Лекции по Технической эксплуатации ВОЛС   

4. Классификация измерений, измеряемые параметры

4.6 Параметры современных оптических рефлектометров

В настоящее время существует большой выбор ОР. Все современные  ОР имеют устройства для накопления сигналов обратного рассеяния (СОР) от отдельных точек ВТ и для  логарифмирования СОР, оперативное запоминающее устройство для хранения результатов измерения СОР в каждой точке. В состав ОР входит  графический дисплей, позволяющий по зарегистрированной рефлектограмме с помощью одного или нескольких курсоров и встроенных функций определять различные параметры ВТ. Большинство ОР имеют возможность обмениваться данными с компьютером через стандартный интерфейс.

Наиболее важными параметрами ОР являются динамический диапазон, время измерения, пространственное разрешение и ширина мертвой  зоны.

4.6.1 Динамический диапазон

Динамический диапазон определяет максимальное затухание ВТ, при  котором отношение СОР к шуму равно 1. Строго говоря, динамический  диапазон не является параметром ОР. Он зависит от типа исследуемого  ОВ и используемой длины волны. Динамический диапазон возрастает с  увеличением мощности и длительности зондирующего сигнала, увеличением числа накоплений и времени измерения, а также с уменьшением  уровня шума ФПУ. Обычно приводимый в рекламных проспектах динамический диапазон ОР соответствует максимальной мощности и длительности зондирующего импульса, максимальному числу накоплений и времени измерения. Динамический диапазон можно определить для каждой  конкретной рефлектограммы как разность между максимальным СОР в  ближней зоне и уровнем шума за пределами ВТ.

Уровень шума (порог реагирования) определяется параметрами ФПУ  и может быть выражен в единицах оптической мощности Рпор или в логарифмических единицах Yпор по отношению к некоторой мощности Рн,  принятой за 0 дБ

.                                                       (4.1)

Порог реагирования ФПУ зависит от типа фотоприемника, коэффициента шума предварительного усилителя и от полосы пропускания Δf  усилителя ФПУ. Пороговая мощность может быть выражена через спектральную плотность шума Sш, приведенную ко входу ФПУ

.                                                       (4.2)

Полоса пропускания Δf ФПУ выбирается исходя из допустимых искажений отраженных от неоднородностей ВТ оптических импульсов на выходе ФПУ. Причем между длительностью импульса и требуемой по­лосой пропускания Δf существует обратно пропорциональная зависи­мость. Полагая, что нам известен порог реагирования Рпор0 ФПУ для дли­тельности импульса, при которой нормируется относительный уровень СОР в ближней зоне ВТ, т. е. при tи = 1 нс, мы можем записать порог реа­гирования ФПУ для любой длительности импульса

.                                                    (4.3)

Для увеличения отношения сигнала к шуму, а следовательно, и для увеличения динамического диапазона используют накопление СОР на вы­ходе ФПУ Накопление или усреднение сигнала в каждой точке рефлектограммы эквивалентно многократным измерениям с последующим расчетом среднего значения. Отношение сигнала к шуму возрастает при этом в корень из N раз, где N- число накоплений (измерений) в одной точке.

С учетом сказанного для порога реагирования в логарифмических единицах можно записать:

.                                    (4.4)

Используя определение динамического диапазона, а также выражение (4.4), получим для динамического диапазона

.                     (4.5)

Динамический диапазон может быть определен экспериментально по зарегистрированной рефлектограмме, как показано на рисунке 4.2. Определить по рефлектограмме максимальный уровень обратного рассеяния Ysm достаточно просто. Сложнее определить уровень, соответствующий среднеквадратическому уровню шума Yш (шум ведь процесс случайный). В то же время максимальный уровень шумаYim за пределами ВТ определить достаточно легко.

Рисунок 4.2 Экспериментальное определение динамического диапазона

Для оценки динамического диапазона можно использовать следующий подход.

Полагаем, что максимальный уровень шума Ршт в линейном масштабе примерно в 3 раза превышает среднеквадратическое значение уровня шума Рш. Тогда после логарифмирования среднеквадратический уровень шума Yш будет меньше максимального на 2,4 дБ.

4.6.2 Время измерения

Регистрация рефлектограмм происходит не в реальном масштабе времени, так как для выделения сигнала из шума необходимо накопление СОР. Время измерения зависит от числа накоплений N и периода следования зондирующих импульсов Т0. Последняя величина зависит от максимальной длины ВТ Lm, которая, так же как и N, устанавливается тем или иным способом оператором. Время измерения можно определить по выражению

.                                                   (4.6)

Отметим, что время измерения по этому выражению будет определяться при одновременном накоплении СОР во всех точках рефлектограммы (параллельное накопление). Это наиболее эффективное (быстрое) накопление. Однако оно требует использования быстродействующей, а следовательно, и неэкономичной элементной базы для накопителя. Это затрудняет использование параллельного накопления для малогабаритных полевых рефлектометров. Рефлектометры предыдущих поколений использовали последовательное накопление, когда за один период зондирования измеряется СОР только в одной точке рефлектограммы. В этом случае время измерения возрастает в  М раз, где М-число точек на рефлектограмме. Для уменьшения времени измерения число точек необходимо уменьшать. С другой стороны, число точек должно быть достаточным для обнаружения отражающих неоднородностей. Разумное число точек составляет

.                                                   (4.7)

Кроме параллельного и последовательного накоплений находит применение и параллельно-последовательное накопление. Время измерения при этом имеет промежуточное значение между двумя крайними случаями.

4.6.3 Пространственное разрешение

Пространственное разрешение определяется минимальным расстоянием между двумя локальными неоднородностями, которые можно видеть на рефлектограмме раздельно. Пространственное разрешение в первую очередь зависит от длительности зондирующего импульса. Недостаточная полоса пропускания ФПУ приводит к искажению (расширению) отраженных от неоднородностей импульсов и, следовательно, к ухудшению пространственного разрешения. Значительная дисперсия может также ухудшать пространственное разрешение. Кроме того, пространственное разрешение ухудшается, если две неоднородности сильно отличаются по коэффициенту отражения. Тогда неоднородность с большим коэффициентом отражения маскирует неоднородность с малым коэффициентом отражения. Пространственное разрешение ухудшается также при насыщении ФПУ отраженными от неоднородностей сигналами. Для улучшения пространственного разрешения в ближней зоне ВТ необходимо уменьшать длительность зондирующего импульса, не допускать насыщения ФПУ, уменьшая мощность зондирующего импульса или коэффициент передачи ФПУ.

4.6.4 Мертвая зона

Мертвая зона возникает на рефлектограмме на участке, следующем за крупной отражающей неоднородностью, которая вводит ФПУ в насыщение. Обычно самое большое отражение, которое насыщает ФПУ, возникает от входного торца ВТ. Отраженный импульс сильно расширяется и пока ФПУ не выйдет из насыщения, другие неоднородности нельзя обнаружить. Ширина этого импульса Δlm определяет ширину мертвой зоны ОР. Различают мертвую зону по обратному рассеянию Δlms и по отражению Δlmr , как показано на рисунке 4.3. Мертвая зона по отражению определяется расстоянием между началом отраженного импульса и точкой с уровнем -1,5 дБ по отношению к насыщению.

Рисунок 4.3 Экспериментальное определение мертвой зоны

Мертвая зона по рассеянию определяется расстоянием между началом отраженного импульса и точкой с уровнем, который отличается от уровня сигнала обратного рассеяния на ±0,5 дБ. Для уменьшения мертвой зоны в ближней зоне ВТ в выходной разъем ОР вводят иммерсионную жидкость, уменьшают длительность и мощность зондирующего импульса, включают между ОР и исследуемым ВТ дополнительную бухту ОВ.

4.6.5 Оптимальный выбор параметров ОР

Одной из основных целей рефлектометрических измерений является измерение коэффициентов затухания на различных участках ВТ (на различных строительных длинах) и вносимых и возвратных потерь в разъемных и неразъемных соединениях. При этом очень важно иметь малую погрешность определения относительных уровней СОР на больших расстояниях от ОР. Это требует большого динамического диапазона, для увеличения которого необходимо увеличивать длительность зондирующего импульса, что приводит к ухудшению пространственного разрешения.

Другой целью рефлектометрических измерений является измерение расстояний до различных неоднородностей, в качестве которых можно рассматривать конец ВТ, обрыв, разъемные и неразъемные соединения, локальные дефекты. Для увеличения точности этих измерений необходимо уменьшать длительность зондирующего импульса.

Повышению точности измерений и успешному достижению обеих целей способствует увеличение числа накоплений и времени измерения.

Выбор длительности зондирующего импульса должен производиться с учетом конкретной измерительной задачи. Для получения более полной информации о ВТ желательно регистрировать рефлектограммы с двух сторон ВТ и при разных длительностях зондирующего импульса.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.