5.1. Измерители оптической мощности

5.2. Измерение параметров ФПУ

5.3. Измерение энергетического запаса регенерационного участка

5.4. Измерение вносимого затухания методом сравнения уровней

5.5. Измерение коэффициента ошибок

5.6. Измерение параметров формы оптических импульсов

5.7. Основы оптической рефлектометрии

5.8. Измерение расстояния вдоль линейного тракта

5.9. Измерение различных видов затухания

5.10. Измерение вносимых потерь в разъемных и неразъемных соединениях

5.11. Измерение возвратных потерь

5.1. Измерители оптической мощности

Мощность оптического излучения Р может измеряться в единицах мощности (Вт) или в логарифмических единицах р (дБм) по отношению к мощности 1 мВт. Для измерения мощности излучения используют специальные приборы - измерители оптической мощности или оптические ваттметры.

Измерители оптической мощности используются для определения мгновенных значений, средней и максимальной мощности на выходах излучателя Р_ИЗ или ВТ (на входе ФПУ) Рф.

Измеритель оптической мощности (рисунок 5.1) состоит из:

- фотоприемника (ФП), который преобразует мощность оптического излучения в электрический сигнал (обычно фототок);

- усилителя фототока (УФТ), на выходе которого с помощью осциллографа можно наблюдать сигнал, пропорциональный мгновенному значению мощности;

- логарифматора (ЛОГ);

- аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

- устройства отображения (УО).

Рисунок 5.1 Структурная схема измерителя оптической мощности

При измерении средних значений мощности после УФТ устанавливают усредняющий фильтр нижних частот (ФНЧ), а при измерении максимальных значений — амплитудный детектор.

В качестве ФП в измерителях оптической мощности могут использоваться фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, тепловые и сегнетоэлектрические приемники, однако чаще всего применяют pin-фотодиоды. К ФП предъявляется ряд требований:

- ФП должен иметь фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего потока излучения, выходящего из источника излучения или ОВ.

- чувствительность ФП должна быть однородной по площади, а характеристика преобразования — линейной во всем диапазоне измеряемых мощностей. Чувствительность должна мало зависеть от температуры.

- ФП должен обладать малым уровнем шума, низким порогом реагирования. Для этого он должен иметь малый уровень темнового тока.

- для регистрации мгновенных значений мощности необходимо высокое быстродействие ФП и широкая полоса пропускания УФТ.

Наилучшими параметрами: высокой линейностью, температурной стабильностью, широким динамическим диапазоном по линейности и по шумам (малый темновой ток) — обладают кремниевые pin-фотодиоды. К сожалению, они могут использоваться для измерений только с λ= 0,85 мкм. На больших λ используют германиевые фотодиоды или фотодиоды на основе арсенида галлия, легированного индием.

УФТ имеет автоматически или вручную переключаемый коэффициент передачи для выбора диапазона измерения. Для получения результата измерения на УО в цифровой форме используется АЦП. Для вывода результата в логарифмических единицах перед АЦП устанавливается ЛОГ.

Измерители оптической мощности в сочетании с другими приборами могут использоваться для определения параметров ФПУ:

- чувствительности ФПУ р_{ф мин};

- уровня перегрузки ФПУ р_{ф макс};

- динамического диапазона ФПУ.

И параметров регенерационного участка ВОСП:

- вносимого затухания а_вн;

- энергетического запаса т_зап.

5.2. Измерение параметров ФПУ

Для определения чувствительности ФПУ кроме измерителя оптической мощности используют оптический аттенюатор с регулируемым затуханием и измеритель коэффициента ошибок (ИКО). Схема измерения чувствительности ФПУ приведена на рисунке 5.2.

С помощью оптического аттенюатора уменьшается уровень сигнала на входе ФПУ. При этом контролируется уровень средней мощности р_ф и коэффициент ошибок к_ош. За величину чувствительности ФПУ принимают уровень сигнала р_{ф мин} на входе ФПУ, при котором к_ош соответствует заданному уровню, например 10 ^-9.

Рисунок 5.2 Схема измерения чувствительности ФПУ

Такая же процедура может использоваться для определения уровня перегрузки ФПУ р_{ф макс}. Однако при этом мы ищем не минимальный, а максимальный уровень входного сигнала, при котором коэффициент ошибок соответствует заданному уровню.

Динамический диапазон ФПУ определяется разностью полученных значений

.

5.3. Измерение энергетического запаса регенерационного участка

Под энергетическим запасом регенерационного участка понимают величину возможного увеличения затухания участка, при котором коэффициент ошибок не превосходит допустимого значения.

Этот параметр может быть определен по результатам измерений вносимого затухания а_ВН, уровня выходной мощности излучателя р_из и чувствительности ФПУ р_{ф мин}

.

Можно также определить максимально и минимально допустимые вносимые затухания на участке ВОСП

; .

5.4. Измерение вносимого затухания методом сравнения уровней

Затухание α характеризует ослабление сигнала и измеряется обычно в логарифмических единицах: децибелах или неперах. При оптических измерениях затухание измеряют в соответствии со следующими выражениями:

; ,

где Р₀, Р₁ - мощности сигнала на входе и выходе OB, ОК или любого компонента ВТ. Отметим, что соотношение между децибелами и неперами при оптических измерениях отличается от принятых в электрических измерениях: α (дБ) = 4,34·α (Нп).

Для однородного OB при известной длине L можно рассчитать коэффициент затухания а - величину затухания на единицу длины, дБ/м:

.

Метод сравнения уровней имеет несколько разновидностей в зависимости от конкретных условий измерения. При научно-исследовательских лабораторных измерениях часто ставятся задачи определения зависимости коэффициента затухания от длины волны, особенностей технологии производства, температуры, механических напряжений, наличия ионизирующих излучений и т. п. Это требует создания сложных измерительных комплексов, включающих мощные неселективные источники излучения, монохроматоры, вычислительные устройства. Измерения проводятся на экспериментальных образцах ОВ обычно сравнительно небольшой длины. Такие установки не пригодны для измерений в полевых условиях в процессе строительства и эксплуатации ВОСП.

Надо отметить, что практикам чаще всего необходимо измерять либо полное вносимое затухание ОВ на строительной длине или на смонтированном участке, либо коэффициент затухания при известной длине ОВ. Эти измерения имеют много общего, но имеются и особенности.

Две разновидности метода сравнения уровней на входе и выходе ОВ (ОК):

• метод обрыва;
• метод вносимых потерь.

Первый метод, более точный, связан с разрушением испытуемого ОВ, который уменьшается на 3-5 м после каждого измерения. Этот метод применяют для измерений коэффициента затухания на ОВ известной длины, не армированных оптическими соединителями (обычно на строительных длинах при входном контроле).

Второй метод применяют для измерения вносимых потерь на смонтированных участках, когда ОВ армированы оптическими соединителями.

Так как величина коэффициента затухания а зависит от средней длины волны λ источника излучения, а также от ширины спектра источника излучения Δλ, эти параметры должны быть точно известны (стандартизованы). В процессе измерения необходимо обеспечить постоянство мощности излучения, вводимой в ОВ, и неизменность модового состава при измерении на многомодовых ОВ.

Метод обрыва. Для измерений отбирают отрезки ОВ (ОК) с известной длиной L. Необходимо помнить, что погрешность определения коэффициента затухания увеличивается при уменьшении длины ОВ. Измеряемый ОВ (OK) выдерживают в нормальных климатических условиях не менее 3 ч. Для подготовки образцов необходимо:

• оба конца измеряемых ОК освободить от защитных оболочек, входной на расстоянии не менее 1 м, выходной на расстоянии не менее 0,5 м;
• концы каждого ОВ освободить на длине 10.. .50 мм от первичных и вторичных защитных покрытий;
• торцевые поверхности ОВ на обоих концах ОК обработать так, чтобы они были ровными, перпендикулярными оси ОВ и не имели сколов и трещин.

Перпендикулярность сколов и отсутствие дефектов определяют под микроскопом с увеличением не менее чем в 20 раз.

Упрощенная схема установки для измерения по методу обрыва представлена на рисунке 5.3. Источник излучения (ИИ) через смеситель мод (СМ), фильтр оболочечных мод (ФОМ) и устройство ввода (УВ) освещает входной торец ОВ. Прошедшее ОВ излучение поступает на фотоприемник (ФП), электрический сигнал которого поступает на регистрирующий прибор (РП).

Рисунок 5.3 Схема установки для проведения измерения по методу обрыва

Измерение проводится следующим образом. С помощью УВ проводят юстировку входного торца измеряемого ОВ по максимуму сигнала на входе ФП. Фиксируют положение входного торца и регистрируют значение выходного сигнала Р₁.

Не изменяя положения ОВ в устройстве ввода, от выходного концы измеряемого ОВ обламывают отрезок длиной 0,5-3 см. Вновь обрабатывают выходной торец ОВ и повторяют измерение Р₁. Количество измерений определяют, исходя из допустимой случайной погрешности измерения S_ДП, но не менее 3 раз. Эта процедура позволяет исключить грубые ошибки из-за плохого состояния выходного конца исследуемого ОВ.

Не изменяя положения ОВ в устройстве ввода, его обламывают на расстоянии 1±0,2 м от входного торца. Подготавливают (обрабатываюi) оставшийся в УВ выходной торец ОВ. Регистрируют мощность излучении Р₂, выходящего из ОВ. Повторяют измерения для исключения грубых погрешностей.

Результаты измерений оформляются протоколом, в котором указывают:

- результаты измерения затухания и коэффициента затухания в каждом ОВ;

- длину волны и спектральную ширину источника излучения;

- марку и длину оптического кабеля;

- тип, заводские номера и дату поверки (аттестации) использованного оборудования;

- погрешность результата измерения при выбранной доверительной информации.

Главным достоинством измерения затухания методом обрыва является исключение (значительное уменьшение) погрешности от неопределенности уровня введенной в ОВ мощности.

В качестве ИИ для измерения затухания на одной длине волны могут использоваться светодиоды, полупроводниковые лазеры, а для измерений затухания в широком спектре длин волн - лампы накаливания или газоразрядные в сочетании с монохроматором. К источникам излучения предъявляется ряд требований.

Мощность излучения, которую можно ввести в ОВ, должна быть достаточно большой, так как с увеличением мощности возрастает динамический диапазон измерения полного затухания.

Источник должен иметь строго определенную и стабильную длину волны и узкую полосу излучаемых длин волн. Это обеспечивает единство измерений разными приборами.

Средняя мощность излучения и длина волны источника должны мало зависеть от времени и окружающей температуры. Для уменьшения этой зависимости используют системы стабилизации температуры излучателя и стабилизации выходной мощности.

В многомодовых ОВ затухания различных мод отличаются. Обычно моды более высокого порядка, которые проходят по ОВ больший путь, имеют большее затухание. Измерению обычно подлежит некоторое среднее затухание, обусловленное всеми возможными модами. В связи с различными затуханиями мод измеренная величина затухания зависит от распределения энергии проходящего излучения между различными модами. Для обеспечения единства измерений на одних и тех же многомодовых ОВ необходимо обеспечить во всем исследуемом ОВ так называемое равновесное распределение мод (РРМ), которое обычно устанавливается в ОВ при любых условиях ввода через расстояние, равное длине установления L_ycт, которое для разных ОВ может составлять от сотен метров до нескольких километров. Это особенно важно при определении коэффициента затухания на малых (меньше 1 км) длинах ОВ.

Для формирования PPM могут использоваться дополнительные ОВ с длиной L > L_ycт или специальные смесители мод (СМ).

При измерении коэффициента затухания а на коротких участках ОВ возникает также погрешность за счет мод оболочки, вытекающих мод. Эта погрешность может быть особенно существенной для одномодовых ОВ. Моды оболочки возникают, если источник излучения имеет излучающую площадку, превышающую размеры сердцевины ОВ, и если ширина диаграммы направленности источника превышает апертурный угол ОВ. Оболочечные моды, хотя и имеют значительно больший коэффициент затухания по сравнению с модами сердцевины (направляемыми модами), тем не менее способны распространяться на большие расстояния. При измерении мощности источника излучения через короткий ОВ, например поводок, приемник зарегистрирует оболочечные моды. Так как это излучение фактически постороннее при измерении коэффициента затухания (регистрации подлежат только направляемые моды), то возникает погрешность измерения коэффициента затухания. Эта погрешность может иметь очень большую величину в одномодовых ОВ. Бороться с ней можно при помощи объектива (Об), формирующего увеличенное изображение торца ОВ, и установки в плоскости изображения полевой диафрагмы (ПД), отсекающей оболочечные моды, перед приемной площадкой ФП (рисунок 5.4 , а).

Чаще для борьбы с оболочечными модами используют фильтр оболочечных мод (ФОМ) (рисунок 5.4, б), который обычно представляет собой отрезок ОВ, освобожденный от защитных покрытий, сложенный петлей (изогнутый) радиусом порядка 10 см и помещенный в кювету с иммерсионной жидкостью, смачивающей оптическую оболочку ОВ на длине 5...10 см. Иммерсионная жидкость должна иметь показатель преломления п = п ₂, где п ₂ - показатель преломления оболочки. Тогда оболочечные моды без отражения на границе оболочка-жидкость будут переходить в жидкость, поглощаться и рассеиваться в ней.

Для измерения затухания по методу обрыва можно использовать серийно выпускаемые источники и приемники излучения.

Рисунок 5.4 Способы подавления оболочечных мод

Метод измерения вносимых потерь. Метод основан на последовательном измерении мощности оптического излучения на выходе измеряемого ОВ и на выходе источника излучения, который присоединяется к приемнику излучения непосредственно или с помощью вспомогательного ОВ, которое так же, как и измеряемое ОВ, армировано оптическим соединителем.

Оптические соединители, которыми армированы измеряемое ОВ и вспомогательное ОВ, должны иметь известный уровень потерь а_р при соединении. Должна быть также известна длина измеряемого ОВ L.

При подготовке к измерениям необходимо протереть торцы всех сочленяемых соединителей спиртом.

Основное отличие метода измерения вносимых потерь от метода обрыва заключается в использовании для измерений оптических разъемов. На практике используют две разновидности метода измерения вносимых потерь.

В первом варианте (рисунок 5.5, а) используется источник излучения с выходом в виде гибкого оптического поводка. Проводятся два измерения. При первом измеряемое ОВ подключают между выходом источника (ИИ) и приемника (Пр) излучения и проводят измерение мощности Р₁ или уровня р₁. При втором измерении источник непосредственно подключается к приемнику. Проводится измерение уровня р₂.

Для определения затухания вычисляют разность двух измеренных уровней

.

В результат входит среднее значение потерь в оптическом разъеме а_р, соединяющем два ОВ.

Во втором варианте (рисунок 5.5, б) используется источник излучения, выходной оптический разъем которого установлен на передней панели излучателя. Для измерений используется оптический поводок.

Проводятся два измерения. При первом оптический поводок непосредственно подключается к приемнику и измеряется уровень оптической мощности р₁ При втором измерении вместо оптического поводка между источником и приемником излучения включается измеряемое ОВ.

.

В результат измерения входит затухание оптического поводка а_пв. Результаты измерений оформляются протоколом, содержащим те же сведения, что и в методе обрыва. При измерении вносимых потерь обычно используют специальные приборы - оптические тестеры (ОТ). Они предназначены для измерений в процессе строительства и эксплуатации ВОСП. Поэтому для измерений необходимо использовать раздельные, разнесенные в пространстве приемник и источник излучения. Повысить точность и расширить измерительные возможности можно, используя оптические тестеры (оптические мультиметры), которые в одном корпусе содержат источник и приемник излучения. Это позволяет проводить измерения затухания смонтированного участка ВТ одновременно в двух ОВ, а в каждом из них - во встречных направлениях, и тем самым повысить точность измерения благодаря возможности калибровать источники излучения по собственным приемникам.

Рисунок 5.5 Схема установки для измерения вносимых потерь

Проведение измерений на протяженной линии осуществляют два человека. Для координации их действий часто используют устройство служебной связи по двум ОВ. Существуют также устройства дуплексной служебной связи по одному ОВ, которые своим динамическим диапазоном перекрывают всю длину участка регенерации на одномодовом волокне. Некоторые оптические тестеры помимо измерения вносимого затухания выполняют также функцию оптического телефона.

5.5. Измерение коэффициента ошибок

Одним из наиболее важных интегральных параметров ВОСП является коэффициент ошибок, который служит экспериментальной оценкой вероятности ошибки в линейном тракте ВОСП.

Основными причинами ошибок являются флуктуационные шумы ФПУ и его перегрузка входным оптическим сигналом. Шумы ФПУ, которые определяются его схемой, типом ФП и скоростью передачи данных в ВОСП, приводят к уменьшению отношения сигнала к шуму на выходе ФПУ и определяют максимально допустимое затухание в линейном тракте при данной мощности излучателя. Перегрузка ФПУ приводит к возникновению межсимвольных искажений и увеличению вероятности ошибки. Межсимвольные искажения определяют минимально допустимое затухание в линейном тракте при данной мощности излучателя.

Вероятность ошибок при равновероятной передаче «единиц» и «нулей» можно представить в виде

,

где Р(0/1)- вероятность приема «0» при передаче «1» (вероятность пропуска «единицы»); Р(1/0) - вероятность приема «1» при передаче «0» (вероятность приема ложной «единицы»).

Коэффициент ошибок определяется отношением числа ошибочных символов m, зафиксированных за интервал времени измерения, к общему числу принятых символов n:

.

В соответствии с международным стандартом на цифровые телефонные каналы связи в линии (Рекомендация МСЭ-Т G.821) протяженностью 2500 км допускается не более двух ошибок при передаче 10⁷ бит информации. Это означает, что для каждых 10 км линии связи средняя вероятность ошибки должна поддерживаться на уровне 0,8-10^-9. В современных ВОСП коэффициент ошибок лежит в пределах 10^-11...10^-14.

Измерение коэффициента ошибок необходимо при измерении параметров ФПУ.

Измерение коэффициента ошибок в цифровых ВОСП осуществляется двумя методами:

- побитным сравнением единичных элементов принятого цифрового сигнала с единичными элементами посланного измерительного цифрового сигнала от генератора псевдослучайной последовательности (ПСП);

- выявлением нарушений алгоритма формирования кода в принятом цифровом сигнале.

Приборы, в которых ошибки обнаруживаются при поэлементном сравнении переданного и принятого сигналов (первый метод), являются измерителями коэффициента ошибок первого типа ИКО-1. Измерение коэффициента ошибки методом посимвольного сравнения с помощью ИКО-1 предполагает обязательный перерыв связи и проводится в процессе пусконаладочных, ремонтных и регламентных работ.

Приборы, в которых ошибки выявляются при обнаружении нарушений алгоритма кода в принятом сигнале (второй метод), являются измерителями коэффициента ошибок второго типа ИКО-2, входят в состав штатной аппаратуры ЦСП и позволяют проводить измерения коэффициента ошибок без прерывания связи. Принцип работы ИКО-2 основан на определении числа нарушений структуры линейного кода, подсчитанного относительно общего числа символов, прошедших линейный тракт. Эта величина определяет коэффициент ошибки.

Время, необходимое для измерения коэффициента ошибок к_ош определенной величины с заданной доверительной вероятностью β и погрешностью измерений α определяется выражением

,

где F- скорость передачи информации, бит/с; значения t_β в зависимости от β приведены ниже в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Значения β и t_β

Измерения с помощью ИКО-1 проводятся двумя способами: «по шлейфу» и «по направлению». При измерениях «по шлейфу» генератор испытательного сигнала и управляемый им анализатор кодовой последовательности находятся на одном конце тракта, а «шлейф» создается либо в регенераторе, либо соединением соответствующих волокон. В случае измерения «по направлению» генератор испытательного сигнала и анализатор находятся на различных концах тракта, при этом в анализаторе вырабатывается сигнал, аналогичный испытательному сигналу генератора и синхронный с входным сигналом.

ИКО-1 может использоваться вместе с аттенюатором для определения энергетического запаса регенерационного участка без контроля оптической мощности. Схема измерения показана на рисунке 5.6. Эта схема отличается от схемы измерения параметров ФПУ (рисунок 5.2) тем, что оптический аттенюатор включен последовательно с оптическим линейным трактом (в точке S или R). Величина энергетического запаса определяется затуханием аттенюатора, при котором значение коэффициента ошибок равно допустимой величине.

Рисунок 5.6 Схема измерения энергетического запаса

5.6. Измерение параметров формы оптических импульсов

Параметры формы оптических импульсов на выходе излучателя в точке S и на входе ФПУ в точке R обычно измеряют с помощью глаз-диаграммы. Для контроля за формой импульса используют шаблоны, которые совмещают с глаз-диаграммой. Схема измерения параметров формы оптических импульсов по глаз-диаграмме представлена на рисунке 5.7. Импульсы от тактового генератора (ТГ) с тактовой частотой ВОСП поступают на генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), управляющий источником излучения (ИИ). Оптические импульсы с помощью ФПУ преобразуются в напряжение, поступающее на вход Y осциллографа (ОСЦ). На вход С синхронизации ОСЦ поступают импульсы от ТГ. Длительность развертки обычно выбирается равной двум периодам ТГ. При этом на экране одновременно можно наблюдать все возможные формы импульсов. Их количество определяется числом элементов в одном периоде ПСП, который выбирается в соответствии с используемой в ВОСП системой кодирования (наибольшим числом подряд идущих единиц и нулей).

Рисунок 5.7 Схема получения глаз-диаграммы

Анализ глаз-диаграммы позволяет определять значительное количество параметров формы импульсов: для излучателя в точке S:

- длительность и форму импульса,

- длительности переднего и заднего фронтов,

- относительную ширину глаз-диаграммы,

- коэффициент гашения;

для приемника в точке R:

- длительность и форму импульса,

- длительности переднего и заднего фронтов,

- относительную ширину глаз-диаграммы.

Сопоставление результатов измерения по глаз-диаграмме в точках S и R позволяет оценить дисперсионные искажения в линейном тракте (расширение импульса).

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 Р_г, 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 t_и . 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 a_s) не зависит от мощности зондирующего импульса при обычно используемых мощностях излучения. Проходящий по ОВ оптический импульс длительностью t_и 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 Р_н за уровень 0 дБ, запишем выражения для уровней обратно рассеянного Y_s и отраженного Y_r 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

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 Δl_м , 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.

5.8. Измерение расстояния вдоль линейного тракта

Расстояние L определяется по рефлектограмме, на которой с помощью одного или чаще двух курсоров отмечаются характерные точки, между которыми необходимо найти расстояние по выражению

,

где t - интервал времени между точками на рефлектограмме; с - скорость света в вакууме; n₁ - эквивалентный показатель преломления оптического кабеля.

Таким образом, для определения расстояния L необходимо точно измерить интервал времени t и задать эквивалентный показатель преломления n₁ оптического кабеля. Современная электроника позволяет достаточно точно измерять временные интервалы. Однако при задании эквивалентного показателя преломления возникают значительные трудности, поскольку этот показатель зависит не только от параметров ОВ, но и от скрутки ОВ в оптическом кабеле. При определении расстояния по реальной трассе ОК возникают дополнительные трудности из-за горизонтальных и вертикальных изгибов подземного кабеля в траншее, провисания подвесного ОК и т. п. Усложняет точное определение расстояния также наличие технологического запаса ОК в каждой муфте.

5.9. Измерение различных видов затухания

Измерение затухания с помощью ОР основано на том факте, что каждая точка однородного участка ОВ дает один и тот же уровень СОР. Уменьшение уровня СОР с увеличением расстояния, наблюдаемое на рефлектограмме, вызвано общим затуханием, а не только рассеянием света.

Затухание сигнала а между двумя точками 1 и 2 (рисунок 5.10) определяется как

,

где Y₁и Y₂- уровни СОР (дБ) в точках 1 и 2 соответственно.

Рисунок 5.10 Измерение затухания между двумя точками однородного участка ОВ

Средний коэффициент затухания между точками 1 и 2 ОВ можно рассчитать по формуле

.

Выбор точек, между которыми определяется затухание, осуществляется с помощью двух курсоров, перемещаемых оператором по экрану дисплея. В современных ОР расстояние между курсорами, разность уровней и средний коэффициент затухания между этими точками СОР постоянно отображается на дисплее. Если точки 1 и 2 лежат на однородном участке ОВ, то средний коэффициент затухания соответствует коэффициенту затухания ОВ на этом участке.

При измерении затухания между двумя точками неоднородного ВТ возникает методическая погрешность, которая обусловлена тем, что абсолютный уровень СОР зависит от таких параметров ОВ, как коэффициент рассеяния, числовая апертура, диаметр модового поля и т. п. Например, если точки, между которыми измеряется затухание, принадлежат разным ВС с отличающимися параметрами, то при измерении затухания возникает методическая погрешность, которую можно исключить, проведя измерения с двух концов ВТ и усреднив результат измерения.

5.10. Измерение вносимых потерь в разъемных и неразъемных соединениях

В разъемных и неразъемных соединениях ОВ в общем случае возникают вносимые и возвратные потери. Вносимые потери определяются отношением падающей на соединение оптической мощности к прошедшей через него мощности. Возвратные потери определяются отношением падающей на соединение оптической мощности к отраженной от него мощности и могут быть выражены через коэффициент отражения. Наличие возвратных потерь характерно для разъемных соединений, когда между торцами соединяемых ОВ образуется воздушный зазор. Сварные соединения, как правило, не имеют отраженного излучения. При определении вносимого затухания, так же как при измерении затухания между двумя точками, возникает методическая погрешность, если параметры соединяемых ОВ отличаются. При значительном отличии параметров ОВ могут наблюдаться так называемые отрицательные потери. При этом измерения с другой стороны ВТ дадут в этом стыке потери положительные (рисунок 5.11, б).

Для правильного определения потерь в соединениях (вносимого стыками затухания) измерения также следует проводить с обоих концов ВТ.

По рефлектограмме, зарегистрированной с одного конца ВТ, потери можно определить методом трех курсоров или методом наименьших квадратов. На рисунке 5.12 показана типичная рефлектограмма для разъемного соединения ОВ.

Для курсоров 1, 2 и 3 фиксируют соответствующие уровни сигналов Y₁, Y₂, Y₃ и расстояния l_1, l₂, l₃ . За потери в неразъемном соединении принимается разность уровней Y _А= Y₁ и Y_В . Точка А находится в точке начала стыка на расстоянии l₁, а точка В находится на пересечении курсора 1 с прямой, аппроксимирующей сигнал обратного рассеяния на участке ВТ после соединения. Аппроксимация производится по двум точкам, определяемым курсорами 2 и 3. Курсор 2 следует располагать непосредственно после стыка, в точке, которая лежит на линейном участке сигнала обратного рассеяния. Курсор 3 должен лежать как можно дальше от стыка, но на линейном участке сигнала обратного рассеяния. Тогда для вносимых потерь в разъемных и неразъемных соединениях будет справедливо

.

При определении потерь в соединениях для аппроксимации зависимости сигнала обратного рассеяния на участках ВТ до и после стыка ОВ может использоваться метод наименьших квадратов. В этом случае в ОР может использоваться либо один курсор, совмещаемый с местом стыка, либо два курсора, которые устанавливаются по разные стороны от стыка на равном расстоянии от него. Этот метод дает более точные результаты при значительном уровне шума.

Действительные потери в соединении могут быть рассчитаны как среднее значение двух, измеренных с разных концов значений потерь с учетом знака. Особенностью рефлекгограммы разъемного соединения является наличие в месте соединения френелевского отражения, которое при измерении вносимого стыком затухания игнорируется.

Рисунок 5.11 Рефлектограммы, зарегистрированные с обоих концов ВТ

Рисунок 5.12 Измерение вносимых потерь в соединении методом трех курсоров

5.11. Измерение возвратных потерь

В предыдущем разделе была рассмотрена методика определения вносимых потерь в стыке. В разъемных соединениях, а также на локальных дефектах, на конце ОВ и в некачественных неразъемных соединениях возникают френелевские отражения. Отраженные от стыков оптические импульсы могут оказывать отрицательное воздействие на источники излучения ВОСП, особенно одномодовые. Поэтому допустимый уровень этих отражений (так называемые возвратные потери) нормируется и должен обязательно измеряться в одномодовых ВТ. Возвратные потери могут быть рассчитаны по выражению (5.2).

Чем больше возвратные потери, тем выше качество разъемного соединения. Для отражения от идеального торца ОВ, отполированного перпендикулярно его оси, возвратные потери составляют 14 дБ, а для оптического соединителя с воздушным зазором минимальные возвратные потери составляют 11 дБ. Такие уровни возвратных потерь недопустимы для большинства систем оптической связи. Для оптических систем связи SDH в соответствии с рекомендациями G.957 минимально допустимые возвратные потери составляют 27 дБ. Таким требованиям удовлетворяют оптические разъемы со сферической полировкой торцов соединяемых ВС с наконечниками типа PC (физический контакт). Для увеличения возвратных потерь в разъемных соединениях были разработаны технологии еще более совершенной полировки торцов соединяемых ОВ: SPC (суперфизический контакт) с а_В> 40 дБ, UPC (ультрафизический контакт) с а_В > 50 дБ и АРС (угловой оптический контакт) с а_В > 60 дБ.

Для определения возвратных потерь с помощью ОР необходимо получить рефлектограмму (рисунок 5.13), на которой виден выброс сигнала, обусловленный фрснслевским отражением в разъемном соединении. Этот выброс не должен вызывать перегрузки фотоприемного устройства. По рефлектограмме измеряют уровни СОР Y_s и Y_f.

Рисунок 5.13 Методика измерения возвратных потерь

Для расчета возвратных потерь по рефлектограмме используют выражение:

,

где Y_s0 - относительный уровень СОР при длительности зондирующего импульса t_и0; t_и - длительность зондирующего импульса, при которой была зарегистрирована рефлектограмма.

Для t_и0= 1 нc типичные значения затухания обратного рассеяния Y_s0 для стандартных ОВ приведены в таблице 5.2. Более точные значения для ОВ конкретного производителя должны определяться экспериментально.

Контрольные вопросы 1. Изобразите структурную схему измерителя оптической мощности и поясните назначение элементов.

2. Какие фотоэлементы могут использоваться в качестве ФП в измерителях оптической мощности?

3. Какие предъявляются требования, предъявляемые к фотоприёмнику?

4. Какие существуют параметры ФПУ, измеряемые с помощью измерителей оптической мощности в сочетании с другими приборами?

5. Изобразите схему измерения чувствительности ФПУ и поясните назначение элементов.

6. Что такое энергетический запас регенерационного участка?

7. Изобразите схему установки для измерения вносимых потерь.

8. Какое основное отличие метода измерения вносимых потерь от метода обрыва?

9. Какие существуют способы борьбы с оболочечными модами при измерении коэффициента затухания на коротких участках ОВ?