Моделирование рефлектограммы оптического волокна. МОДЕЛИРОВАНИЕ_РЕФЛЕКТОГРАММЫ_ОПТИЧЕСКОГО. Моделирование рефлектограммы оптического волокна студент кафедры сиб трубицын С. М

• Название: Моделирование рефлектограммы оптического волокна студент кафедры сиб трубицын С. М
• Анкор: Моделирование рефлектограммы оптического волокна
• Дата: 30.10.2022
• Размер: 307.62 Kb.
• Имя файла: МОДЕЛИРОВАНИЕ_РЕФЛЕКТОГРАММЫ_ОПТИЧЕСКОГО.docx
• Тип: Документы; #762190

УДК 004.056.57

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕФЛЕКТОГРАММЫ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Студент кафедры СИБ Трубицын С.М.

Руководитель: Доц. к.т.н. Куликов С.С.
Производится анализ и оценка структуры работа оптического волокна.

Оптическое волокно (ОВ) на сегодняшний день считается самой совершенной физической средой для передачи больших объемов информации на значительные расстояния [1, 9, 11, 19]. Это объясняется совокупностью уникальных особенностей, присущих оптическим волноводам.

Достоинствами ОВ являются, во-первых, широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (порядка 1014 Гц). Это означает, что по линии связи на ОВ можно передавать информацию со скоростью свыше 1010 бит/с [6]. Или другими словами, по одному ОВ можно передать одновременно миллионы аудио- или видеосигналов. Скорость передачи данных может быть существенно увеличена за счет передачи информации одновременно в двух направлениях, так как оптические волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Более того, в ОВ могут распространяться оптические сигналы двух противоположных поляризаций, что так же позволяет увеличить пропускную способность канала связи. Так же для повышения пропускной способности ОВ используется и спектральное разделение сигналов, то есть передача сигналов с различными по длине волны несущими. В настоящее время предел по скорости передаваемой информации по ОВ все еще не достигнут.

Во-вторых, малое по сравнению с другими средами затухание оптического сигнала в волноводе (менее 0.2 дБ/км на длине волны 1.55 мкм) позволяет проектировать линии связи длиной до нескольких сотен километров без дополнительной регенерации сигналов [12]. В лабораториях разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые примесные или фторцирконатные волокна с теоретическим пределом величины затухания порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Научные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через несколько тысяч километров при скорости передачи более 3 Тбит/с [18].

И, наконец, в–третьих, важное свойство оптического волокна – его практическая долговечность. Время сохранения ОВ своих свойств в определенных пределах превышает 25 лет, что позволяет проложить ОВ кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала связи путем модернизации только технических средств.

Обратной стороной применения ОВ при проектировании сетей и систем связи являются высокая стоимость самого кабеля и цены монтажа, пониженная гибкость – изгиб не более 10-20 см радиусом и затрудненность полноценного разветвления сигналов [18]. Но самый главный недостаток оптоволокна – малая прочность. Оптические кабели, несмотря на современные технологии производства, конструкции на практике необычайно хрупкие и, следовательно, чувствительны к физическим деформациям различного рода. Учитывая повсеместное внедрение ОВ при проектировании сетей и систем связи различной топологии и назначения, возникает актуальная задача анализа влияния неоднородностей в структуре ОВ, вызванных физическим воздействием на ОВ, на затухание информационного сигнала в ОВ.

Единственным инструментом, осуществляющим точный количественный анализ характеристик ОВ является рефлектометр, а результат его работы, – рефлектограмма, позволяет определить длину оптического кабеля, местонахождение и качество сварных соединений и оптических коннекторов, зафиксировать наличие и местоположение трещин, макроизгибов, обрывов, измерить потери и отражения на основных событиях, а также измерить суммарные потери на линии [21].

Основные составляющие оптических потерь. ОВ характеризуется двумя основными параметрами: во-первых, затуханием и, во-вторых, дисперсией. Чем ниже величина затухания и дисперсии идущего по ОВ информационного сигнала, тем дальше могут быть расположены повторители и регенераторы этих сигналов.

Потери оптической мощности при распространения сигнала по ОВ называются затуханием, которое определяется отношением оптических мощностей на входе и выходе ОВ.

Для получения численных значений этих величин по решению Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) от 1971 г. применяется логарифмическая шкала по основанию 10. Вследствие этого величина затухания вычисляется в децибелах и определяется по формуле [13]:

,

(1.2)

где – величина затухания;

– оптическая мощность на входе ОВ;

– оптическая мощность на выходе ОВ.

На затухание влияют такие факторы, как: потери на рассеяние; потери на поглощение в материале волокна; поглощение на примесях; кабельные потери. Потери на рассеяние и поглощение называются собственными потерями, в то время как кабельные потери, в силу их природы, называют также дополнительными потерями (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Классификация основных видов потерь в ОВ

Соответственно, полное затухание ОВ определяется по формуле [16, 17]:

где – собственные потери в ОВ;

– кабельные потери в ОВ;

– потери на рассеянии в ОВ;

– потери на поглощении в материале ОВ;

– потери на поглощении примесями в ОВ.

Собственные потери. Рэлеевское рассеяние возникает вследствие рассеяния светового потока на случайных изменениях плотности ОВ. В действительности же плотность стекла не является однородной. В результате этого и возникает рассеяние. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях (рисунок 1.4) [13]. В результате часть света теряется в оболочке. Потери из-за рэлеевского рассеяния зависят от длины волны по закону λ^-4. Поэтому они сильнее проявляются в области коротких длин волн, что и ограничивает нижний предел потерь.

Рисунок 1.4 – Формирование собственных потерь в ОВ

Однако, рассчитать теоретически величину потерь на рассеянии и поглощении в ОВ довольно затруднительно, то при далее для удобства будут использоваться формулы для приближенного расчета. Так, например, потери на рассеянии приближенно могут быть оценены с помощью выражения [20]:

, (1.4)

где – рабочая длина волны;

– показатель преломления материала сердцевины ОВ;

(Дж/К) – постоянная Больцмана;

(К) – температура перехода стекла в твердую фазу;

(м2/н) – коэффициент сжимаемости.

Поглощение в материале ОВ обусловленное свойствами материала и рабочей длиной волны, имеет место при возбуждении в материале электронных переходов и колебательных резонансов, в результате чего энергия света переходит в тепловую. Можно показать, что погонные потери энергии на поглощение в материале ОВ до ИК-области составляют [20]:

, (1.5)

где – потери энергии на поглощение в материале ОВ до ИК-области;

– угол падения светового потока по отношению к оси ОВ.

Потери на поглощение быстро растут в ИК-области. Коэффициент затухания в ИК-области в зависимости от длины волны определяется по формуле:

, (1.6)

где – потери энергии на поглощение в материале ОВ в ИК-области;

(дБм/км) – погонные потери в ИК-области;

(мкм) – коэффициент потерь в ИК-области.

Кабельные потери. Дополнительные потери – обусловлены технологией изготовления, условиями прокладки, хранения, транспортировки и эксплуатации оптических кабелей. Дополнительное (кабельное) затухание рассчитывается как сумма семи составляющих [16]:

, (1.7)

где – затухание вследствие термомеханических воздействий на ОВ при изготовления кабеля;

– затухание вследствие температурной зависимости коэффициента преломления ОВ;

– затухание на микроизгибах ОВ;

– затухание на макроизгибах ОВ;

– затухание вследствие скрутки ОВ вокруг своей оси;

– затухание из-за неравномерности покрытия ОВ;

– затухание вследствие потерь в защитной оболочке ОВ.

Моделирование рефлектограммы оптического волокна со структурными неоднородностями.

Основываясь на анализе влияния неоднородностей в структуре ОВ на характеристики информационного сигнала, проведенном в первой главе, и соответствующих математических выражениях, был разработан алгоритм численного моделирования данных для формирования рефлектограммы ОВ, учитывающий влияние естественного и искусственного затухания сигнала в ОВ, шумов и помех, влияющих на информационный сигнал, а также особенности работы оптического рефлектометра. Блок-схема основных этапов разработанного алгоритма представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 – Алгоритм численного моделирования данных для формирования рефлектограммы ОВ

Р
исунок 2.1 – Алгоритм численного моделирования данных для формирования рефлектограммы ОВ (продолжение)

Рисунок 2.2 – Элементы интерфейса приложения Virtual Reflectometer, предназначенные для ввода данных об ОВ

Приложение, моделирующее рефлектограмму. Разработанный алгоритм численного моделирования данных для формирования рефлектограммы ОВ был реализован в специальном приложении Virtual Reflectometer, написанном на языке программирования C# с помощью фреймворка .NET версии 4.5. Приложение обладает визуальным интуитивно понятным пользовательским интерфейсом, внешний вид которого представлен на рисунке 2.2.

При запуске программы пользователю доступны только поля группы «Параметры», предназначенные для вводы данных о конкретных характеристиках ОВ. Формирование начального массива данных о точках рефлектограммы с учетом рассчитанного затухания в ОВ происходит при нажатии кнопки «Сформировать». До нажатия этой кнопки все остальные элементы формы остаются неактивными.

После формирования начального массива данных у пользователя появляется возможность внести дополнительные данные о величине потерь, отражении и расстоянии до определенных событий, являющихся структурными неоднороностями ОВ, с помощью элементов, расположенных в группах «Начало», «Разъемное соединение», «Сварное соединение», «Изгиб» и «Обрыв». Информация о каждом событии добавляется при нажатии соответствующей кнопки «Добавить» в каждом из блоков.

П
осле ввода всех начальных условий на вкладке «Рефлектограмма» пользователь, нажав на кнопку «Построить», может увидеть построенную рефлектограмму, как например на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Пример рефлектограммы ОВ без структурных неоднородностей

В случае необходимости в масштабировании, возможно задание диапазона рефлктограммы по длине ОВ. Нажатие кнопки «Сохранить» позволяет записать в файл рефлектограмму именно в том виде, в котором она отображается на форме в момент сохранения. Кнопки «Очистить», расположенные на вкладках «Оптоволокно» и «Рефлектограмма» позволят удалить все данные и прейти к формированию новой рефлектограммы без перезапуска приложения.

Результаты моделирования рефлектограммы. Проведем моделирование ОВ в соответствии с тремя вариантами, исходные данные для каждого из которых представлены в таблице 2.1 [10].

Таблица 2.1 – Исходные данные вариантов моделирования ОВ

Характеристики неоднородности		Вариант №1		Вариант №2		Вариант №3
Начало ОВ	Потери, дБм	15	14		13
	Отражение, дБм	9	8		7
Неоднородность №1	Тип неоднородности	Разъем FC	Сварное соединение		Изгиб
	Потери, дБм	0,5	0,3		Радиус 15 мм
	Отражение, дБм	26	0
	Расстояние, м	250	250		250
Неоднородность №2	Тип неоднородности	Разъем SC	Клеевое соединение		Изгиб
	Потери, дБм	0,1	1,5		Радиус 20 мм
	Отражение, дБм	40	0
	Расстояние, м	500	500		500
Неоднородность №3	Тип неоднородности	Разъем E2000	Сварное соединение		Изгиб
	Потери, дБм	0,6	2,8		Радиус 25 мм
	Отражение, дБм	55	0
	Расстояние, м	750	750		750
Конец ОВ	Потери, дБм	16	15		14
	Отражение, дБм	12	11		10

Р
ефлектограммы для заданных случаев при длине ОВ 1000 м, длине волны 1330 нм, диаметре сердцевины ОВ 1 мм, показателе преломления материала, из которого изготовлена сердцевина ОВ 1,54 представлены на рисунках 2.4 – 2.6.

Р

исунок 2.4 – Рефлектограмма для исходных данных согласно варианту №1

Р
исунок 2.5 – Рефлектограмма для исходных данных согласно варианту №2
Рисунок 2.6 – Рефлектограмма для исходных данных согласно варианту №3

Р
еалистичности построенной рефлектограмме добавляет автоматически генерируемый шум на конце (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 – Увеличенная область шума на рефлектограмме, вызванная обрывом ОВ
По результатам работы получены следующие научные результаты:

1) Исследовано влияние неоднородностей различных видов, таких как примеси, изгибы, скрутки, механические соединители, клеевые и сварочные соединения на характеристики ОВ.

2) Разработан алгоритм моделирования рефлектограмм ОВ, содержащих структурные неоднородности, который реализован в специальном приложении Virtual Reflectometer с графическим интерфейсом пользователя.

3) Проведено моделирование рефлектограммы ОВ с тремя типами различных неоднородностей.

Таким образом достигнута главная цель работы – проведено комплексное моделирование рефлектограммы ОВ с неоднородностями в структуре.

Полученные результаты могут быть использованы при проведении практических и лабораторных работ при подготовке специалистов, чья профессиональная деятельность будет связана с проектированием, монтажом и эксплуатацией волоконно-оптических линий связи, в том числе в защищенном исполнении.

Литература:

1. 
   Андрушко, Л. М. Волоконно-оптические линии связи / Л. М. Андрушко, И. И. Гроднев, И. П. Панфилов. – М.: Радио и связь, 1989. – С. 57–61.
   
2. 
   Бейли, Д. Волоконная оптика: теория и практика / Д. Бэйли, Э. Райт. – М.: Кудиц-Образ, 2006. — 320 с.
   
3. 
   Белкин, М. Е. Компоненты волоконно-оптических систем / М. Е. Белкин. - М.: МИРЭА, 2010. — 112 с.
   
4. 
   Бутусов, М. М. Волоконная оптика и приборостроение / М. М. Бутусов, С. Л. Галкин, С. П. Ороинский. – Л.: Машиностроение, 1987. — 328 с.
   
5. 
   Виноградов, В. В. Волоконно-оптические линии связи / В. В. Виноградов, В. К. Котов, В. Н. Нуприк. – М.: Желдориздат, 2002. – 278 с.
   
6. 
   Горлов, Н. И. Волоконно-оптические линии передачи. Методы и средства измерений параметров / Н. И. Горлов, И. В. Богачков. – М.: Радиотехника, 2009. – 192 с.
   
7. 
   Гроднев, И. И. Линии связи / И. И. Гроднев, С. М. Верник. – М.: Радио и связь, 1988. – 544 с.
   
8. 
   Гуртов, В. А. Оптоэлектроника и волоконная оптика / В. А. Гуртов. –Петрозаводск: ПетрГУ, 2005.-238 с.
   
9. 
   Дмитриев, С. А. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы / С. А. Дмитриев, Н. Н. Слепов. – М.: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005. - 576 с.
   
10. 
    Зубилевич, А. Л. Потери в соединениях оптических волокон / А. Л. Зубилевич, В. А. Колесников, А. В. Труханов // Технологии информационного общества. – 2013. – № 8. – С. 51-53.
    
11. 
    Иванов, А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения / А. Б. Иванов. – М.: Компания «Сайрус системс», 1999. – 663 с.
    
12. 
    Иволгин, В. Б. Волоконно-оптические линии связи: измерение параметров оптических волокон / В. Б. Иволгин, А. П. Коханенко. – Томск: ТГУ, 2001. – 30 с.
    
13. 
    Нойкин, Ю. М. Физические основы оптической связи / Ю. М. Нойкин, П.В. Пахно. - Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2011. – 212 с.
    
14. 
    Листвин, А. В. Оптические волокна для линий связи / А. В. Листвин, В. Н. Листвин, Д. В. Швырков. – М.: ЛЕСАРарт, 2003. – 288 с.
    
15. 
    Савин, Е. З. Волоконно-оптические направляющие среды / Е.З. Савин. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004 – 118 с.
    
16. 
    Семенов, Н. А. Оптические кабели связи: Теория и расчет / Н. А. Семенов. – М.: Радио и связь, 1981. — 152 с.
    
17. 
    Сергеев, А. Потери в волоконно-оптическом кабеле. Приборы и методы измерений / А. Сергеев // Алгоритм Безопасности. – 2006. – № 1. – С. 12-16.
    
18. 
    Скляров, О. К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы / О. К. Скляров. – М.: СОЛОН - Р, 2001. - 237 с.
    
19. 
    Стерлинг, Д. Техническое руководство по волоконной оптике / Д. Стерлинг. – М.: Лори, 1998. — 195 с.
    
20. 
    Цуканов, В. Н. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство / В. Н. Цуканов, М. Я. Яковлев. – М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 304 с.
    
21. 
    Явелов, И. С. Волоконно-оптические измерительные системы. Прикладные задачи / И. С. Явелов, С. М. Каплунов, Г. Л. Даниелян. – М. ; Ижевск : Регулярная и хаотическая динамика : Институт компьютерных исследований, 2010. - 304 с.