3.4.4 Измерение с различным количеством усреднений
Для улучшения отношения сигнал/шум используется многократное усреднение результатов измерений. Причем для их эффективного усреднения достаточно нескольких секунд, так как время, затрачиваемое на прохождении линии мало. Типичная рефлектограмма содержит множество измеряемых точек и при вычислении каждой такой точки усредняется несколько тысяч импульсов. Весь этот массив данных рефлектометр обрабатывает за долю секунды. Первая измеренная рефлектограмма сразу выводится на дисплей. Далее на дисплей выводятся усредненные рефлектограммы. При каждом удвоении времени измерений происходит уменьшение шумов в усредненной рефлектограмме. Увеличение числа усреднений немного повышает динамический диапазон. На рисунке 3.10, а приведен участок рефлектограмм, полученных при измерении с усреднением Nav = 1 (1х4096) и Nav= 32 (32х4096) при длительности импульса 10 нс. Как видно из рефлектограммы при числе усреднении 4096х1 рефлектограмма выглядит очень зашумленной, соответсвенно при увеличении протяженности линии влияние шумов будет еще больше увеличиваться. Однако при увеличении числа усреднений пропорционально увеличивается время измерений, что при проведении аварийно-восстановительных работ, когда на проведение каждой операции установлены жесткие нормативы, является недопустимым. Решением данной проблемы является увеличение длительности импульса. На рисунке 3.10б приведен участок рефлектограмм, полученных при измерении с усреднением Nav = 1 (1х4096х) и Nav = 32 (32х4096) при длительности импульса 90нс, по сравнению с предыдущим рисунком рефлектограммы выглядят гораздо более плавными при том же масштабе и практически не отличимы.
Nav=1
Nav =32
Nav =32
Nav =1
а) б)
Рисунок 3.10 – Измерение с различным числом усреднений: а) длительность импульса 10 нс; б) длительность имульса 90 нс
Исходя из вышеуказанного при выборе параметров измерения необходимо искать определенный компромисс между временем и качеством проводимых измерений. Данный компромисс достигается в основном за счет выбора соответствующей длительности импульса и числа усреднений. Обычно измерения целесообразно проводить с числом усреднений от 4 до 8 на длительности импульса 30-90 нс для линий протяженностью до 20 км, 300-1000 нс для линий протяженностью 20–50 км, 1000-3000 нс линий протяженностью свыше 50 км
3.4.5 Проблемы‚ возникающие при измерениях оптических волокон
Иногда даже подготовленный‚ опытный оператор рефлектометра может столкнуться с трудностями при расшифровке рефлектограмм волокна. Бывают отдельные случаи‚ когда почти невозможно точно определить расстояние или потери на основании одного измерения. В некоторых чрезвычайных обстоятельствах‚ для того чтобы получить осмысленные результаты‚ может оказаться необходимым протестировать волокно с другими параметрами настройки или с обоих концов.
Неотражающие обрывы. Если волокно разрезано или оборвано‚ то его конец может оказаться настолько раздробленным‚ что от света‚ достигшего этого конца‚ не будет вообще никакого отражения. Кроме того‚ конец волокна может оказаться погруженным в масло или смазку‚ что также может сделать невозможным френелевское отражение. В таких случаях рефлектограмма неожиданно опускается ниже уровня шума (рисунок 3.11). В результате оказывается, что измеренное значение длины волокна зависит от качества скола торца волокна и может превысить его истинное значение на несколько десятков метров. Эта ошибка может существенно повлиять на точность определения места повреждения волокна в линии передачи. В том месте‚ где обратное рассеяние опускается вниз‚ может иметь место его закругление‚ так что определение точки начала падения может оказаться затруднительным. Лучший способ определения места обрыва – это метод измерения потерь в двух точках‚ применяемый для того‚ чтобы установить‚ в какой точке уровень обратного рассеяния падает на 0‚5 дБ. Нужно поместить левый курсор как можно ближе к концу обратного рассеяния‚ но все же на нем. Затем переместить правый курсор по направлению к левому до тех пор‚ пока потери на участке между ними не будут равны 0‚5 дБ. Настоящий конец волокна должен быть близко к точке измерения правого курсора.
А– френелевское отражение от торца, Б– конец волокна погружен в иммерсию
Рисунок 3.11 – Нахождение положения конца волокна в рефлектограмме при разных значениях коэффициентах отражения от торца волокна
Оптоволоконные соединения с «усилением мощности». Иногда при сращивании двух волокон уровень обратного рассеяния в месте стыка идет вверх‚ а не вниз. На первый взгляд это может показаться усилением мощности в стыке, рефлектометр может даже указать на отрицательные потери на соединении (рисунок 3.12 ).
Рисунок 3.12 – Рефлектограмма оптического волокна, содержащего неразъемное соединения с «усилением мощности»
В методе оптической рефлектометрии распределение потерь в волокне находится по изменению рассеянной назад в волокне мощности зондирующих импульсов. Однако эта мощность изменяется не только из-за потерь в волокне, но и из-за вариаций коэффициента обратного рэлеевского рассеяния. Вариации коэффициента обратного рэлеевского рассеяния приводят к появлению систематической ошибки при измерении потерь в волокне. Наиболее сильно эта ошибка сказывается при измерении потерь в сростках волокон, где величина потерь обычно мала, а разность коэффициентов обратного рэлеевского рассеяния максимальна. При этом в месте соединения волокон часто наблюдается не только уменьшение сигнала из-за потерь, но и его увеличение. В современных волокнах флуктуации коэффициента обратного рэлеевского рассеяния обусловлены, в основном, флуктуациями диаметра модового пятна (рисунок 3.13)
а)
А
Б
А-Б
б)
А
Б
Б-А
Рисунок 3.13 – Анализ потерь в соединении с «усилением мощности»:а) измерение со стороны А; б) измерение со стороны Б
Фотоприемник рефлектометра воспринимает отражение от сварного соединения как уровень‚ более высокий‚ чем у конца первого волокна‚ и помещает на экране соответствующие точки с результатами измерений выше уровня конца первого волокна. Если то же самое соединение протестировать с противоположного направления, то рефлектометр укажет на «обычные» потери‚ более высокие, чем потери «отрицательные». В этом случае истинным значением потерь будет среднее значение двух показаний. То есть‚ если для соединения «с усилением мощности» показание будет равно –0‚25 дБ‚ а при измерении с противоположного направления показание будет 0‚45 дБ‚ то действительным значением потерь на соединении будет 0‚1 дБ.
Причина появления стыков «с усилением мощности» заключается в том‚ что два сращенных волокна некоторым образом не соответствуют друг другу. Это явление наиболее часто встречается, когда сращиваются волокна двух разных изготовителей (норма на диаметр одномодового волокна составляет 8,6 – 9,5мкм ± 0,6 мкм). Из-за исходно присущего волокнам двух любых изготовителей различия оптических характеристик вполне можно ожидать‚ что эти два волокна не вполне подойдут друг другу‚ в результате чего и появятся стыки «с усилением мощности». Поскольку соединения «с усилением мощности» обычно выводятся на экран дисплея как имеющие отрицательные потери‚ они могут вводить в заблуждение при определении средних значений потерь на соединении.
Наиболее точный способ определения средних значений потерь на соединениях в волоконно-оптическом пролете – это проведение измерений в отношении каждого соединения в обоих направлениях. Это значит‚ что потери на соединении отрезка волокна AБ с отрезком волокна БC надо сначала измерить с конца волокна A‚ а затем с конца волокна C‚затем надо по отдельности усреднить значения потерь на каждое соединение.
Отраженные паразитные сигналы. Иногда при проведении измерений возникает френелевское отражение в местах, где его быть не должно. Данное явление возникает вследствии отраженного паразитного сигнала. Существует несколько механизмом появления этого сигнала.
Один из них вызван ошибкой оператора. Перед началом измерений в рефлектометре необходимо установить величину группового показателя преломления волокна и диапазон измеряемых длин. Диапазон измеряемых длин устанавливается немного больше измеряемой длины волокна. Так, чтобы в конце рефлектограммы был виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и шумовая дорожка, образующаяся в отсутствие сигнала обратного рассеяния света в волокне. Если значение диапазона измеряемых длин установлено меньше длины измеряемого волокна, то в рефлектограмме появляются ложные сигналы. Они образуются потому, что рефлектометр посылает следующий импульс раньше, чем успеет вернуться предыдущий импульс. В результате в фотоприемник в одно и тоже время поступают импульсы отраженные от разных участков волокна. В результате фотоприемник регистрирует два импульса отраженных от заднего торца волокна. При этом ложный импульс будет отображен ближе к началу рефлектограммы. Как видно из рисунка 3.14б, ложный импульс появляется на расстоянии 5 км, равном разности между длиной линии (25 км) и величиной (неправильно установленного) диапазона измеряемых длин (20 км).
а) б)
Рисунок 3.14 – Рефлектограммы линии при разных значениях диапазона измеряемых длин: а) диапазон измеряемых длин (30 км) больше длины линии (25 км) ; б) диапазон измеряемых длин (20 км) меньше длины линии (25 км)
Ложный импульс можно обнаружить не только по его местоположению, но и по тому, что у него нет ступеньки, какая обычно бывает из-за потерь в неоднородности. Кроме того, при неправильной установке диапазона измеряемых длин в конце рефлектограммы не будет виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и не будет видна шумовая дорожка, образующаяся в отсутствие сигнала обратного рассеяния света в волокне.
Другой причиной может быть переотражение импульсов света в волокне при большом уровне отраженного сигнала. Импульсы света, возвращающиеся обратно в рефлектометр, частично отражаются от оптического разъема рефлектометра и поступают вновь на вход линии. На рисунке 3.15 приведена рефлектограмма, на которой наблюдается френелевское отражение, вызванное переотражением сигнала.
Френелевское отражение, вызванное переотраженным сигналом
Рисунок 3.15 – Появление ложного сигнала на рефлектограмме
Таким образом, кроме импульсов приходящих непосредственно от источника излучения на вход линии приходят также и переотраженые импульсы, запаздывающие на время равное времени распространения импульсов до места их отражения в линии и обратно. Механизм возникновения данного явления приведен на рисунке 3.16 .
а)
б)
Рисунок 3.16 – Ложные сигналы, возникающие на рефлектограмме линии с сильно отражающей неоднородностью: а) мощность переотраженных импульсов мала; б) переотраженные импульсы проявляются на рефлектограмме в виде ложных всплесков сигнала (мощность импульсов велика)
Всплески ложных сигналов можно отличить от всплеска вызванного отражением импульса от неоднородности по двум признакам. Во-первых, ложные сигналы появляются на расстоянии, кратном расстоянию до отражающей неоднородности. Во-вторых, между наклонными прямыми линиями сигнала обратного рассеяния до и после ложного всплеска также отсутствует ступенька, вызванная потерями света в этой неоднородности.
Можно выделить несколько вариантов борьбы с паразитными сигналами:
1 Измерить расстояние до подозрительного отражения. Затем поместиить курсор на середину этого расстояния. Если в этом месте‚ посередине‚ окажется ожидаемое отражение‚ то подозрительное отражение‚ вероятно‚ является паразитным.
2 Подавить или ослабить известное (подлинное) отражение. Так как количество отраженной мощности станет меньше‚ то и паразитный отраженный сигнал станет слабее (или исчезнет). Чтобы ослабить отражение‚ можно использовать у отражения гель для сопряжения по показателю преломления или уменьшить мощность‚ поступающую в отражающую точку‚ выбрав меньшую длительность импульса или увеличив затухание в волокне перед отражением.
3 Изменить диапазон измеряемых расстояний (диапазон расстояний‚ выводимых на дисплей) рефлектометра. У некоторых рефлектометров паразитные отраженные сигналы появляются тогда‚ когда диапазон измеряемых расстояний слишком короток.
4 Измерить потери на участке с подозрительным отражением. При измерении потерь на соединениях на этом участке не будет обнаружено никаких потерь.