Рефлектрометрические измерения параметров ВОЛС

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

Как показала практика строительства, монтажа и эксплуатации современных сетей связи наиболее трудоемким является определение параметров передачи направляющих систем, используемых в качестве элементов тракта передачи.

Оптический рефлектометр — кратко «ОТДР» — это электронно-оптический измерительный прибор, использующийся для получения характеристики оптического волокна. Он находит дефекты, повреждения и определяет величину потери в любой точке оптического волокна. Единственное, что нужно ОТДР для произведения замеров — это подключение к одному концу волокна. ОТДР проводит тысячи измерений волокна. Точки данных измерений рассматриваются между 0, 5 м и 16 м по отдельности. Точки данных изображаются на экране в виде линии, идущей слева направо, где по горизонтальной шкале нанесено расстояние, по вертикальной шкале — уровень сигнала. Путем выбора любых двух точек данных двигающимися курсорами оператор может снять данные о расстоянии и уровнях соответствующих сигналов между ними.

Применение ОТДР. Рефлектометры широко используются на всех стадиях измерения ВОЛС, от строительства до эксплуатации, при определении места повреждения и восстановлении. ОТДР используется для:

— измерения потерь между концами при приемке и сдаче в эксплуатацию системы;

— измерения потерь участка (отдельных катушек) при очередной проверке и контроле характеристик;

- измерения потерь при сварке — как механической, так и в результате плавления — на этапах монтажа, строительства и восстановительных работ;

— измерения отражательной способности соединителей и механических сварок на КТВ, синхронной сети оптической связи (SONET) и других аналоговых и высокоскоростных цифровых систем, где отражение должно быть сведено к минимуму;

— определения местонахождения разрывов и дефектов волокна;

— определения оптимального варианта совмещения волокон при сварке.

Принцип работы ОТДР. Оптический рефлектометр использует эффект Рэлеевского рассеивания и отражения Френеля для измерения характеристик ОВ. Путем подачи импульса света («optical» в ОТДР) по волокну, измерения времени прохождения («time domain» в ОТДР) и силы отражения («reflectometer» в ОТДР) в точках внутри волокна он вычерчивает траекторию характеристик («trace») расстояния по отношению к уровню отраженного сигнала на дисплее.

Траектория может быть сразу же проанализирована, напечатана для анализа в будущем. Обученный оператор может точно определить, где находится другой конец волокна, местонахождение и потери на сварке, потери всего волокна.

Рэлеевское рассеивание . При прохождении светового импульса по волокну часть импульса сталкивается с микроскопическими частицами (так называемыми частицами легирующей присадки) в волокне и рассеивается во всех направлениях. Это и называется Рэлеевским рассеиванием. Некоторая часть света около (0, 0001%) рассеивается обратно, в противоположном направлении и называется обратным рассеиванием. А поскольку эти частицы распределены однородно по всему ОВ, в силу технологических процессов, этот эффект рассеивания происходит по всей длине. Рэлеевское рассеивание — это основной фактор потерь в волокне. При более длинных световых волнах происходит меньшее рассеивание, чем при коротких длинах волн. Например, свет в 1500 нм теряет от 0, 2 до 0, 3 дБ на километр (дБ/км) волокна при Рэлеевском рассеивании, тогда как свет в 850 нм теряет от 4, 0 до 6, 0 дБ/км при рассеивании. Повышенная плотность легирующей присадки в волокне также приведет к большему рассеиванию и, тем самым, к более высокому уровню затухания на километр. ОТДР может измерить уровень обратного рассеивания с большой точностью и использовать его для обнаружения небольших изменений в характеристиках волокна в любой точке по всей его длине.

Отражение Френеля . При прохождении по материалу (такому, как ОВ) свет сталкивается с материалом другой плотности (таким, как воздух), некоторая часть света — до 4% — отражается обратно, в сторону источника света, в то время как остальная часть света проходит дальше. Такие изменения в плотности встречаются на концах волокон, на обрывах волокон и (иногда) в местах сварки.

Уровень обратного рассеивания по отношению к потерям при передаче. Несмотря на то, что ОТДР измеряет только уровень обратного рассеивания, а не уровень переданного света, существует очень тесная взаимосвязь между уровнем обратного рассеивания и уровнем переданного импульса: обратное рассеивание — это постоянный процент переданного света. Если количество передающегося света резко спадет с точки А на точку В (что может быть вызвано резким изгибом, сваркой или дефектом), то соответственно рассеивание от точки А до точки В изменится на ту же величину. Те же самые факторы потерь, понижающие уровни передающегося импульса, проявятся в виде пониженного уровня рассеивания от импульса.

Структурная схема ОТДР. ОТДР состоит из источника лазерного излучения, оптического сенсора, блока сопряжения/распределения, дисплея и блока управления, (рисунок 12.9).

Рисунок 12.9 - Структурная схема рефлектометра

Источник лазерного излучения. Лазер посылает импульсы света по команде блока управления. Длительность импульса может быть выбрана оператором в зависимости от условий измерений. Свет проходит через блок сопряжения/распределения на измеряемое волокно. Некоторые рефлектометры имеют два лазера для измерения волокна с помощью двух различных длин волн. Два лазера не работают одновременно. Оператор может легко переключиться на другой, путем простого нажатия кнопки.

Блок сопряжения/распределения. Блок сопряжения/распределения имеет три гнезда: одно — на источник, другое — на тестируемое волокно, третье — на сенсор. Это устройство распределяет свет в следующих направлениях: от лазерного излучателя к тестируемому волокну и от волокна к сенсору. Свет не может проходить прямо от источника в сенсор. Таким образом, импульсы с излучателя поступают в тестируемое волокно, а обратное рассеивание и френелевское отражение направляются в сенсор.

Блок оптического сенсора. Сенсор — это фотодетектор, измеряющий уровень мощности света, идущего с тестируемого волокна. Он преобразует оптическую мощность света в соответствующий электрический уровень — чем выше оптическая мощность, тем выше выходной электрический уровень. Конструкция сенсоров ОТДР позволяет измерять крайне низкий уровень света при обратном рассеивании. В блок датчика входит электрический усилитель для дальнейшего усиления уровня электрического сигнала.

Мощность отражения Френеля примерно в 40000 раз выше, чем мощность обратного рассеивания и больше того, что может измерить сенсор — она перегружает его, приводя к насыщению. Выходной электрический уровень впоследствии «срезается» до максимального выходного уровня сенсора. Поэтому, когда бы контрольный импульс ни наталкивался на конец волокна — будь то у механической сварки или у конца волокна — он вызывает «слепоту» сенсора во время импульса. Такой слепой период известен под названием «мертвая зона».

Блок управления. Блок управления — это мозг ОТДР. Он сообщает лазеру, когда давать импульс; он получает уровни мощности от сенсора; он высчитывает расстояние до точек рассеивания и отражения в волокне; сохраняет отдельные данные; посылает информацию на дисплей. Основной компонент блока управления — это очень точная синхронизируемая схема, которая используется для точного измерения временной разницы между посылкой лазером импульса и приемом сенсором возвращенного света. Путем умножения времени, за которое импульс проходит круг, на скорость света в волокне (она равна скорости света в открытом пространстве с поправкой на коэффициент преломления) вычисляется расстояние всего круга. Расстояние от ОТДР до точки (в одном направлении) — это просто половина двойного расстояния, пройденного оптическим импульсом.

Когда блок управления собрал все точки данных, он выносит информацию на дисплей в виде кривой. Первая точка данных высвечивается с левого конца кривой, как начальная точка волокна. Ее вертикальная позиция основана на ее уровне мощности возвращенного сигнала: чем выше мощность, тем выше расположение кривой на экране. Следующие точки данных размещаются правее. В результате кривая вычерчивается в виде наклонной линии, идущей с верхнего левого угла по направлению к нижнему правому. Наклон линии показывает значение потерь на единицу длины (дБ/км). Резкие наклоны обозначают большее значение километрического затухания. Точки данных, относящиеся к уровню обратного рассеивания, составляют линию. Отражение Френеля выглядит в виде резкого подъема над уровнем обратного рассеивания. Внезапный скачок подъема или спуска уровня обратного рассеивания показывает «точку потерь», что говорит либо о месте сварки, либо о точке механического воздействия на волокно, в которой свет выходит наружу.

Блок дисплея. Это экран ЭЛТ, показывающий точки данных, составляющие траекторию волокна, а также установленный режим и результаты измерении. Большинство дисплеев ОТДР соединяет точки данных линией, что позволяет лучше представить себе всю траекторию. Оператор может работать с курсорами на экране для выбора любой точки данных на траектории волокна. Когда курсор находится на какой-либо точке данных, на экране высвечивается расстояние до этой точки. ОТДР с двумя курсорами покажет расстояние до каждого курсора и разницу в уровне обратного рассеивания между ними. Оператор может выбрать тип измерений, производимых курсорами, такой как потери в двух точках, километрическое затухание, потери на сварке и отражательная способность. Результаты измерений выводятся на дисплей [14].

Характеристики ОТДР

Динамический диапазон ОТДР определяет, какой длины волокно может быть измерено. Он измеряется в дицибелах — чем больше его значение, тем большее расстояние способен измерить рефлектометр. Контрольный импульс должен быть достаточно сильным, чтобы достичь конца тестируемого волокна, а сенсор должен быть достаточно хорошим, чтобы измерить самые слабые сигналы обратного рассеивания, поступающие с другого конца волокна. Комбинация всей импульсной мощности лазерного излучателя и чувствительности- сенсора определяет динамический диапазон: очень мощный источник и чувствительный сенсор дадут большой динамический диапазон, в то время как более слабый излучатель и сенсор средней чувствительности дадут низкий динамический диапазон.

Динамический диапазон для ОТДР определяется разницей между уровнем обратного рассеивания на ближнем конце волокна и верхней границей среднего уровня шумов у конца волокна или за ним. Большой динамический диапазон произведет чистые и ровные показания уровня обратного рассеивания у удаленного конца волокна. Маленький динамический диапазон произведет неровную траекторию на дальнем конце — точки данных, составляющие кривую уровня обратного рассеивания не построят плавную линию, а будут скачки вверх и вниз с одной точки к другой. Детали такой траектории трудно читаются. Увеличение всей выходной мощности импульса лазерного излучателя может быть выполнено двумя способами: увеличить количество излучаемого света или увеличить длительность импульса. Существуют ограничения на каждый из этих способов.

Лазерный диод имеет естественный максимальный выходной уровень, который не может быть превышен. Также высокий выходной уровень сокращает продолжительность работы лазера — он может быстрее «выгореть».

При увеличении длительности импульса происходит увеличение динамического диапазона. Расширение диапазона измерений возможно за счет использования процедуры усреднения, рисунок 12.10.

Рисунок 12.10 – Динамический диапазон оптического рефлектометра

Мертвая зона относится к месту на траектории волокна, следующему за Френелевским отражением, в котором высокий возвратный уровень отражения перекрывает низкий уровень обратного рассеивания. Конструкция сенсора ОТДР позволяет измерять низкие уровни обратного рассеивания с волокна и делает его «слепым» при большем Френелевском отражении. Этот «слепой» период длится столько же, сколько и длительность импульса.

Когда сенсор принимает высокий уровень отражения, он насыщается и уже не способен измерять низкие уровни обратного рассеивания, которые могут следовать непосредственно за отражательным событием. Мертвая зона включает в себя длительность отражения плюс время восстановления сенсора до максимальной чувствительности. Сенсоры высокого качества восстанавливаются быстрее, чем более дешевые, что сокращает их мертвые зоны. Эффект мертвой зоны может быть проиллюстрирован (рисунок 12.11) тем, что происходит в то время, когда вы смотрите на звездное небо: если нет поблизости другого света, ваши глаза становятся чувствительными и вы способны увидеть очень тусклые звезды (сравним с обратным рассеиванием). Если кто-нибудь затем наведет фонарик вам в глаза, яркий, подавляющий свет (подобно отражению Френеля) ослепляет вас и вы больше не способны увидеть звезды. Вы ничего не сможете увидеть, кроме яркого света до тех пор, пока он у вас в глазах (длительность импульса). После того, как свет убран, ваши глаза медленно привыкают к темноте, становясь более чувствительными и вы снова способны видеть низкий световой уровень звезд. Сенсор ОТДР действует так же, как наши глаза в этом примере. Период слепоты и восстановления к чувствительности обратного рассеивания является мертвой зоной.

Рисунок 12.11 - Определение мертвых зон

Поскольку мертвая зона напрямую связана с длительностью импульса, она может быть уменьшена сокращением длительности импульса. Но сокращение длительности импульса уменьшает динамический диапазон. Конструкция ОТДР должна найти компромисс между этими двумя характеристиками. Пользователь ОТДР также должен выбрать длительность импульса в зависимости от того, что важно ему увидеть: близко расположенные события или просмотреть волокно дальше.

Важность мертвых зон. Мертвые зоны возникают по всей длине волокна везде, где есть волоконный соединитель и некоторые дефекты в волокне, такие как трещины. В каждом волокне всегда есть, по крайней мере, одна мертвая зона: там, где оно подсоединено к ОТДР. Это означает, что есть промежуток в самом начале тестируемого волокна, где нельзя сделать измерения. Этот промежуток непосредственно связан с длительностью импульса лазерного излучателя. Обычные длительности импульса в диапазонах ОТДР составляют от 10 нм (наносекунды — миллиардные доли секунды) до 10000 нс. В расстояниях это выражается от двух метров до 1, 5 и более километров. Если вам нужно дать характеристику волокна, которое расположено с ближнего конца, вам нужно выбрать самую короткую, по возможности, длительность импульса. Мертвые зоны характеризуются как мертвые зоны события или мертвые зоны затухания. Мертвая зона — это расстояние после отражения Френеля до возможного следующего за ним отражения Френеля. Мертвая зона затухания — это расстояние после отражения Френеля до уровня обратного рассеивания. Мертвые зоны события всегда короче мертвых зон затухания. На рисунке 12.11 показано, как измеряются две мертвые зоны.

Существуют две характеристики разрешающей способности:

пространственная (расстояние) и потерь (уровень).

Разрешающая способность потерь — это способность сенсора различать уровни принимаемой мощности. Большинство сенсоров ОТДР способны показывать разницу до 0, 01 дБ в уровне обратного рассеивания. Эту характеристику не нужно путать с точностью уровня, о которой пойдет речь позднее. По мере удаления лазерного импульса, соответствующий сигнал обратного рассеивания становится слабее и разница между двумя уровнями обратного рассеивания с двух соседних точек измерения — или с двух измерений одной и той же точки — становится больше. Таким образом, точки данных, составляющие траекторию и находящиеся на удалении, делают ее более вертикальной, чем те, что находятся близко к рефлектометру. Это производит «зашумленную» траекторию на конце и требует некоторого усреднения импульсов измерения для того, чтобы сгладить ее. «Шум» в траектории может помешать в распознавании или измерении сварок с низкими потерями или дефектов с низкими потерями.

Пространственная разрешающая способность показывает то, как близко точки, составляющие траекторию, распределены во времени (и соотносятся в расстоянии). Она измеряется в единицах длины — высокая разрешающая способность — в 0, 5 м и низкая разрешающая способность — от 4 до 16 м. Блок управления ОТДР берет показания с сенсора о точках данных в одинаковые промежутки времени. Если он часто снимает показания с сенсора, это означает, что точки данных распределены плотно друг к другу и ОТДР может распознать плотно расположенные события в волокне. Способность ОТДР распознать конец волокна определяется пространственной разрешающей способностью: если он снимает точки данных каждые восемь метров, тогда он сможет распознать конец волокна с точностью ±8 метров. Оператор может выбрать и измерить расстояние и потери между любыми двумя точками данных. Те, которые расположены ближе, предоставят более детальную информацию. ОТДР изображает траекторию волокна в виде линии, соединяющей точки данных, и позволяет оператору помещать курсор как между точками, так и в точках. Такая интерполяция информации дает лучшую разрешающую способность дисплея, чем общая пространственная разрешающая способность (или точки данных).

Пространственная разрешающая способность сокращается в определенных местах мертвой зоной. Действительные измерения затухания производятся только от уровня обратного рассеивания до уровня обратного рассеивания. Точки данных, взятые в момент насыщения датчика (по причине Френелевского отражения), не могут быть использованы в проведении измерения потерь, поскольку датчик в это время не способен производить точные измерения. Поэтому, пространственная разрешающая способность в области Френелевского отражения хуже (низкая разрешающая способность), потому что наиболее приемлемые точки находятся до и после мертвой зоны.

Разрешающая способность измерения — расстояние между точками данных — может быть установлена на некоторых типах рефлектометров. Высокая разрешающая способность (более плотно расположенные точки данных) обеспечивает более детальную информацию о волокне, но такой контроль обычно занимает больше времени, чем контроль с меньшей разрешающей способностью. Лучшая разрешающая способность, предлагаемая ОТДР — это 0, 5 м между точками данных. Обычная разрешающая способность составляет 8 м.

Более высокая разрешающая способность позволяет с большей точностью определить местонахождение события. Например, если ОТДР снимает измерения каждые восемь метров волокна, то тогда вероятно, что излом может произойти в семи метрах после точки данных. В результате отражение Френеля начнется со следующей точки на том уровне рассеивания, который был в предыдущей точке.

Поскольку промежуток до обрыва всегда располагается на уровне обратного рассеивания в последней точке перед отражением Френеля, то действительное местонахождение обрыва будет сдвинуто на 7 м. Если разрешающую способность сократить до 0, 5 м, то местоположение отражения будет определено гораздо точнее — примерно до 0, 3 метра.

«Усиление» при сварке. Иногда при сварке двух волокон уровень обратного рассеивания в этом месте сдвигается вверх, а не вниз. С первого взгляда это можно расценить, как усиление мощности в месте сварки. ОТДР может показать даже отрицательное значение потерь на сварке. На самом же деле это показывает, что были подобраны два несоответствующих волокна, второе волокно имеет более высокий коэффициент обратного рассеивания, чем первое, поэтому оно рассеивает обратно большую часть света. Датчик ОТДР воспринимает это как более высокий уровень, чем уровень на конце первого волокна и составляет траекторию из соответствующих точек данных на экране выше предыдущего уровня. Если ту же самую сварку проконтролировать с другой стороны, то ОТДР покажет более высокие (но в пределах нормы) потери, чем величина отрицательных потерь. В этом случае реальное значение потерь на сварке — это среднее арифметическое двух показаний. То есть, если усиление в -0, 25 дБ, а в обратном направлении 0, 45 дБ, то действительные потери на сварке составят 0, 1 дБ.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45