характеристика искажена за счет Френелевских отражений, на выбросах и провалах флюктуирующей характеристики обратного рассеяния. В режиме линейной аппроксимации по двум точкам через точки 1, 2 и точки 4, 5 как бы проводятся прямые линии. Расстояние по оси ординат между этими прямыми в точке установки маркера 3 пропорционально искомому значению потерь в месте стыка. В режиме линейной аппроксимации методом наименьших квадратов участки между точками 1 и 2, 4 и 5 разбиваются на одинаковые интервалы. На границах этих интервалов измеряются уровни мощности, по которым и осуществляется расчет параметров аппроксимации, уровней мощности и затухания стыка. Весь процесс измерения после расстановки маркеров осуществляется автоматически и результат измерения затухания стыка выводится на устройство отображения. Задача измерителя - правильно расставить маркеры, поскольку погрешность оценки затухания стыка существенно зависит от точности оценок А1,А2 и, соответственно, установки маркеров. Корректность выбора мест расположения маркеров можно проверить сопоставляя значения затухания стыка а c при установке маркера 3 непосредственно до и после стыка, как показано на рис.1.15, рис. 1.16. При правильной установке маркеров разница между полученными оценками не должна превышать 10 - 15 %. Если разница превышает допустимую, то необходимо уточнить позиции маркеров 1, 2 и 4, 5. А если это не поможет, увеличить мощность зондирующего импульса, длительность или число усреднений для получения более гладкой характеристики, изменить масштаб по оси X. Большинство рефлектометров позволяет осуществлять позиционирование каждого из пяти маркеров отдельно или одновременно всей системы. При проверке правильности установки маркеров, перемещают маркер 3 или всю систему маркеров, устанавливая маркер 3 в начало, конец и середину стыка. Рис.1.16 Проверка размещения маркеров Как отмечалось ранее, вид участка характеристики обратного рассеяния, отображающего место соединения оптических волокон определяется потерями энергии на соединении, Френелевски ми отражениями на стыке сердцевин волокон с разными показа телами преломления и перераспределением энергии между модами Отражения в существенно большей мере влияют на уровни мощности потока обратного рассеяния, чем прямого потока. Фактически, при измерении затухания соединений ОВ по характеристике обратного рассеяния, они вносят систематическую погрешность. Причем при измерениях с противоположных концов линии эта погрешность входит в полученные оценки с разным знаком, Чем больше отличие характеристик соединяемых волокон, тем больше указанная погрешность. В целях исключения указанной систематической погрешности, рекомендуется затухание стыка ОВ измерять с противоположных концов линии, а результат определять как среднеалгебраическое значение Рассмотрим примеры. Пример 1. Со стороны А рефлектограмма имеет вид как на рис. 1.17а Результат измерения со стороны А составляет Направление А-Б Рис. 1.17 Характеристики обратного рассеяния стыка ОВ, измеренные с двух сторон линии Со стороны Б рефлектограмма имеет вид как на рис. 1.17б. Результат измерения со стороны Б составляет Соответственно потери оптической мощности для прямого потока составят Пример 2 Рис 1.18 Характеристики обратного рассеяния стыка ОВ, из меренные с двух сторон линии Со стороны А рефлектограмма имеет вид, как на рис. 1.18a а со стороны Б , как на рис. 1.18б. Результаты измерений, соответственно, составляют Потери мощности на стыке дня прямого потока равны Измерение затухания механических сростков оптических волокон. В основе измерения затухания механических сростков ОВ лежат те же теоретические положения, что и для сварных соединений ОВ. Соответственно в цепом алгоритм и принципы измерения те же, что описаны выше. На рис. 1.19 представлена рефлектограмма участка с механическим стыком ОВ, приведен пример расстановки маркеров и демонстрируется принцип оценки потерь в соединении. Рис 1.19 Размещение маркеров при измерении затухания механического сростка ОВ Однако, есть некоторые особенности измерения затухания механических соединений. Они связаны с высоким уровнем отраженной мощности. Ширина искаженного участка характеристики существенно больше, чем в случае сварных соединений. Это обусловлено тем, что высокий уровень мощности отраженного от неоднородности на механическом стыке ОВ импульса, значительно превышающий уровень мощности обратнорассеянного потока, приводит к насыщению фотодиода при поступлении отраженного импульса на вход фотоприемника. На характеристике обратного рассеяния имеет место "мертвая зона" на неоднородности - стыке ОВ, "Мертвая зона" на стыке ОВ ведет к увеличению погрешности измерений и вызывает определенные трудности при расстановке маркеров. Здесь надо следовать следующим правилам. Длина участка между маркерами 4 и 5 должна в несколько раз превышать ширину зоны искажений ("мертвую" зону). Маркер 4 должен располагаться как можно ближе к стыку, но только на линейном участке вне зоны искажений. В противном случае значительно возрас проверки правильности установки маркеров в данном случае недопустим. Рис.1.20 Рефлектограммы механического стыка ОВ а- без использования маски б- с использованием маски В цепях снижения погрешностей за счет "мертвой зоны" на неоднородностях из-за насыщения фотодиода в современных оптических рефлектометрах применяют оптоэлектронное маскирование. Принцип работы системы маскирования заключается в ограничении уровня оптической мощности, поступающей к фотодиоду, на время действия отраженного импульса. С этой целью на входе фотоприемника перед фотодиодом помещают управляемую "оптическую маску". Эта "маска" в нормальных условиях "прозрачная" для светового потока, становится "непрозрачной" под действием управляющего сигнала, ограничивая мощность светового потока на период действия сигнала управления. Поскольку момент поступления отраженного импульса заранее не известен, процесс измерений при использовании оптоэлектронного маскирования осуществляется в два этапа. На первом этапе измеритель получает рефлектограмму при отключенной системе маскирования, определяет моменты поступления отраженных импульсов и отмечает соответствующие точки на рефлектограмме. На втором этапе, получая рефлектограмму при включенной системе маскирования, он производит измерения затухания стыков. "Маска" по сигналу управления ограничивает мощность светового потока на входе фотодиода на время, соответствующее длительности зондирующего импульса. При этом стыковые неоднородности наблюдаются на рефлектограмме в виде "провалов" характеристики. Рефлектограммы на механическом стыке без и с наложением маски представлены соответственно на рис. 1.20а и б. Как видно, маскирование существенно уменьшает "мертвую" зону на неоднородностях . При этом алгоритм обработки характеристики обратного рассеяния для получения оценки затухания механического сростка тот же, что и для сварного соединения ОВ. В заключение необходимо отметить, что на сегодняшний день промышленностью выпускаются устройства для выполнения неразъемных механических соединений ОВ использующие специальный иммерсионный гель, в которых стыковые неоднородности того же порядка, что и на сварных соединениях. Это характерно, например, для механических сростков (сплайсов) типа Fibrlok. Измерения затухания таких механических сростков абсолютно ничем не отличается от измерения затухания сварных соединений. Измерение затухания. Рис.1.21 К измерению затухания. Для измерения затухания на неоднородности два маркера устанавливаются как пказано на рис. 1.21. Алгоритм вычисления следующий : где К -постоянная оптического волокна, равная К=0,21 для одномодовых ОВ и К = 0,25 для многомодовых ОВ; -потери за счет релеевского рассеяния, Нп/м; -разность уровней мощности светового потока между точками установки маркеров по рис. 1.21, дБм; показатель преломления сердцевины ОВ; -показатель преломления оболочки ОВ; - скорость света, м/с; - установленная длительность зондирующего импульса. Данные вычисления, как правило, выполняются автоматически, и на экран дисплея выводится результат расчета Измерение расстояния до места неоднородности. Оценка расстояния до некоторой точки оптической длины как отмечалось выше, определяется по результатам измерения интервала времени между моментом посылки зондирующего импульса и регистрацией обратно рассеянной мощности. Реализация указанных измерений с помощью рефлектометра осуществляется путем установки маркера в соответствующей точке рефлектограммы При этом на устройство отображения выводится в зависимости от режима измерений значение расстояния до точек линии соответствующих точкам установки маркеров, или между ними. В целях уточнения применяется масштабирование. Рекомендации по выбору метода линейной аппроксимации Рис.1.22 К выбору метода аппроксимации Особенности применения методов линейной аппроксимации по двум точкам и наименьших квадратов при измерении затухания на ВОЛС демонстрируются на рис.1.22. Как следует из представленных на рис. 1.22 построений при оценке коэффициента затухания ОВ строительных длин кабеля, затухания на стыке ОВ аппроксимация методом двух точек может привести к значительной погрешности. И, наоборот, при измерении результирующего затухания смонтированных участков линии, включающих стыковые неоднородности, применение метода наименьших квадратов ведет к большой погрешности. Можно сформулировать следующие рекомендации по выбору режима аппроксимации. 1. При измерении затухания соединений ОВ рекомендуется метод наименьших квадратов. 2. При измерении затухания строительных длин рекомендуется метод наименьших квадратов. 3. При измерении затухания участков, включающих стыки ОВ -смонтированных участков ВОЛС -рекомендуется метод двух точек. 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ MW9060A 2.1 Характеристики оптического рефлектометра. Термины и определения. К основным характеристикам оптических рефлектометров относят следующие: диапазон и шаг изменения устанавливаемого значения показателя преломления сердцевины, длину волны оптического излучения, тип оптического волокна, тип оптического соединителя, диапазон изменения устанавливаемого значения длительности зондирующего оптического импульса, динамический диапазон, ширину "мертвой зоны", разрешающую способность, предел установки измеряемой длины линии, линейность характеристики. Рассмотрим эти характеристики подробнее. Диапазон и шаг изменения устанавливаемого значения показателя преломления. Учитывая принцип работы оптического рефлектометра, прочность измерений расстояний существенно зависит от точности установки значения показателя преломления сердцевины ОВ. Естественно, что каждый тип волокна характеризуется своим значением, которое обычно указывается в паспорте кабеля. Соответственно при измерениях необходимо установить паспортное значение показателя преломления . Точность установки требуемого того значения и характеризуют рассматриваемые характеристики. Длина волны оптического излучения. В паспортных данных на сменные блоки, входящие в комплект прибора, даны средние значения длин волн, на которых работает источник оптического излучения, и допуски на пределы отклонения. Тип оптического волокна. В паспортных данных на сменные блоки указывается для работы с каким типом волокна предназначен данный блок - с одномодовым или градиентным многомодовым волокном. Тип оптического соединителя. Указывается тип розеточной части оптического соединителя на выходе сменных блоков поставляемого комплекта (например FC, ST или SMA для многомодовых, FC для одномодовых волокон). Тип соединителя указывается в заказе на комплект. При необходимости может быть осуществлена поставка нескольких типов соединителей ( прибор комплектуется переходными розетками заданного типа). Диапазон изменения устанавливаемого значения длительности зондирующего оптического импульса. От длительности оптического зондирующего импульса непосредственно зависят как энергетические и так и временные возможности при производстве измерений. Импульсы большей длительности обеспечивают больший энергетический запас и соответственно возможность измерений на линиях большей протяженности. Однако с увеличением длительности зондирующего импульса увеличиваются разрешающая способность, длина "мертвой" зоны в конкретной реализации измерения. Соответственно снижается точность определения расстояний и, как следствие, зависимых от него величин - коэффициента затухания ОВ; затухания на стыках ОВ и т.п. Кроме того, работа на больших длительностях импульса снижает ресурс работы лазера. Поэтому для получения максимальной точности важно иметь возможность установки длительности зондирующего импульса в широких пределах для выбора необходимого значения в зависимости от характеристик исследуемого объекта. Компромисс достигается выбором сменного блока. Динамический диапазон. Это важнейшая из характеристик рефлектометра. Различают несколько оценок этой величины. Наиболее широко используются динамический диапазон по потоку обратнорассеякной мощности, определяемой по среднеквадратичеекому значению при отношении сигнал/шум равном единице (SNR=1) - Ds, динамический диапазон по потоку обратнорассеянной мощности оптического излучения, определяемый по ереднеквадратичеекому значению уровня шума при отношении шум/сигнал равном 0,1 - Do.1, эффективное, значение динамического диапазона по потоку обратнорассеянной: мощности - De. Аналогично вводят оценки для потока мощности, обусловленного Френелевским отражением. Кроме указанных выше для отраженного потока применяют оценку динамического диапазона по 4% уровня мощности - D4%. Динамический диапазон Ds определяют как разность между уровнем мощности потока обратного рассеяния в точке ввода оптического излучения в ОВ и среднеквадратического значения уровня шума(помех) как показано на рис.2.1. Рис. 2.1 Определение динамического диапазона Ds Динамический диапазон D0,1 определяют как разность между уровнем потока обратного рассеяния в точке ввода мощности оптического излучения в ОВ и предельным значением уровня, при котором еще возможно выделить скачок в 0,1 дБ на характеристики обратного рассеяния. Находят значение Do,1 по формуле Эффективное значение динамического диапазона De определяют как разность между уровнем мощности обратнорассеянного потока в точке ввода оптического излучения в ОВ и максимальным уровнем шума как показано на рис.2.2. Рис. 2.2 Определите динамического диапазона De Значительно реже используют оценки динамического диапазона по потоку за счет Френелевского отражения, в качестве которых используют его значение при отношении сигнал/шум равном единице и эффективное значение, определяемые как и для обратнорассеянного потока, а также значение динамического диапазона D4%, которое определяется относительно уровня мощности сигнала в точке, в которой еще можно различить 4% от уровня максимального значения отраженного оптического импульса. Графически это значение определяют как показано на Рис.2.3 Определение динамического диапазона D4% Значения оценок динамического диапазона непосредственно связаны с длительности зондирующего импульса, степенью сглаживания характеристики и меняются в широких пределах, в зависимости от указанных величин и выбранного типа сменного блока, включающего источник и приемник оптического излучения, направленный оптический разветвитель. Ширина "Мертвой зоны". Различают "мертвую зону " за счет Френелевского отражения при вводе оптического излучения в ОВ - LMB И "мертвую зону" за счет Френелевского отражения на неоднородностях - Lмн. "Мертвая зона" на ближнем конце за счет Френелевского отражения при вводе оптического излучения в волокно определяется как показано на рис.2.4. Рекомендуется принимать х=0,5 дБм. "Мертвая зона" за счет Френелевского отражения на неоднородностях, определяется как показано на рис.2.5. Очевидно, что протяженность "мертвой зоны" зависит от длительности зондирующего импульса. Разрешающая способность. Различают разрешающую способность для отраженного импульса, которая определяется как ширина отраженного оптического импульса в точке с уровнем на 1,5 дБм ниже максимальной значения уровня мощности данного импульса (рис.2.6) и разрешающую способность для обратнорассеянного сигнала, которая определяется как расстояние между точками в которых начинаются и заканчиваются уровни обратнорассеянной мощности на стыке ОВ и им подобных скачках (< 1 дБм) между значениями на +0,1 дБ отклоняющихся от начального и конечного уровней (рис.2.7).Как следует из определений разрешающая способность также зависит от длительности зондирующего импульса. Рис.2.6 Определение разрешающей способности на уровне 1.5 дБ Рис.2.7 Определение разрешающей способности на уровне 0.1 ДБ Предел установки измеряемой длины линии. Данная характеристика определяется не только энергетическими характеристиками, но и минимальной частотой следования зондирующих импульсов. Линейность характеристики. Измеряется в дБ/дБ и определяет точность отсчета по осям. 2.2 Параметры рефлектометра MW9060A и его сменных блоков В табл.1 представлен состав стандартного комплекта поставки оптического рефлектометра MW9060A. А в табл.2 основные сведения о сменных блоках для него. Специальные функции реализуемые рефлектометром MW9060A описаны в табл.3. В табл.4 приведены данные по сменному блоку MW0947B, поставляемому в комплекте оптического рефлектометра для ТСЛ. Таблица 1 Оборудование Модель/ти Наименование Кол. п Вазовый блок Комплектующие MW9060A Оптический рефлектометр обратного рассеяния J0017 Шнур питания, 2.5 м ! 1 F0013 Предохранитель на 5А 2 Z0240 Термобумага принтера для 2 W0667AE Инструкция эксплуатации по 1 2.3 Режимы работы, меню и подменю рефлектометра MW9O60A Внешний вид передней панели прибора и экрана дисплея с отображаемой на нем информацией представлены на рис.2.1 и рис.2.2 соответственно. Режимы работы рефлектометра, меню и подменю с указанием используемых органов управления описаны в табл.5, табл.6. Рис 2.8 Внешний вид передней панели рефлектометра MW 9060А На экран дисплея выводится информация, которая представлена на рис.2.9 и имеет следующее назначение. 1. Окно сообщений. 2 Маркер режима MASK 3. Индикация горизонтальной оси. 4. Индикация режима PAST. 5 Разрешающая способность по расстоянию. 6 Конец зоны измерения. 7 Начало зоны измерения. 8 Маркеры, расположенные за экраном. 9 Диапазон по расстоянию. 10 Цена деления вертикальной оси. 11 Цена деления горизонтальной оси. 13-18 Окна меню. Рис.2.9 Внешний вид экрана дисплея с отображаемой на нем информацией 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. Имя файла. Измеряемая характеристика. Курсор. Маркер горизонтальной оси. Отображение регистрации процедуры. Номер регистрируемой процедуры. Коэффициент преломления. Счетчик параметра усреднения. 27. Величина параметра усреднения. Отображение режима FULL TRASE. Расстояние до курсора. Затухание аттенюатора. Длительность зондирующего импульса. Длина волны и тип волокна. Потери за счет отражения на неоднородности. Потери сростков. Метод линейной аппроксимации. Отображение режима EVENTS. Отображение авт. поиска неоднородностей. Величина порога. Тип данных авт. поиска. Потери на единицу длины. Расстояние между неоднородностями. Потери в волокне между неоднородностями. Величина сдвига по горизонтальной оси. Величина сдвига по вертикальной оси. Индикация вертикальной оси. Маркер неоднородности. Курсор режима H-REF. Уровень сглаживания. Отображение маски на ближнем конце. Маркеры индикации диапазона измерения. Дата и время. Заголовок.