2.4. Принцип работы рефлектометра и понятие рефлектограммы

Б . Более сложным устройством, предназначенным для измерений оптической мощности и оценки состояния оптоволокна, является оптический рефлектометр (Optical Time Domain Reflectometer – OTDR).

Рефлектометры действуют по принципу радара: в линию посылается импульс малой длительности, который, распространяясь по оптическому кабелю, приводит к появлению отражённого излучения – в соответствии с релеевским рассеянием и френелевским отражением на неоднородностях (дефектах материала, местах сварки, соединителях и т.д.). Типовая схема рефлектометрического исследования состояния оптоволокна представлена на рис. 1.5.

Рис. 2.7. Типовая схема рефлектометрических исследований

Базовые характеристики OTDR:

• динамический диапазон сигнала

(типовые параметры модели мини-рефлектометра AQ7220: 31/29 дБ для  = 1,31/1,55 мкм);

• диапазон (по расстоянию в ВОЛП – до 160 км);

• разрешающая способность (50 см по расстоянию; 0,001 дБ по затуханию);

• чувствительность (по значению мощности входного сигнала до -70 дБ),

• возможность создания архива рефлектограмм (жёсткий диск 40 Мб, позволяющий сохранить более 2000 рефлектограмм, встроенный 3.5" дисковод, внутренняя память);

• возможность проведения измерений в автоматическом режиме (запуск процесса измерений нажатием одной клавиши, автоматическая паспортизация неоднородностей трассы);

• 7-дюймовый цветной дисплей (640  480 пикселов);

• возможность поддержки стандартных интерфейсов (RS-232C, Centronics, выход на внешний VGA-дисплей, слот для съемного жесткого диска PCMCIA, разъемы для клавиатуры и мыши).

Рис. 2.8. Рефлектометр AQ7220 или mini-OTDR

 Локализация обрывов и определение характера повреждений в кабеле (измерение оптической мощности).

При аварийных эксплуатационных измерениях необходимо обеспечивать определение координат участков и причин деградации качества передачи сигнала.

Спецификой оптического волокна по сравнению с электрическими кабелями является то, что отраженная мощность от точки повреждения зависит от угла скола волокон. В случае воздействия на волокно только растягивающей силы возникает плоская поверхность излома, если же волокно разрушается от удара, то поверхность не является плоской. Соответственно будут различаться сигналы и на рефлектограмме.

Методами измерений являются:

1. Метод измерения значения прошедшей мощности на удалённом конце – «прямой метод»;

2. Метод измерения значения отражённой мощности на ближнем конце – метод «обратного рассеяния».

Схема измерений оптической мощности с применением OTDR представлена на рис. 2.9, а типовая рефлектограмма – на рис. 2.10 а) и рис. 2.10 б).

Рис. 2.9. Схема организации измерений параметра пропускания оптической линии с использованием рефлектометра

Рис. 2.10 а). Зависимость значения отражённой мощности от длины кабеля

Рис. 2.10 б) Параметры прибора, определяемые по рефлектогармме. Для областей значительного повреждения характерны всплески отражённого сигнала

Разъемы и сростки на жаргоне измерителей называются "событиями" или "неоднородностями". В них происходят потери и пики отражения. Высота такого пика показывает величину отражения в событии, если он не настолько велик, что насыщает фотодиод рефлектометра. В этом случае пик будет иметь плоскую вершину и хвост, идущий к дальнему концу, что указывает на перегрузку фотодиода.

Отражение в событии, которое вызывает перегрузку фотодиода можно обработать, используя "жидкость с соответствующим показателем преломления", уменьшающую эффект отражения.

Специальные жидкости работают очень хорошо, но они дороги. Но минеральные масла или простой вазелин действуют почти так же! Разъемы после использования рефлектометра должны быть тщательно очищены от геля.

Спад рефлектограммы соответствует коэффициенту затухания волокна  [dB/km].

Коэффициент затухания рассчитывается исходя из выражения:

 = 10 lg Р₀ / P_L = P₀(dBm) - P_L(dBm), (2.1)

где Р₀ - уровень сигнала от стабилизированного источника (дБм), P_L - уровень сигнала, измеряемый на конце измеряемого участка (дБм).

По рефлектограмме затухание определяется:

 = [P_L1(dBm) - P_L2(dBm)] / 2(L₂ – L₁). (2.2)

С какой-либо одной стороны кабеля можно измерять затухание в диапазоне 15…20 дБ, поэтому при превышении этого затухания измерения следует проводить с обеих сторон. На относительно коротких отрезках кабеля это позволяет повысить точность измерений. Основным недостатком данного метода является небольшой динамический диапазон измерений, что обусловлено малой мощностью излучения при обратном рассеянии.

Наибольшее влияние на потери в волокне имеет рэлеевское рассеяние, которое очень чувствительно к длине волны света, поэтому чем она ближе к красному концу передаваемого спектра, тем меньше рассеяние.

Рэлеевское рассеяние ~ 1/⁴. (2.3)

Следует учитывать, что в волокне свет рассеивается во всех направлениях, включая и направление назад, к источнику, как показано на рис. 2.11.

Соотношение между световой энергией обратного рассеяния и переданной световой энергией называется коэффициентом обратного рассеяния. Если - из-за сильного изгиба соединения двух волокон (оптоволоконного стыка) или какого-нибудь дефекта - количество передаваемой световой энергии между точками А и Б резко падает то и соответствующее обратное рассеяние между точками А и Б уменьшится в той же пропорции.

Рис. 2.11.

Если необходимо увеличить мощность обратнорассеянного света для улучшения качества изображения, то можно увеличивать пиковую мощность импульса или его длительность, как показано на рис. 2.12.

Рис. 2.12.

Чтобы измерить затухание, необходимо довольно длинное волокно с учётом разрешающей способности рефлектометра, а также на перегрузки концах из-за больших отражений. Если волокно имеет где-либо нелинейность, особенно около отражающего случая, такого как разъем, то в этом месте существуют дополнительные погрешности измерения.

Иногда потери в хорошем сварном сростке настолько малы, что не замечаются рефлектометром. Это хорошо для системы, но может запутать оператора. Очень важно знать длину всех волокон сети для того, чтобы знать, где искать события и не путаться при появлении необычных событий (таких как фантомные отражения).

Невозможно увидеть два разных события, расположенные друг к другу ближе, чем длина импульса в ОВ.

Более широкие импульсы используются для просмотра очень удаленных частей волокна. Более узкие импульсы используются, когда необходимо высокое разрешение, хотя это ограничивает расстояние, просматриваемое рефлектометром.

Поэтому конструктивным параметром OTDR является «мёртвая зона по длине» – (EDZ). Если рефлектометр согласован с линией, то правомерно говорить о: зоне до первого соединения (определяет минимальную дистанцию, необходимую для различения двух соединителей), и зоне до первого сварочного узла - определяет минимальную дистанцию, необходимую для различения одного отражающего узла и одного неотражающего узла.

Большинство инструкций по эксплуатации рефлектометров рекомендуют использовать дополнительный кабель - так называемый "импульсный подавитель", который, впрочем, не подавляет импульсы, а просто дает рефлектометру время для восстановления. Такой кабель называется кабельной рефлектометрической вставкой.

Отсутствие такой вставки делает невозможным исследование ближнего конца кабеля. Она дает время на установление переходных процессов в рефлектометре и позволяет увидеть состояние кабеля за начальным разъемом. Такая вставка должна быть от 500 до 1000 метров, и разъемы на этом участке должны быть как можно лучше для уменьшения отражений.

Фантомные отражения

При проверке коротких кабелей с высоко отражающими разъемами существует вероятность появления "призраков", подобных изображенным на рис. 2.13. Они вызываются светом, отраженным от дальнего конечного разъема, отражающего свет назад, а также из-за других разъёмов – и вперед в волокно, пока данный свет не уменьшится до уровня шума. Призраки - это очень запутывающее явление, поскольку они выглядят как реальные отражающие события, похожие на разъемы, но без потерь.

Рис. 2.13. Фантомные отражения или "призраки" (hosts)

Существует «визуальный обнаружитель места повреждения». Чтобы найти дефекты он вводит в волокно яркое красное излучение. Если в нем имеются высокие потери, типа плохого сростка, разъема или напряженного изгиба, то в этом месте рассеянный свет может быть видим невооруженным глазом. Этим прибором можно найти события, расположенные близко к рефлектометру или близко к другому событию, которое не обнаруживается рефлектометром из-за его невысокой разрешающей способности. Этот прибор, однако, имеет ограничение по дальности и работает на расстоянии приблизительно до 4 км.

Потери в сростке

Если рассмотреть два различных волокна, соединенные вместе и попытаться измерить потери в сростке или разъеме, Вы получите один из источников погрешности, которым в данном случае выступает разность между значениями обратного рассеяния каждого волокна.

Если оба волокна идентичны, то обратное рассеяние будет одинаково с обеих сторон соединения, и рефлектометр будет измерять фактические потери в сростке, рис. 2.14, а и б.

Рис. 2.14.

Если параметры волокон различны, то коэффициенты обратного рассеяния вызовут различный процент отраженного назад света.

Если первое волокно имеет большие потери, чем волокно, расположенное за соединением, процент света, вернувшегося к рефлектометру, понизится так, что измеренные рефлектометром потери в сростке будут включать фактические потери плюс ошибочные потери, вызванные более низким уровнем обратных рассеяний, создающим отображаемые потери больше, чем на самом деле.

Интенсивность обратнорассеянного света зависит от затухания и диаметра сердцевины волокна.

Рефлектометр измеряет длину волокна, а не кабеля. Это вызывает много проблем при измерениях подземных кабелей. Для предотвращения напряжений в волокне изготовители помещают в кабель приблизительно на 1 % больше волокна, чем истинная длина кабеля, с учетом напряжения. Если при измерении длины кабеля рефлектометром получается величина порядка 1000 метров, фактическая длина кабеля - приблизительно 990 метров. Таким образом если необходимо вскрыть поврежденное место, то можно выкопать около 10 лишних метров от фактического местоположения повреждения!

27