ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР

Полезная модель относиться к волоконно-оптической технике связи, и может быть использована для определения распределения длины биений оптического волокна на участке линии передачи, что позволяет оценить такие характеристики линейного тракта, как длина корреляции, поляризационная модовая дисперсия и т.д.
Контроль качества волоконно-оптических линий передачи осуществляется путем измерения в них потерь света. Для этих целей разработана аппаратура, позволяющая находить не только полные потери в линии (оптические тесторы), но и распределение потерь и коэффициентов отражения вдоль линии (оптические рефлектометры).
В магистральных линиях стремятся, чтобы регенерационные участки линии получились максимально длинными, что позволяет уменьшить число ретрансляторов и снизить стоимость обслуживания линии. При этом существенно возрастают требования к надежности линии и величине потерь в ней. В этом случае недостаточно измерить полные потери в линии, а необходимо измерить еще потери в строительных длинах оптических кабелей, в сростках волокон и в оптических разъемах. В настоящее время сделать это можно только с помощью волоконно-оптического рефлектометра.
Известен волоконно-оптический рефлектометр, содержащий последовательно соединенные приемную оптическую систему, фотоприемное устройство, усилитель и блок регистрации, а также излучатель с передающей оптической системой и блок стробирования. (Бородулин В.И. и др. Волоконно-оптический рефлектометр. - Радиотехника и электроника, 1981, №4, с. 866-869.)
Недостатком такого устройства является низкая достоверность измерения расстояния. Это обусловлено, во-первых, возможностью насыщения фтоприемного устройства ФПУ мощным оптическим сигналом рассеяния от ближней зоны неидеально прозрачной среды распространения. При этом слабый импульс, отраженный от границы среда-объект (от места обрыва исследуемого волокна) не может быть обнаружен из-за «ослепления» ФПУ, соответственно нельзя достоверно измерить время задержки импульса и рассеяния до объекта. Во-вторых, при стробировании усилителя из экспоненциально спадающего сигнала рассеяния будет формироваться «вырезаться» импульс с крутым фронтом, по которому блок регистрации будет производить ложное измерение.
Целью полезной модели является повышение точности измерения расстояния до объекта в широком динамическом диапазоне при наличии помехового сигнала.
Это достигается тем, что устройство, содержащее последовательно соединенные приемную оптическую систему, фотоприемное устройство, усилитель и блок регистрации, а также излучатель с передающей оптической системой и блок стробирования, введены перестраиваемый фильтр, блок адаптации и блок коррекции, при этом вход блока адаптации подключен к выходу фотодетектора, а выход - к управляющему входу усилителя, первый вход блока коррекции соединен с выходом усилителя, а выход - с регулирующим входом блока регистрации, перестраиваемым фильтром соединен по входу с выходом фотодетектора, а по выходу - с входом блока адаптации, оптический выход излучателя соединен с входом передающей оптической системы, а синхровыход - с входом блока стробирования, выход которого подключен к стробирующему входу усилителя и ко второму входу блока коррекции, выход блока масштабирования соединен со вторым входом блока регистрации, третий вход которого подключен к синхровыходу излучателя.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - диаграмма, поясняющая работу перестраиваемого фильтра, блока адаптации и усилителя; на фиг. 3 АЧХ перестраиваемого фильтра (1 и 2) для соответствующих спектров сигнала рассеяния (3 и 4); на фиг. 4 показана принципиальная схема перестраиваемого фильтра.
Устройство содержит приемную оптическую систему 1, фотоприемник 2, усилитель 3, блок регистрации 4, передающую оптическую систему 5, излучатель 6, блок стробирования 7, перестраиваемый фильтр 8, блок адаптации 9, блок коррекции 10, блок масштабирования 11.
Устройство работает следующим образом.
Излучатель 6 формирует оптический импульс и совпадающий во времени с его фронтом синхроимпульс. Оптический импульс через передающую оптическую систему 5 поступает в среду распространения (измеряемый сигнал). Синхроимпульс поступает в блок стробирования 7, где формируется стробимпульс с необходимыми временными характеристиками (задержка, длительность). Отраженный от объекта и среды распространения оптической сигнал посредством приемной оптической системы 1 подается на фотоприемник 2, где он преобразуется в электрический сигнал. Блок регистрации 4, выполненный в виде преобразователя время-амплитуда-код, формирует электрический сигнал (напряжение), амплитуда которого пропорциональна временному интервалу между синхроимпульсом и принятым сигналом, а далее сформированный аналоговый сигнал преобразует в двоичный код. Это позволяет точно изменить интервалы времени в диапазоне единицы-тысячи наносекунд без использования сверхширокополосных цифровых устройств.
Линейность преобразования, а соответственно, и высокую достоверность измерения расстояния до объекта, блок регистрации 4 обеспечивает на ограниченном времени интервале, для расширения пределов высокочастотного измерения в блоке масштабирования 11 производят грубое измерение расстояния, о дискретных интервалах которого с помощью блока регистрации 4 осуществляют измерение с заданной точностью.
Перестраиваемый фильтр 8 пропускает на вход усилителя 3 импульс от объекта, подавая электрический сигнал, обусловленный рассеянием излучения от ближней зоны неидеального прозрачной среды распространения. Причем граничная частота перестраиваемого фильтра изменяется по информации об амплитуде и о крутизне спада сигнала рассеяния: чем медленнее снижается уровень сигнала рассеяния (по закону ), тем меньше граничная частота перестраиваемого фильтра (().
Соответственно меньше потери энергии импульса от объекта, обусловленные подавлением низкочастотной части его спектра. В блоке адаптации 9 из неотфильтрованного электрического сигнала рассеяния формируется управляющее напряжение, компенсирующее медленный неотфильтрованный сигнал рассеяния, за счет чего рабочая точка усилителя 3 не смщается и не обеспечивается передача от объекта с максимальным коэффициентом. На стробирующий вход усилителя 3 с блока стробирования 7 подается строб-импульс и, если он совпадает во времени с импульсом до объекта, то последний после усиления поступает на сигнальный вход блока регистрации 4 и на первый вход блока коррекции 10. Чтобы напряжение переходных процессов при стробировании усилителя 3 и напряжение его шума не накапливались блоком коррекции 10, на его второй вход также подается строб-импульс. Таким образом, по амплитуде импульса от объекта блок коррекции 10 вырабатывает регулирующее напряжение, поступающее на регулирующий вход блока регистрации 4.
В результате этого момента прихода импульса от объекта, а значит и расстояние до объекта, измеряется с высокой точностью независимо от амплитуды импульса.
Из рассмотрения эпюр напряжений, иллюстрирующих работу предлагаемого устройства (см. фиг. 2), видно, что устранение влияния сигнала рассеяния за счет перестраиваемого фильтра 8 и блока адаптации 9 позволяет предотвратить ложные коррекции 10, дает возможность снизить погрешность измерения расстояния , обусловленную фронтом полезного импульса в 5-10 раз. Значение коэффициента к определяется точностью воспроизведения формы фронта импульса блоком коррекции 10.
Конкретная реализация предлагаемого устройства следующая.
Перестраиваемый фильтр 8 (см. фиг. 4) ослабляет затянутый сигнал рассеяния экспоненциальной формы при незначительном ослаблении короткого импульса, отраженного от объекта. Чтобы минимизировать указанные потери мощности импульса от объекта, граничную часть фильтра перестраивают в соответствии с шириной спектра сигнала рассеяния (см. фиг. 3). При значительной амплитуде импульса рассеяния граничная часть перестраиваемого фильтра также увеличивается, что позволяет улучшить отношение сигнал объекта/сигнал рассеяния.
Блок регистрации, состоит из пороговых формирователей, преобразователя время-амплитуда и АЦП. С приходом синхроимпульса «Старт» с излучателя 6 компаратор вырабатывает импульс отрицательной полярности. При этом опрокидывается триггер, разрешения работу генератора, также происходит сброс счетчиков по входу параллельной загрузки. По каждому импульсу генератора разряжается емкость C, затем начинается ее разряд от генератора стабильного тока, (на фиг. не показано). В результате на цифровом выходе измерителя формируется двоичный восемнадцатиразрядный код, младшие десять разрядов которого являются результатом точного отсчета, старшие 8 - результатом грубого отсчета.
1
1
o
o
Таким образом, при периоде переключения блока масштабирования  при грубом отсчете расстояние измеряется с точностью ΔR=100 м в пределах R=R - 25600 м, где V - скорость распространения излучения; R, - «мертвая зона».
1
С началом каждого периода переключения блока масштабирования через элемент генератора запускается блок регистрации, и измеритель времени интервалов измеряет расстояние с точностью  в пределах R=R+100 м, что позволяет получить высокую точность измерения в широком диапазоне измерения расстояния до объекта.
Излучатель 6 собран на транзисторе VT1 генерирует импульсы питания для лавинного диода (S-дида) VД1. Лавинный диод VД1 формирует токовые импульсы длительностью 10-100 не для накачки полупроводникового лазера VД2. В момент пробоя лавинного диода с помощью дифференцирующей цепи получается синхроимпульс, запускающий формирователь строба 7. Стробирующий импульс поступает на второй (управляющий) вход блока коррекции 10, разрешая прохождение полезного сигнала на выход пикового детектора, выходное напряжение которого подается на регулирующий вход блока регистрации 4. В результате этого пороговый уровень компаратора изменяется пропорционально амплитуде полезного сигнала.
Фотоприемник 3 собран на основе лавинного фотодиода ЛФД-6 и предварительного видеусилителя на транзисторах.
Блок адаптации 9 выполнен на основе двух эмиттерных повторителей типа VТ8. Напряжение адаптации, подаваемое на управляющий вход усилителя 3 (эмиттер транзистора), окончательно устраняет сигнал рассеяния (см. фиг. 2, д).
В качестве приемной 1 и передающей 5 оптических систем могут применяться серийные двухлинзовые объективы типа ОЛП-М (для лазерных дальномеров) или волоконно-оптический разветвитель с оптическими разъемами на выходных плечах.
Блок коррекции 7 состоит из эмиттерного повторителя VT10, пикового детектора VД2, C3 и истокового повторителя VТ1. Выходное напряжение блока коррекции 10, пропорциональное амплитуде полезного сигнала, поступает на регулирующий вход блока регистрации 4.