Анализ основных зарактеристик рефлектометра_Статья. Токарева_ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК. Удк 621. 372. 8 Анализ основных характеристик оптических рефлектометров
 Скачать 0.99 Mb.
|
УДК 621.372.8 Анализ основных характеристик оптических рефлектометров Токарева И.А. В статье приводятся основные характеристики оптических рефлектометров, методы и формулы для их расчёта, анализ выбора оптимального соотношения между ними. Ключевые слова: оптический рефлектометр, динамический диапазон, мертвые зоны, пространственная разрешающая способность, дальность обнаружения неоднородности, погрешность измерения расстояния, погрешность измерения затухания. 1. Введение Сети на базе волоконно-оптического кабеля строятся сегодня повсеместно. При вводе в эксплуатацию новых, а также при диагностике уже существующих сетей применяют оптические рефлектометры (OTDR). Оптический рефлектометр – это единственный инструмент, способный не только обнаружить неисправность в оптической линии, но и указать ее местоположение. Результатом работы профессионального OTDR является специальный график – рефлектограмма. Для правильной расшифровки рефлектограммы необходимо верно установить исходные параметры. 2. Постановка задачи Для установки требуемых во время измерения параметров проанализируем основные характеристики оптического рефлектометра, установим взаимосвязь между ними и проведём расчёт по формулам с отображением на графиках. 3. Основная часть Динамический диапазон. Динамический диапазон оптического рефлектометра определяет, какую длину волокна он может измерить. Диапазон выражается в децибелах, причем, чем больше значение диапазона, тем больше длина волокна, которое можно измерить. Динамический диапазон зависит как от полной импульсной мощности лазерного источника света, так и от чувствительности измерителя: очень мощный источник света и чувствительный измеритель обеспечат большой динамический диапазон и наоборот [1]. Динамический диапазон оптического рефлектометра определяется как разность между уровнем обратного рассеяния на ближнем конце волокна и верхним уровнем среднего значения шума у конца волокна или после него м и] в соответствии с формулой , 0 NOIS S dB P P D (1) где 0 S P – уровень обратного рассеяния на ближнем конце волокна; NOIS P – уровень шумов. Увеличение полной выходной импульсной мощности лазерного источника может быть осуществлено двумя способами: увеличением абсолютного количества излучаемой световой энергии или увеличением длительности импульса. У каждого способа есть свой предел. Увеличение длительности импульса затрагивает другие рабочие характеристики, такие‚ как «мертвая зона»: чем больше длительность импульса, тем длиннее «мертвые зоны». Имеется несколько различных способов расчета динамического диапазона. Упомянутый выше метод, рекомендуемый многими ведущими организациями, называется «методом определения 98% уровня шума». При применении этого метода определяется точка, в которой уровень обратного рассеяния только начинает смешиваться с уровнем шума в приборе. Другой общепринятый метод называется «SNR =1» (SNR – это отношение «сигнал–шум»). Он аналогичен методу 98%-ного уровня шума, но увеличивает значение динамического диапазона примерно на 2–3 децибела. При использовании метода "SNR=1" определяется точка, у которой уровень обратного рассеяния рефлектограммы идет вниз и опускается ниже уровня внутреннего шума рефлектометра. Это означает, что‚ возможно‚ вы окажетесь не в состоянии получить от рефлектограммы подробные данные о конце волокна. Третий метод называется «Обнаружением френелевского отражения». Он может увеличить значение динамического диапазона на 10 и более децибел. При использовании этого метода производится измерение точки, в которой пик френелевского отражения в конце волокна можно обнаружить сразу же над уровнем шума. Этот метод дает самое большое значение динамического диапазона, но в то же время он вводит в заблуждение, поскольку не связан с тем, как рефлектометр работает в обычном режиме. Рассмотренные критерии оценки динамического диапазона иллюстрируются рисунком 1. Рис. 1. Критерии оценки динамического диапазона «Мертвые зоны». «Мертвые зоны» всегда связаны с наличием отражений и вызваны насыщением приемника OTDR при поступлении на его вход отраженного сигнала высокого уровня, т.к. в этом случае ему потребуется некоторое время для восстановления чувствительности после подобной перегрузки, а это приведет к потере информации после насыщения. Как результат, определенный сегмент волокна оказывается исключенным из процесса тестирования. Поскольку «мертвая зона» непосредственно связана с длительностью импульса, то ее можно уменьшить, сократив длительность импульса. Но сокращение длительности импульса означает уменьшение динамического диапазона. В конструкции любого рефлектометра должен найти отражение компромисс между этими двумя характеристиками. «Мертвые зоны» появляются на рефлектограмме волокна во всех случаях, когда в волокне использованы разъемы, а также при наличии в волокне некоторых дефектов (таких‚ как трещины). В каждом волокне имеется, по крайней мере, одна «мертвая зона»: в том месте, где оно присоединено к рефлектометру. Это означает, что в начале тестируемого волокна имеется участок, в котором нельзя производить никаких измерений. Этот участок имеет непосредственное отношение к длительности импульса лазерного источника. Обычно импульсы у оптических рефлектометров имеют длительность от 3 до 20 000 нс. При переводе в расстояние это означает от 60 см до почти 2 км. Поэтому, если необходимо получить характеристику той части волокна‚ которая находится рядом с ближним концом или если необходимо измерить два события (неоднородности) на рефлектограмме‚ находящиеся друг от друга на расстоянии менее 30 м‚ то необходимо выбрать самую короткую из возможных длительностей импульса‚ при которой вы сможете добраться до той точки‚ которую необходимо измерить [2]. Рассчитаем зависимость «мертвой зоны» от длительности зондирующего импульса при разных значениях коэффициента преломления. 1 0 2n t c l МЗ , (2) где 0 c – скорость света в свободном пространстве; t – длительность зондирующего импульса, излучаемого лазером; 1 n – действительный показатель преломления ОВ. Пример расчета «мертвой зоны» при значении коэффициента преломления 1,5 и длительности зондирующего импульса 20 нс: м l МЗ 2 999 , 1 5 , 1 2 10 20 10 998 , 2 9 8 Результаты расчета «мертвой зоны» при длительности зондирующего импульса 20 нс при разных значениях коэффициента преломления сведены в таблицу 1. Табл. 1. Результаты расчета «мертвой зоны» при длительности импульса 20 нс Коэффициент преломления 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 1,99 Величина «мертвой зоны», м 3,00 2,73 2,50 2,31 2,14 2,00 1,87 1,76 1,67 1,58 1,51 Результаты расчета «мертвой зоны» при длительности зондирующего импульса 100 нс при разных значениях коэффициента преломления сведены в таблицу 2 и представлены на рисунке 2. Табл. 2. Результаты расчета «мертвой зоны» при длительности импульса 100 нс Коэффициент преломления 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 1,99 Величина «мертвой зоны», м 14,99 13,63 12,49 11,53 10,71 9,99 9,37 8,82 8,33 7,89 7,53 Рис. 2. Зависимости «мертвой зоны» от длительности зондирующего импульса при разных значениях коэффициента преломления Результаты расчетов «мертвой зоны» соответствуют ожидаемым, и наглядно доказывают, увеличение длительности импульса значительно увеличивает величину «мертвой зоны». Данные расчеты также указывают о необходимости установки как можно более точного значения показателя преломления ОВ, которое приводится в справочных данных оптических кабелей. Среднее значение группового показателя преломления одномодового волокна: 467 , 1 g n Мертвые зоны можно разделить на две категории: «мертвые зоны» события (неоднородности) и «мертвые зоны» затухания. «Мертвая зона» события (называемая также мертвой зоной отражения) – это расстояние от одного френелевского отражения до другого френелевского отражения‚ которое можно обнаружить. Такая «мертвая зона» говорит о том, когда после какого-либо отражения (обычно от разъема у рефлектометра) можно обнаружить отражение от обрыва или от оптоволоконного соединения [1]. «Мертвая зона» затухания – это расстояние от какого-либо френелевского отражения до того места‚ где можно обнаружить обратное рассеяние. В этом случае можно получить информацию о том‚ как скоро после отражения можно измерить второе событие‚ такую‚ как сварное соединение (оптоволоконный стык) или дефект волокна. Рассматриваемые «мертвые зоны» представлены графически на рисунках 3 и 4. Рис. 3. «Мертвая зона» события («мертвая зона» отражения) Рис. 4. «Мертвая зона» затухания Коэффициент отражения оказывает существенное влияние на «мертвую зону». Обычно, чем меньше отражение, тем меньше значение «мертвой зоны». Сравнивая различные типы рефлектометров, важно знать, какое значение коэффициента отражения использовалось для оценки «мертвой зоны». Большинство поставщиков используют значение коэффициента отражения -55 дБ на одномодовом волокне [2]. Пространственная разрешающая способность. Как и «мертвая зона» отражения, пространственная разрешающая способность характеризует возможность рефлектометра различить два события. Но если в определении «мертвой зоны» отражения рассматриваются два отражающих события, то пространственная разрешающая способность характеризует способность различать поглощающее событие на фоне отражающего. Пространственная разрешающая способность вблизи входного торца определяется как минимальное расстояние, на котором рефлектометр позволяет обнаружить и измерить поглощающее событие (например, сварное соединение). Имеются две разновидности разрешающей способности: пространственная (расстояние) и по потерям (уровень). Разрешающая способность по потерям (по затуханию)– это способность измерителя различать воспринимаемые им уровни мощности. Большинство рефлектометров могут выводить на экран дисплея разность между уровнями обратного рассеяния вплоть до 0‚001 дБ. По мере распространения лазерного импульса по волокну соответствующие сигналы обратного рассеяния становятся все слабее, а разница между уровнями обратного рассеяния в двух смежных точках измерения становятся все больше. Таким образом, чем дальше импульс распространяется по волокну от рефлектометра, тем относительно больше (по сравнению с частью волокна‚ примыкающей к рефлектометру) становится расстояние по вертикали между точками с результатами измерений‚ образующими рефлектограмму. Это приводит к тому, что ближе к концу всего волокна рефлектограмма становится зашумленной и для своего выравнивания нуждается в усреднении множества результатов измерения импульсов. Шум на рефлектограмме может лишить возможности обнаруживать или измерять оптоволоконные соединения и дефекты с низкими потерями [2]. Пространственная разрешающая способность (разрешение порасстоянию)– это параметр, определяющий‚ насколько близко друг к другу по времени (и‚ соответственно‚ по расстоянию) находятся отдельные точки с результатами измерений‚ образующие рефлектограмму. Эта способность выражается в единицах расстояния. В первом приближении пространственная разрешающая способность l зависит от длительности импульса t , излучаемого лазером, и ширины полосы пропускания усилителя f , ) / 1 ( ) ( 2 2 2 f t n c l (3) где c – скорость распространения световой волны в волокне; n – коэффициент преломления; t – длительность импульса в тракте; f – ширина полосы пропускания усилителя. В стандартном режиме МГц f 3 . В режиме максимального разрешения МГц f 30 При расчетах следует учесть влияние дисперсии на ширину импульса. Ширина импульса в тракте вычисляется по формуле: , 2 2 вх u вых u t t (4) где вх u t – длительность импульса, излучаемого лазером; – результирующая дисперсия. Согласно рекомендации МСЭ-Т G.652 коэффициент дисперсии в интервале длин волн (1525-1575) нм составляет не более 18 пс/нм км. Результирующая дисперсия вычисляется в форме , l уд (5) где уд – паспортное значение дисперсии, пс/нм·км; – ширина спектральной линии источника излучения, в расчетах принята равной 0,5 нм; l – длина оптического тракта, км. Произведем расчет результирующей дисперсии по формуле (5) пс 720 80 5 , 0 18 Пример расчета ширины импульса в тракте при длительности зондирующего импульса 100 нс: нс , t вых u 00259 100 10 2 , 7 10 2 10 2 7 Пример расчета пространственной разрешающей способности при длительности зондирующего импульса 100 нс: км м , , , Δl - 0356 , 0 56 , 35 10 3 1 10 00259 100 467 1 2 10 998 2 2 6 2 9 8 Результаты расчета пространственной разрешающей способности в зависимости от длины оптического тракта, в расчетах принятой 80 км при разных длительностях зондирующего импульса сведены в таблицу 3. Табл. 3. Результаты расчета пространственной разрешающей способности Длительность зондирующего импульса, излучаемого лазером, нс 100 1000 10000 20000 Разрешение по расстоянию, м 35,56 107,71 1022,38 2043,91 Результаты расчета доказывают, чем меньше длительность зондирующего импульса, тем точнее результаты измерений. С приведенными в расчетах длительностями зондирующих импульсов разрешающая способность по расстоянию низкая. Разрешающая способность по расстоянию оказывает влияние на способность рефлектометра определять местонахождение конца всего волокна: если точки измерений находятся друг от друга на расстоянии 8 м‚ то конец волокна может быть определен лишь с точностью ±8 м [2]. Дальность обнаружения неоднородности. Основной задачей рефлектометра является определение расстояний до неоднородностей в оптическом волокне, измерение которых заключается в определении времени распространения оптического излучения в прямом и обратном направлениях. При этом групповая скорость распространения оптического импульса определяется известным выражением. , b n c V г (6) где c – скорость распространения световой волны в волокне; п – коэффициент преломления; b – постоянная распространения. Как видно из данного выражения, г V зависит от показателя преломления среды, равного 1,5 для большинства кремниевых волокон. Такое значение п обеспечивает скорость распространения нс м V г / 2 , 0 . Так как точность измерения расстояния зависит от точности измерения времени t и правильного задания при измерениях значения n , / / / n n t t l l (7) максимально возможное расстояние, которое может контролировать OTDR с заданной точностью при заданной длительности тестирующих импульсов, будет равно n t t n t n l l , (8) где Δl – пространственная разрешающая способность OTDR; n – показатель преломления по оси сердцевины волокна; t – время усреднения сигнала; Δn – погрешность указания показателя преломления; Δt – длительность импульса. Используя выражение для разрешающей способности (3), окончательно дальность обнаружения неоднородности можно определить в виде n t t n f t t с l 2 2 ) / 1 ( ) ( 2 , (9) Рассчитаем зависимость дальности обнаружения неоднородностей от абсолютной погрешности измерения при разных длительностях зондирующего импульса. В расчетах использованы следующие параметры: МГц f 3 ; 467 , 1 n ; 001 , 0 n ; мс t 2 Пример расчета дальности обнаружения неоднородностей при длительности зондирующего импульса 100 нс: км l - - 6 , 48 001 , 0 002 , 0 10 100 467 , 1 10 3 1 10 100 2 002 , 0 10 998 , 2 9 2 6 2 9 8 Результаты расчета зависимости дальности обнаружения неоднородностей от абсолютной погрешности измерения при разных длительностях зондирующего импульса представлены в таблице 4. Табл. 4. Результаты расчета дальности обнаружения неоднородностей Длительность зондирующего импульса, излучаемого лазером, нс 100 1000 10000 20000 Максимальное расстояние до обнаружения неоднородности, км 48,6 91,1 179,9 191,3 Результаты расчётов соответствуют ожидаемым и показывают прямую зависимость дальности обнаружения неоднородностей от длительности зондирующего импульса. Погрешность измерения расстояния. Погрешность измерения расстояний оптического рефлектометра зависит от трех факторов: стабильности тактовой частоты; шага точек измерений; неопределенности показателя преломления. Погрешность измерения расстояний зависит также от стабильности и точности схемы синхронизации, которая определяет время подачи импульсов и длительность интервалов между выборкой показаний измерителя. Влияет на погрешность измерений и пространственная разрешающая способность. Оптический рефлектометр может точно измерять расстояния только исходя из точек измерений, которые он использует. Чем ближе друг к другу расположены эти точки‚ тем больше вероятность того‚ что одна из них окажется около какого-либо повреждения волокна или прямо на нем [2]. Погрешность измерения затухания. Затухание рассчитывается рефлектометром косвенно по величине сигнала обратного рассеяния. Изменение коэффициента обратного рассеяния может приводить к ошибкам измерений, не связанным с техническими характеристиками рефлектометра. Поэтому погрешность измерения затухания целесообразно специфицировать для поглощающих событий и для отрезков однородного волокна. Ошибки измерений возникают из-за наличия шумов преобразователя и случайных ошибок измерителя, а также из-за нелинейности характеристик фотоприемника, предусилителя и амперметра (вольтметра).Точность любого оптического измерителя зависит от того‚ насколько близко Предполагается, что оптические рефлектометры должны поддерживать приемлемую точность в весьма широких диапазонах измерений – некоторые рефлектометры охватывают диапазоны уровней обратного рассеяния, превышающие 40 дБ. Пределы допускаемой абсолютной погрешности при измерении затухания указываются в паспортной документации рефлектометров. 4. Заключение Правильно подобранные параметры основных характеристик оптических рефлектометров в процессе тестирования оптического волокна существенно снижают погрешности, которые могут возникнуть при измерении оптического волокна. Литература 1. И.В.Богачков, Н.И. Горлов. Импульсно-рефлектометрические методы измерения параметров волоконно-оптических линий передачи: монограф. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.-136с. 2. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи измерения – М: Компания САЙРУС – СИСТЕМС, 1999г. – 672с.: ил. Токарева Ирина Александровна аспирант кафедры Линий связи СибГУТИ (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86), тел. (383) 2-269-82-53, e-mail: tia@inbox.ru |