3.2.3 Технические характеристики оптического рефлектометра

При работе с оптическим рефлектометром важно знать какова максимальная длина тестируемого участка ВОЛС, какова точность определения расстояния до обнаруженных дефектов, дефекты с какой величиной минимальных потерь могут быть обнаружены в тех или иных условиях, какова точность измерения потерь. В большинстве случаев эти факторы зависят не только от возможностей рефлектометра, но и от характеристик тестируемого объекта (участка ВОЛС или отдельного волокна).

Технические характеристики рефлектометров определены таким образом, что они не связаны с характеристиками конкретного тестируемого объекта, а измерены в стандартных условиях. По известным техническим характеристикам можно установить возможность проведения измерений и достижимую точность измерений в конкретных условиях. К техническим характеристикам оптического рефлектометра относятся следующие:

• динамический диапазон и диапазон измеряемых расстояний;

• мертвые зоны рефлектометра;

• разрешающая способность;

• точность измерения расстояния;

• точность измерения затухания.

Динамический диапазонрефлектометра определяет максимальную длину волокна, которую можно им исследовать. Он зависит от типа волокна и от параметров самого измерительного прибора.

Диапазон выражается в децибелах‚ причем чем больше значение диапазона‚ тем больше длина волокна‚ которое можно измерить. Тестирующий импульс должен быть достаточно сильным‚ чтобы достичь конца тестируемого волокна‚ а измеритель должен быть достаточно чувствительным‚ чтобы быть в состоянии измерить самые слабые сигналы обратного рассеяния‚ поступающие с конца длинного отрезка волокна. Динамический диапазон зависит как от полной импульсной мощности лазерного источника света‚ так и от чувствительности измерителя: очень мощный источник света и чувствительный измеритель обеспечат большой динамический диапазон и наоборот.

Динамический диапазон оптического рефлектометра определяется как разность между уровнем обратного рассеяния на ближнем конце волокна и верхним уровнем среднего значения шума у конца волокна или после него.

 При большом динамическом диапазоне индикация на дисплее уровня обратного рассеяния на дальнем конце волокна будет четкой и плавной. При маленьком динамическом диапазоне рефлектограмма будет зашумлена на дальнем конце - точки с результатами измерений показывающие на рефлектограмме уровень обратного рассеяния не образуют плавной линии, а будут постоянно уходить то вверх то вниз. На зашумленной части рефлектограммы трудно различить какие-нибудь детали, так как разница между результатами измерений в двух смежных точках может быть больше значения потерь на оптоволоконном соединении.

Увеличение динамического диапазона очевидно можно достичь увеличив полную выходную импульсную мощности лазерного источника. Это может быть осуществлено двумя способами: увеличением абсолютного количества излучаемой световой энергии или увеличением длительности импульса. У каждого способа есть свой предел. У лазерного диода имеется естественный максимальный уровень выходной мощности который невозможно превысить. Кроме того более высокая выходная мощность означает сокращение срока службы: лазер может быстрее перегореть. Увеличение длительности импульса затрагивает другие рабочие характеристики такие как мертвая зона: чем больше длительность импульса тем длиннее мертвые зоны.

У измерителей также имеются естественные ограничения их способности измерять низкие уровни световой энергии. В некоторой точке уровень посланного измерителем электрического сигнала (который соответствует обнаруженному уровню мощности оптического излучения) теряется в электрическом шуме схемы так что контроллер не может отличить шум от результатов полученных измерителем. Решающее значение для ослабления отрицательного воздействия на рефлектометр электрического шума имеет внутреннее электрическое экранирование. Кроме того когда измеритель работает с использованием своей максимальной чувствительности то уровень его точности понижается. Для повышения точности измерений при более низких уровнях световой энергии в рефлектометре применяется метод усреднения объединяющий результаты измерений тысяч импульсов. Использование этого метода усреднения повышает чувствительность измерителя и тем самым помогает увеличивать динамический диапазон.

Близкой к динамическому диапазону характеристикой рефлектометра является диапазон измеряемых расстояний. Он ограничивает длину волокна‚ которую можно вывести на экран дисплея. Диапазон измеряемых расстояний должен быть больше длины тестируемого волокна. Этот диапазон влияет на точность тестирования и на время‚ нужное для его проведения.

Мертвые зонырефлектометра это участки рефлектограммы вблизи отражающих элементов, в которых затруднены измерения.

Поскольку мертвая зона непосредственно связана с длительностью импульса‚ то ее можно уменьшить‚ сократив длительность импульса. Но сокращение длительности импульса означает уменьшение динамического диапазона. В конструкции любого рефлектометра должен найти отражение компромисс между этими двумя характеристиками. Аналогичным образом‚ пользователь оптического рефлектометра должен выбирать длительность импульса в зависимости от того‚ что для него является более важным – различать близко расположенные друг к другу неоднородности или просматривать волокно большей длины. Самая лучшая конструкция обеспечивает большой динамический диапазон при небольшой длительности импульса. Это соотношение динамический диапазон на длительность импульса и будет определять на каком расстоянии в волокне возможно отличать друг от друга две находящихся близко друг к другу неоднородности (оптоволоконные соединения).

Мертвые зоны появляются на рефлектограмме волокна во всех случаях‚ когда в волокне использованы разъемы‚ а также при наличии в волокне некоторых дефектов (таких‚ как трещины). В каждом волокне имеется по крайней мере одна мертвая зона: в том месте‚ где оно присоединено к рефлектометру. Это означает‚ что в начале тестируемого волокна имеется участок‚ в котором нельзя проводить измерения. Этот участок имеет непосредственное отношение к длительности импульса лазерного источника. Более длительный импульс вызывает увеличивает ширину мертвой зоны. Если существует необходимость получить характеристику той части волокна‚ которая находится рядом с ближним концом или если нужно измерить два события (неоднородности) на рефлектограмме‚ находящиеся друг от друга на небольшом расстоянии‚ то нужно выбрать самую короткую из возможных длительностей импульса‚ при которой рефлектограмма выглядит незашумленной.

Различают две категории мертвых зон: мертвые зоны отражения и мертвые зоны затухания.

Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно обнаружить другое отражающее событие, называется мертвой зоной отражения. Такая мертвая зона говорит о том‚ когда после какого-либо отражения (обычно от разъема у рефлектометра) возможно обнаружить отражение от обрыва или от оптоволоконного соединения. Она определяется расстоянием между началом отражения и точкой на спаде пика отражения с уровнем -1,5 дБ относительно вершины.

Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно точно измерить уровень мощности обратного рассеяния называется мертвой зоной затухания, т. к. этот участок волокна исключается из процесса измерения затухания. Она определяется расстоянием от начала отражения до точки, в которой уровень сигнала фотоприемника отличается не более чем на ±0,5 дБ от уровня обратного рассеяния [11].

Приведенные определения двух типов мертвых зон иллюстрирует рисунок 3.6.

Рисунок 3.6 – Определение мертвой зоны отражения и мертвой зоны затухания

При некоторых конфигурациях рефлектометра имеется возможность выбирать разрешающую способностьизмерений – расстояние (шаг) между точками с результатами измерений. Более высокая разрешающая способность (меньший шаг точек) обеспечит получение большего числа сведений о волокне‚ но тестирование в этом случае‚ как правило‚ займет больше времени‚ чем при более низкой разрешающей способности.

Имеются две разновидности разрешающей способности: пространственная (расстояние) и по потерям (затухание).

Разрешающая способность по потерям (по затуханию) – это способность измерителя различать воспринимаемые им уровни мощности. Большинство измерителей рефлектометров могут выводить на экран дисплея разность между уровнями обратного рассеяния вплоть до 0‚01 или 0‚001 децибела. По мере распространения лазерного импульса по волокну соответствующие сигналы обратного рассеяния становятся все слабее‚ а разница между уровнями обратного рассеяния в двух смежных точках измерения становятся все больше. Таким образом‚ чем дальше импульс распространяется по волокну от рефлектометра‚ тем относительно больше (по сравнению с частью волокна‚ примыкающей к рефлектометру) становится расстояние по вертикали между точками с результатами измерений‚ образующими рефлектограмму. Это приводит к тому‚ что ближе к концу всего волокна рефлектограмма становится зашумленной и для своего выравнивания нуждается в усреднении множества результатов измерения импульсов. Шум на рефлектограмме может лишить Вас возможности обнаруживать или измерять оптоволоконные соединения и дефекты с низкими потерями.

Пространственная разрешающая способность (по расстоянию) – это параметр‚ определяющий насколько близко друг к другу по времени (и‚ соответственно‚ по расстоянию) находятся отдельные точки с результатами измерений‚ образующие рефлектограмму. Эта способность выражается в единицах расстояния; высокая разрешающая способность – 0‚5 м‚ а низкая – от 4 до 16 м. Разрешающая способность по расстоянию оказывает влияние на способность рефлектометра определять местонахождение конца всего волокна: если точки измерений находятся друг от друга на расстоянии 8 м‚ то конец волокна может быть определен лишь с точностью ±8 м. Пространственная разрешающая способность в некоторых местах уменьшается из-за наличия мертвой зоны. Достоверные измерения затухания в волокне – это те‚ которые сделаны между двумя уровнями обратного рассеяния. Для измерения потерь нельзя использовать те точки измерений‚ которые были получены в то время‚ когда измеритель был в состоянии насыщения из-за френелевского отражения. Это связано с тем‚ что в то время измеритель не мог точно измерять уровни. Поэтому пространственная разрешающая способность в районе вокруг френелевского отражения – хуже (более низкая) из-за того‚ что единственные точки измерений‚ которые можно использовать‚ находятся до и после мертвой зоны по обе стороны оптоволоконного соединения.

Точность измерения расстоянийявляется важной технической характеристикой рефлектометра, потому как часто тестирование ВОЛС производится для обнаружения неисправностей. Точность измерения расстояний оптического рефлектометра зависит от трех факторов: стабильность тактовой частоты, шаг точек измерений и неопределенность показателя преломления.

Схема синхронизации, которая определяет время подачи импульсов и длительность интервалов между выборкой показаний измерителя, должна быть стабильной и точной. При использовании рефлектометра для локализации дефекта происходит измерение времени прохождения света до неисправности и обратно. Измеренное значение времени используется для вычисления расстояния от торца до неисправности вдоль волокна. Если схема синхронизации будет неточной‚ тогда измеренное время – и‚ соответственно‚ расстояние – будет либо короче‚ либо длиннее‚ чем в действительности.

Влияет на точность измерений и пространственная разрешающая способность. Оптический рефлектометр может точно измерять расстояния только исходя из точек измерений‚ которые он использует. Чем ближе друг к другу расположены эти точки‚ тем больше вероятность того‚ что одна из них окажется около какого-либо повреждения волокна или прямо на нем.

Расстояние рассчитывается рефлектометром исходя из скорости света в волокне‚ зависящей от его показателя преломления. Это означает‚ что определяемый пользователем показатель преломления является критическим фактором для точного измерения расстояний. Если значение показателя преломления ошибочно‚ то и расстояние будет измерено неправильно. Однако характеристики волокна в разных его частях могут быть неодинаковыми‚ в связи с чем будет немного изменяться и значение показателя преломления. А это приведет‚ в свою очередь‚ к дополнительной неточности при измерении расстояний. Такая "неопределенность свойств волокна" вызывается изменениями показателя преломления в одном и том же волокне‚ а также тем‚ что показатели преломления двух или более волокон‚ объединенных посредством оптоволоконных соединений‚ могут быть неодинаковыми. Больше всего разницы между показателями преломления может быть у сращенных вместе волокон двух различных изготовителей.

Точность измерения затухания‚ производимого измерителем оптического рефлектометра‚ зависит от того‚ насколько близко выходная мощность электрического сигнала соответствует входной мощности оптического излучения. Большинство оптических измерителей преобразуют поступающую мощность оптического излучения равномерно по всему рабочему диапазону в электрический сигнал соответствующего уровня‚ но выходная мощность электрического сигнала оказывается крайне низкой. Во всех измерителях используются электрические усилители‚ повышающие крайне низкий уровень выходной мощности электрического сигнала‚ но все эти усилители вносят в сигнал определенные искажения. Высококачественные усилители могут усиливать как высокие‚ так и низкие уровни на одну и ту же величину. Говоря другими словами‚ в большей части рабочего диапазона у них в высшей степени "линейная" реакция на входную мощность. Усилители более низкого качества вносят в усиливаемый сигнал значительные искажения либо на высоком‚ либо на низком уровне входной мощности‚ так что эти уровни по краям рабочего диапазона становятся нелинейными. От того‚ в какой степени оптическому измерителю и его усилителю присуща линейность‚ будет зависеть‚ насколько точно поступающая оптическая мощность будет преобразовываться в усиленный электрический сигнал. Также ошибки измерений затухания возникают из-за наличия шумов преобразователя.

Френелевские отражения обычно находятся вне диапазона измерений и поэтому при характеристике линейности рефлектометра не учитываются. Однако в выводимой на экран рефлектограмме в период восстановления чувствительности после отражения часто проявляется нелинейность‚ возникающая при переходе уровня поступающей мощности от крайне высокого (отражение) к очень низкому (обратное рассеяние).