Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерений параметров направляющих сред оптических телекоммуникационных систем. Учебное пособие
.pdf
31
макс.ор вх р
P P S μx=
. (2.2.3)
Минимальный уровень мощности принимаемого сигнала, который
способен зарегистрировать рефлектометр, в соответствии с условием
мин.ор
ш.ФПУ
1
P
P
=
,
находится из выражения
з макс
2
мин.ор макс вх р
μx
P ( x ) P S μ x e
−
=
, (2.2.4)
где x
макс
– максимальная длина зондируемой линии, в пределах которой
прибор способен проводить измерения.
Подставляя (2.2.3) и (2.2.4) в (2.2.1), получим величину динамического
диапазона, выраженную через максимальное затухание, вносимое измеряемым
волокном, которое способен перекрыть рефлектометр
р з макс
Dx
=
, дБ. (2.2.5)
Преобразуем выражение (2.2.1) следующим образом
( )
макс.ор макс.ор мин.ор
р
мин.ор
макс.ор мин.ор
1
5 lg 10 lg 10 lg
21мВт 1мВт
1
2
P P P
D
P
= = − =
= −
(2.2.6)
Улучшить динамический диапазон системы можно двумя способами: увеличить мощность обратного рэлеевского рассеяния и уменьшить уровень шума.
Использование зондирующих импульсов с высокой пиковой мощностью позволяет получить большую мощность обратного рэлеевского рассеяния. Однако
стимулированное бриллюэновское рассеяние приведет к уменьшению динамического диапазона. Что касается уровня шума (дробового и теплового), то для
его снижения обычно используется усреднение сигнала и обработка рефлектограмм с применением математического аппарата регрессионного анализа, но
при этом страдает скорость тестирования.
Все оптические рефлектометры делятся на две группы:
• рефлектометры дальнего действия, у которых динамический диапазон
более 28 дБ;
• мини-рефлектометры, у которых динамический диапазон равен или менее 28
дБ.
Величина пространственного разрешения представляет собой то
минимальное расстояние между двумя неоднородностями, при котором
параметры этих неоднородностей могут быть измерены с необходимыми
метрологическими характеристиками. Пространственное разрешение влияет на
32
точность локализации неоднородности в измеряемом волокне и в импульсной
рефлектометрии определяется длительностью зондирующего импульса,
излучаемого лазером, то есть
05
rg
x . v =
, (2.2.7)
где Δxr – величина пространственного разрешения импульсного
оптического рефлектометра;
ν
g
– групповая скорость распространения зондирующего излучения в
сердцевине волокна;
Δτ – длительность зондирующего импульса.
Выражение (2.2.7) не учитывает конечного времени нарастания
переходной характеристики ФПУ, которое определяется шириной полосы
пропускания. Ограничение полосы пропускания ФПУ ведет к дополнительному
уширению зарегистрированного импульса, что ухудшает пространственное
разрешение рефлектометра. С учетом конечной полосы пропускания ФПУ
длительность электрического эквивалента зарегистрированного оптического
импульса на выходе ФПУ будет определяться выражением
2
2 2 2
ФПУ
ФПУ
1
t
f
= + = +
, (2.2.8)
где Δt – длительность импульса на выходе ФПУ;
Δτ
ФПУ
– уширение импульсного сигнала в процессе детектирования;
Δf
ФПУ
– ширина полосы пропускания ФПУ.
Следовательно, выражение (2.2.7) с учётом (2.2.8) примет вид
2
2
гр
ФПУ
1
05
r
x . v
f
= +
. (2.2.9)
Пространственное разрешение указывает на точность определения местоположения двух соседних событий. Стремление увеличить динамический диапазон за счет длительности зондирующего импульса приводит к ухудшению
пространственной разрешающей способности. Это обстоятельство представляет собой фундаментальное ограничение традиционной рефлектометрии.
Мертвая зона обусловлена глубоким насыщением фотоприемника при регистрации отраженного сигнала от выходного коннектора. Его мощность значительно превышает интенсивность сигнала рассеяния Рэлея. Во время насыщения фотодетектор приемника неадекватно реагирует на процессы в зондиру-
емом волокне. В зависимости от длительности входного импульса и полосы
пропускания детектора мертвые зоны обычно составляют от десятков до сотен
метров. Для устранения мертвой зоны с выходного разъема перед тестируемым
33
волокном можно добавить фиктивное волокно.
Основные метрологические характеристики оптических рефлектометров
представлены в таблицах 2.1 и 2.2.
Таблицы 2.1 – Характеристики рефлектометров дальнего действия
Модель
Производитель
Длина
волны, нм
Динамический
диапазон, дБ
Разрешение
(EDZ), м
1 2 3 4 5
Q8460AS
Advantest
1310
32
20
E6000C
Agilent Technolo-
gies
850/1300/
1310/1550
45
3
HP8147
Agilent Technolo-
gies
1310/1550
28/40
5
Продолжение таблицы 2.1
1 2 3 4 5
AQ7145
Ando Electric Co.,
Япония
1310
34
65
AQ7210
Ando Electric Co.,
Япония
1310/1550
37/34
0,1
AQ7215A
Ando Electric Co.,
Япония
1310/1550
34
0,1
AQ7219A
Ando Electric Co.,
Япония
850/1300
31
0,1
AQ721A
Ando Electric Co.,
Япония
1310
37
0,1
AQ7250
Ando Electric Co.,
Япония
850/1310/
1550
41,5
3
MW9040A
ANRITSU,
Япония
1310/1550
18…34
75
MW9043A
ANRITSU,
Япония
1310/1550
15…30
35
MW9060
ANRITSU,
Япония
850/1300/
1310/1550
18/37
25
34
MW9060A
ANRITSU,
Япония
1310/1550
34,5/33
0,5
MW9070
ANRITSU,
Япония
1310
36
10
MW9076
ANRITSU,
Япония
1310/1450/
1550/1650
45
1
FTB-30
EXFO,
Канада
850/1300/
1310/1550
24/40
3
FTB300
EXFO,
Канада
1310/1550
до 40
1,5
FTB-100
EXFO,
Канада
1310/1410/
1550/1625
43,5
1,6
CMA4000
GN Nettest Inc.,
США
850/1300/
1310/1550
46
15
TD3486
GN Nettest Inc.,
США
1310/1550
32/41,5
10
OFR-13
Grahnert
Pracitronik
1310/1550
12/27
15
HP8146A
Grahnert
Pracitronik
850/1300/
1310/1550
5…30
20
HP8147
Hewlett
Packard,
США
1310/1550
40/39
0,1
5350
PHOTODYNE
1310/1550
24/22
1
7500
PHOTON
KINETIES
1310
32
20
OTDR Plus
SIEMENS
1310
30
15
FiberMaster
TEKTRONIX
850/1310/
1550
100
0,2
TFP2A
TEKTRONIX
1310
37,5
15
7780
WAVETEK
1310/1550
36/34
5
35
Продолжение таблицы 2.1
Helios(7920)
WAVETEK
1310/1550
35/33
3
MTS-5100
WAVETETEK
(Schlumberger),
Франция
850/1300/
1310/1550/
1625
35
7
SI7780
WAVETETEK
(Schlumberger),
Франция
850/1300/
1310/1550
13…36
5
SI7920
(Helios)
WAVETETEK
(Schlumberger),
Франция
1310/1550
13/34
10
Таблица 2.2. – Характеристики мини-рефлектометров
Модель
Производитель
Длина волны,
нм
Динамический
диапазон, дБ
Разрешение
(EDZ), м
1 2 3 4 5
AQ7150
Ando
Electric Co.,
Япония
1310/1550
22…23
7…50
AQ7220
Ando
Electric Co.,
Япония
1310/1550
31/29
5
MW9010A
ANRITSU
Япония
1310/1550
8…16
1…160
MW9070A
ANRITSU
Япония
1310/1550
23/20,5
10
FTB-250
EXFO
Канада
1310/1550
28/26
3
FTB-300
EXFO
Канада
850/1300/1310/
1550
35/24
0,8
FOD7003
FOD
1310/1550
26
10
FOD7004
FOD
850/1300
26
5
FOD7005
FOD
850/1300/1310/
1550
26
5
FOD7006
FOD
1550/1625
26
5
36
Продолжение таблицы 2.2
OFR-14
Grahnert
Pracitronic
1310/1550
31/29
2
OFR-13
Grahnert
Praditronic
1310/1550
15…26
32…256
E4000
Hewlett
Packard, США
1300/1310/1550
24/40
10
E6000A
Hewlett Packard,
США
1310/1550
29/27
5
K2300
SIEMENS
850/1300/1310/1
550
6…24
0,25
TekRanger
Tektronix
1310/1550
26/24
2
OFT-30
W&G
850/1300
12/22
4
OFT-50
W&G
1310/1550
25
3
7976HR
WAVETEK
1310/1550
27/25
7,5
Flash (7976)
WAVETEK
1310/1550
28/26
10
SI79764
Waveteker
(Schlumberger)
1310/1550
22…24
1
2.3 Метод частотно-модулированного зондирования
Идея рефлектометрии в частотной области была впервые предложена для
электрических направляющих сред около полувека назад, а затем была
внедрена в область волоконной оптики. Основная суть метода частотномодулированного зондирования поясняется упрощённой структурной схемой
на рисунке 2.4.
Зондирующий сигнал в этом методе формируется перестраиваемым лазером, значение частоты которого изменяется по линейному закону. Он подается
на один из входных портов направленного ответвителя. Из одного из выходных
портов сигнал поступает в опорный тракт, заканчивающийся зеркалом.
Тестируемое оптическое волокно подключено к другому выходному порту.
37
Рисунок 2.4 – Структурная реализация метода частотно-модулированного
зондирования
Волна, возникающая вследствие Френелевского отражения зондирующего
импульса от зеркала в опорном плече на расстоянии x
r
, с коэффициентом
отражения R, описывается выражением
2
0 з
0
r
j ( t ) x
rr
E ( ,t ) R E ( x ) e
−
=
, (2.3.1)
где β(t) – постоянная распространения.
Суммарный обратно рассеянный сигнал, формируемый каждой
элементарной волоконно-оптической секцией dx, приходящий ко входному
тестируемому волокну, определяется интегралом
2
00з
0
0
L
jx
E ( , ) E S( x ) ( x ) e dx
−
=
. (2.3.2)
Из-за разности оптических длин опорного и тестируемого трактов
возникает временная задержка τ
з
между отраженным от зеркала сигналом и
сигналом обратного рассеяния Рэлея в тестируемом волокне. Она может быть
вычислена по формуле
0
з
гр
2x
v
=
. (2.3.3)
Изменение частоты зондирующего сигнала иллюстрируется на рисунке
2.5.
38
Рисунок 2.5 – Линейный закон изменения частоты зондирующего сигнала
За время задержки τз частота зондирующего сигнала изменяется на
величину Ω, которая может быть вычислена по формуле
з
df
dt
=
. (2.3.4)
Скорость изменения частоты излучения лазера η
и
определяется
соотношением
max min
и св
св
2( )
2
df F F
WF
dt T
−
= = =
, (2.3.5)
где W – диапазон перестраиваемых частот;
Fсв = 1/Tсв – частота модулирующего сигнала.
При когерентном детектировании на детекторе происходит интерференция
обоих сигналов. При этом значение разностной частоты сигнала, регистрируе-
мое анализатором спектра, имеет величину, определяемую формулой с учетом
(2.3.5):
0 св
гр
4x W F
v
=
, (2.3.6)
откуда координата x0 в волокне равна
гр
0
св
4
v
x
WF
=
. (2.3.7)
Пространственная разрешающая способность и погрешность измерения
координаты Δx зависит от точности измерения частоты Ω, возникающей в
процессе регистрации рассеянного сигнала в тестируемом тракте и
39
отражённого от зеркала сигнала в опорном канале. Погрешность измерения
координаты Δx определяется выражением (2.3.7), где вместо Ω подставлено ΔΩ
– погрешность измерения разностной частоты.
Отсюда следует, что для улучшения основных метрологических
характеристик необходимо сужать полосу пропускания в каскадах регистрации
и обработки спектрограмм.
Посредством выполнения обратного быстрого преобразования Фурье
становится возможным получение рефлектограммы, отображающей в
пространственной координате все процессы рассеяния Рэлея и френелевского
отражения.
Данный метод при когерентном детектировании позволяет регистрировать
сигналы обратного рассеивания, уровень которых ниже 110 дБ с динамическим
диапазоном 80 дБ, при достижении пространственного разрешения
миллиметрового диапазона.
Критическим элементом в методе является оптический источник, от
свойств которого зависят пространственное разрешение и динамический диапазон рефлектометра. Высокое пространственное разрешение требует высококо-
герентный источник излучения с широким линейно-перестраиваемым диапазо-
ном излучаемых частот. Однако реальные источники излучения не соответствуют этим требованиям и имеют большие фазовые шумы, которые ограничи-
вают свойства системы. Во-первых, это ограничивает расстояние, на котором
может быть измерена неоднородность, а во-вторых, это снижает динамический
диапазон между интересующим сигналом обратного рассеяния и уровнем фазового шума. В течение долгого времени источник излучения был камнем преткновения для широкого использования метода на практике. Но прогресс, достигнутый в последнее время, в технологии производства лазерных полупроводниковых диодов обещает возможность достичь высокого пространственного
разрешения без потерь в динамическом диапазоне.
2.4 Фазочувствительная оптическая рефлектометрия
во временной области
Схема фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной об-
ласти очень похожа на OTDR, за исключением того, что лазерный источник
имеет меньшую ширину спектральной линии. Из упрощенной имитационной
модели, представленной на рисунке 2.1, сигнал рассеяния Рэлея может быть
смоделирован как последовательность сигналов от рассеивающих центров. Эти
центры рассеяния можно рассматривать как множественные отражатели со сла-
быми отражательными способностями. Волокно может быть разделено на N небольших секций, и длина каждой секции составляет ΔL=L/N. В каждой секции
волокна имеется Mц центров рассеяния, которые расположены случайным обра-
зом с равномерным распределением. Электрическое поле рэлеевского рассеян-
ного света было представлено выражением (2.1.1).
В фазочувствительной OTDR обратно рассеянный свет в пределах ширины
импульса будет формировать случайную интерференционную картину. Здесь
40
мы можем предположить, что коэффициент рассеяния для каждого центра рассеяния одинаков. Тогда интенсивность обнаруженного сигнала может быть вы-
ражена как:
ц ц ц
11
2
2
22
0 рас з 0 рас '
1 ' 1 1 ' 1
exp( 4 ) 2 cos( )
M M M
N
ii
bs bs
i k k
k k k k k k
I E E r L E r
−−
= = + = = +
= = − + −
, (2.4.1)
где r
рас
– коэффициент рассеяния.
Первая часть обнаруженного сигнала в (2.4.1) – это компонента детерми-
нированного характера, не представляющая интереса в данном случае. Второй
член представляет собой суперпозицию нескольких сигналов от рассеивающих
центров. Из (2.4.1) следует, что интенсивность обнаруженного сигнала связана
с относительными фазами отраженного света, поступающего от различных центров рассеяния в пределах длительности импульса. Поскольку центры рассеяния случайным образом распределены вдоль волокна, отображаемый в координате времени (расстояния) сигнал обычно имеет случайный колебательный характер. Эта случайная картина остается неизменной с течением времени, если
центры рассеяния не претерпевают никаких изменений. Если в одном опреде-
ленном месте возникает какое-либо возмущение, относительные фазы обратно-
го рассеянного света изменяются, и трассы будут меняться в этом месте возмущения. Таким образом, местоположение воздействия может быть получено путем отслеживания разницы между невозмущенными и возмущенными сигнала-
ми или путем вычитания следов.
Абсолютная погрешность измерения координаты неоднородности в
оптическом волокне ∆L
изм
зависит от длительности зондирующего импульса.
Её можно оценить по формуле:
и
изм
гр
2
сt
L
n
=
, (2.4.2)
где c – скорость света в свободном пространстве;
tи – длительность зондирующего импульса.
Техническая реализация метода фазочувствительной оптической
рефлектометрии представлена на рисунке 2.6.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]