СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ ДЛИНЫ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В МОДУЛЬНОЙ ТРУБКЕ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ
METHOD FOR MEASURING EXCESS OPTICAL FIBRE LENGTH IN MODULAR TUBE OF OPTICAL CABLE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля.
Известны способы измерения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке в процессе изготовления оптических модулей оптических кабелей [1-3]. Реализующие данные способы системы позволяют измерять значение избыточной длины оптического волокна в модульной трубке по всей длине оптического модуля путем непрерывного сравнения скорости пучка оптических волокон со скоростью модульной трубки. Эти способы могут быть использованы только при изготовлении оптического модуля. Соответственно, они эффективны только в том случае, если в дальнейшем исключена усадка полимерной трубки и, следовательно, дальнейшее изменение "избыточной длины". Однако известно [4, 5], что говорить о неизменности избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле на последующих производственных операциях можно, лишь, когда полимерная оболочка оптического модуля (модульная трубка) жестко связана с силовым элементом. При этом очевидно, что данные способы нельзя применять в процессе климатических испытаний строительных длин оптического кабеля, в частности, при низких отрицательных температурах, когда эффект избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле проявляется наиболее существенно.
Известны способы измерений избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле оптического кабеля базирующиеся на измерениях длины модульной трубки и оптического волокна короткого образца оптического модуля после его изготовления [6, 7]. Данные способы не позволяют оценивать распределения избыточной длины оптического волокна по длине оптического модуля, а дают некоторую выборочную оценку избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле. Соответственно, они не позволяют выявлять на строительной длине оптического кабеля участки, на которых имеют место повышенные механические напряжения в оптических волокнах. Кроме того, эти способы разрушающего контроля. Их нельзя реализовать на действующих кабельных линиях.
От этих недостатков свободен способ [8], согласно которому к оптическому волокну испытуемой строительной длины оптического кабеля подключают Бриллюэновский импульсный оптический рефлектометр (В-OTDR) и измеряют характеристику обратного Бриллюэновского рассеяния оптического волокна, по которой оценивают распределение локальных оценок избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле вдоль длины оптического кабеля. Главное ограничение, присущее B-OTDR, связано с распространением диагностирующего излучения по сердечнику ОВ, что не позволяет выделять отдельные части ОВ, подвергнутые растяжению, например, при его изгибе [8, 9], и, следовательно, корректно оценивать локальную избыточную длину оптического волокна. Кроме того, область применения B-OTDR существенно ограничивает его высокая стоимость.
Известен способ [10] измерений распределений радиусов изгиба и напряжений волокна для определения надежности оптического волокна, базирующийся на измерениях характеристик обратного релеевского рассеяния оптического волокна на нескольких длинах волн с помощью импульсного оптического рефлектометра (OTDR).
Метод заключается в том, что с помощью импульсного оптического рефлектометра измеряют характеристики обратного релеевского рассеяния оптического волокна в кабеле на нескольких длинах волн, по данным характеристикам рассчитывают распределения коэффициентов затухания оптического волокна вдоль длины кабеля и определяют распределение по длине кабеля дополнительных потерь на изгибах для некоторой i-й длины волны, после чего рассчитывают распределение радиуса изгиба оптического волокна вдоль длины кабеля на i-й длине волны по формуле:
i
C
i
i
C
i
4
где Δα(z,λ) - дополнительные потери на изгибах волокна на i-й длине волны в точке с координатой z; R(z) - радиус изгиба оптического волокна в точке с координатой z; R - критическое значение радиуса изгиба волокна, при котором дополнительными потерями на изгибе можно пренебречь; η(λ) - параметр, зависящий от длины волны; λ - i-я длина волны. Параметры R и η(λ) определяются здесь либо экспериментально, по результатам испытаний, либо в результате вычислений на основе теоретических положений. Значения дополнительных потерь на изгибах волокна на i-й длине волны определяют в результате анализа спектральных зависимостей характеристик обратного релеевского рассеяния оптического волокна, учитывая зависимость потерь на изгибах волокна от длины волны и исключая изменения потерь, не связанные с изгибами, в частности, составляющую пропорциональную 1/λ. В самом простом варианте измерения выполняют на двух длинах волн, одна из которых достаточно большая, такая, чтобы дополнительные потери на изгибах на этой длине волны вносили существенный вклад, а другая достаточно мала, чтобы дополнительными потерями на изгибах на этой длине волны можно было пренебречь.
Основная проблема применения данного способа связана с тем, что при разработке конструкции традиционных оптических кабелей стремятся минимизировать дополнительные потери на изгибах оптических волокон в модульных трубках кабеля. Как следствие, при нормальных условиях при положительной температуре даже на больших длинах волн - до 1675 нм и более, - дополнительные потери волокна на изгибах малы по сравнению с собственными потерями оптического волокна. Как следствие, велики погрешности измерений, что существенно ограничивает область применения метода. Кроме того, область применения метода также ограничивает необходимость измерений на нескольких длинах волн, включая диапазон длин волн выше 1625 нм.
k
Известно [11], что с понижением температуры дополнительные потери оптического волокна на изгибах в модульной трубке кабеля растут по квадратичному закону, что позволяет повысить чувствительность характеристики обратного релеевского рассеяния оптического волокна к изгибам волокна в модульной трубке. Известен способ [12] измерения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля в процессе климатических испытаний, заключающийся в измерениях характеристик обратного рассеяния оптического волокна при нескольких разных значениях низкой отрицательной температуры и определении распределения избыточной длины волокна в модульной трубке кабеля вдоль его длины по результатам обработки этих характеристик. Данный способ измерения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля в процессе климатических испытаний, заключается в том, что барабан с испытуемой строительной длиной оптического кабеля помещают в климатическую камеру, один конец испытуемой строительной длиной оптического кабеля выводят через шлюз климатической камеры и измеряют характеристики обратного релеевского рассеяния при нескольких разных отрицательных значениях температуры в климатической камере, для чего устанавливают в климатической камере заданную температуру и выдерживают барабан с испытуемой строительной длиной оптического кабеля при этой температуре в течение заданного интервала времени, к оптическому волокну строительной длины оптического кабеля на выведенном из шлюза климатической камеры конце подключают импульсный оптический рефлектометр обратного релеевского рассеяния, с помощью которого измеряют и запоминают характеристику обратного рассеяния оптического волокна при заданной температуре, после чего измеренные характеристики обратного рассеяния оптического волокна разбивают на одинаковые участки, для каждого k-го участка по характеристикам обратного релеевского рассеяния определяют коэффициент затухания оптического волокна при заданных значениях температуры, для каждого k-го участка рассчитывают изменение коэффициента затухания Δα при изменении температуры, зная которые определяют оценки локальной избыточной длины  для каждого k-го участка оптического волокна испытуемой строительной длины оптического кабеля при заданных значениях температуры, используя соотношение:
где С,γ - параметры, определяемые конструкциями оптического волокна и кабеля;
k
i
i+1
Δα - изменения коэффициента затухания оптического волокна на k-м участке при изменении температуры от T до T соответственно;
- оценка локальной избыточной длины волокна на k-м участке при температуре Т;
i
T - заданное i-е значение температуры.
При этом предполагается, что параметры С, γ, а также среднее значение избыточной длины волокна при положительной температуре для заданного типа оптического кабеля с оптическим волокном заданного типа известны. Это требует определения трех дополнительных параметров конструкции кабеля. Для чего выполняют измерения характеристик обратного релеевского рассеяния оптического волокна при нескольких разных отрицательных значениях температуры и при положительном значении температуры, что, в свою очередь, требует проведения значительного объема испытаний барабана с кабелем в климатической камере. При этом предполагается, для заданной конструкции кабеля три вышеуказанных параметра есть величины постоянные. Вместе с тем в силу особенностей технологического процесса изготовления оптического кабеля эти параметры для каждой отдельной строительной длины кабеля будут отличаться от средних для данного типа кабеля значений, что, как следствие, приводит к погрешностям полученных данным способом оценок избыточной строительной длины оптического волокна. И, наконец, применение известного способа требует многократного численного решения нелинейного уравнения (1), включающего экспоненциальные составляющие, зависящие от искомой величины, что также ведет к увеличению погрешности оценок.
Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения и уменьшение погрешности измерения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля.
Эта сущность достигается тем, что согласно способу измерения избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля характеристики обратного релеевского рассеяния оптического волокна оптического кабеля модульной конструкции измеряют по крайней мере при двух значениях температуры среды, окружающей кабель, в том числе при низкой отрицательной температуре, и по данным характеристикам определяют оценки избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля на регулярных участках при низкой отрицательной температуре, при этом характеристики обратного релеевского рассеяния оптического волокна оптического кабеля модульной конструкции измеряют при положительной и при низкой отрицательной температуре среды, окружающей кабель, а значение избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля на регулярном участке при низкой отрицательной температуре, при которой были выполнены измерения, рассчитывают по формуле:
,
0
где α(T) - коэффициент затухания оптического волокна, определенный для регулярного участка по характеристике обратного релеевского рассеяния, измеренной при положительной температуре;
i
α(T) - коэффициент затухания оптического волокна, определенный для регулярного участка по характеристике обратного релеевского рассеяния, измеренной при i-й низкой отрицательной температуре;
В - параметр, постоянный для заданной конструкции кабеля на длине волны, на которой были выполнены измерения.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.
Устройство содержит климатическую камеру 1 со шлюзом 2, испытуемую строительную длину оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 на барабане 5, импульсный оптический рефлектометр обратного релеевского рассеяния 6, выходы которого соединены с первым и вторым входами блока обработки и отображения данных 7. При этом испытуемая строительная длина оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 на барабане 5 помещена в климатическую камеру 1, один конец испытуемой строительной длины оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 выведен через шлюз 2 климатической камеры 1, на этом конце оптическое волокно 4 соединено со входом импульсного оптического рефлектометра обратного релеевского рассеяния 7.
0
i
Устройство работает следующим образом. В климатической камере 1 устанавливают положительную температуру Т и выдерживают при этой температуре испытуемую строительную длину оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 на барабане 5 в течение заданного интервала времени. К оптическому волокну 4 строительной длины оптического кабеля 3 со стороны выведенного из шлюза климатической камеры его конца подключают импульсный оптический рефлектометр обратного релеевского рассеяния 6, с помощью которого измеряют и запоминают характеристику обратного релеевского рассеяния оптического волокна 4. Затем в климатической камере 1 устанавливают низкую отрицательную температуру T и выдерживают при этой температуре испытуемую строительную длину оптического кабеля 3 с оптическим волокном 4 на барабане 5 в течение заданного интервала времени. К оптическому волокну 4 строительной длины оптического кабеля 3 со стороны выведенного из шлюза климатической камеры его конца подключают импульсный оптический рефлектометр обратного релеевского рассеяния 6, с помощью которого измеряют и запоминают характеристику обратного релеевского рассеяния оптического волокна 4. После чего данные характеристик обратного рассеяния оптического волокна 4 передают в блок обработки и отображения данных 7. В блоке обработки и отображения данных предварительно по характеристикам обратного рассеяния оптического волокна определяют значения коэффициента затухания оптического волокна на регулярных участках при заданных значениях температуры, по которым затем по формуле (2) определяют значение избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля на регулярных участках при низкой отрицательной температуре, при которой были выполнены измерения.
В целях снижения погрешностей оценок избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля на регулярных участках при низкой отрицательной температуре измерения выполняют на более длинных волнах 1625 нм, 1675 нм и выше.
Для оценки погрешностей результатов измерений избыточной длины оптического волокна в модульной трубке оптического кабеля на регулярных участках при низкой отрицательной температуре измерения выполняют при нескольких значениях низкой отрицательной температуры, а погрешности результатов измерений определяют как погрешности линейной аппроксимации зависимости избыточной длины волокна от температуры.
В отличие от известного способа, которым является прототип, конструкция кабеля характеризуется не тремя, а одним параметром, что существенно снижает объем испытаний, необходимый для определения данного параметра для конкретной конструкции кабеля, и, соответственно, расширяет область применения метода. Кроме того, это также уменьшает погрешности полученных предложенным методом оценок избыточной длины волокна. К снижению погрешностей оценок избыточной длины волокна предложенным методом по сравнению с прототипом также приводит исключение необходимости многократного численного решения нелинейного уравнения, включающего зависящие от искомой величины экспоненциальные составляющие. Расширение области применения по сравнению с прототипом предложенного метода также обеспечивает возможность реализации предложенного метода для оптических кабелей, подвешенных на опорах или проложенных по эстакаде, для чего измерения при положительной температуре выполняют, например, летом, а измерения при низкой отрицательной температуре, например, зимой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент US 4921413.
2. Патент US 4983333.
3. For Loose Tube Fiber and Fiber Ribbon Cabling - Excess Fiber Length Manufacturing Measurement System, www.betalasermike.com
4. Авдеев Б.В., Барышников E.H., Длютров O.B., Стародубцев И.И. Изменение избыточной длины в процессе изготовления ВОК // Кабели и провода. - 2002. - №3(274). - с. 32-34.
5. Авдеев Б.В., Барышников Е. Н. Проблемы корректного определения избыточной длины оптического волокна в оптическом кабеле // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: Тез. докладов III международной конференции 1999 г., Россия, Клязьма. - М.: МЭИ, 1999 г, - с. 86-87.
6. Барышников Е. Н., Длютров О. В., Рязанов И. Б., Серебрянников С. В. Измерение избыточной длины волокна в оптическом модуле // Тез. докладов IV международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов 24-27 сентября 2001 г., Россия, Клязьма. - М.: МЭИ, 2001 г. - с. 40-42.
7. Патент CN 101105559.
8. Корн В.М., Длютров О.В., Авдеев Б.В., Барышников Е.Н. О применении метода Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния для измерений характеристик оптических кабелей// Кабели и провода, №5 (288), 2004. - с. 19-21.
9. Акопов С.Г. Контроль бриллюэновским рефлектометром технологии производства оптических кабелей // Вестник связи, 2003. №4.- С. 136-138.
10. Патент US 2014/0362367.
11. Патент RU 2562141.