Исследование принципов ранней диагностики повреждений в волоконно-оптических линиях передач

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕНИИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧ

Ращупкин Евгений Олегович

Магистрант, кафедра линий связи, г. Новосибирск

STUDY OF THE PRINCIPLES OF EARLY DIAGNOSTIC OF DAMAGES IN OPTICAL FIBER TRANSMISSION LINES

This article deals with the diagnosis of optical fibers (OF) using Brillouin OTDR described block diagram and working principle of the instrument, an analysis of the practical results.

Keywords: Brillouin scattering (BR), OTDR, optical fiber, diagnostics

В данной статье рассматриваются вопросы диагностики оптического волокна (ОВ) с помощью бриллюэнов-ского рефлектометра, описывается структурная схема и принцип работы прибора, приводится анализ практических результатов измерений.

Ключевые слова: бриллюэновское рассеяние (БР), рефлектометр, оптическое волокно, диагностика.

1. Введение

В последние несколько лет бриллюэновский рефлектометр зарекомендовал себя весьма информативным инструментом, способным обнаруживать участки с нагруженным волокном в проложенных линиях связи в процессе их эксплуатации.

Анализ данных, полученных с помощью бриллю-эновского рефлектометра, позволяет эксплуатирующим организациям с большой точностью определить местоположение участка кабельной линии с нагруженными волокнами, оценить уровень их напряжений и прогнозировать надежность кабельной линии. Вполне естественным является применение прибора на заводе - изготовителе оптических кабелей при проведении испытаний, как в процессе отработки конструкции новых изделий, так и при проведении типовых и периодических испытаний.

Стандартными методами определения стойкости кабеля к приложенному растягивающему усилию являются методы, описанные в документе МЭК 60794-1 [1]. Растягивающее усилие прикладывается либо к кабелю на устройстве типа полиспласт, либо просто к секции кабеля. Вне зависимости от вида конфигурации кабель в испытании постепенно растягивают, контролируя его удлинение и натяжение.

Актуальность темы обусловлена стремлением компаний к сокращению затрат, связанных с механическими повреждениями оптических кабелей в процессе монтажа и эксплуатации оптических линий связи. Для решения задач связанных с поиском механического напряжения волокон применяется оборудование описанное в данной статье.

2. Теоретические основы

Отклик кварцевого стекла на световое воздействие является нелинейным. Большинство нелинейных эффектов (НЭ) в ОВ возникают из-за нелинейного преломления [2].

К НЭ, имеющим место в ОВ и важным для дальнейшего анализа, относятся:

- вынужденное упругое рассеяние;

- вынужденное неупругое рассеяние.

Первая группа НЭ связана с диэлектрической восприимчивостью третьего порядка % , то есть причиной их возникновения является эффект Керра: изменение коэффициента пре-ломления материала под действием электрического поля. К этой категории относятся такие эффекты, как генерация третьей гармоники, четырё-хволновое смещение и нелинейное пре-ломление [2].

Второй класс НЭ вызван вынужденным неупругим рассеянием, при котором, в отличие от эффектов первой группы, оптическое поле передаёт часть своей энергии нелинейной среде. К НЭ этой группы относятся вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Ман-дельш-тама-Бриллюэна (или бриллюэновское рассеяние) [2]. На

уровне квантовой механики эффекты этого класса можно описать как уничтожение фотона накачки с одновременным появлением стоксова фотона и акустического фонона [3].

Существенные различия в методах испытаний наступают лишь при выборе способа регистрации удлинения волокна (независимо от геометрической конфигурации испытательного стенда).

Первый способ состоит в измерении прироста затухания волокна в кабеле, при этом предполагается, что натяжение волокна сопровождается таким приростом. Этот метод определения момента начала натяжения волокна по понятным причинам весьма неточен и зависит от конструкции кабеля и устройства, применяемого для его растяжения. Так, при испытании кабеля с центральной трубкой вообще непонятно, почему должен возникать прирост затухания, если не принимать во внимание краевые эффекты. Для продольно натянутого волокна, не касающегося стенок кабеля, нет прямых механизмов формирования прироста затухания.

Второй метод - метод фазового сдвига, а по существу метод регистрации времени распространения световых импульсов в растягиваемом волокне, логически безупречен. В момент появления растяжения волокна в растягиваемом кабеле оптическая длина пути для световых импульсов начинает расти, время их распространения возрастает, что и регистрирует прибор. Но в реальной ситуации размеры стенда ограничены, прибор регистрирует аккумулированный эффект по длине как натянутого волокна, так и в переходной области, где натяжение плавно возрастает. Более того, в случае сварки нескольких волокон испытываемого кабеля в шлейф возникает дополнительная неопределенность, связанная с возможным разбросом избыточных длин разных волокон. Понятно, что уровень удлинения волокна, обнаруженный таким методом, носит усредненный характер с мелопредсказуемым уровнем ошибки.

Бриллюэновский рефлектометр имеет как минимум одно неоспоримое преимущество - он позволяет измерить распределение уровня натяжения волокна по длине. При этом устраняются все неопределенности, упомянутые выше. Результатом измерений, проводимых бриллюэнов-ским рефлектометром, является хорошо локализованное распределение натяжения, позволяющее выделить и учесть краевые эффекты и разброс натяжений разных волокон в случае их сварки в шлейф.

Принцип действия бриллюэновского рефлектометра (BOTDR) основан на измерении характеристик бриллюэновского рассеяния:

• Распространяющийся вдоль волокна оптический

сигнал испытывает бриллюэновское рассеяние

Рассеяние происходит в результате взаимодействия излучения и акустических фонов в кристаллической решетке

Параметры бриллюэновского рассеяния зависят от физических свойств оптического волокна

Бриллюэновское рассеяние характеризуется брил-люэновским сдвигом частоты. Бриллюэновский сдвиг частоты зависит от скорости звуковой волны в среде, которая в свою очередь зависит от температуры и механического напряжения.

Л Wavelength

Рисунок 1. Бриллюэновский частотный сдвиг

Основным выражением, связывающим частоту бриллюэновского частотного £в сдвига и степень натяжения ОВ, является формула [4]:

^ _ 2"Ул в Л ,

где п - коэффициент преломления; VA - скорость акустической волны;

Ул:

р

Бе - модуль Юнга; р - плотность кварцевого стекла, 1 - длина волны падающего света [5].

Структурная схема брюллиэновского рефлектометра содержит источник излучения служит (DFB лазер), частотная модуляция излучения осуществляется акусто-оптической ячейкой (АОМ), импульсная модуляция -электроабсорбционным модулятором (ЕОМ), а поляризационная модуляция - фарадевским вращателем (FC), затем сигнал усиливается с помощью оптического усилителя мощности (EDFA). Излучение накачки вводится в волокно, а рассеянная в обратном направлении мощность передается с помощью волоконного ответвителя на вход фотоприемника [5]:

Рисунок 2. Оптическая схема бриллюэновского рефлектометра

3. исследования характеристик натяжения оптических волокон

Постановка задачи

С целью уточнения моделей, рассмотренных в [3,4,6], и проверки результатов имитационного моделирования были проведены экспериментальные исследования с БОР «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».

Результат эксперимента

В данном эксперименте световод составлен из ОВ нормализующей катушки (1) (длина 1,73 км), сваренного с другим ОВ (3) (длина 3 км). Место сварки обозначено стрелкой 2, максимум СБР - стрелкой 4. Оба ОВ являются одномодовыми. На расстоянии 2 м от места сварки на ОВ 1 было сформировано место, на которое подвешивались гири от 20 г до 500 г.

Катушки были расположены так, чтобы растягивающая сила действовала на ОВ1 только в продольном направлении.

На рис. 3 представлена картина СБР в световоде (3Б-рефлектограмма - функция распределения ампли-

туды отраженного сигнала по длине световода и бриллю-эновского сдвига частоты) при отсутствии растягивающего усилия.

На рис. 4 представлена картина СБР при воздействии силы в 2 Н (гиря в 200 г). Как видно из рис. 4, наблюдаются небольшие изменения СБР. При увеличении нагрузки до 4 Н (400 г) изменения СБР проявляются в месте растяжения сильнее, что показано на рис. 5 [7].

Заключение

Бриллюэновский рефлектометр позволяет детально исследовать распределение натяжения волокна в кабеле, подвергающемся продольной нагрузке.

Прибор более точно описывает процесс натяжения волокна, чем альтернативные методы - контроль затухания в волокне - когда регистрируется либо весьма косвенный параметр (затухание), либо интегральный эффект по всей длине волокна соответственно.

Использование бриллюэновского рефлектометра при испытаниях на стойкость кабеля к растягивающим нагрузкам позволяет прогнозировать параметры надежности кабеля даже для случая, когда к волокну прикладываются кратковременные растягивающие нагрузки при прокладке.

Приложение

Рисунок 3. Картина СБР в световоде без продольной нагрузки

1)18Ьапсе : I

X. 7 Ю27 Кт |

^ге^к-псу: О . 845^Нг

1Г2 : [ХО -

: X. 46810

О . 05ш

Г^апде: 5кш Р .И.  5 Опе йуе. : 2 12 Гге фзе и су

Ю.ВООСНт: 5атр : ?•?./ЗО 5Пор : Х0.19450Нг 5тл«?ер ; _

Рисунок 4. Картина СБР в световоде при продольной нагрузке в 200 г

Рисунок 5. Картина СБР в световоде при продольной нагрузке в 400 г

Рисунок 6. Итоговая мульти-рефлектограмма без продольной нагрузки

г..................................................1 I

Multi

Г0~

1 ............"1

1 1 ; .......^ ....... .........

...... - - - -.........1 a

[взг±11ог1±11 S ecjt- rum |

! J ми

,*5 , О « lit /

;ср.геису : |

•J TIL kin j Distance Sc<

Frequencry S «

О . О km/

" О - 89 OGH

* S MHi

А. Л

If ancje ; 51cm

ie . W. : fj One . : 12 I'x_" fcr quency

Start - lO. 7 50GHS S£ t « » | « : 3.1. Oi

m . 468 H_Oj : О.OSTO e - ЗО/ЗО

FFTî . IX , 20"L4 1.1 : 29: 46

Рисунок 7. Итоговая мульти-рефлектограмма в световоде при продольной нагрузке в 200 г

----I I MlLllti.

L

S train

Ji

1 . О dB /

ч О _ О MHz /

Л _ S . Widtli

.. .A . li-j

I №

-----

S . о

dB

ai

jDdL s t". «ir

!3LO . 840CHz

Fr^.jtiency : j MHz/

IOE : "I. . 468XO

Res - ; О . Oil

pLang« : 5 km

|p .W. ; SOns . : 2 12 ¡Ft: e «juency

| Start; lO. BOOGHz Sangle: Ю/.3 0 I S t or» : ÎO . 9Д 5СгИ т: Sweep s 5MHz

1П

i > _ t ; *.--:<-»« ...

FEB . I 1 20X4 1 О : 26 : ЗЭ

Рисунок 8. Итоговая мульти-рефлектограмма при нагрузке в 400 г

Литература 2. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с

1. Optical fibre cables. Generic specification. Basic англ.- М.: Мир, 1996.- 323 с.

optical cable test procedures. International Electro-technical Commission, IEC 60794_1_2, 1999.

3. Повышение точности оценки распределённых нерегулярностей в оптических волокнах / И. В. Бо-гачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов // Тр. Х1-ой междунар. конф. 1БББ АПЭП, Т. 3. Новосибирск, 2012.- С. 68 - 70.

4. Богачков И. В., Горлов Н. И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография / И. В. Богач-ков, Н. И. Горлов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. -192 с.

5. Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектометрия оптических волокон связи. - М.: ЛЕСАРарт, 2005. -208 с.

6. Применение численных методов анализа бриллю-эновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в волоконно-оптических линиях связи / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов, Н. Ю. Ситнов // Телекоммуникации №2, 2014. - М.: Наука и технологии, 2014 - С. 16 - 20.

7. Моделирование бриллюэновского рассеяния для оценки распределённых нерегулярностей в оптоволокне / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов // Тр. X междунар. конф. IEEE АПЭП, Т. 2. Новосибирск, 2010.- С. 98-100.

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ СЧИСЛЕНИЯ КООРДИНАТ

Шепеть Игорь Петрович

канд. техн. наук, профессор, Донской государственный технический университет, г. Ставрополь

Чернавина Татьяна Валентиновна канд. техн. наук, доцент, Донской государственный технический университет, г. Ставрополь

Сербин Евгений Михайлович

магистрант, Донской государственный технический университет, г. Ставрополь

Эффективность авиационных комплексов в значительной степени определяются возможностями бортового оборудования воздушных судов (ВС). Современные тенденции повышения качества авиационных перевозок связаны, в том числе, с усовершенствованием пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) [1, 2, 8, 11].

Инерциальная навигационная система (ИНС) является информационным ядром в составе ПНК на борту ВС. Однако, применение автономного режима функционирования ИНС не обеспечивает требуемой точности маршрутного полета ВС. Это связанно с тем, что ошибка определения координат в зависимости от типа ИНС составляет от 1,5 до 8 км за час работы и нарастает пропорционально времени автономного функционирования [10].

Перспективным методом создания высокоточной ИНС, использующей гироскопы среднего класса точности является автокомпенсация погрешностей чувствительных элементов. Особый интерес вызывает метод пространственной модуляции погрешностей измерителей ИНС, который может быть реализован путем управления пространственным положением блока чувствительных элементов (БЧЭ) [6, 9, 10, 12].

Наличие возмущающих воздействий, влияние которых увеличивается в результате управления пространственным положением БЧЭ, приводит к тому, что существует область значений данных воздействий, в которой применение вращения в качестве компенсации погрешностей ИНС будет неэффективным. К таковым воздействиям относится ошибка масштабных коэффициентов

гироскопов №°. Ее вклад в суммарную ошибку лазерного гироскопа составляет приблизительно 20%. Современным гироскопам присуща нестабильность ошибки

I5 х I0 в течение 5 лет эксплуатации. Кроме того дрейф

гироскопов увеличивается на 3 х10 (град /ч) за год эксплуатации и дает достаточно большой вклад в суммарную ошибку всей системы.

Поиск оптимальной программы управления пространственным положением блока чувствительных элементов является сложной и натыкается на сложно преодолимую проблему большой размерности задачи («проклятие размерности»). Однако задача поиска оптимального управления может быть решена, если её перевести из области функционального пространства в область параметрического пространства [9]. Проведенные исследования ИНС с вращающимся блоком чувствительных элементов позволяют заключить, что программа вращения является периодической функцией времени и может быть представлена в виде разложения в многочлен:

П

х

к = 1 . (1) Поиску оптимальных параметров в соотношении (1) посвящены работы [6, 10, 12]. Однако изменение статистических характеристик навигационных датчиков, в процессе эксплуатации ИНС, влияет на параметры программы вращения БЧЭ и, следовательно, на выходные характеристики ИНС. Поэтому для периодической программы вращения БЧЭ были определены функциональные зависимости между статистическими характеристиками инерциальных датчиков и оптимальными параметрами программы вращения БЧЭ

масштабного коэффициента в пределах от

5 х10"

опт kn опт ' ^ опт

до

ki

сунке 1 [4, 7].

которые представлены на ри-

5