О ПТИЧЕСКИЕ ИМПУЛЬСНЫЕ РЕФЛЕКТОМЕТРЫ (OTDR)
Принцип действия OTDR
|
Рис. 1.13. В OTDR приходят импульсы света рассеянные назад в моду волокна
Релеевские центры распределены однородно вдоль волокна, и в рассеянной на них волне содержится информация обо всех параметрах линии, влияющих на поглощение света. Именно за счет детектирования рассеянного излучения удается обнаруживать неотражаю- щие (поглощающие) неоднородности в волокне. Например, по сигналу обратного релеевского рассеяния света можно измерить распределение потерь в строительных длинах оптических кабелей и потери в сростках волокон. Такие измерения нельзя выполнить, регистрируя только отраженное (а не рассеянное) излучение.
Доля мощности света, рассеиваемая назад в моду волокна крайне мала. Например, при ширине импульса 1м (длительность импульса 10 нс) коэффициент обратного релеевского
рассеяния составляет величину около –70 дБ. Поэтому, в OTDR в волокно посылаются
импульсы большой мощности и большой длительности, а для детектирования рассеянных назад импульсов света применяются высокочувствительные фотоприемники.
|
Рис. 1.14. Блок схема OTDR
В качестве источника излучения в оптическом модуле обычно используется лазерные диоды типа Фабри-Перо, наибольшая же мощность излучения (и, соответственно, динамический диапазон рефлектометра) достигается с помощью лазерных диодов с квантовыми ямами. С их помощью генерируются импульсы мощностью 10...1000 мВт, длительностью от 2 нс…20 мкc и частотой повторения несколько килогерц. Эти импульсы поступают через ответвитель на оптический разъем, к которому подключается исследуемое волокно. Рассеянные в волокне импульсы света возвращаются в оптический модуль и передаются с помощью ответвителя на фотоприемник (лавинный фотодиод), где они преобразуются в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается, накапливается, обрабатывается в базовом модуле и отображается на дисплее в графической форме в виде рефлектограммы. Такое представление информации позволяет анализировать её как визуально, так и автоматически с помощью встроенных программных алгоритмов.
Мощность рассеянных назад импульсов на 80…50 дБ (в зависимости от их длительности) меньше мощности импульсов, вводимых в волокно. Поэтому для улучшения отношения сигнал/шум используется многократное усреднение результатов измерений.
Причем для их эффективного усреднения достаточно нескольких секунд, так как время, затрачиваемое на прохождении линии мало (100 км свет проходит за 1 мсек). Типичная рефлектограмма содержит около 32 000 измеряемых точек и при вычислении каждой такой точки усредняется несколько тысяч импульсов. Весь этот массив данных рефлектометр
обрабатывает за долю секунды. Первая измеренная рефлектограмма сразу выводится на дисплей. Далее на дисплей выводятся усредненные рефлектограммы. При каждом удвоении времени измерений шумы в усредненной рефлектограмме уменьшаются примерно на 0.75 дБ.
Обработка большого массива данных и создание дружественного пользователю интерфейса осуществляется с помощью двух микропроцессоров. Первый, быстродействующий процессор RISC, дает возможность усреднять до 50 миллионов точек в секунду. Второй процессор Intel обеспечивает работу интерфейсной части программы, автопоиск дефектов в линии, вывод данных на дисплей. Он обеспечивает также совместимость с ПК, что позволяет применять не только обычное программное обеспечение, но и стандартное компьютерное оборудование, такое как клавиатура, мышь, принтер, факс/модем и жесткий диск (в стандарте PCMCIA). Такой рефлектометр может использоваться и как измерительный прибор, и как персональный компьютер, представляющей широкие возможности для обработки информации. Например, для того, чтобы восстановить в увеличенном виде любую из частей рефлектограммы, создать полный список неоднородностей в линии и погонного затухания на участках между неоднородностями, оформить отчет и т.д.
Назначение OTDR
|
Рис. 1.15. Типичная рефлектограмма линии передачи.
По вертикальной оси в логарифмическом масштабе откладывается относительная мощность вернувшихся в
рефлектометр импульсов, а по горизонтальной оси расстояние до места отражения
Так, например, отражающие неоднородности (разъемные соединения волокон, трещины, торец волокна) проявляются на рефлектограмме в виде узких пиков, а неотражающие неоднородности (сварные соединения и изогнутые участки волокон) - в виде изгибов в рефлектограмме. Участки рефлектограммы, расположенные между неоднородностями, имеют вид прямых линий с отрицательным наклоном. Угол наклона
этих прямых прямо пропорционален величине потерь в волокне. Основные параметры линии передачи, измеряемые с помощью оптического рефлектометра, приведены в таблице
№ 1.5.
Таблица № 1.5 . Параметры линии передачи, изме ря емые с по мощь ю OTDR
| Наименование объекта | Измеряемый параметр |
| Каждая неоднородность в линии передачи | местоположение потери коэффициент отражения |
| Каждый оптический кабель | строительная длина, полные потери в дБ, погонные потери в дБ/км, полные обратные потери (ORL) |
| Полностью смонтированная линия передачи | длина линии полные потери в дБ полные обратные потери (ORL) |
|
Рис. 1.16. Рефлектометр подключается только к одному из концов линии
После того, как линия смонтирована, измеряются потери во всех соединениях волокон и расстояния до них. При этом фиксируется рефлектограмма всего регенерационного участка линии со всеми её особенностями, указывающими местоположение сварных соединений волокон и величину потерь в них. Эта рефлектограмма используется для географической привязки к местности и в дальнейшем служит для контроля деградации линии в процессе её старения.
На рис 1.17 в качестве примера приведены рефлектограммы (новая и старая) одного и того же регенерационного участка линии длиной около 30 км, измеренные при сдаче и после одного года эксплуатации линии. Видно, что по прошествии года потери в сварном
соединении волокон, расположенном на расстоянии около 17 км от начала линии, увеличились на несколько дБ. Это значит, что линия уже практически вышла из строя, и для того, чтобы восстановить линию, это сварное соединение волокон необходимо переделать.
Рис. 1.17. Контроль изменения полных потерь в линии передачи в процессе её старения
Разрушение волокон в оптических кабелях происходит в основном из-за натяжения волокон и проникновения в кабель воды. Избыточные натяжения волокон могут возникнуть как из-за нарушений технологии изготовления кабеля на заводе, так и при деформации кабелей подвешенных на линиях электропередачи или уложенных грунт подверженный мерзлотным деформациям, землетрясениям и т.д. Однако с помощью OTDR нельзя измерить натяжение волокон в оптических кабелях. Для этого необходим значительно более дорогой и сложный бриллюэновский рефлектометр (BOTDR).
Многие оптические кабели в линиях передачи содержат запасные (темные) волокна. Потери в темных волокнах можно контролировать с помощью рефлектометра обычным способом, подключившись к одному концу темного волокна, в то время как передача
трафика осуществляется по соседним (активным) волокнам. При этом измерения можно проводить на тех же длинах волн, на которых обычно ведется передача трафика. Эффективность такого способа обусловлена тем, что, как показывает практика, примерно в
80% случаев повреждение кабеля нарушает работу одновременно всех волокон. Для
повышения надежности линии передачи необходимо проводить тестирование активных волокон. Тестирование активных волокон обычно проводится на более длинных волнах, так как в изогнутом волокне потери быстро возрастают при увеличении длины волны. Так, если передача ведется на длине волны 1310 нм, то для тестирования используется длина волны
1550 нм, а если передача ведется на длине волны 1550 нм, то тестирование линии осуществляется на длинах волн 1610...1650 нм (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Схема тестирования активного волокна с помощью рефлектометра работающего на длине волны 1625 нм
С помощью WDM ответвителя рефлектометр может быть подключен к линии передачи практически без потерь на рабочей длине волны линии. Такой ответвитель пропускает излучение с длиной волны, на которой ведется передача трафика и ответвляет излучение с длиной волны, на которой проводится тестирование линии. Перед приемником в линии передачи устанавливается оптический фильтр, не пропускающий излучение на той длине волны, на которой работает рефлектометр, а перед рефлектометром фильтр, не пропускающий излучение, на той длине волны, на которой ведется передача трафика. Это делается для того, чтобы избежать перекрестных помех, возникающих при попадании в фотоприемник излучения с другой длиной волны. Рефлектометр подсоединяется к линии с помощью оптического переключателя (1 : N), обеспечивающего автоматическое подключение рефлектометра к N волокнам кабеля (поочередно).
Типы OTDR
М ини-рефлектометры (mini-OTDR) (рис. 1.19) – применяются в полевых условиях для проведения всех необходимых видов измерений: определения местоположения обрывов волокна, участков линии с большими значениями потерь, коэффициентов отражения и т.д. Новые модели mini-OTDR могут комплектоваться оптическими модулями с большим динамическим диапазоном (до 50 дБ) и находят все большее применение не только в полевых, но и в лабораторных условиях, где до этого в основном применялись стационарные OTDR. Приборный ряд этого направления представлен на российском рынке такими крупными компаниями как: Agilent Technologies, Ando, Anritsu, EXFO, Wavetek, GN-NETEST.
Рис. 1.19. Мини-рефлектометр Е6000С компании Agilent Technologies (со сменными оптическими модулями).
Габариты базового модуля рефлектометра примерно равны пачке бумаги формата А4
С тационарные рефлектометры применяются, в основном, в лабораториях. Они имеют большой вес и габариты, и более широкие функциональные возможности по сравнению с mini-OTDR. Например, функцию маски для устранения всплеска сигнала в начале рефлектограммы, возникающего при отражении сигнала от разъема рефлектометра.
Идентификаторы дефектов (Fault locators) – сравнительно недорогие приборы, предназначенные для определения места повреждения волокна. Классическим способом
обнаружения трещин в волокне является засветка его красным лазером. Обычно
используют лазеры, работающие на l = 635 нм, где находится максимум чувствительности глаза, или на l = 670 нм, где потери в волокне меньше. Однако так можно обнаружить
трещину в волокне, только в тех местах, где кабель разделан, например, когда волокна
уложены в кассету. Кроме того, из-за больших потерь в волокне на этих длинах волн трещину можно обнаружить только на относительно небольшом расстоянии от места ввода лазерного излучения (до 5 км).
Для поиска места повреждения волокна часто используют устройства для ввода и вывода излучения путем изгиба волокна (clip on identifiers). С их помощью можно определить, засвечено ли активное волокно в этом месте или нет, и, таким образом, определить примерно длину участка линии, до которого ещё проходит сигнал.
Упрощенные модели OTDR (часто снабженные только цифровой индикацией) позволяют обнаруживать повреждения волокон внутри кабеля, т.е. при этом не требуется иметь доступ непосредственно к волокну, как в предыдущих случаях. Однако они обладают обычно небольшим разрешением, что ограничивает эффективность их применения, так как
все равно приходится повторять измерения с помощью mini-OTDR для уточнения
положения места повреждения волокна и для контроля качества проведения ремонтных работ.
Б локи дистанционного контроля (RTU – remote test unit). Применяются в системах дистанционного мониторинга оптических сетей. При этом компьютер, расположенный на
центральной станции, сохраняет все рефлектограммы, что позволяет в дальнейшем контролировать изменения в различных участках сети. Их применение особенно важно в линиях передачи с большим трафиком, где экономические потери в случае повреждения линии могут быть весьма значительными.
Портативные измерительные системы (Agilent N3900A, EXFO FTB-400) предназначены для тестирования оптических сетей при их строительстве и эксплуатации. В них содержится линейка приборов высочайшего класса, обладающих прекрасными
эксплуатационными характеристиками. Система может комплектоваться модулями
оптического рефлектометра, оптического переключателя, оптического анализатора спектра, измерителя хроматической дисперсии и PMD (поляризационной модовой дисперсии). К базовому модулю может быть подключен также и микроскоп с видеокамерой для контроля качества торцов оптических разъемов. Модульная конструкция системы позволяет компоновать из нее именно те приборы, которые необходимы в данный момент оператору.
Кроме рассмотренных выше типов OTDR в линиях передачи и в различных областях промышленности применяется также много других типов рефлектометров:
Б риллюэновский рефлектометр (BOTDR) применяется для измерения натяжений в оптических волокнах - основного параметра определяющего срок службы оптических
кабелей. Натяжения волокна находится по величине смещения частоты обратной волны в волокне, вызванной эффектом бриллюэновского рассеяния. Бриллюэновский рефлектометр отличается от традиционной схемы OTDR тем, что в нем используется когерентный прием излучения и анализатор спектра. В настоящее время в Японии принята практика 100 %
контроля натяжений в магистральных оптических кабелях после землетрясений.
Р ефлектометр с высоким пространственным разрешением, выпускаемый компанией Opto Electronics Inc. Он применяется для контроля отражений в оптических
элементах. От традиционной схемы OTDR, применяемой для контроля качества линий
связи, отличается значительно более высоким пространственным разрешением (~ 1 мм, длительность импульсов ~ 1 псек) и меньшей чувствительностью (не регистрирует сигнал обратного релеевского рассеяния).
Поляризационный рефлектометр (POTDR). Применяется для измерения распределения двулучепреломления (длины биений) вдоль волокна. От традиционной
схемы OTDR отличается тем, что на выходе лазера установлен поляризатор, а на входе в фотоприемник установлен анализатор состояния поляризации отраженного от волокна излучения.
Известно также много других схем оптических рефлектометров (~ 10) по разным
причинам (в первую очередь из-за сложности) применяемых в основном в лабораториях:
• когерентные OTDR (CO-OTDR)
• корреляционные OTDR (COR-OTDR)
• OTDR с малой длиной когерентности (LC-OTDR)
• OTDR с фотоприемником работающем в режиме счета фотонов (PC-OTDR)
• бриллюэновский анализатор (BOTDA)
• различные типы частотных рефлектометров (OFDR)
2
ХАРАКТЕРИСТИКИ OTDR
Оптический импульсный рефлектометр (OTDR – Optical Time Domain Reflectometer) впервые был применен для измерений потерь в оптических волокнах в 1976 г. Его принцип действия основан на том, что в волокно посылается последовательность коротких импульсов света, и измеряется зависимость мощности рассеянных назад импульсов от времени их запаздывания. В результате получается рефлектограмма – график распределения потерь и коэффициентов отражения вдоль линии. Для подключения OTDR достаточно доступа только к одному концу линии, что позволяет тестировать оптические кабели непосредственно в процессе монтажа линии. Анализируя рефлектограмму, можно определить место повреждения линии и рассчитать все основные параметры, по которым контролируется качество линии.
Основными характеристиками рефлектометра является чувствительность и пространственное разрешение. Чувствительность рефлектометра принято характеризовать
величиной его динамического диапазона, а пространственной разрешение длительностью
импульса и шириной мертвой зоны. Выбор длительности импульсов и времени усреднения всегда представляет собой определенный компромисс. Так при уменьшении длительности
импульсов пространственное разрешение рефлектометра улучшается, а его чувствительность ухудшается. Время усреднения сигнала влияет только на чувствительность рефлектометра. Однако с увеличением времени усреднения возрастает время измерений, которое, учитывая большое количество волокон в линии передачи, не
может быть слишком большим.
В этой главе анализируются основные понятия, характеризующие чувствительность рефлектометра (шумы рефлектограммы, динамический и рабочий диапазоны рефлектометра) и понятия, характеризующие его пространственной разрешение (мертвые
зоны для событий и мертвые зоны по затуханию).
Раздел I.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ O TDR
Динамический диапазон
В соответствии с рекомендацией Международной Электротехнической Комиссии (IEC
– International Electrotechnical Commission) динамический диапазон рефлектометра DIEC
определяется как разность между уровнем сигнала обратного релеевского рассеяния в начале рефлектограммы и пиковым значением шумов в отсутствие сигнала. Уровень сигнала обратного релеевского рассеяния находится путем экстраполяции прямолинейного наклонного участка рефлектограммы в начало рефлектограммы (рис. 2.1). Уровень пикового значения шума определяется исходя из условия, что вероятность попадания шумового сигнала в доверительный интервал должна быть равна 98%. Для этого по верхнему краю шумовой дорожки проводится прямая горизонтальная линия так, чтобы её пересекал только один шумовой пик из 100.
Рис. 2.1. Динамический диапазон рефлектометра DIE C определяется МЭК как разница между уровнем сигнала обратного релеевского рассеяния в начале рефлектограммы и пиковым значением шума в отсутствие сигнала
|
Рис. 2.2. Динамический диапазон рефлектометра D rms определяется как разница между уровнем сигнала обратного релеевского рассеяния и среднеквадратичным значением шума в отсутствие сигнала.
В еличина динамического диапазона D rms больше D I E C н а 1.8 дБ
Сравнение различных моделей рефлектометров часто затрудняется из-за того, что при оценке среднеквадратичного значения шума разные производители рефлектометров вычитают из пикового значения шума вместо 1.8 дБ другие величины, лежащие в пределах от 1.5 дБ до 4дБ. Поясним, почему уровень среднеквадратичного значения шума находится на 1.8 дБ ниже его пикового значения. Будем полагать, что шум распределен по нормальному (гауссовскому) закону. Тогда, как хорошо известно, вероятность пребывания в
интервалах –2s…+2s и –3s…+3s равна, соответственно, 95 % и 99.7 %, где
s º rms шума.
Отсюда видно, что вероятности пребывания в 98% соответствует некоторый промежуточный интервал (–2.3s…+2.3s), или иначе получается, что в линейном масштабе среднеквадратичный уровень шума меньше пикового значения шумов в 2.3 раза (рис. 2.3). В логарифмическом масштабе (по шкале рефлектометра 5log) в 2.3 раз меньшая величина смещена вниз на 1.8 дБ (так как 5 log 2, 3 = 1, 8 ). Поэтому и получается, что
|
Рис. 2.3. Уровни шума в линейном масштабе.
Величина динамического диапазона зависит от параметров, устанавливаемых пользователем: длительности импульсов, времени усреднения сигнала и диапазона измеряемых длин. Так, например, при увеличении длительности импульса в 1000 раз (от
|
|
2.4).
5 log ( t1 ) = 15 дБ
(рис.
Рис. 2.4. При увеличении длительности импульсов в 1000 раз (от t1 = 10 нс до t2 = 10 мкс)
динамический диапазон увеличивается на 5log(t1 /t2 ) = 15 дБ.
При увеличении времени усреднения коэффициент релеевского рассеяния не меняется, но зато уменьшается среднеквадратичное значение шума. Так как в первом приближении шум можно полагать белым (гауссовым), то его среднеквадратичное значение изменяется обратно пропорционально квадратному корню из времени усреднения сигнала. Это значит, что при увеличении времени усреднения от t1 до t2 уровень шума уменьшится (а динамический диапазон увеличится) по шкале рефлектометра всего лишь на 2.5log(t2/t1). Например, при увеличении времени усреднения в 100 раз (от t1 = 1 сек, до t2 = 100 сек) динамический диапазон увеличивается на 2.5log(t2/t1) = 5 дБ (рис. 2.5). Для сравнения, при
увеличении длительности импульсов от t1 до t2 динамический диапазон возрастает на в два раза большую величину: 5log(t1/t2).
|
динамический диапазон увеличивается на 2.5log(t 2 /t 1 ) = 5 дБ
На сегодняшний день динамический диапазон является основным параметром, по которому проводится сравнение различных моделей OTDR. Так как его величина увеличивается с увеличением длительности импульсов t и времени усреднения сигнала t, то обычно значение динамического диапазона приводят при максимальных для данного прибора значениях t и t. Однако эти значения у разных производителей рефлектометров могут отличаться. Для того, чтобы устранить эту неоднозначность, МЭК рекомендует при сравнении динамических диапазонов рефлектометров использовать следующие величины:
t = 10 мкс и t = 3 мин. В то же время производители рефлектометров в своих спецификациях максимальное значение динамического диапазона приводят обычно при t = 20 мкс.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1073; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!