Лекции по Технической эксплуатации ВОЛС   

5. Измерения, основанные на определении рассеяния и отражения

5.7 Основы оптической рефлектометрии

Наиболее универсальным и информативным методом измерений параметров ОВ, ОК и ВТ является метод обратного рассеяния (МОР). Приборы, основанные на МОР, называются оптическими рефлектометрами (ОР). Впервые идею использования обратного рэлеевского рассеяния в кварцевых ОВ при их зондировании короткими оптическими импульсами для исследования ОВ предложили американские ученые Барноски и Персоник. Для импульсных ОР в зарубежной литературе принята аббревиатура OTDR (Optical Time Domain Reflectometer- оптический рефлектометр во временной области).

Упрощенная схема ОР представлена на рисунке 5.8  Короткий оптический импульс мощного лазера через одно плечо направленного ответвителя (НО) поступает в исследуемый ВТ. Обратно на вход ОР приходят оптические импульсы, отраженные от локальных неоднородностей исследуемого ВТ. Их называют френелевскими отражениями. Если в ОВ вводится мощность Р0 коэффициент отражения от неоднородности равен R, то мощность отраженного импульса Рг, приходящего на вход ОР с учетом коэффициента затухания ОВ α и расстояния до неоднородности l составляет

.

Причем длительность отраженных импульсов без учета дисперсии будет равна длительности зондирующего импульса tи . Временной интервал t между зондирующим и отраженным импульсами определяется эквивалентным показателем преломления n1 сердцевины ОВ и расстоянием l до неоднородности

Проходящий по ОВ зондирующий импульс рассеивается в любом сечении ОВ, а рассеянное излучение распространяется равномерно во все стороны. Это рассеяние называют рэлеевским и его невозможно устранить технологическими приемами при изготовлении ОВ. Это рассеяние является линейным, и доля рассеянного излучения (коэффициент рассеяния as) не зависит от мощности зондирующего импульса при обычно используемых мощностях излучения. Проходящий по ОВ оптический импульс длительностью tи одновременно вызывает рассеяние с участка ОВ протяженностью

,                                                           (5.1)

где с - скорость света в вакууме.

Рисунок 5.8 Упрощенная структурная схема оптического рефлектометра:

ИИ - источник излучения; НО - направленный ответвитель; ВТ - исследуемый волоконный тракт; ГИ - генератор импульсов; ФПУ - фотоприемное устройство;УОС-устройство обработки сигнала; Д-дисплей

Часть рассеянного излучения возвращается обратно к ОР. Она определяется фактором обратного рассеяния G, который зависит от апертурных свойств ОВ. Например, для MOB и ООВ со ступенчатым профилем показателя преломления фактор обратного рассеяния соответственно составляет

                  .

Для мощности излучения, рассеянного с участка Δl, расположенного на расстоянии l от ОР, и пришедшего ко входу ОР можно записать

.

Совокупность рассеянного и отраженного излучения из исследуемого ВТ, приходящего на вход ОР, называют сигналом обратного рассеяния (СОР). СОР через второе плечо НО поступает на высокочувствительное фотоприемное устройство (ФПУ). После усиления в ФПУ, выделения СОР из шумов ФПУ и логарифмирования в устройстве обработки сигнала (УОС) преобразованный СОР как функция времени задержки (или расстояния) отображается в графической форме в виде рефлектограммы на экране дисплея (Д).

Принимая некоторое значение оптической мощности Рн за уровень 0 дБ, запишем выражения для уровней обратно рассеянного Ys и отраженного Yr сигналов в зависимости от расстояния l и временного интервала t между зондирующим сигналом и СОР:\

где t0- длительность зондирующего импульса, при которой нормируется относительный уровень СОР

.

В таблице 5.2 приведены типичные значения относительного уровня СОР при длительности зондирующего импульса 1 нс.

Таблица 5.2 Типичные значения относительного уровня СОР

Тип ОВ

Длина волны, мкм

Ys0, дБ

MOB

0,85

-35,0

 

1,30

-37,5

ООВ

1,31

-39,5

 

1,55

-40,5

Типичная рефлектограмма СОР для ВТ приведена на рисунке 5.9. На ней можно выделить однородные участки (2) ВТ (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания α, на которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания. Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала 1 вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ОВ. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР - мертвую зону, т. е. расстояние Δlм , на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания. Мертвая зона превышает, иногда значительно, длину участка, определяемого выражением (5.1). Выброс сигнала с перепадом затухания 4 возникает при наличии в тракте разъемного соединителя, а также при наличии в волокне маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха. Такие отражения характеризуются возвратными потерями, которые могут быть рассчитаны по выражению:

,                                                                (5.2)

где R - коэффициент отражения.

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой 3. Конец ВТ или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу 5 и следующему за ним участку 6 с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленными шумами ФПУ.

Рисунок 5.9 Сигнал обратного рассеяния

Метод обратного рассеяния обладает весьма ценными для практики свойствами:

- возможность по одной рефлектограмме определять одновременно целый ряд основных параметров ВТ;

- возможность измерения при одностороннем доступе к ВТ;

- возможность измерения не только общего затухания, но и распределения потерь вдоль ВТ;

- возможность выявления дефектных, например, замокших участков, характеризующихся скачкообразным изменением сигнала обратного рассеяния;

- возможность диагностирования текущего состояния ВТ и прогнозирования аварийных ситуаций путем сравнения только что зарегистрированной и паспортной рефлектограмм ВТ.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.