2. Работа оптических рефлектометров

Г лавной целью измерений, проводимых с использованием оптических рефлектометров, является определение импульсной характеристики тестируемого волокна. Типичная рефлектограмма приведена на рис.2

рис.2

Вертикальная шкала определяет уровень рассеянного (отраженного) сигнала в логарифмических единицах. Горизонтальная ось соответствует расстоянию от рефлектометра до тестируемой области волокна. Расстояние которое проходит световой импульс в волокне за 1 нс составляет 0,2 м. Так как в оптическом рефлектометре реально измеряется время, то расстояние определяется пересчетом с масштабным коэффициентом примерно равным 10 мкс/км, учитывающим, что свет проходит по волокну путь до тестируемой точки дважды: в прямом и обратном направлении.

Потери, измеряемые рефлектометром, определяются затуханием сигнала при распространении в прямом и обратном направлении и, следовательно, вдвое превышают потери при однократном прохождении сигнала по тестируемому участку (точно так же, как время, измеряемое рефлектометром, вдвое превышает время необходимое для однократного прохождения тестируемого участка). По этому вертикальная шкала построена с масштабным коэффициентом

, (1)

где – мощность рассеянного света от участков волокна вблизи приемника излучения, - мощность рассеянного света от тестируемого участка, регистрируемая приемником излучения.

Если у волокна имеется разъем или соединение то сигнал будет ослабевать и при прохождении через него. В этом случае рефлектометр зафиксирует снижение мощности свидетельствующее о потере части света при соединении волокон. Если это соединение или этот разъем отражает свет то на рефлектограмме это отражение будет отображено как всплеск над уровнем обратно отраженного сигнала. Рефлектометр можно прокалибровать таким образом, чтобы по таким всплескам можно было определять оптические потери при отражении. Конец волокна на рефлектограмме будет выглядеть как переход обратно отраженного сигнала в шум. Если конец волокна сколот или отполирован то на рефлектограмме над уровнем обратно рассеянного сигнала появится еще один всплеск. Это позволит измерить полную длину тестируемого волокна.

На рис.2 приведена типичная рефлектограмма на которой показаны сигналы от основных элементов оптической системы связи.

Наклонная прямая характеризует обратное рассеяние в самом волокне. Известно, что при распространении света в среде световой луч виден в виде светящейся нити при наблюдении сбоку. Это означает, что часть светового пучка изменила направление распространения, и соответствующая часть светового потока перераспределилась по другим направлениям.

Рис.3.

Это явление, заключающееся в перераспределении части энергии световой волны из первоначального направления по другим всевозможным направлениям с существенным изменением диаграммы направленности, называется рассеянием света. Если неоднородности невелики по размерам (малы по сравнению с длиной волны) и распределены случайным образом, то дифракционная картинка будет характеризоваться довольно равномерным распределением света по всем направлениям. Такую дифракцию на мелких неоднородностях называют диффузией или рассеянием света. В явлении рассеяния света существенно именно нарушение однородности среды, а не сама по себе способность среды порождать вторичные волны. В волоконных световодах неоднородностями среды могут являются «вмороженные» неоднородности, возникшие при затвердевании, а также частицы примеси, дефекты структуры и другие. Интенсивность света, рассеянного на сферических частицах малого размера, определяется формулой Рэлея

(2)

Здесь N – число частиц в рассеивающем объеме, V^* и  - объем и диэлектрическая проницаемость частицы, ₀ – диэлектрическая проницаемость среды,  - угол рассеяния, I₀ – интенсивность падающего света, L – расстояние от рассеивающего объекта до точки наблюдения.

По формуле Рэлея интенсивность рассеяния света обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Зависимость (I⁴) носит название закона Рэлея. В волоконных световодах рассеяние на частицах примеси может быть уменьшено практически до нуля, но рассеяние на «вмороженных» неоднородностях принципиально уменьшить нельзя, именно они определяют минимальную величину потерь на рассеяние.

На рис.2 показаны, также, сигналы от разъемов, сварных соединений, механических соединений, потери на изгибах и трещинах и отражения от них.

Разъемы.

Наличие разъема в волоконно-оптической линии приводит к появлению пика на рефлектограмме, обусловленного Френелевским отражением на торцах соединяемых волокон  и снижением величины рассеянного сигнала сразу за ним из-за вносимых им потерь.

Сварные соединения.

На сварных соединениях Френелевское отражение отсутствует так как сколотые торцы волокон сплавляются друг с другом. Однако на сварных соединениях потери все-таки есть. Хорошо сваренное соединение трудно "засечь" так как потери на нем невелики и появляющаяся «ступенька» на рефлектограмме очень мала. Наличие даже небольших признаков Френелевского отражения (пика на рефлектограмме) – верный признак того что сварное соединение – очень низкого качества.

Потери на изгибах.

Это потери в месте изгиба волокна. Если такие потери локализованы то их трудно отличить от потерь на сварные или механические соединения.

3. Повышение чувствительности импульсных оптических рефлектометров

Измерение параметров волоконно-оптической линии возможно только в том случае, если мощность рассеянного сигнала, попадающего на детектор, превышает мощность шума, т.е. Отношение сигнал/шум должно быть больше единицы. Мощность детектируемого сигнала зависит от мощности и энергии лазерного импульса, вводимого в волокно, и коэффициента обратного рассеяния. Отметим что энергия светового импульса прямо пропорциональна его длительности. Поэтому для увеличения дальности действия рефлектометра увеличивают длительность световых импульсов. Однако чем больше длина импульса тем больший отрезок волокна он заполняет. При увеличении длины импульса увеличиваются и те участки волокна которые попадают внутрь импульса и "просматривание" которых становится невозможным. Тем самым снижается разрешающая способность рефлектометра. Для увеличения отношения "сигнал–шум" принимаемого сигнала рефлектометр много раз посылает импульсы, а затем усредняет данные об отраженных сигналах.