Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

4. Классификация измерений, измеряемые параметры. Техническая эксплуатация ВОЛС

Техническая эксплуатация ВОЛС

4. Классификация измерений, измеряемые параметры

4.1. Классификация измерений

4.2. Линейный оптический тракт

4.3. Параметры передающего устройства

4.4. Параметры приемного устройства

4.5. Параметры линейного оптического тракта

4.6. Параметры современных оптических рефлектометров

4.6.1. Динамический диапазон

4.6.2. Время измерения

4.6.3. Пространственное разрешение

4.6.4. Мертвая зона

4.6.5. Оптимальный выбор параметров ОР



4.1. Классификация измерений

Измерения в ВОСП можно разделить на две группы:

1. Измерения в процессе строительства, которые в свою очередь можно разделить на:

- входной контроль;

- оценку качества строительных работ с целью доведения параметров до  установленных нормативов;    

- приемно-сдаточные испытания.

2. Измерения в процессе эксплуатации, которые также можно разделить на:

- профилактические измерения;

- аварийные измерения;

- входной контроль;

- контрольные измерения после аварийно-восстановительных работ;

- непрерывный мониторинг с помощью встроенного в ВОСП контрольно-измерительного оборудования.

Входной контроль производится перед проведением строительных и ремонтных работ, связанных с заменой кабеля и прочих компонентов ВОСП. В ходе этих измерений контролируется качество строительных длин кабеля и других компонентов. При входном контроле измеряют вносимое затухание и по известной строительной длине по нему рассчитывают коэффициент затухания, измеряют потери в контрольных сварках различных строительных длин между собой и для паспортизации регистрируют рефлектограммы всех ОВ строительной длины.

Оценка качества строительных работ включает двухсторонние измерения вносимого затухания всех ОВ на смонтированных участках, потерь во всех неразъемных соединениях.

Приемно-сдаточные испытания, профилактические и контрольные измерения после аварийно-восстановительных работ включают двухсторонние измерения вносимого затухания всех ОВ кабельного участка, потерь в стыках, коэффициентов затухания на разных участках, а также паспортизацию кабельного участка по результатам измерений затухания и рефлектограммам всех ОВ.

Аварийные измерения проводятся для определения характера повреждения и расстояния до него.

У ОВ и ОК существует множество параметров, которые можно разделить по группам. Это характеристики:

- оптические;

- геометрические;

- механические;

- климатические и эксплуатационные.

К оптическим характеристикам относятся:

- затухание, коэффициент затухания, потери в стыках;

- дисперсия, полоса пропускания, длина волны нулевой дисперсии;

- числовая апертура, диаграмма направленности;

- профиль показателя преломления;

- диаметр модового поля (для одномодовых ОВ);

- критическая длина волны (для одномодовых ОВ). 

К геометрическим характеристикам относятся:

- длина ОВ или ОК, расстояние до места повреждения или неоднородности;

- диаметры сердцевины, оболочки, защитного покрытия ОВ, размеры  элементов конструкции ОК;

 -ксцентриситеты сердцевины по отношению к оболочке и защитному покрытию, а также некруглости сердцевины, оболочки и защитного покрытия.

К механическим характеристикам относятся:

- допустимые растягивающие и раздавливающие усилия для ОВ и ОК;

- допустимое число закручиваний и допустимый радиус изгиба ОВ и ОК;

- устойчивость к ударам и вибрациям;

- допустимое осесимметричное сжатие (для подводных ОК).

К климатическим и эксплуатационным характеристикам относятся:

- стойкость к повышенным и пониженным температурам,

- пожароустойчивость;

- стойкость к воздействию влаги и агрессивным средам;

- радиационная стойкость;

- герметичность.

Большая часть этих характеристик измеряется при разработке конструкции ОВ и ОК, при  заводских испытаниях. Основное внимание будем уделять измерениям в процессе строительства и эксплуатации ВОСП.



4.2. Линейный оптический тракт

В цифровых волоконно-оптических системах передачи (ЦВОСП) можно выделить линейный оптический тракт, который может работать на одной длине волны оптического излучения (рисунок 4.1, а) или на нескольких волнах с использованием аппаратуры спектрального уплотнения (рисунок 4.1, б). Оборудование оконечных пунктов (ОП) линейного оптического тракта, не использующего аппаратуру спектрального уплотнения, содержит:

Рисунок 4.1 Общая схема передачи ИКМ сигналов по волоконному тракту (ВТ):

а) оптический линейный тракт ЦСП с плезиохронной или синхронной иерархиями;

б) оптический линейный тракт ЦСП со спектральным уплотнением

- преобразователь кода (ПК1) аппаратуры ИКМ в линейный код, который предотвращает появление длинных «единиц» и «нулей», приводящих к межсимвольным искажениям;

- преобразователь кода (ПК2), выполняющий обратное преобразование кодов;

- источники излучения (ИИ) с усилителями накачки;

- фотоприемные устройства (ФП).

Для компенсации вносимого затухания в оптическом кабеле между точками S (передатчик) и R (приемник) используются регенерационные пункты (РП), которые восстанавливают ослабленный и зашумленный сигнал. В состав РП помимо ИИ и ФП входят решающие устройства (РУ), определяющие характер принятого сигнала («единица» или «ноль»).

Точки Т и Т' являются точками стыка канала передачи цифрового группового тракта соответствующей цифровой иерархии с оптическим линейным трактом. Параметры цифровых групповых трактов в точках стыка нормированы с учетом рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ). Определены параметры входного и выходного сигналов в точках Т и Т', типы кодов, сопротивления нагрузок, скорости передачи в электрическом и оптическом трактах, коэффициент ошибок, характеристики дрожания фазы.

Точки R и S являются оптическими стыками ВОСП. Оптические параметры отнесены для передатчика к точке S, для приемника к точке R, а длина оптического пути определяется расстоянием между точками S и R.

Линейный оптический тракт со спектральным уплотнением (рисунок 4.1, б) позволяет передавать по двум волокнам несколько высокоскоростных цифровых потоков на разных длинах волн (λ1... λn), которые объединяются в один поток с помощью мультиплексора MX DWDM. В связи с тем, что в мультиплексоре при объединении потоков возникают значительные потери, на его выходе устанавливается выходной оптический усилитель (ОУ). На приемном конце ослабленный сигнал перед поступлением на демультиплексор DMX DWDM также усиливается во входном ОУ.



4.3. Параметры передающего устройства

К основным оптическим параметрам передающего устройства в точке S относятся:

1. Средняя длина волны излучения λ0 ИИ и ширина спектра его излучения Δλ, которая может определяться как среднеквадратическое значение или на уровне 0,5 от максимальной величины. Так обычно определяют ширину спектра излучения для светоизлучающих диодов (СД) и многомодовых лазеров. Для одномодовых, одночастотных лазеров чаще ширину спектра излучения определяют на уровне -20 дБ (1% от максимальной мощности). Для определения длины волны λ0 и ширины спектра Δλ излучения используют анализаторы оптического спектра, основанные на оптической фильтрации с помощью дифракционной решетки или интеферометра.

2. Средняя мощность излучения Р0, вводимого в ОВ, при равной вероятности передачи «1» и «0», которая может измеряться в единицах мощности Вт или в логарифмических единицах дБм. В качестве испытательного сигнала для определения параметров передающего устройства можно использовать псевдослучайные последовательности (ПСП). Важным параметром излучателя является нестабильность излучаемой мощности, которая может характеризоваться среднеквадратическим отклонением средней мощности. Эта величина также может измеряться в единицах мощности Вт или в относительных логарифмических единицах дБ. Измерения проводят оптическими ваттметрами, которые градуируют на фиксированных длинах волн излучения (0,85; 1,3; 1,55 и 1,64 мкм) в абсолютных и логарифмических единицах. Часто оптические ваттметры совмещают в одном корпусе с источником излучения. Такие приборы называют мультиметрами или оптическими тестерами. Комплект из двух таких приборов позволяет проводить измерения затухания в ОВ и пассивных элементах ВОСП.

3. Коэффициент гашения (экстинкции), который определяется отношением мощности излучения при передаче «1» к мощности излучения при передаче «0». Его можно выразить просто отношением или в относительных логарифмических единицах дБ, наблюдая глаз-диаграмму. Для исключения возможной перегрузки фотоприемника (ФП) между оптическим входом и выходом включают оптический аттенюатор. При выборе испытательной ПСП для измерений формы сигнала по глаз-диаграмме необходимо, чтобы число регистров в генераторе ПСП было равно максимально возможному числу единиц, которые могут идти подряд в используемом линейном коде. Например, для ВОСП, использующей код В4В5, подряд может идти не более пяти единиц или нулей.

4. Форма выходных оптических импульсов (время нарастания и спада, длительность, колебательность) определяется по глаз-диаграмме, которая должна соответствовать шаблону глаз-диаграммы для данной ВОСП.



4.4. Параметры приемного устройства

К основным оптическим параметрам фотоприемного устройства (ФПУ) можно отнести:

1. Чувствительность ФПУ, которая определяется как минимальное среднее значение мощности оптического излучения в точке R, при которой обеспечивается заданный коэффициент ошибок (обычно 10-10). Чувствительность ФПУ может быть выражена в единицах мощности или в логарифмических единицах дБм. Для измерения чувствительности необходимы: оптический ваттметр, измеритель коэффициента ошибок (ИКО) и регулируемый аттенюатор.

2. Динамический диапазон ФПУ, который определяется как отношение максимальной мощности излучения в точке R, при которой обеспечивается заданный коэффициент ошибок, к чувствительности. Динамический диапазон обычно выражают в логарифмических единицах дБ. При определении динамического диапазона используются те же приборы, что и для определения чувствительности. Оба параметра могут быть определены в одной измерительной процедуре.

3. Коэффициент отражения ФПУ в точке R определяется отношением отраженной от ФПУ мощности к падающей на него мощности. Для его определения может использоваться оптический рефлектометр (ОР) или специальный прибор. При количественной оценке коэффициента oтражения с помощью ОР возникают сложности при учете затухания в волоконном тракте между ОР и ФПУ. Коэффициент отражения может быть выражен отношением или в относительных логарифмических единицах дБ.



4.5. Параметры линейного оптического тракта

К основным параметрам линейного оптического тракта (волоконного тракта - ВТ) можно отнести:

1. Вносимое затухание (ослабление оптического сигнала в линейном тракте между точками S и R). Для измерения вносимого затухания используют оптические тестеры, которые могут представлять собой комплект из источника и приемника излучения. Однако чаще для этой цели используют оптические мультиметры, объединяющие в одном корпусе источник и приемник излучения. Основными причинами погрешности измерения являются неодинаковость потерь в рабочем разъеме излучатели ВОСП и разъеме излучателя оптического тестера и отличие длин волн излучателя ВОСП и оптического тестера.

2. Дисперсионные искажения (расширение оптических импульсов) могут выявляться и измеряться при эксплуатации путем сравнения глаз- диаграмм в точках S и R. Сложность этих измерений определяется тем, что при малых затуханиях и расстояниях само расширение очень мало и его трудно измерить, а при больших затуханиях и расстояниях мало отношение сигнала к шуму на дальнем конце, что снижает точность измерений по глаз-диаграмме.

3. Возвратные потери (отражения от неоднородностей в ВТ) нормируются, так как в одномодовых ВТ обратно отраженные импульсы интерферируют в резонаторе полупроводникового лазера с излучаемыми, что изменяет амплитуду и искажает форму излучаемых импульсов. Это приводит к увеличению коэффициента ошибок, что недопустимо. Возвратные потери, также как и коэффициент отражения от ФПУ, измеряются ОР или специальными приборами. Их, как правило, выражают в логарифмических единицах.

В основе всех методов измерения параметров источников и приемников излучения, а также линейных трактов лежат измерения мгновенных и средних значений оптической мощности. На практике проводят измерения проходящего через линейный тракт излучения, а также рассеянного и отражённого в тракте излучения.



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.

Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию измерений.

2. Приведите классификацию измерений в процессе строительства.

3. Приведите классификацию измерений в процессе эксплуатации.

4. Какие существуют оптические характеристики ОВ и ОК?

5. Какие существуют геометрические характеристики ОВ и ОК?

6. Какие существуют механические характеристики ОВ и ОК?

7. Какие существуют климатические и эксплуатационные характеристики ОВ и ОК?

8. Когда производится входной контроль?

9. Какие параметры измеряются при входном контроле?

10. Какие измерения проводятся при оценке качества строительных работ?

11. Какие измерения проводятся при приёмно-сдаточных испытаниях?

12. Назовите  оборудование оконечных пунктов (ОП) линейного оптического        тракта, не использующего аппаратуру спектрального уплотнения.

13. Изобразите схему оптического линейного тракта ЦСП с плезиохронной или синхронной иерархиями.

14. Изобразите схему оптического линейного тракта ЦСП  со спектральным уплотнением.

15. Какое оборудование входит в состав регенерационного пункта?

16. Назначение регенерационного пункта.

17. Назначение мультиплексора.

18. Как определяется ширина спектра излучения для одномодовых одночастотных лазеров?

19. Как определяется ширина спектра излучения для светоизлучающих диодов  и многомодовых лазеров?

20. Перечислите параметры передающего устройства.

21. Что такое коэффициент гашения?

22. Перечислите параметры приемного устройства.

23. Что такое чувствительность ФПУ?

24. Что такое динамический диапазон ФПУ?

25. Перечислите параметры современных оптических рефлектометров.

26. Как производится экспериментальное определение динамического диапазона по зарегистрированной рефлектограмме?

27. Как определяется время измерения рефлектограммы?

28. Что такое пространственное разрешение оптического рефлектометра?

29. Как определяется мертвая зона по отражению?

Техническая эксплуатация ВОЛС





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru