Тестирование и диагностика в инфокоммуникационных системах и сетях

141

Рис. 4.4. Ступенчатый профиль показателя преломления

Параметр Рэлеевского рассеяния ad, равный отношению мощности, рассеянной в некоторой точке ОВ, к падающей оптической мощности в эту же точку:

Мощность обратного рассеяния прямо пропорциональна параметрам зондирующего импульса на вводе ОВ P0 и t , параметрам ОВ ad и S и экспоненциально зависит от зату-

хания а и групповой скорости vg ОВ. В свою очередь, vg обратно пропорциональна групповому показателю преломления ОВ.

Часто используется понятие коэффициент обратного рассеяния k:

Тогда мощность потока обратного рассеяния определяется по формуле:

Таким образом, зависимость уровня мощности обратного рассеяния от времени	–
линейная,

и разность уровней обратно рассеянной мощности, измеренных на ближнем конце в моменты времени и , есть затухание ОВ на соответствующем участке линии.

где

Коэффициент обратного рассеяния k изменяется вдоль волокна случайным образом:

•флуктуации показателя преломления

•флуктуации геометрических параметров ОВ

Т.е. на однородных участках (участках, не содержащих макро неоднородности -

соединения, микротрещины сердцевины, изгибы, радиус которых меньше допустимого) во-

142

локно является квазирегулярным.

В этом случае реальная зависимость ps (t) флуктуирует около некоторой прямой,

тангенс угла наклона которой к оси абсцисс непосредственно равен коэффициенту затухания волокна α.

При наличии в линии неоднородностей, отражающих свет, образуется поток

Френелевского отражения. Измеренная на ближнем конце мощность	оптического
излучения, отраженного в некоторой точке , равна:

где ;

- расстояние до неоднородности;

Мощность потока Френелевского отражения на ближнем конце можно рассматривать как сумму:

где m - количество неоднородностей на участке.

Коэффициент отражения, как правило, на несколько порядков больше коэффициента обратного рассеяния. Соответственно, в моменты времени

мощность потока обратного рассеяния пренебрежимо мала, по сравнению с мощностью потока отражения.

Очевидно, что, измеряя мощность обратного потока оптического излучения,

поступающего на ближний конец ОВ, и анализируя ее изменения, можно получить оценки параметров исследуемой ВОЛП [3-9].

Измерения характеристик ОВ методом обратного рассеяния являются косвенными.

Искомая величина определяется в результате математической обработки результатов измерения мощности обратного потока оптического излучения.

Причем характеристики распространения оптического сигнала в прямом направлении определяют по изменениям мощности излучения распространяющегося в обратном направлении.

При этом предполагается, что параметры ОВ в прямом и обратном направлении идентичны.

Очевидно, что это условие выполняется с определенной погрешностью.

В общем случае измеряемую на ближнем конце ОВ мощность обратного потока можно

143

представить в виде суммы мощностей обратно рассеянного потока, отраженного потока и мощности шума:

Рис. 4.5. Изменение мощности обратного потока Мощность шума есть случайная функция, обусловленная совокупностью факторов.

Ряд составляющих шума не зависит от уровня мощности передаваемого оптического сигнала.

К ним относятся:

•тепловые шумы фотоприемника

•собственные шумы лазера.

Другие составляющие шума связаны с мощностью передаваемого сигнала:

•дробовой шум фотоприемника

•модовый шум

•шумы, обусловленные взаимодействием лазера с нерегулярным волокном Результирующая мощность шума соизмерима с мощностью обратно рассеянного потока.

Это величины одного порядка.

Поэтому одна из основных проблем реализации метода обратного рассеяния - выделение

полезного сигнала на фоне высокого уровня помех.

144

Рис. 4.6. Составляющие шума

Известны следующие способы реализации метода обратного рассеяния:

•OCWR (Optical Continuous-Wave Reflectometry) - метод обратного рассеяния на основе непрерывного излучения

•OCDR (Optical Coherence Domain Reflectometry) - интерферометрический метод обратного рассеяния

•COTDR (Correlation Optical Time Domain Reflectometry) - корреляционная рефлектометрия.

•OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) - метод обратного рассеяния в частотной области.

•OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) - метод обратного рассеяния во временной области.

Оптические рефлектометры обратного рассеяния (OTDR - Optical Time Domain

Reflectometer), реализующие метод обратного рассеяния во временной области, являются

основными средствами измерений при строительстве и эксплуатации ВОЛП.

145

Рис. 4.7. Оптические рефлектометры обратного рассеяния

В OTDR мощность принимаемого сигнала ограничена мощностью зондирующего импульса, которая пропорциональна его максимальному значению и длительности.

Это вынуждает в процессе работы искать компромисс между динамическим диапазоном,

определяющим дальность действия, и разрешающей способностью, обеспечивающей оптимальное решение измерительной задачи.

Вместе с тем, данный способ реализации метода обратного рассеяния позволяет получать приемлемые результаты с удовлетворительным быстродействием.

Это и обеспечило широкое внедрение реализующих его средств измерений.

На сетях связи в основном нашли применение только OTDR и определители места обрыва волокна - FF (Fault Finder), работающие во временной области.

Перечисленные приборы являются основными средствами измерений для строительства и эксплуатации ВОЛП.

Оптический рефлектометр обратного рассеяния OTDR (Optical Time Domain

Reflectometer)

Рис. 4.8. Структурная схема OTDR

1- генератор зондирующих импульсов (ГИ);

2- источник оптического излучения (ЛД);

3- оптический разветвитель (ОР);

4- исследуемое волокно (ОВ);

5- фотоприемное устройство (ФП);

6- блок управления математической обработки (БУМО);

7- устройство отображения (УО).

146

Рис. 4.9 - Структурная схема OTDR

ГИ (1) вырабатывает импульсы, которые затем преобразуются в ЛД (2) в оптические зондирующие импульсы путем модуляции оптической несущей по интенсивности.

Рис. 4.10. Структурная схема OTDR

Зондирующие импульсы через OP Y-типа (3), устройство ввода (оптический разъем 4)

поступают в исследуемое ОВ (5).

147

Из-за флуктуаций показателя преломления сердцевины вдоль ОВ, отражений от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине ОВ, возникает поток обратного рассеяния.

Рис. 4.11. Структурная схема OTDR

Поток обратного рассеяния через ОР поступает на вход чувствительного ФП, где преобразуется в электрический сигнал.

Рис. 4.12 - Структурная схема OTDR

148

Сигнал с выхода ФП после специальной обработки в БУМО подается в канал вертикального отклонения УО, вызывая соответствующие изменения характеристики по вер-

тикальной оси Y. Вертикальная ось градуируется в дБ.

Рис. 4.13. Структурная схема OTDR

Отклонение по горизонтальной оси X происходит под действием пилообразного напряжения развертки, которая запускается импульсами ГИ.

В результате этого абсцисса характеристики прямо пропорциональна времени задержки сигнала относительно момента посылки зондирующего импульса.

Поскольку групповой показатель преломления сердцевины, а значит, и групповая скорость распространения оптического сигнала в ОВ известны, горизонтальная ось X гра-

дуируется в единицах длины.

149

Рис. 4.14. Изменения мощности обратного потока

Построенная зависимость уровня потока обратного рассеяния от расстояния (времени)

называется характеристикой обратного рассеяния или рефлектограммой.

Рис. 4.15. Структурная схема OTDR

БУМО согласовывает работу ГИ и УО, синхронизируя запуск генератора развертки импульсами ГИ.

150

Рис. 4.16. Структурная схема OTDR

БУМО создает возможность наблюдения рефлектограммы полностью или по фрагментам

(масштабирование).

Рис. 4.17. Структурная схема OTDR