ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к области оптических измерений, в частности, к оптико-электронным устройствам для измерения и контроля параметров волоконных световодов (оптическим рефлектометрам).
В настоящее время при измерении параметров оптического тракта наиболее распространенными являются методы импульсной рефлектометрии (OTDR), в которых с помощью импульсного генератора формируют зондирующий оптический сигнал, который через оптический направленный ответвитель вводят в исследуемое волокно. Сигналы обратного рассеяния и отражения от неоднородностей волокна, поступают на фотоприемник рефлектометра. Временной анализ отраженного сигнала обеспечивает фиксацию изменений зондирующего сигнала вдоль волоконного световода (регистрацию рефлектограммы) и последующее определение его параметров (см. А.Г.Свинцов, Н.А.Слуцкий «Системы мониторинга волоконно-оптических сетей связи». Вестник связи, №12, 2000 г.).
Известны устройства, в которых реализуется метод импульсной рефлектометрии, в которых в качестве зондирующего сигнала используется одиночный импульс (см. Европейский патент №ЕР 318043, М. кл. G 01 М 11/00, опубл. 31.05.1989 г.; патент США №4732469, М. кл. G 01 N 21/88, G 01 M 11/00, опубл. 22.03.1988 г.). В патенте ЕР318043 рассмотрен оптический рефлектометр с временным анализом сигнала, в котором зондирующий импульс вводится в оптическое волокно, а оптический приемник формирует электрический сигнал, соответствующий отраженному световому сигналу. Имеющийся в устройстве процессор преобразует этот сигнал в цифровую форму для последующего определения с помощью дискриминатора разницы в положении во времени посланного и отраженного импульсов и последующего вычисления решающим устройством положения дефектного участка исследуемого волокна.
В патенте США №4732469 рассмотрен оптический рефлектометр с временным анализом сигнала, в котором в качестве зондирующего сигнала используется короткий импульс, создаваемый импульсным генератором, длительность которого определяет пространственное разрешение рефлектометра. Этот импульс с помощью оптического направленного ответвителя вводят в испытуемое оптическое волокно, и затем с помощью средств контроля регистрируют отраженный сигнал, например, сигнал обратного рассеяния.
Устройство содержит также тактовый генератор, источник оптического излучения, направленный ответвитель, фотоприемник, АЦП, блок памяти для запоминания выходных цифровых величин и индикатор для отображения регистрируемой рефлектограммы тестируемого волоконного световода.
Однако при реализации обоих устройств возникает ряд проблем. Типичная рефлектограмма тестируемого волокна состоит из ряда фрагментов. Однородные участки с постоянным коэффициентом затухания выглядят как прямая линия с наклоном, пропорциональным коэффициенту затухания. Для регистрации этих участков и определения коэффициента затухания с минимальной погрешностью необходимо использовать зондирующий импульс оптимальной длительности (см. приложение).
Выбросы сигнала возникают из-за отражений в волокне в местах расположения разъемных соединителей, дефектов или паразитных включений инородных примесей. Для точного определения положения этих неоднородностей необходимо использовать по возможности более короткие зондирующие импульсы.
Перепады сигнала возникают из-за потерь в неразъемных соединителях. Для точного определения потерь в неразъемных соединителях и положения этих неоднородностей необходимо использовать зондирующие импульсы, длительность которых выбирается с учетом величины потерь (перепада) и отношения сигнала к шуму.
Для точной регистрации всей рефлектограммы необходимо различные ее фрагменты регистрировать, используя различные длительности зондирующих импульсов. Этого можно достичь только при проведении нескольких измерений с различными длительностями зондирующих импульсов и последующим составлением рефлектограммы из необходимых фрагментов. На практике это недопустимо, так как требует значительного времени измерения.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту США №4732469.
Задачей полезной модели является уменьшение времени измерения путем исключения проведения многократных измерений и повышение точности регистрации рефлектограмм.
Решение поставленной задачи обеспечивается в оптическом рефлектометре, содержащем источник оптического излучения, оптически связанный через направленный ответвитель с входным концом исследуемого волоконного световода и со входом фотоприемника, выход которого через аналогово-цифровой преобразователь соединен с первым входом блока памяти, связанного вторым входом с выходом тактового генератора, и индикатор, отличающемся тем, что он содержит формирователь интервала заполнения, формирователь интервала дифференцирования и управляемый дифференциатор, первый вход которого соединен с выходам блока памяти и первым входом формирователя интервала дифференцирования, второй вход - с выходом формирователя интервала дифференцирования, а выход - со
вторым входом формирователя интервала дифференцирования и первым входом индикатора, выход формирователя интервала заполнения соединен со входом источника излучения и вторым входом индикатора, а выход тактового генератора соединен со входом формирователя интервала заполнения.
Такое построение оптического рефлектометра обеспечивает формирование зондирующего импульса большой длительности, которая обеспечивает заполнение оптическим излучением всего тестируемого волоконного световода, регистрацию так называемой интегральной рефлектограммы и преобразование ее в традиционную рефлектограмму, регулируя эквивалентную длительность зондирующего импульса в необходимых пределах.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, а временные диаграммы - на фиг.2. В соответствии с фиг.1 устройство содержит тактовый генератор 1, выходом связанный со входом формирователя 2 интервала заполнения, выход которого соединен со входом источника 3 оптического излучения, выход которого через направленный ответвитель 4 подключен ко входному концу тестируемого волоконного световода 5, выходной конец которого через направленный ответвитель 4 подключен ко входу фотоприемника 6, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого подключен к первому входу блока 8 памяти, ко второму входу которого подключен выход тактового генератора 1, а выход блока 8 памяти соединен с первыми входами управляемого дифференциатора 9 и формирователя интервала дифференцирования 10, выход управляемого дифференциатора 9 подключен ко второму входу формирователя 10 интервала дифференцирования и к первому входу индикатора 11, ко второму входу которого подключен выход формирователя 2 интервала заполнения.
Рефлектометр работает следующим образом. Тактовый генератор 1 вырабатывает импульсы, из которых формирователь 2 интервала заполнения формирует импульс (фиг.2.а), длительностью, большей или равной удвоенному времени распространения излучения в тестируемом волоконном световоде 5. Этот импульс управляет источником 3, оптическое излучение которого через направленный ответвитель 4 вводится в тестируемый волоконный световод 5 и полностью его заполняет. После окончания зондирующего импульса сигнал обратного рассеяния через тот же направленный ответвитель 4 поступает на фотоприемник 6, преобразуется в электрический сигнал, а затем аналого-цифровым преобразователем 7 - в цифровые значения, которые запоминаются (накапливаются) в блоке 8 памяти. В результате в блоке 8 памяти запоминается, так называемая интегральная рефлектограмма (фиг.2.б). Для преобразования интегральной рефлектограммы в традиционную ее необходимо продифференцировать. Дифференцирование производит управляемый дифференциатор 9, интервал дифференцирования которого (фиг.2.в) регулирует формирователь 10.
Полученная рефлектограмма отображается в логарифмическом масштабе (фиг.2.г) на индикаторе 11.
При таком способе обработки интегральной рефлектограммы интервал дифференцирования равен эквивалентной длительности зондирующего импульса рефлектометра-прототипа. Возможность регулирования эквивалентной длительностью зондирующего импульса позволяет с высокой точностью регистрировать различные фрагменты рефлектограммы при однократном измерении. Это уменьшает общее время измерения за счет исключения необходимости проведения многократных измерений и повышает точность регистрации рефлектограмм.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства.
Тактовый генератор 1 и формирователь 2 интервала заполнения и блок 8 памяти могут быть выполнены на основе программируемой логики ALTERA (см. на сайге сети ИНТЕРНЕТ: http://www.altera.ru/Articles/Altera 0.3htm).
В качестве источника 3 оптического излучения может быть использована модель LFO-18/4.i (см. на сайте сети ИНТЕРНЕТ: http//www.fti-optronic.com/modul_rus/mod_rus LD.htm).
В качестве направленного ответвителя 4 может быть использован направленный ответвитель производства Физико-технического института им.Иоффе - типоразмер 01 (см. на сайте сети ИНТЕРНЕТ: http://www.krone.ru).
В качестве фотоприемника 6 может быть использована модель PD 1375 s-ip (см. на сайте сети ИНТЕРНЕТ: http//www.fti-optronic.com/modul_rus_PD.htm).
АЦП 7 может быть выполнен на микросхеме max 1190 (см. Key Specifications: High-Speed ADCS (≥ 1MSPS) на сайте сети ИНТЕРНЕТ: http://www.maxim-ic.com/quick view 2.cfm qv pk=3516@ln=).
Управляемый дифференциатор 9, формирователь 10 интервала дифференцирования и индикатор 11 могут быть реализованы на персональном компьютере (например, ноутбуке), работающем в соответствии с алгоритмом, приведенном в разделе 5 Приложения.
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. Определение коэффициента затухания
1
2
Для определения коэффициента затухания измеряется затухание между двумя точками однородного участка линейного волоконно-оптического тракта, на котором отсутствуют френелевские отражения и локальные неоднородности. Для точек, расположенных на расстояниях l и lот его начала коэффициент затухания вычисляется по выражению
P
1
2
2
1
α=y/y·(l-l),
1
2
где y, y - значения сигналов в точках 1 и 2 после преобразования обратно рассеянного оптического излучения в электрический сигнал и его последующей обработки.
Основным источником погрешности измерения затухания является случайная погрешность, обусловленная усредненными шумами фотоприемника, с учетом которых выражение для коэффициента затухания принимает вид
,
N1
N2
где y, y - мгновенные значения шумов в 1 и 2 точках после обработки сигнала обратного рассеяния.
Так как фотоприемник работает в режиме очень слабых сигналов, можно полагать, что среднее квадратичное значения шумов в точках 1 и 2 одинаковы и равны σ. В этом случае погрешность измерения коэффициента затухания определяется выражением
Зависимость погрешности измерения коэффициента затухания от расстояния между точками для разных длин волн и длительностей импульсов показана на (фиг.1.П). Увеличение расстояния между выбранными точками сначала уменьшает погрешность, которая проходит через минимум при некотором расстоянии, а затем вновь начинает возрастать.
P
2
1
Для нахождения оптимального расстояния между точками найден экстремум этого выражения и получено оптимальное значение произведения 2α(l-l)=0.569.
Таким образом, для коэффициента затухания 0.2 ∂Б/км (λ=1550 им) оптимальное расстояние составляет 6.1 км, для 0.35 ∂Б/км (λ=1310 нм) составляет 3.5 км и для 2 ∂Б 1 км (λ=850 нм) - 0.6 км.
Из изложенного следует, что для определения коэффициента затухания с минимальной погрешностью необходимо устанавливать оптимальное расстояние между точками измерения затухания и выбирать зондирующие импульсы максимальной длительности, вплоть до импульсов, длительность которых занимает в оптическом волокне протяженность равную оптимальному расстоянию. Кроме того, сокращение полосы пропускания фотоприемника до согласования ее с импульсами максимальной длительности увеличивает отношение сигнала к шуму и, следовательно, уменьшает случайную составляющую погрешности измерения.
2. Определение вносимых и возвратных потерь
Одно из основных назначений рефлектометра - определение вносимых и возвратных потерь в разъемных и неразъемных соединениях, а также в любых локальных неоднородностях.
-7
На (фиг.2.П) приведены фрагменты рефлектограмм отражательной неоднородности, возникающей при соединении двух одинаковых одномодовых волокон, для двух длин волн и двух длительностей зондирующего импульса. Коэффициент отражения r=10 Вносимые потери в стыке на расстоянии l=10 км составляют q=0.04 ∂Б.
Из рисунка видно, что амплитуда скачков сигнала обратного рассеяния от отражающей неоднородности зависит от длительности импульса. Это кажущаяся зависимость, абсолютная амплитуда скачков одинакова для любой длительности зондирующего импульса и зависит лишь от коэффициента отражения r. Кажущаяся неодинаковость амплитуд связана с пропорциональным изменением общего уровня сигнала обратного рассеяния при изменении длительности импульса и применением логарифмического масштаба при отображении фрагмента рефлекгограммы.
На (фиг.3.П) приведены те же фрагменты рефлектограмм неотражающей неоднородности, для двух длин волн и различных длительностях зондирующего импульса. Коэффициент отражения r=0. Вносимые потери в стыке на расстоянии l=10 км составляют q=0.04 ∂Б.
Из рисунка видно, что амплитуда перепадов сигнала обратного рассеяния от неотражающей неоднородности не зависит от длительности импульса. Это кажущаяся независимость, абсолютная амплитуда перепадов пропорциональна локальным потерям q в стыке и общему уровню сигнала обратного рассеяния, который пропорционален длительности зондирующего импульса. Кажущаяся независимость амплитуд связана с пропорциональным изменением общего уровня сигнала обратного рассеяния при изменении длительности импульса и применением логарифмического масштаба при отображении фрагмента рефлектограммы.
Основным источником погрешности измерения вносимых и возвратных потерь является случайная погрешность, обусловленная усредненными шумами фотоприемника.
Для уменьшения погрешности регистрации отражающей неоднородности можно увеличить длительность зондирующего импульса. Это не приведет к возрастанию амплитуды скачка сигнала обратного рассеяния, но позволит сократить полосу пропускания фотоприемника и, следовательно, увеличить отношение сигнала к шуму. При этом необходимо помнить, что сокращение полосы пропускания ведет к увеличению погрешности измерения расстояния до неоднородности.
Для уменьшения погрешности регистрации неотражающей неоднородности тоже можно увеличить длительность зондирующего импульса. Это приведет к возрастанию амплитуды перепада сигнала обратного рассеяния, и, следовательно, увеличит отношение сигнала к шуму. Полосу пропускания фотоприемника сокращать необязательно. Однако неотражающую неоднородность обнаружить значительно труднее, чем отражающую, так как амплитуда перепада обычно значительно меньше амплитуды скачка, поэтому необходимость в сокращении полосы пропускания возникает автоматически.
Если отношение сигнала к шуму позволяет проводить измерение вносимых и возвратных потерь с допустимой погрешностью, то длительность зондирующего импульса необходимо выбирать минимальной, а полосу пропускания фотоприемника максимальной. Это обеспечит измерение расстояния до неоднородности с наивысшей точностью.
3. Пространственное разрешение оптического рефлектометра
Пространственное разрешение определяется минимальным расстоянием между двумя френелевскими неоднородностями, которые могут быть выявлены по рефлектограмме. Часто пространственное разрешение упрощенно определяют через длительность зондирующего импульса τ по выражению:
Р
l=τ·с/2n,
где c - скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердцевины волокна.
Однако это выражение не учитывает амплитудно-частотную характеристику фотоприемника, отношение сигнала к шуму и соотношение между амплитудами френелевских отражений.
На (фиг.4.П) приведены фрагменты рефлектограммы, содержащей два разделенных френелевских отражения при следующих исходных данных:
1
2
1
2
1
Р
Y
∂
∂
∂
-7
-7
-7
l=10 км, l=10.05 км, q=0.04 Б, q=0.04 Б, r=10, r=0.75·10, α=0.2 Б/км, τ=10с.
Из рисунка видно, что при малых длительностях зондирующего импульса две рядом расположенные неоднородности четко различаются. При увеличении длительности импульсов различать неоднородности становится затруднительно. Особенно сложно различать неоднородности при малом отношении сигнала к шуму.
На пространственное разрешение оптического рефлектометра в окрестностях элементов оптических трактов, имеющих большие френелевские отражения, существенно влияет насыщение фотоприемника. Из-за его насыщения импульсом от первой неоднородности длительность импульса увеличивается, и импульс от второй неоднородности может сливаться с первым импульсом, поэтому различить неоднородности становится затруднительно или вообще невозможно.
При регистрации рефлектограммы волоконно-оптического тракта длительность импульса необходимо выбирать с учетом наличия или отсутствия близко расположенных друг к другу неоднородностей, кроме длительности можно изменять полосу пропускания фотоприемника, меняя при этом отношение сигнала к шуму.
4. Выбор оптимальных параметров рефлектометра
Типичная рефлектограмма волоконно-оптического тракта с различными неоднородностями приведена на (фиг.5.П).
P
На рефлектограмме можно выделить однородные участки 2, 3 тракта с постоянным коэффициентом затухания α, на которых сигнал обратного рассеяния после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания. Из рисунка видно, что на участке 2 коэффициент затухания больше, чем на участке 3.
Наряду с линейным изменением уровня сигнала на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала 1 вызван френелевским отражением от входного торца, исследуемого волоконного тракта. Как правило, он вводит фотоприемное устройство в насыщение, на рисунке показано пунктиром. Время выхода из насыщения определяет важный параметр рефлектометра - мертвую зону, т.е. расстояние, на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания.
Выброс сигнала с перепадом затухания 5 возникает при наличии в тракте разъемного соединителя, а также при наличии в волокне маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха. Такие отражения характеризуются возвратными потерями. Неразъемные соединения (сварные,
клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой 4, величина которой характеризуется вносимыми потерями.
Конец волоконно-оптического тракта или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу 6. Если тракт заканчивается оптическим разъемом с идеальным торцом оптического волокна, то амплитуда импульса достигает значительных величин, и при коротком оптическом кабеле даже может ввести в насыщение фотоприемник. Если тракт заканчивается обрывом, то амплитуда импульса зависит от угла скола волокна в месте обрыва, и может изменяться в широких пределах, иногда отраженный импульс вообще отсутствует.
После конца волоконно-оптического тракта следует участок 7, который характеризуется резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленными шумами фотоприемника.
Для регистрации рефлектограммы всего волоконно-оптического тракта с высокой точностью необходимо изменять длительность зондирующего импульса и полосу пропускания фотоприемника в широких пределах, в соответствии с выше изложенными рекомендациями. Кроме того, при исследовании трактов большой протяженности, отношение сигнала к шуму вначале и конце тракта может отличаться на несколько порядков, поэтому при регистрации фрагментов рефлектограммы с любыми неоднородностями практически всегда в конце волоконно-оптического тракта необходимо использовать зондирующие импульсы большей длительности и более узкую полосу пропускания, чем в его начале.
Выполнить указанные требования можно только при проведении многократных измерений, последовательно изменяя длительность зондирующего импульса и полосу пропускания фотоприемника в необходимых пределах. На практике это весьма затруднительно, так как для увеличения отношения сигнала к шуму во всех оптических рефлектометрах используется накопление сигнала обратного рассеяния, и поэтому регистрация каждой рефлектограммы занимает большое время, иногда достигающее десятков минут. Обычно проводится одно измерение, выбирается некоторая промежуточная длительность зондирующего импульса и самая широкая полоса пропускания фотоприемника. При обработке зарегистрированного сигнала обратного рассеяния соответствующего различным фрагментам рефлектограммы полоса пропускания сокращается до необходимой величины за счет усреднения мгновенных значений сигнала на соответствующем интервале. Для обеспечения оптимального приема этот интервал должен быть равен длительности зондирующего импульса, но при высоком отношении сигнала к шуму интервал усреднения может выбирается более коротким. Такое техническое решение позволяет изменять эквивалентную полосу пропускания измерительного тракта и повышает точность регистрации, но оно далеко от оптимального, так как длительность зондирующего импульса остается постоянной, следовательно, не используются все потенциальные возможности рефлектометра и не
достигается наивысшая точность измерений параметров волоконно-оптических трактов.
5. Алгоритм работы формирователя интервала дифференцирования
Для преобразования интегральной рефлектограммы в традиционную в каждой i-той точке интегральной рефлектограммы вычисляются среднее значение, среднее квадратичное отклонение и дифференциалы первого и второго порядков
,
,
Δz(i)=z(i)-z[i+u(i)],
2
Δz(i)=4·{z(i)-2z[i+u(i)/2]+z[i+u(i)]},
где z(i) - значение интегральной рефлектограммы в i-той точке.
Традиционная рефлектограмма регистрируется в виде функции
y(i)=Δz(i)/u(i),
а эквивалентная длительность зондирующего импульса u(i) выбирается максимальной, но не превышающей длительности оптимальной для измерения коэффициента затухания, и обеспечивающей выполнение неравенств
2
Δz(i)/σ(i)≤, Δz(i)/σ(i)≤ψ,
где  и ψ - коэффициенты, характеризующие степень сглаживания рефлектограммы.