Проблемы проведения рефлектометрических измерений

www.fotonexpress.ru
участок десятипарного телефонного кабе
ля с различными повреждениями. Прог
рамма написана на языке Delfi и включает в
себя гипертекстовую справку о приборе
ПКП5, различных методах измерения с по
мощью этого прибора и особенностях ра
боты с этим программным обеспечением.
Программное обеспечение использует базу
данных, содержащую сведения о 100 вари
антах кабельных участков, в общем случае
поврежденных. Преподаватель, знающий
пароль, может редактировать любой вари
ант. После этого он принимает решение о
записи нового варианта в базу данных или
об использовании нового варианта только
на этом занятии.
Эквивалентная схема неисправного ка
беля, положенная в основу его математи
ческой модели, содержит свыше 150 узлов,
которые соединяются между собой частич
ными проводимостями и емкостями.
Основная программа содержит два эк
рана. На первом студент производит подк
лючение кабельных цепей к прибору и ус
танавливает необходимые для данного ви
да измерений перемычки. Подключение
МАРТ 2004
ФОТОНЭКСПРЕСС №2 (34)
Методы и средства измерений
может производиться как с одной, так и с
другой стороны кабельного участка.
Манипуляция органами управления: пе
реключателями, потенциометрами произ
водится с помощью "мыши".
Третья виртуальная лабораторная уста
новка также позволяет проводить исследо
вания неоднородных и поврежденных ка
бельных цепей аналогично второй вирту
альной лабораторной установка с по
Основная программа содержит два экра@
на. На первом студент производит подк@
лючение кабельных цепей к прибору и
устанавливает необходимые для данного
вида измерений перемычки. Подключе@
ние может производиться как с одной, так
и с другой стороны кабельного участка.
мощью более современного кабельного
прибора ИРКПРО. Это одна из наших пос
ледних разработок. Внешний вид вирту
альных приборов этой установки показан
на рис. 2.
Компьютерные работы используются не
25
только для обучения студентов нашего уни
верситета, но и для подготовки и перепод
готовки специалистов отрасли "связь".
Опыт внедрения компьютерных лабора
торных работ показал, что студенты прояв
ляют к ним повышенный интерес, глубже
осваивают учебный материал, получают
необходимые практические навыки не
только в использовании приборов и обору
дования, но и в пользовании компьюте
ром.
Помимо использования в лабораторном
практикуме, компьютерные технологии ис
пользуются для контроля знаний студентов
по всем нашим курсам, для курсового и
дипломного проектирования. Большая
часть кафедральных учебников и методи
ческих пособий существует в электронном
виде.
Кафедра активно ведет работу по внед
рению технологии дистанционного обуче
ния студентов заочников. Нами разработа
на оригинальная концепция дистанционно
го обучения и дистанционные версии двух
виртуальных лабораторных установок с
приборами ПКП5 и ИРКПРО.
Проблемы проведения рефлектометрических измерений
коэффициента затухания оптического волокна
Начиная с 80@х годов прошлого сто@
летия, расширение массового строи@
тельства и эксплуатации волоконно@
оптических систем связи естествен@
ным образом сопровождается раз@
витием методов и средств измере@
ния
параметров
оптического
волокна. Среди них наибольшее
признание и распространение полу@
чили рефлектометрические методы
измерения затухания, основанные
на измерении и регистрации харак@
теристик оптического излучения,
распространяющегося по оптическо@
му волокну в обратном направлении
@ OTDR (Optical Time@Domain
Reflectometer).
о мере развития строительства воло
коннооптических сетей связи проис
ходит постепенный перенос внима
ния производителей оптических кабелей с
магистральных и зоновых в сторону уве
личения объемов производства городс
ких и внутриобъектовых кабелей. При
этом если строительные длины первых
составляют несколько километров, то ка
бели внутриобъектового применения вы
пускаются, зачастую, лишь сотнями мет
ров. Необходимость выполнения контро
ля на всех стадиях производственного
процесса и испытаний ставит задачу мно
гократного измерения достаточно корот
ких отрезков оптического волокна. К со
жалению, фирмыпроизводители совре
менных рефлектометров, чаще всего, со
вершенствуют их в направлении увеличе
ния максимальной дальности обнаруже
Ï
ния отражательных событий в оптическом
волокне, удовлетворяя запросы строите
лей линий связи основных потребителей
этих дорогостоящих приборов. Практи
чески все современные оптические реф
лектометры имеют ограничения на изме
рение коротких отрезков оптического во
локна (менее 500 м). Таким образом,
компаниипроизводители волоконнооп
тических кабелей сталкиваются с ограни
чениями
возможностей
основного
инструмента для подтверждения соответ
ствия характеристик оптического волокна
установленным требованиям.
Сегодня на рынке представлены две ос
новные группы рефлектометров: станда
ртные OTDRрефлектометры со схемой
прямого детектирования и рефлектомет
ры специального назначения для диаг
ностики волоконнооптических компо
нентов (оптические коннекторы, ответви
тели, оптические усилители и т.д.) Наи
больший интерес представляет рассмот
рение традиционной схемы OTDRреф
лектометра с прямой схемой детектирова
ния. Попытаемся выяснить возможные
причины существующего ограничения
традиционных OTDRрефлектометров на
измерение "короткомеров".
На сегодняшний день опубликовано
большое количество работ, в которых вы
водятся основные соотношения, описы
вающие рассматриваемый метод [1, 2, 3].
Поэтому, не преследуя цель подробного
рассмотрения этих известных принципов,
приведем только соотношения, необхо
димые для дальнейшего обсуждения воп
роса. Рефлектометрический метод осно
ван на введении короткого импульса све
та в диагностируемое волокно и регистра
ции отклика среды в
виде рассеянного в
обратном направле
нии света. По интен
сивности можно су
дить о распределе
нии оптических по
терь по длине опти
ческого
волокна.
Мощность распрост
раняющегося
им
пульса на каждом
элементарном участ
ке волокна, на рас
стоянии x от начала
волокна ,можно за
писать следующим
образом, следуя [3]:
Б.В. Авдеев
главный технолог ЗАО
"НФ Электропровод"
к.т.н.
где a(x) коэффици
ент затухания как
функция расстояния,
Д.Ю. Моргунов,
Р0 начальная мощ инженертехнолог ЗАО
"НФ Электропровод"
ность импульса.
Усредняя коэф
фициент затухания
по длине, получаем
выражение
для
мощности рассеян
ного света:
где Т0 длительность
импульса; νg груп
повая скорость; S коэффициент обрат
ного рассеяния.
В.Н. Трещиков,
зам. директора
"Вэлком" , к. ф.м. н.
26
ФОТОНЭКСПРЕСС №2 (34)
МАРТ 2004
Методы и средства измерений
Уровень мощности излучения исполь
зуемых источников составляет единицы
мВт, поэтому среда может считаться ли
нейной. Отклик среды на импульс мощ
ностью Р0(t) произвольной формы можно
представить в виде свертки функции отк
лика среды и функции вводимой мощнос
ти:
где h(t) функция отклика среды.
В оптическом волокне уровень рассеи
ваемой мощности зависит не только от
коэффициента рассеяния, но и от откло
нений параметров волокна от средних
значений. Таким образом, все нелиней
ности, регистрируемые на логарифмичес
кой шкале рефлектометра, мы приписы
ваем свойствам элемента длины измеря
емого оптического волокна (рис. 1).
Практически все современные оптичес@
кие рефлектометры имеют ограничения
на измерение коротких отрезков опти@
ческого волокна (менее 500 м)
Наиболее распространено мнение о
том, что ограничивающим фактором при
измерении коротких отрезков оптическо
го волокна является начальная мертвая
зона, причины возникновения которой
хорошо известны [1, 4]. Наличие отраже
ния от ближнего торца оптического во
локна в месте его "подключения" приво
дит к тому, что отраженная волна высокой
интенсивности перегружает полупровод
никовый детектор. Вследствие этого фо
топриемник на некоторое время теряет
чувствительность, что приводит к времен
ной потере принимаемого сигнала. Реф
лектограмма содержит длинный началь
ный участок "нечувствительности", спада
ющий по экспоненциальному закону.
На ширину мертвой зоны оказывают
влияние многие факторы, например та
кие, как уровень отраженного сигнала,
полоса частот приемника, длительность
зондирующего импульса и т.д. Хотелось
бы заметить, что использование очень ко
ротких импульсов не всегда приводит к
уменьшению ширины мертвой зоны. Это
связано с тем, что, ввиду увеличения
спектральной ширины импульса разница
между уровнями рассеянной и отражен
ной мощности увеличивается. При усло
вии конечной ширины полосы пропуска
ния приемника, экспоненциальный учас
ток заметно увеличивает величину мерт
вой зоны. В дополнении к этому, при ко
ротких импульсах значительно уменьша
ется отношение "сигналшум".
На рис. 2 представлена зависимость
ширины мертвой зоны от ширины полосы
пропускания приемника при разных дли
тельностях импульса (уровень отражения
составлял 35 дБ в стандартном одномо
довом волокне) [4].
В современных OTDR рефлектометрах
ширина полосы пропускания приемников
составляет от 1 до 10 МГц. В области низ
ких частот кривые, соответствующие 10 и
30 нс импульсам, практически совпадают.
Это говорит о том, что ограничения на ми
нимально достижимую ширину мертвой
зоны скорее связаны с характеристиками
приемника, чем с ограничениями по дли
тельностям импульсов. Например, для
получения ширины мертвой зоны равной
5 м, приемник должен иметь полосу про
пускания 50 МГц.
Наличие начальной мертвой зоны яв
ляется систематическим ограничением
прибора. Существует два подхода к воз
можному решению проблемы: примене
ние "маскирования" или использование
дополнительной длины оптического во
локна.
Маскирование, заключающееся в "отк
лючении" фотоприёмника на время
действия зондирующего импульса, явля
ется хорошим способом сокращения дли
ны мертвой зоны, но требует правильного
применения. Основным вопросом стано
вится критерий правильного определения
момента и длительности "отключения",
т.е. критерий правильной установки мар
керов. На практике место перехода экспо
ненциального участка рефлектограммы в
линейный совсем неочевидно (рис. 3).
Из рисунка видно, что постановка мар
кера представляется как бы правильной.
Более подробное исследование зависи
мости результата измерения величины
удельного затухания от положения марке
ра подтверждает завышение измеренного
значения. Применение маскирования яв
ляется методом сокращения мертвой зо
ны, но неэффективно ввиду отсутствия
критерия правильности установки и тре
info@fotonexpress.ru
бует выполнения дополнительных иссле
дований.
Видимо поэтому многие современные
модели рефлектометров не имеют функ
ции маскирования.
Вариант применения дополнительной
длины оптического волокна, которое под
варивается к началу тестируемого, позво
ляет просто исключить влияние начально
го отражения от ближнего торца волокна.
Такой подход являлся бы приемлемым
решением для единичных измерений, но
абсолютно непригоден в производстве,
где число измерительных операций на
одном лишь изделии определяется чис
лом оптических волокон в кабеле, умно
женном на число технологических и испы
тательных операций. Можно было бы
подключить дополнительную катушку к
рефлектометру, а к нижнему её концу
ограничения на минимально достижи@
мую ширину мертвой зоны скорей связа@
ны с характеристиками приемника, чем с
ограничениями по длительностям им@
пульсов
подварить адаптер для подсоединения
измеряемого отрезка волокна. Такую из
мерительную ситуацию легко смоделиро
вать с помощью любого современного
рефлектометра, просто выделив метками
наш "короткомер" гдето в середине длин
ного отрезка оптического волокна. Под
робный анализ рефлектограммы (макси
мальное разрешение по затуханию и по
длине) показывает, что разброс значений
удельной величины затухания (дБ/км)
резко возрастает с уменьшением длины
короткомера, причиной чего является "за
шумлённость" рефлектограммы (рис. 4).
Тангенциальная зависимость ошибки
влечет за собой ограничения на мини
мальное расстояние между маркерными
метками.
Результаты
измерений
величины
удельного затухания в зависимости от
длины представлены на рис. 5. Заметим,
что применение LSAфильтра не на много
улучшает ситуацию. Следовательно,
проблема измерения короткомеров с
приемлемой точностью связана с анали
зом причин зашумлённости рефлектог
раммы.
www.fotonexpress.ru
Прежде всего, влияние на форму реги
стрируемого сигнала оказывают шумовые
характеристики фотоприемника. Если
представить шум приемника в виде экви
валентной мощности шумов PNEP, то ве
личину отношения "сигналшум" можно
записать в виде:
Наличие большого пика отражения от
дальнего конца оптического волокна на
водит на мысль о возможности существо
вания интерференции, в пределах полуд
лины импульса, между падающей волной
(модой) и отраженной в обратном нап
равлении волной. Такое взаимодействие
может иметь место вблизи дальнего кон
ца отрезка волокна или на участках дли
ны, где отражённое излучение встречает
ся с зондирующим. Область взаимодей
Существует два подхода к возможному
решению проблемы: применение "мас@
кирования" или использование дополни@
тельной длины оптического волокна
ствия ограничивается лишь геометричес
кими факторами (областью перекрытия
падающей и отраженной волн) и длиной
когерентности. Для оценки когерентности
излучения, генерируемого полупровод
никовыми лазерными источниками, мож
но использовать соотношения:
МАРТ 2004
ФОТОНЭКСПРЕСС №2 (34)
Методы и средства измерений
где λ 0 центральная длина
волны излучения; с скорость
света в вакууме (3*108 м/с);
n g средний эффективный
групповой показатель пре
ломления волокна; δλ спект
ральная ширина излучения
источника. Для примера, вре
мя и длина когерентности ла
зерного полупроводникового
диода, генерирующего излу
чение с длиной волны 1,55
мкм и спектральной шириной
2 нм, составляют соответственно 4 пс и
800 мкм.
Длина участка образования стоячей
волны ограничивается либо длиной коге
рентности падающей волны, либо поло
виной пространственной ширины волно
вого пакета импульса. Для импульса дли
тельностью 100 нс пространственная ши
рина составляет 20 м, что много больше
длины когерентности. Таким образом, об
ласть образования стоячей волны харак
теризуется очень маленькими размерами
(несоизмеримыми даже с пространствен
ной разрешающей способностью рефлек
тометра). Следовательно, интерференция
падающего и отраженного излучения
практически не обнаруживается.
Легко кстати убедиться в том, что вид
рефлектограммы не изменяется при зна
чительном изменении величины излуче
ния, отраженного от конца отрезка волок
на. Последнее достигается, например,
погружением конца волокна в иммерси
онную жидкость.
Фактором, влияющим на "зашумлён
ность" рефлектограммы при измерении
одномодовых оптических волокон, явля
ется и зависимость коэффициента деле
ния направленного ответвителя от поля
ризации падающего на вход излучения.
Состояние поляризации излучения, пада
ющего на входной порт ответвителя, из
меняется случайным образом при флукту
ациях параметров окружающей среды
(температура, давление, вибрационные
нагрузки). Поэтому разница фаз δλ между
ортогональными компонентами фунда
ментальной моды будет случайной. Пос
кольку коэффициент деления зависит от
того разбега фаз, который возникает в са
мом ответвителе, то результирующий сиг
нал содержит квазипериодическую сос
тавляющую. Такой эффект можно проил
люстрировать, если произвести измере
ние при одном положении подключаемо
го конца волокна и после поворота волок
на на 90 градусов вокруг собственной
оси. Влиянием поляризационномодовых
биений можно объяснить изменение
структуры шума рефлектограммы, если
просто слегка помять намотанный на
стандартную катушку небольшой отрезок
волокна.
если реально наблюдаемая "структура"
рефлектограммы является результатом
поляризационно@модовых биений или
просто отражает неоднородность свойств
оптического волокна по длине, то можно
говорить о естественном пределе точнос@
ти измерения величины километричес@
кого затухания
В любом случае, если реально наблю
даемая "структура" рефлектограммы яв
ляется результатом поляризационномо
довых биений или просто отражает неод
нородность свойств оптического волокна
по длине, то можно говорить о естествен
ном пределе точности измерения величи
ны километрического затухания. Тогда
определение удельного затухания корот
ких отрезков оптического волокна скорее
напоминает проблему поиска "капли воды
в рисовой каше".
Литература:
1. J. K. Barnoski, S. M. Jensen. Fiber wave
guides: A novel technique for investigation
attenuation characteristics, Appl. Opt.,
1976, vol. 15, p. 21122115.
2. M. Nakazawa. Rayleigh backscattering
theory for singlemode optical fibers, Opt.
Soc. Am, 1983, vol. 73, no. 9, p.11751179.
3. J. Kanka, J. Hora. The Diagnostics of оpti
cal fibers by the backscattering method,
Slaboproudy obzor, 1983, vol. 44, no. 3, p.
105111.
4. D. Derickson. Fiber optic test and meas
urement, Prentice Hall PTR, New Jersey,
1998.
27