4.2. Принцип работы рефлектометра
Принцип работы оптического рефлектометра основан на измерении сигнала обратного рэлеевского рассеяния при прохождении по ВС мощного одиночного оптического импульса. Слабый сигнал обратного рассеяния регистрируется чувствительным оптическим приемником, преобразуется в цифровую форму и многократно усредняется для уменьшения влияния шумов аппаратуры.
Структурная схема рефлектометра приведена на рис. 1.
Рефлектометр содержит:
блок управления БУ для получения сигналов управления устройством формирования лазерного импульса и аналого-цифровым преобразователем;
формирователь Ф для формирования сигнала запуска оптического передающего устройства;
блок накопления БН для считывания данных с выхода аналого-цифрового преобразователя, их запоминания и суммирования;
аналого-цифровой преобразователь АЦП для преобразования сигнала с выхода согласующего усилителя в цифровую форму;
согласующий усилитель СУ для согласования уровней сигналов оптического приемного устройства и АЦП;
запоминающее устройство ЗУ для запоминания и предварительной обработки данных после нескольких циклов измерения рефлектограммы;
сменный оптический блок СОБ состоящий из оптического передающего устройства ОПдУ, оптического приемного устройства ОПрУ и оптического разветвителя ОР. ОПдУ, содержащий мощный лазерный диод, предназначено для генерации оптических импульсов с заданной длительностью. ОПрУ служит для регистрации и усиления рассеянного сигнала. ОР служит для ввода импульсов в исследуемый ВС и подачи сигнала обратного рассеяния на ОПрУ;
схему температурной стабилизации СТС которая поддерживает постоянной температуру и мощность излучения лазерного диода и температуру лавинного фотодиода;
процессор, который вырабатывает сигналы управления блоками БУ, БН, ЗУ, считывает данные с этих блоков и осуществляет связь рефлектометра с персональной ЭВМ.
Рефлектометр работает следующим образом. В соответствии с командами управляющей программы находящийся в оперативной памяти ПЭВМ процессор вырабатывает код для запуска оптического импульса с помощью блоков БУ, Ф и ОПдУ). При прохождении этого импульса по ВС часть его энергии рассеивается назад и поступает на ОПрУ, в котором преобразуется в электрическую форм у и усиливается. Длительность сигнала обратного рассеяния на выходе ОПрУ равна двойному времени прохождения света по ВС. Через согласующий усилитель СУ сигнал обратного рассеяния поступает на вход АЦП и преобразуется в цифровую форму. Работа АЦП синхронизируется блоком управления БУ. За один период запуска оптического импульса АЦП считывает 2048 отсчетов измеряемого сигнала обратного рассеяния. Отсчет, взятый в момент времени t относительно момента запуска оптического импульса, соответствует сигналу, рассеянному от точки ВС, находящейся на расстоянии
Z = ct/(2 n), (2)
где с – скорость света в вакууме;
n – показатель преломления сердцевины ВС.
Таким образом, за один период запуска оптического импульса измеряются сигналы, пришедшие от большого числа точек ВС.
Рис. 1. Структурная схема рефлектометра ОР-2-1
БУ – блок управления, Ф – формирователь импульсов, СОБ – сменный оптический блок, БН – блок накопления, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, СУ – согласующий усилитель, ЗУ – запоминающее устройство, ОПдУ – оптическое передающее устройство, ОПрУ – оптическое приемное устройство, ОР – оптический разветвитель, СТС – схема температурной стабилизации, ВС – волоконный световод, БП – блок питания, ПЭВМ – персональная ЭВМ
Каждый отсчет, преобразованный АЦП в цифровую форму, запоминается в блоке накопления БН. Для точного измерения обратного рассеянного сигнала осуществляется многократный запуск оптического импульса. При этом в блоке накопления БН усредняются отсчеты, соответствующие одинаковым точкам ВС и увеличивается отношение сигнал / шум. По команде процессора сигнал из блока накопления БН передается в запоминающее устройство ЗУ , регистры памяти блока накопления очищаются, и вновь повторяется процесс измерения и усреднения сигнала в блоке накопления БН. После нескольких таких циклов полученные значения сигнала дополнительно усредняются в ЗУ, передаются в ПЭВМ, запоминаются в нем и отображаются на экране. Таким образом, измеряется, запоминается и отображается вся рефлектограмма ВС. Для увеличения точности и динамического диапазона измерения оператор, работающий с рефлектометром, может увеличить число усреднений, установив в режиме MEAS величину Nrep >1(см. п. 7.4.4.3), эта величина может изменяться от 1 до 255. При этом время измерения увеличится.
Схема температурной стабилизации (СТС) поддерживает постоянной температуру лазерного диода лавинного фотодиода; эти элементы входят в состав ОПдУ и ОПрУ соответственно. Они установлены каждый на отдельном термохолодильнике, их температура контролируется с помощью терморезисторов и СТС.