Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Методы и средства измерений параметров направляющих сред оптических телекоммуникационных систем. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 107 8 9 10 > Следующая >>>

(например, деформация или влажность) изменяются. Кроме того, для шумоподавления может применяться машинное обучение.

Хотя большинство подходов машинного обучения может быть применено к системам Бриллюэна DFOS независимо от того, работают ли они во времен-

ной или частотной области, существуют некоторые подходы, специально адап-

тированные к конкретным системам. Например, машинное обучение в работе [25] позволило простой системе BOTDA достичь того же пространственного разрешения, что и более сложная установка DPP-BOTDA. Кроме того, в датчиках BOFDA машинное обучение способствовало значительному сокращению времени измерения, что, как ожидается, сделает BOFDA более привлекательным для применения в полевых условиях.

Несмотря на то, что шумоподавители на основе нейронных сетей привели

к созданию BGS с высоким SNR и коротким временем вычислений, необходи-

мы дополнительные исследования для более широкого использования в буду-

щем.

3.6 Диагностика оптической линии связи с помощью рамановской рефлектометрии

Явление вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), или вынужденное рамановское рассеяния (Forced Raman Scattering – FRS), известно мировому научному сообществу достаточно давно. Первые исследования проводились в 30-х годах двадцатого столетия [26]. Данный нелинейный оптический эффект широко используется в сфере телекоммуникаций. На его основе разработаны оптические усилители (RA – Raman amplifier), ВКР-лазеры, рамановские

спектрометры, распределенные волоконные датчики на основе ВКР, оптиче-

ские рефлектометры.

Можно утверждать, что эффект Рамана есть неупругое энергетическое взаимодействие света с веществом (в данном случае – с оптоволокном), при котором появляются новые частотные компоненты (стоксовая и антистоксовая). Иными словами, когда распространяющееся по ОВ оптическое излучение рассеивается на неоднородности (или дефекте) волокна, возникает обратное излуче-

ние другой частоты, которое отличается от основного на величину частотного сдвига Δf. Причиной локальной неоднородности в световоде может являться

температурное или механическое воздействие. От характера и интенсивности внешнего влия-ния меняется и частотный сдвиг Δf.

Использование рамановской рефлектометрии характеризуется некоторыми

особенностями. Во-первых, чувствительность к изменению температуры рамановского рассеяния гораздо выше, чем у рэлеевского или бриллюэновского. Из-

вестно, что с ростом температуры увеличивается мощность антистоксовой ком-

поненты. Измерение температуры оптоволокна подразумевает анализ соотношения интенсивностей компонент рассеивания Рамана. Таким образом, использование рамановской рефлектометрии наиболее рационально для мониторинга температуры оптоволокна. Во-вторых, осуществление измерения компонент ВКР – стоксовой и антистоксовой – невозможно при использовании стандартно-

го OTDR. Из-за того, что мощность рэлеевского рассеивания гораздо больше

мощности рамановского, возникает необходимость применение другого метода

оптической рефлектометрии – частотной.

Обобщая вышесказанное, использование рамановской рефлектометрии це-

лесообразно при проведении температурного мониторинга оптоволокна и оптической линии в целом. Особенно это актуально на расположенных в северных районах воздушных ВОЛС, которые подвержены обледенению в холодные

периоды года.

Как правило, на воздушных оптических линиях связи используют оптический кабель в грозозащитном тросе. Одним из методов борьбы с гололедом, возникающим на таком ОК, является его нагрев путем пропускания электрического тока. При нагреве оболочки кабеля обледенения расплавляются и сходят с нее. Однако вместе с оболочкой происходит и нагрев ОВ. Он оказывает крайне негативное влияние на его передаточные и эксплуатационные характеристики. В этой связи необходимо производить контроль температурного режима.

ВОЛС-ВЛ имеют большую протяженность, в пределах которой условия

эксплуатации могут изменяться в широких пределах. Среди них наибольшее влияние оказывает окружающая температура. В этой связи весьма актуальным

является мониторинг распределения температуры вдоль оптического волокна.

Методика измерения температуры ОВ по характеристикам рамановского рассеяния основана на соотношении между интенсивностями антистоксовой и

стоксовой компонент [27]:

exp '

AC C

C AC

hcv

I kT





=



 



(3.6.1)

где: IАС и IС – интенсивность антистоксовой и стоксовой компонент; λАС и λА –длина волны антистоксовой и стоксовой компонент; υ – разность волновых чисел падающего излучения и стоксовой (антисток-

совой) компоненты; T – абсолютная температура ОВ; h – постоянная Планка; k – постоянная Больцмана; с – скорость света в вакууме.

Выражение (3.6.1) показывает, что при увеличении температуры ОВ отношение интенсивностей компонент рамановского рассеяния увеличивается. Это происходит из-за роста антистоксовой компоненты. Для стандартных одномодовых ОВ и диапазона длин волн, используемого в волоконно-оптической связи, изменение отношения IАС/IС составляет примерно 0,8%/К.

В результате анализа возможных вариантов построения рамановского рефлектометра был разработан прибор – анализатор температуры рефлектометрический АТР-111, структурная схема которого показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Структурная схема АТР-111

Интересной особенностью схемы является наличие опорного волокна, находящегося в специальном изолирующем кожухе. Температуру этого ОВ измеряет датчик. Это нужно для того, чтобы осуществить привязку уровней

мощности обратно рассеянного рамановского излучения к температурной шкале. Данный прибор способен проводить измерения как стандартный оптический рефлектометр (на основе обратного рэлеевского рассеяния), так и как средство температурного контроля (на основе ВКР).

Неоспоримым преимуществом использования рамановской рефлекто-

метрии является получение точной характеристики температурного распределения вдоль оптоволокна, возможность интеграции в различные службы и

системы автоматизированного контроля.

К очевидным недостаткам можно отнести:

• невозможность проведение измерения с одного конца волокна (требуется

проведение двухсторонней диагностики);

•

наличие погрешностей, которые связаны с типом используемых в ли-

нии ОВ и географическими характеристиками ВОЛС;

•

невозможность производить одновременные измерения по разным

направлениям. Подводя итог, можно сказать, что применение рамановской рефлектометрии пригодно для решения узкого круга задач (в частности – измерение

температуры волокна и измерение его длины) и характеризуется неболь-

шой функциональностью.

3.7 Анализ пригодности методов для решения задач ранней диагностики

В предыдущих подразделах главы были детально рассмотрены наиболее

популярные методы измерения и мониторинга. Для того чтобы определить самый оптимальный способ диагностики, позволяющий оперативно и точно про-

тестировать оптическую линию на предмет её предаварийного состояния, сведем все достоинства и недостатки рассмотренных средств измерений в сравни-

тельную таблицу (табл. 3.1).

Таблица 3.1 – Достоинства и недостатки методов измерений

Метод / средство

измерения

Достоинства

Недостатки

1 2 3

Оптический тестер

• широкий динамиче-

ский диапазон;

• широкий частотный

диапазон;

• малая погрешность

измерений и высокая стабильность пара-

метров;

• незначительное энер-

гопотребление;

• высокая эргономич-

ность, портативность;

ные показатели

• отсутствие возможно-

сти измерения координат неоднородно-

стей;

• невозможность пред-

ставления профиля распределения потерь

по длине линии;

• неспособность прово-

дить измерения параметров отдельных не-

однородностей;

• отсутствие возможности проведения измерений механических

нагрузок

Метод обратного рассея-

ния / Оптический ре- флектомер

• определение потерь

оптической линии в

целом;

• измерение километ-

рического затухания оптоволокна;

• локализация неодно-

родностей и измерение потерь на них

(мест сварки, разъемных соединений);

• измерение длины во-

локна;

• определение точного

местоположения точек

обрыва и повреждений

• наличие мертвой зо-

ны;

• невозможность точно

определить вид не-

однородности;

• неспособность изме-

рить иные параметры

ОВ, кроме затухания;

• высокая стоимость

Продолжение таблицы 3.1

Волоконные

оптические

датчики

• возможность получения точ-

ной характеристики температурного распределения вдоль

оптоволокна;

• многофункциональность;

• широкий измерительный диа-

пазон;

• низкие потери оптического

излучения;

• высокая пожаро- и взрыво-

безопасность;

• помехоустойчивость

• сложность внедре-

ния в действую- щую ВОСП;

• точечный характер

измерений

Рамановская

рефлектомет-

рия

• возможность получения точ-

ной характеристики температурного распределения вдоль

оптоволокна;

• возможность интеграции в

различные службы и системы

автоматизированного кон-

троля

• невозможность про-

ведение измерения с одного конца волокна (требуется проведение двухсторон-

ней диагностики);

• наличие погрешно-

стей, которые связаны с типом ипользу-

емых в линии ОВ и

географическими характеристиками

ВОЛС

Бриллюэновская

рефлектомет-

рия

• возможность получения гра-

фика распределения натяже-

ния вдоль оптоволокна;

• возможность работы в режиме

OTDR;

• может определять точное ме-

сто деформации;

• почти отсутствуют мертвые

зоны;

• не реагирует на отражения,

обусловленные эффектом Френеля

• высокая стоимость;

• высокие требования

к компонентам устройства;

• небольшой выбор

модельного ряда

Как видно из таблицы 3.1, каждый из способов диагностики обладает свои-

ми преимуществами и недостатками. Использование того или иного метода

обусловлено особенностями оптической сети, целями диагностики и особенностями эксплуатации.

Контрольные вопросы

1. Постройте в одной системе координат типичные спектральные компоненты,

возникающие в результате рассеяния света в оптическом волокне.

2. По каким причинам возникает рассеяние Мандельштама – Бриллюэна?

3. Какой математический аппарат применяется для описания процессов Рассе-

яния Мандельштама – Бриллюэна?

4. По какой формуле можно рассчитать скорость распространения волн давле-

ния?

5. Как зависят мощность и сдвиг частоты Бриллюэна от изменения модуля

Юнга?

6. Изобразите и поясните базовую структуру системы зондирования BOTDR.

7. Как классифицируются методы рефлектометрии Бриллюэна?

8. На каком эффекте основан оптический анализ во временной области Брил-

люэна (BOTDA)?

9. Каковы основные функциональные возможности систем мониторинга?

10. От чего зависит пространственное разрешение BOTDR и BOTDA?

11. По какой методике оцениваются погрешности измерения системой монито-

ринга?

12. Чем ограничивается максимальная длина измерительного участка ОВ?

13. Перечислите основные методы улучшения метрологических характеристик.

14. В чем суть применения искусственной нейронной сети (ИНС) во время обу-

чения систем мониторинга?

15. Какими особенностями характеризуется рамановская рефлектометрия?

16. Какие параметры оптического волокна можно измерить методом раманов-

ской рефлектометрии?

17. Изобразите и поясните схему рамановского анализатора температуры.

18. Какие преимущества и недостатки имеют рамановские рефлектометры?

19. Перечислите известные вам методы мониторинга ВОЛС.

20. Как расшифровывается сокращение ВОЛС-ВЛ?

21. Какими преимуществами и недостатками обладает рефлектометрия Брил-

люэна?

22. Что такое волоконно-оптический датчик?

23. Почему бриллюэновские анализаторы требуют доступ к обоим концам ли-

нии?

24. Каким матричным соотношением описываются зависимости интенсивности

света и сдвиг частоты от температуры и деформации оптического волокна?

25. Какие преимущества имеют рассмотренные в главе системы мониторинга

относительно к точечным датчикам?

4 Методы измерений параметров

направляющих сред пассивных оптических сетей

Регламентированный контроль параметров пассивных оптических сетей

является основой технической эксплуатации. В этой связи задача внедрения си-

стем измерения оптического тракта, включающего в себя множество пассивных

компонентов, является весьма актуальной. Использование этих систем способ-

ствует повышению эффективности контроля состояния оптических волокон (ОВ) и точности измерения контролируемых параметров. Практическое внедрение си-

стем мониторинга позволяет также значительно сократить время предаварийных и аварийных состояний, тем самым улучшить эксплуатационные характеристики

пассивных оптических сетей.

4.1 Требования к системам измерения

Современные системы измерения должны соответствовать следующим ос-

новным требованиям:

1. Возможность автоматизированного мониторинга сети и выявления неис-

правностей без выезда технических специалистов на место. Эта функция сокращает операционные расходы на сеть и время измерений.

Разграничение сфер ответственности оператора связи и клиента. Это очень важно для любой телекоммуникационной компании, предоставляющей

услуги через оптические сети доступа.

Использование центральной частоты спектра тестового импульса, находя-

щейся вне полосы спектра информационного сигнала.

4. Возможность мониторинга сети с высокой пропускной способностью.

5. Минимальное количество активных компонентов в поле между централь-

ным офисом и оконечным оборудованием. Это значительно сокращает э к с п л у а т а ц и о н н ы е расходы, поскольку активные компоненты более подвержены сбоям, чем пассивные.

6. Низкая стоимость системы. Она является критически важной характери-

стикой для любого оператора услуг. Это связано в основном с тем, что ры-

нок пассивных оптических сетей чувствителен к стоимости. Следователь-

но, техника мониторинга должна быть недорогой, даже если она имеет полную возможность мониторинга.

7. Высокие показатели надежности, характеризующие способности систе-

мы выполнять функцию мониторинга в соответствии с регламентом техни-

ческой эксплуатации пассивных оптических сетей.

8. Способность системы функционировать при изменении сетевой инфра-

структуры и технологии передачи информации.

9. Независимость от технической реализации оптических сетевых термина-

лов. Это значительно упрощает процесс обслуживания и снижает требова-

ния к абонентскому оборудованию.

10.

Возможность удаленного размещения отдельных устройств системы монито-

ринга в разветвленной оптической сети.

11. Системы мониторинга должны быть универсальными для любой сетевой инфраструктуры.

12. Необходимое время обнаружения неисправностей должно быть как можно меньше.

Было исследовано несколько методов мониторинга PON [1]. Среди них наиболее распространенными являются:

• оптическая рефлектометрия во временной области с одной длиной волны;

• бриллюэновская рефлектометрия во временной области с применением

идентификационных оптических волокон;

• бриллюэновская рефлектометрия во временной области с применением ко-

нечных отражений.

4.2 Стандартная импульсная рефлектометрия во временной области

Метод оптической рефлектометрии основан на принципе рассеяния Рэлея.

Он предполагает подачу в оптическую сеть короткого светового зондирующего импульса. По причине естественного рылеевского рассеяния и френелевского отражения часть оптической мощности возвращается на вход фотоприемного устройства. Суперпозиция рассеянных и отраженных сигналов формирует ре-

флектограмму на экране дисплея. Она представляет зависимость регистрируе-

мой мощности вдоль зондируемого оптического волокна. Несомненным преимуществом этого метода является способность обнаружения любых повреждений в зондируемой линии. Кроме этого, он позволяет проводить измерения

с одного конца линии [28], [29]. Тем не менее, применение этого метода в разветвленных волоконно-оптических сетях затруднено, так как обратные сигна-

лы суммируются на входе разветвителя. По этой причине становится невоз-

можным проводить измерения в отдельно взятых ветвях [30], [31]. Например, система мониторинга на основе рефлектометра не может отличить две или более ветви с одинаковой или близкой длиной волокна.

Ещё одна трудность заключается в том, что сеть содержит разветвители с большими вносимыми затуханиями. Это обстоятельство обуславливает необходимость увеличения динамического диапазона оптического рефлектометра. Все это в целом усложняет технологию обнаружения неисправностей. В этой связи

было предложено несколько методик проведения измерений.

Методика измерения в восходящем потоке предполагает ввод зондирую-

щего импульса со стороны оконечного оборудования в направление централь-

ного офиса. Однако она не является централизованной и требует направления

технического специалиста к клиенту. Методика весьма трудоемкая и характе-

ризуется высокими операционными расходами.

Размещение оптического рефлектометра в центральном офисе и калиброванных отражающих элементов на стороне клиента позволяет идентифициро-

вать отдельные ветви сети [32]. Методика проста и легко реализуема, поэтому

нашла применение в ведущих компаниях для тестирования и поиска неисправ-

ностей в оптических сетях.

Методика мониторинга на основе перестраиваемой длины волны предполагает размещение оптического рефлектометра в центральном офисе. Она явля-

ется централизованной, однако имеет следующий существенный недостаток:

использование перестраиваемого лазера или перестраиваемого фильтра в цен-

тральном офисе сопровождается большими капитальными затратами.

Для оценки производительности систем мониторинга физического уровня можно использовать различные измерения. Эти измерения проводятся во временной области, спектральной области или в обеих областях в зависимости от метода мониторинга [4]. К ним относятся:

1. Пиковая мощность: мониторинг мощности является основным требованием для любой системы мониторинга. Система управления сетью (Network management system – NMS) на центральный офис (central office – СО) может

определить состояние физического уровня путем сравнения измеренной мощности с эталонным значением или порогом. Любое изменение пиковой мощности указывает на повреждение или неисправность физического уровня.

2. Средняя мощность: вместо однократного измерения для улучшения изме-

ренного сигнала используется усреднение. Любое изменение средней мощности по сравнению с эталоном означает повреждение или неисправность на физическом уровне.

3. Спектр мощности: некоторые методы мониторинга физического уровня за-

висят от измерения мощности полученных идентифицированных частот. Мониторинг мощности для этих частот определяет состояние физического уровня.

4. Оптический спектр: некоторые методы мониторинга контролируют при-

нимаемые длины волн. Потерянная длина волны означает, что конкретная

ветвь неисправна или повреждена

5. Отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio – SNR): измерение SNR в

приемнике является распространенным методом исследования производительности системы.

6. Вероятность ложной тревоги (The probability of a false alarm – PFA): этот

параметр характеризует работу приемника. Тревога генерируется (ложная тревога), когда в ветви нет неисправности, но приемник ошибочно решает, что она есть.

7. Вероятность ошибочного обнаружения (Probability of false detection – PFD): аналогично, этот параметр характеризует работу приемника. Он

описывает вероятность того, что приемник неправильно обнаружит неисправность в сети.

8. Область характеристик: это инструмент проектирования и измерения про-

изводительности, заимствованный из радиолокационных приложений, который иллюстрирует компромисс между PFD, PFA и SNR в приемнике.

9. Время оповещения: определяет время, необходимое NMS в СО для обнаружения неисправности в сети и оповещения оператора.

4.3 Рефлектометрия Мандельштама – Бриллюэна с идентификационными волокнами

На рисунке 4.1 представлена схема мониторинга PON, в которой ис-

пользуется бриллюэновский рефлектометр в центральном

офисе и волокна с

индивидуально заданными частотными

сдвигами Бриллюэна, которые мы

называем идентификационными волокнами [33].

Световой сигнал

1260-1625нм

Оптический

сплиттер

n-волокон

ОЛТ

Терминал

оптической линии

Бриллюэновский

Рефлектометр

Тестовый сигнал

Свет,

рассеивающи

йся назад по

Бриллюэну

Сдвиги частот в разветвлённой сети

Тестовый

сигнал

Частота

10 ГГц

Интенсивность

Сдвиги частот в

идентификацион

ных волокнах

Разветвлен

ная сеть

Уникальный

сдвиг частоты

Бриллюэна для

каждого ОВ

Уникальный сдвиг частоты

Бриллюэна для каждого ОВ

ОНТ

Оптический

сетевой

терминал

Разделение

Рисунок 4.1 – Схема мониторинга с идентификационными волокнами

В каждой ветви разветвленной сети имеет место ндивидуальный сдвиг

частоты Бриллюэна vn. Чтобы контролировать отдельное волокно в PON, оптический импульс с центральной частотой ν запускается из центрального офиса. После разветвителя импульсы передаются через различные идентификационные волокна, каждый из которых рассеивает уникальную

заранее назначенную частоту. Частотные сдвиги необходимы для того, чтобы

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 107 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]