7.9.1. Назначение и виды измерений

7.9.2. Методы измерения параметров и характеристик элементов линейных сооружений ВОЛС

7.9.3. Измерения на ВОЛС во время аварий

7.9.1. Назначение и виды измерений

В процессе строительства и технической эксплуатации ВОЛС проводится комплекс измерений для определения состояния кабелей, линейных сооружений, качества функционирования аппаратуры линейного тракта, предупреждения повреждений, а также накопления статистических данных с целью разработки мер повышения надежности связи [4]. Параметры и характеристики ОК и аппаратуры ВОСП, измеряемые в условиях их производства, оформляются в виде паспортных данных, которые должны соответствовать действующим нормам ГОСТ и ТУ. Проверка на указанное соответствие выполняется при входном контроле.

На этапе строительства ВОЛС в целях контроля качества строительства и связи измеряют затухание ОВ на строительных длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое соединениями ОВ; уровни мощности оптического излучения на выходных, передающих и входных приемных оптоэлектронных модулях; коэффициент ошибок. При необходимости устанавливают места повреждений.

При наличии в ОК металлических проводников производят измерения и испытания в соответствии с ТУ на кабель параметров электрических цепей, в частности измерение электрического сопротивления изоляции металлических элементов и наружной оболочки, испытание (изоляции между жилами, жилами и остальными металлическими элементами, металлической оболочкой и броней, броней и водой и т. п.) на постоянном или переменном токе повышенным напряжением. Измерительную аппаратуру чаще всего размещают в специально приспособленных автомашинах, что позволяет ускорять процесс монтажа и строительства.

В процессе эксплуатации измерения выполняются для определения технического состояния линейных сооружений и аппаратуры, предупреждения и устранения повреждений. Их разделяют на профилактические, контрольные и аварийные.

Профилактические измерения проводятся по утвержденному плану. Состав, объем и периодичность измерений устанавливаются в зависимости от местных условий, состояния кабеля и т. д.

Контрольные измерения и испытания осуществляют после ремонта для определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Аварийные измерения проводятся для определения места и параметра повреждения кабеля. Согласно [6] состав измерений и испытаний для ВОСП на этапах строительства и эксплуатации приведен в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Состав основных измерений и испытаний на этапах строительства и эксплуатации ВОСП

Измеряемый параметр	Этап
	строительства	эксплуатации
Коэффициент затухания	+	–
Затухание:
строительных длин	+	–
оптических сростков	+	–
участка регенерации	+	–
Коэффициент ошибок:
одиночного участка регенерации	+	+
линейного тракта	+	+
Энергетический потенциал	+	–
Чувствительность фотоприемного устройства регенератора	+	+
Уровни оптической мощности:
на выходе линейного регенератора	+	+
на входе линейного регенератора	+	+
Расстояние до места повреждения	+	+
Герметичность	+	+

С внедрением высокоскоростных когерентных ВОСП возникает потребность в измерении параметров, которые в настоящее время не контролируются.

Поскольку характеристики и надежность ВОСП с высокоскоростной модуляцией сильно зависят от спектральных характеристик лазерных диодов, то возникает необходимость контроля качества оптических источников излучения. При этом измеряют ширину спектра, число мод, среднюю длину волны, ширину спектральной линии (для лазеров с распределенной обратной связью и лазеров с внешними резонаторами), длину волны, соответствующую максимуму излучаемой мощности, симметрию, коэффициент подавления боковых мод, стабильность длины волны, так называемый «чирп-эффект» — смещение или размывание спектра при высокоскоростной модуляции. Кроме того, для узкополосных лазеров нужно оценивать эффекты внешних резонаторов и проверять, происходит ли перескок генерации с моды на моду или деление мод. Измеряют импульсные характеристики модулированного сигнала, излучаемого источником: выброс на фронте импульса; время нарастания и спада импульса; коэффициент ослабления; длительность и гладкость импульса. При оценке качества фотоприемников измеряют рабочую полосу частот, чувствительность, уровень шума и темновой ток.

Для когерентных ВОСП наряду с затуханием и дисперсией ОВ важную роль играют поляризационные характеристики волокна. При использовании одномодовых однополяризационных световодов возникает потребность в их измерении. Для пассивных компонентов ВОЛС (ответвителей, аттенюаторов, фильтров, разъемов) приходится контролировать спектральные характеристики и затухание отражения. Последнее имеет большое значение, поскольку РОС лазеры и лазеры Фабри-Перо чувствительны к этому параметру.

Результаты измерений и испытаний, проводимых на этапах строительства и эксплуатации ОК и линейных трактов ВОСП, проверяют на соответствие нормам параметров и характеристик, указанных в ГОСТ и ТУ.

7.9.2. Методы измерения параметров и характеристик элементов линейных сооружений ВОЛС

Методы измерения затухания. Измерение затухания осуществляется на всех стадиях производства оптического кабеля, строительства и эксплуатации ВОЛС. Измеряют коэффициент затухания оптического кабеля, затухание строительных длин, затухание смонтированного участка регенерации, затухание соединений ОВ [2, 8].

В общем виде затухание сигнала между точками 1 и 2 направляющей системы определяют как:

, (7.1)

где а — затухание, дБ; Р₁ — мощность сигнала в точке 1, Вт; P₂ — мощность сигнала в точке 2, Вт, или же, как разность уровней:

, (7.2)

где р₁, р₂ — абсолютные уровни сигнала по мощности в точках 1 и 2 соответственно, дБ.

Существуют различные методы измерений затухания ОВ и ОК [2,7]. Классификация этих методов и соответствующая им терминология не являются однозначными. Ниже приведена классификация, в достаточной мере отражающая суть реальных методов:

• двух точек;
• двух длин («обрывной» метод);
• замещения;
• сравнение с отраженным сигналом;
• обратного рассеяния.

Метод двух точек является по своей сути наиболее простым и заключается в измерениях мощности (Р₀) вводимой в ОВ (кабель), и мощности, излучаемой Р₁ на его выходе. Очевидно, что затухание, дБ, измеряемого объекта:

. (7.3)

Следовательно, коэффициент затухания, дБ/км:

. (7.4)

Точность измерения затухания, даваемая этим методом, зависит от двух факторов: точности показаний прибора, измеряющего мощность (или величину, ей пропорциональную); точности определения доли мощности, вводимой в измеряемое волокно. Первый из этих факторов является очевидным. Остановимся на втором.

Измерение мощности на выходе излучателя не является проблемой, однако эта мощность неадекватна мощности, введенной в измеряемый объект, вследствие потерь на вводе; определение этих потерь с необходимой точностью затруднительно. Поэтому возможны два решения: определение и учет с нужной точностью значения потерь на вводе энергии в волокно в каждом случае измерений; снижение этих потерь до заведомо малого (пренебрежимого) значения. Очевидно, как в первом, так и во втором варианте точность измерений затухания будет ограничиваться точностью учета (или обеспечения малости) значения потерь на вводе. Второе решение является более конструктивным. На рис. 7.10 представлена функциональная схема измерения, соответствующая этому методу.

Рис. 7.10. Схема измерения затухания ОК (или ОВ) методом двух точек:

1 — излучатель; 2 — скремблер; 3 — поглотитель (фильтр) оболочечных мод; 4 — калиброванный отрезок волокна; 5 — калиброванный разъем; 6- калиброванная половина разъема; 7 — измеритель или индикатор мощности; 8 — измеряемый кабель

Источником возбуждения измеряемого кабеля является по существу не излучатель 1, а половина калиброванного разъема на выходе поглотителя оболочечных мод. Таким образом, половина разъема представляет собою излучатель равновесной структуры поля.

Во вторую половину калибровочного разъема закладывается входной торец измеряемого волокна. Диаметр сердцевины калиброванного отрезка волокна 4 и его числовая апертура заведомо меньше таковых измеряемого волокна. Разъем снабжен микроманипулятором, дающим возможность плавно с большой точностью юстировать разъем относительно торца измеряемого волокна так, чтобы мощность (или показания прибора 7, пропорциональные мощности), контролируемая на конце кабеля l, была максимальной.

Определив показание у₁ прибора на конце кабеля, разъем размыкают и измеряют тем же прибором мощность у₀ излучения калиброванным волокном 4 в разъеме 5. Очевидно, что при соблюдении указанных выше условий (для диаметров сердцевины, числовых апертур и оптимальной юстировки) второе измерение, дающее показание у₀, определяет мощность (или пропорциональную ей величину) в начале кабеля. Тогда значение затухания может быть определено по (7.3) (вместо величин P_l и Р₀ могут фигурировать у₀ и у_l)

Обязательным условием снижения до минимума потерь в разъеме 5 является подготовка торца измеряемого волокна. Для этого используются известные приемы: контролируемое (на специальном станке) обламывание волокна, полировка торца волокна и очистка его поверхности от неизбежных жировых пленок в чистом бензине или сероуглероде. Описанный метод измерения удобен в тех случаях, когда оба конца кабеля непосредственно доступны для измерения одному оператору.

Двусторонний доступ возможен, например, при измерениях на заводе или при входном контроле, когда кабель уложен на барабане или ОВ намотано на бобине. Если кабель уложен в траншее, т.е. оба его конца разнесены, то измерение по методу двух точек усложняется, так как его должны проводить два оператора у концов кабеля. При этом необходимо, чтобы измерители мощности, разнесенные по концам кабеля, имели бы идентичные параметры. В подобных случаях более удобными являются методы, обеспечивающие измерение при одностороннем доступе.

Использование метода обрыва для измерения затухания ОВ рекомендуется МЭК (стандарт 793-1-C 1). Метод отличается достаточно высокой точностью. Так, им можно выполнять измерения в пределах до 10 дБ с абсолютной погрешностью не более 0,03 дБ. Основной недостаток метода обрыва — его разрушающий характер. При каждом измерении теряется от 1 до 5 м волокна, так как приходится обрезать концы ОВ.

Метод обрыва основан на сравнении мощностей оптического излучения, измеренных при неизменных условиях ввода на выходе измеряемого образца ОВ длиной l (Р_ВЫХ) и на входе его короткого участка (P_ВХ), образованного за счет обрыва кабеля в начале измеряемого образца (l≈1м). После регистрации мощностей P_ВХ и P_ВЫХ затухание определяется по формуле:

. (7.5)

При необходимости определения коэффициента затухания, дБ/км, его значение рассчитывается по формуле:

. (7.6)

При измерении методом обрыва принципиально важно обеспечить постоянство мощности, вводимой в исследуемое ОВ, и неизменность модового состава излучения. Соответственно необходимо, чтобы в процессе измерений соблюдалось постоянство условий ввода оптического излучения и сохранялось строго неизменным положение волокна в юстировочном устройстве.

При подключении неоконцованного ОВ к приемнику излучения через адаптер может иметь место погрешность, обусловленная плохой обработкой торца волокна и некачественной установкой его в адаптере. В целях ее снижения измерения в каждой точке повторяют многократно, каждый раз обламывая подключаемый через адаптер к приемнику конец ОВ на длине (1...3) см, затем полученные оценки усредняют. При этом оценки, существенно отличающиеся от среднего значения, отбрасывают.

Данный метод наиболее широко применяется при входном контроле оптического кабеля.

Схема измерения затухания сигнала в ОВ методом обрыва представлена на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Структурная схема измерения затухания ОВ методом обрыва

В качестве генератора накачки 1 используется источник модулирующего сигнала. Источником оптического излучения 2 при измерении на фиксированной длине волны может быть ПЛ (полупроводниковый лазер) или СИД (светоизлучающий диод). Излучение источника должно быть стабильно во времени и в пространстве в течение всего периода проведения измерений. Смеситель мод 3 обеспечивает возбуждение измеряемого волокна излучением с модовым составом, соответствующим равновесному распределению мод. При отсутствии СМ уровень оптического сигнала на выходе ОВ в процессе измерения может флюктуировать. Устройство ввода излучения 4 в измеряемое ОВ 5 обеспечивает юстировку входного конца волокна в трех взаимно перпендикулярных плоскостях для обеспечения максимальной вводимой энергии в волокно и жесткой фиксации волокна в процессе измерений. Фильтр мод оболочки 6 обеспечивает вывод мод, распространяющихся по оболочке волокна. Поскольку приемники излучения (фотодиоды) имеют диаметр светочувствительной площадки, намного превышающий диаметр ОВ, равный 125 мкм, то оболочечные моды будут влиять на результаты измерений, если фильтр отсутствует. Адаптер 7 предназначен для подключения неоконцованного ОВ к приемнику излучения. Приемник излучения 8 должен иметь фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего конуса излучения, выходящего из ОВ. Регистрирующее устройство 9 обеспечивает регистрацию электрических сигналов во всем диапазоне уровней, поступающих от приемника излучения.

Метод замещения основан на сравнении измеряемого затухания с затуханием калиброванного переменного ослабителя. В качестве такого ослабителя возможно применение градуированного оптического аттенюатора, который вводится в опорный канал. Мощность излучения на выходе этого канала регулируется аттенюатором до значения, равного мощности на выходе измеряемого канала, содержащего ОВ или ОК. Измеряемое затухание будет равно затуханию аттенюатора.

В другом варианте реализации этого метода вместо оптического аттенюатора используется электрический калиброванный аттенюатор, вносящий затухание в электрический сигнал на выходе опорного канала. Производится сравнение электрических сигналов на выходе этого канала с выходным сигналом измеряемого канала. Показание аттенюатора, при котором имеет место равенство сигналов, соответствует измеряемому затуханию.

Упрощенная схема устройства для измерения затухания методом замещения по модулирующей частоте электрического сигнала приведена на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Структурная схема устройства для измерения затухания методом замещения по модулирующей частоте:

1 — лазер; 2 — скремблер; 3 — фильтр оболочечных мод; 4 — делитель мощности излучения; 5 — стыковочное юстируемое устройство, контролируемое под микроскопом; 6 — измеряемое оптическое волокно; 7 — фотодетекторы (идентичные в опорном и измеряемом каналах); 8— усилители модулирующей частоты; 9 — модулятор импульсных сигналов частоты; 10 — балансный синхронный коммутатор; 11 — осциллографический нуль-индикатор; 12 — калиброванный аттенюатор (на частоте F); 13 — импульсы в измеряемой цепи; 14 — импульсы вопорной цепи

Источник излучения лазер 1 имеет стабилизированное питание и термостатирован. Это обеспечивает строгое постоянство его режима. Излучение после скремблера 2 и фильтра оболочечных мод 3 оптическим делителем 4 разделяется по двум каналам. Измеряемый канал состоит из юстируемого стыковочного устройства 5, в котором измеряемое волокно 6 прецезионно стыкуется с делителем 4, фотодетектора 7 и усилителя модулирующей частоты f. Опорный канал включает в себя также 'фотодетектор 7 и усилитель модулирующей частоты 8, идентичные тем, которые входят в измеряемый канал. Источник модулирующей частоты 9 управляет делителем излучения 4, периодически (импульсно) перекрывая проходящее через него излучение. Таким образом, по каналам (измеряемому и опорному) проходит импульсное излучение. Модуляция света реализуется вращающимся обтюратором, прерывающим оптический пучок, проходящий между двумя линзами. Коэффициент деления мощности излучения устройства 1:10.

Электрические импульсы 13, 14 из обоих каналов поступают синхронно, но в противофазе на балансный синхронный коммутатор 10, на выходе которого включен осциллографический нуль-индикатор 11. Калиброванный электрический аттенюатор 12 на частоте модуляции F вносит в коммутатор 10 затухание в пришедшие по опорному каналу импульсы.

При равенстве вносимого затухания измеряемого объекта на выходе балансного коммутатора среднее значение напряжения, определяемое по нуль-индикатору, будет равно нулю.

Описанное устройство обеспечивает диапазон измерения до 50 дБ при погрешности ±(0,1–0,2) дБ. Реализация этой схемы достаточно сложна (ряд деталей устройства ради упрощения описания опущены). Применение этого метода в условиях эксплуатации не рационально. Его следует рассматривать как разновидность лабораторных методов измерений.

Метод сравнения с отраженным импульсом. Данный метод удобен при одностороннем доступе к измеряемому кабелю, т. е. в том случае, когда в распоряжении оператора производяще го измерения, имеется только один конец волокна или кабеля, а второй его конец недоступен (кабель проложен в земле).

Суть метода заключается в сравнении амплитуд импульсов оптической мощности входного (т. е. введенного в начало кабеля) и отраженного от конца волокна, пришедшего к его началу. Если амплитуды входного и выходного импульсов Р_m0 и Р^’_m0, то с учетом того, что импульсы проходят в целом путь, равный двойной длине измеряемого волокна, получим:

. (7.7)

Корректность такого измерения определяется следующими условиями: полнотой отражения импульса от конца волокна; степенью деформации импульса, которая определяется процессом отражения и влиянием дисперсии; точностью определения (отсчета) амплитудных значений импульсов. При идеальных условиях отражения импульсов от торца волокна коэффициент отражения будет около 0,95 — 0,96, и это значение может быть учтено. Очевидно, для этого необходима качественная обработка отражающего торца. Для того чтобы при отражении импульс не деформировался, необходимо, чтобы плоскость торца была нормальна к оси волокна. Очевидно, реализация этого условия входит в предыдущее.

Влияние дисперсии на деформацию импульса определяется параметрами волокна, формой импульса и его продолжительностью. Правильным выбором формы импульса и его параметров можно уменьшить искажение его формы, что является обязательным условием внесения минимальной ошибки измерений. Точность отсчета амплитуды импульсов определяется характеристиками используемого для этой цели прибора. Наиболее удобным является отсчет значения импульса при одновременном контроле по осциллографу формы импульса.

При измерениях на длинных кабельных участках возможна такая степень деформации отраженного импульса, пришедшего к началу кабельного участка, при которой определение затухания на основании сравнения амплитуд исходного и деформированного импульса будет неправомерным. В этих случаях возможна модификация рассматриваемого метода, существенно устраняющая влияние деформации импульсов. [2]

В основе метода обратного рассеяния лежит явление обратного рэлеевского рассеяния. При реализации этого метода измеряемое волокно зондируют оптическими импульсами, вводимыми в ОВ через оптический направленный ответвитель. Из-за флюктуаций показателя преломления сердцевины вдоль волокна, отражений от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине волокна, возникает обратный поток энергии. Мощность этого потока, измеренная в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно с некоторой задержкой t относительно момента посылки зондирующего импульса, пропорциональна мощности обратного потока энергии в точке кабеля, расположенной на расстоянии от места измерения, где v — групповая скорость распространения оптического импульса. Соответственно, при измерении с конца кабеля зависимости мощности обратного потока энергии от времени определяется распределением мощности обратно рассеянного оптического сигнала вдоль кабеля — характеристика обратного рассеяния волокна.

По этой характеристике можно определить функцию затухания по длине с конца кабеля, фиксировать местоположение и характер неоднородностей. Как правило, регистрируют отдельные реализации характеристики обратного рассеяния, а затем их усредняют во времени и уже усредненные значения выводят на устройство отображения.

Упрощенная структурная схема измерения затухания методом обратного рассеяния приведена на рис. 7.13.

Рис.7.13. Структурная схема измерения затухания ОВ методом обратного рассеяния

Зондирующие импульсы поступают от источника излучения 2 через направленный ответвитель 3 в оптическое волокно 4. Поток обратного рассеяния регистрируется в чувствительном фотоприемном устройстве 5 и преобразуется в электрический сигнал, который после специальной обработки в блоке б подается на вход устройства отображения 7. При использовании в качестве устройства отображения электронного осциллографа этот сигнал вызывает соответствующее отклонение луча по оси У на экране. Вертикальная ось экрана градуируется в децибелах по мощности (дБм). Отклонение луча по горизонтальной оси Х происходит под действием пилообразного напряжения генератора развертки осциллографа. Вследствие этого положение луча по оси Х изменяется в зависимости от времени запаздывания сигнала t. Зная групповое время запаздывания оптического сигнала в сердцевине ОВ, можно осуществить градуировку горизонтальной оси в единицах длины для измеряемого типа ОВ. Блок управления 1 обеспечивает согласованную работу лазера и электронного осциллографа. В результате генератор развертки, запускаемый тем же импульсом, что и леер, создает возможность наблюдения потока обратного рассеяния или полностью, или по частям. Блок управления осуществляет регистрацию и занесение в память реализации временных характеристик мощности обратного рассеяния и их усреднения. Рефлектограмма на экране осциллографа строится по усредненной временной характеристике. Кроме того, указанный блок управляет работой рефлектометра по заданной программе, обрабатывает данные, а также выполняет ряд сервисных функций. Как правило, типичный комплект оптического рефлектометра включает базовый блок и набор сменных блоков, каждый из которых работает на определенных длинах волн (0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм) и имеет свои характеристики.

К основным недостаткам рефлектометров следует отнести относительно небольшой динамический диапазон, что обусловлено малой мощностью излучений обратного рассеяния. Кроме того, рефлектометры являются весьма сложными и дорогостоящими приборами.

Рассмотрим принцип измерения коэффициента затухания ОВ по характеристикам обратного рассеяния. Согласно рис. 7.14 на линейном монотонном участке характеристики волокна выделяют две точки, в которых измеряют уровни мощности обратного потока энергии p₁ и р₂. Расстояния от начала линии до этих точек l₁ и l₂. Коэффициент затухания определяется по формуле:

. (7.8)

Принцип измерения собственного затухания определенной длины ОВ на участке между интересующими точками оптической линии тот же, что и для измерения коэффициента затухания. Но значение собственного затухания определяется из выражения:

. (7.9)

В режиме измерения затухания все операции, за исключением операции размещения двух маркеров, производятся автоматически и значение затухания оптической линии на участке между маркерами выводится на отображающее устройство.

Рис. 7.14. Размещение маркеров при измерении коэффициента затухания ОВ методом обратного рассеяния

Изменение модового состава оптического излучения и отражения в месте соединения приводят к искажениям рефлектограммы в некоторой зоне вблизи места соединения. Протяженность этой зоны достаточно велика (100...200 м), поэтому оценки затухания стыка, полученные непосредственно как разность результатов измерения обратно рассеянной мощности до и после стыка, имеют большую погрешность, которая может достигать 100% и более.

Участки характеристики обратного рассеяния ОВ в строительных длинах до и после стыка аппроксимируются известной зависимостью, например линейной зависимостью, полиномами и т. п. Затем путем экстраполяции в первом случае вперед, а во втором случае назад, оценивают уровни мощности обратного потока энергии в ОВ в конце первой (р₁) и начале второй (р₂) сращиваемых строительных длин, т. е. в месте стыка. Затухание на стыке оценивают как разность:

, (7.10)

Как правило, рефлектометром автоматически измеряется затухание соединения ОВ. Наибольшее применение нашел способ пяти точек, реализованный в рефлектометрах стран СНГ, а также в рефлектометрах фирм Anritsu, Laser Precision и ряде других. Согласно этому способу оператор в режиме «Измерение затухания на стыках ОВ» расставляет пять маркеров (рис. 7.15): два (1, 2) — на монотонно падающем участке характеристики одной строительной длины, два маркера (4, 5) — на монотонно падающем участке другой строительной длины и один маркер (3) в месте стыка. Важно, чтобы маркеры 1, 2 и 4, 5 не были установлены на выбросах и провалах характеристики. В режиме линейной аппроксимации через точки 1, 2 и 4, 5 как бы проводятся прямые линии. Расстояние по оси ординат между этими прямыми в точке установки маркера 3 пропорционально искомому значению потерь в месте стыка. В режиме аппроксимации полиномами участки между точками 1, 2 и 4, 5 автоматически разбиваются на одинаковые интервалы. На границах этих интервалов автоматически измеряются уровни мощности, по которым и производится аппроксимация кривых тем или иным полиномом. Весь процесс измерения после расстановки маркеров — автоматический, результат измерения выводится на устройство отображения.

Задача измерителя — правильно расставить маркеры. Известен двухмаркерный способ (рефлектометр ОР-310), при котором измеритель по обе стороны от стыка на монотонных участках характеристики расставляет два маркера так, чтобы место стыка находилось между ними на одинаковом расстоянии. Программа, управляющая процессом измерения, предусматривает автоматическое разбиение участка между маркерами на равные интервалы, выполнение операций измерения уровней мощности, аппроксимации, экстраполяции и расчета затухания в месте соединения ОВ.

Принцип измерения расстояния до неоднородности заключается в следующем. Расстояние до некоторой точки оптической линии, как отмечалось выше, определяется по результатам измерения интервала времени между моментом посылки зондирующего импульса и регистрацией импульса обратнорассеянной мощности. Реализация указанных измерений с помощью рефлектометра осуществляется путем выбора режима измерений и установки маркера в соответствующей точке рефлектограммы. При этом на устройство отображения выводится результат измерения расстояния.

Измерение коэффициента ошибок. Коэффициент ошибок — важнейшая характеристика линейного тракта. Он измеряется как для отдельных участков регенерации, так и для тракта в целом. Определяется коэффициент ошибок k_ОШ по формуле [2]:

, (7.11)

где N — общее число символов, переданных за интервал измерения; N_ОШ — число ошибочно принятых символов за интервал измерения.

Измерение коэффициента ошибок носит статистический характер, так как получаемый за конечное время результат является случайной величиной. Относительную погрешность измерения в случае нормального закона распределения числа ошибок, что допустимо при N≥10, можно определить по формуле:

. (7.12)

Здесь — коэффициент, зависящий от доверительной вероятности результата измерений:

, (7.13)

где Ф*(х) — обратная функция интеграла вероятностей Ф(х):

. (7.14)

Значение k_ОШ позволяет оценивать вероятность ошибки p_ОШ — количественную оценку помехоустойчивости. Область возможных значений оценки, в которой с заданной доверительной вероятностью будет находиться значение p_ОШ, определяется верхней (p_В) и нижней (p_Н) доверительными границами. При нормальном законе распределения числа ошибок значения p_В и p_Н определяют но формулам:

, (7.15)

. (7.16)

Очевидно, что точность оценок вероятности ошибки и коэффициента ошибки растет с увеличением N. Общее число символов цифрового сигнала, переданных за интервал измерения Т, зависит от скорости передачи В:N=TB. Отсюда следует, что чем больше скорость передачи, тем быстрее и точнее можно оценить коэффициент ошибок.

Достоверное измерение значения k_ОШ может быть получено только в том случае, если определяются и фиксируются все без исключения ошибки. Это достигается путем посимвольного сравнения принимаемой и исходной последовательностей кодовых комбинаций. Такой способ выделения ошибок используется при организации измерений «по шлейфу». В этом случае коэффициент ошибок тракта измеряют с одной оконечной станции, а на противоположном конце тракта устанавливают шлейф.

Другой метод выделения ошибок основан на свойствах, используемых для передачи в линии кодов, которые за счет избыточности позволяют обнаруживать ошибку. В этом случае коэффициент ошибок может быть измерен «по направлению», когда выделение и фиксацию числа ошибок производят на приемном конце тракта (участка регенерации).

Для измерения коэффициента ошибок разработаны специальные приборы — измерители коэффициента ошибок (ИКО), включающие генераторы псевдослучайных или регулярных последовательностей символов в коде как линии, так и стыка, а также приемное оборудование, осуществляющее собственно измерение коэффициента ошибок. Измерение коэффициента ошибок «по шлейфу» требует одного комплекта, а измерение коэффициента ошибок «по направлению» — двух идентичных комплектов приборов. В первом случае на одном оконечном пункте размещают комплект ИКО, а на противоположном оконечном пункте устанавливают шлейф. Измеренное значение коэффициента ошибок оценивает качество при прохождении цифрового сигнала в обоих направлениях. Во втором случае по одному комплекту ИКО размещают на противоположных концах линейного тракта или регенерационного участка. Оценка коэффициента ошибки производится для каждого направления отдельно.

Измерение энергетического потенциала и чувствительности приемного оптического модуля. Энергетический потенциал — это разность между уровнем оптического сигнала на выходе передающего и чувствительностью приемного оптических модулей. Чувствительность приемного оптического модуля (ПрОМ) — это минимальный уровень оптического сигнала на входе ПрОМ, при котором обеспечивается требуемый коэффициент ошибок.

Величину энергетического потенциала можно определить как разность между измеренными уровнями средней мощности цифрового оптического сигнала на выходе ПОМ и входе ПрОМ, соединенных оптической линией связи, при таком максимальном значении вносимого затухания, при котором обеспечивается максимально допустимое значение коэффициента ошибок. Соответственно для измерения энергетического потенциала необходимо иметь линию с регулируемым затуханием. В качестве такой линии обычно используют оптический аттенюатор. При проведении измерений он контролирует коэффициент ошибок. Аттенюатор может быть включен между ПОМ и ПрОМ одного пункта. Если при этом используется калиброванный аттенюатор, то нет необходимости измерять указанные мощности на выходе передающего и входе приемного модулей, так как энергетический потенциал в данном случае будет равен затуханию, вносимому аттенюатором. Аттенюатор может быть включен между станционным и линейным кабелем. Энергетический потенциал при этом измеряется по направлению от одного пункта к другому.

Аналогично измеряют чувствительность ПрОМ. С помощью оптического аттенюатора на входе ПрОМ устанавливают такой минимальный уровень мощности, при котором коэффициент ошибок равен требуемому. После этого измеряют этот уровень мощности и находят чувствительность ПрОМ.

Измерение уровней оптической мощности. Измерение уровней оптической мощности в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС производится достаточно часто. Под абсолютным уровнем мощности понимают величину:

, (7.17)

где Р — мощность измеряемого оптического излучения в заданной точке, мВт; Р_Н— мощность нормального генератора, равная 1 мВт.

Для измерения уровня оптической мощности используют ваттметры поглощаемой оптической мощности. В них оптическое излучение с помощью первичного преобразователя преобразуется в электрический сигнал, по уровню которого и оценивают искомую величину. При измерениях мощности важно обеспечивать попадание всего поперечного сечения измеряемого потока оптического излучения на рабочую площадку фотоприемника.

7.9.3. Измерения на ВОЛИ во время аварий

Во время строительства и эксплуатации ВОЛС кабели могут повреждаться по следующим основным причинам:

• механические повреждения при земляных работах;
• дефекты производства, строительства и эксплуатации;
• воздействие грызунов;
• воздействие атмосферного электричества (для ОК с металлическими элементами);
• воздействие смещений грунта (обвалы, пучения, вибрация и т. д.);
• воздействие при стихийных бедствиях (наводнения и пр.);
• воздействие коррозии;
• умышленные повреждения и т. д.

К особенностям оптических линий связи следует отнести сильное влияние на повреждаемость таких факторов, как усталостное разрушение, коррозия ОВ.

Характерные повреждения ОК — нарушение целостности ОВ, шланговых покрытий кабеля, повреждения изоляции цепей ДП.

Измерение расстояния до места повреждения ОВ. Специфичными для ВОЛС являются повреждения ОВ. Повреждением волокна считается любая неоднородность, приводящая к ухудшению свойств кабеля, в частности увеличению затухания. Наиболее широко для измерения расстояния до места повреждения ОВ используются оптические рефлектометры, реализующие метод обратного рассеяния.

Недостаток данного метода — низкий уровень потока обратного рассеяния, что ограничивает его возможности при определении мест повреждений на линиях большой протяженности. С этой точки зрения предпочтительнее использовать импульсный локационный метод, который также основан на посылке в испытуемое ОВ зондирующих оптических импульсов. Однако в отличие от метода обратного рассеяния импульсный метод предусматривает регистрацию только отраженных импульсов, что позволяет при использовании специальных схем выделения и регистрации отраженных импульсов повышать чувствительность и разрешающую способность средств измерений.

Измеряя задержку отраженного сигнала относительно зондирующего, определяют расстояние до места неоднородности:

, (7.18)

где t_З — время задержки отраженного импульса относительно зондирующего; t_У — расширение отраженного импульса за счет дисперсии; с — скорость света; п₁ — показатель преломления сердцевины ОВ.

К достоинствам данного метода следует отнести то, что он реализуется достаточно простыми средствами измерений.

Точность определения места повреждения рассмотренными выше методами зависит от величины неоднородности, создаваемой повреждением, которая в свою очередь зависит от характера излома волокна, угла поверхности излома и т. п. Мощность отраженного сигнала зависит от угла скола волокон. В случае воздействия на волокно только растягивающей силы возникает плоская поверхность излома. Если же волокно разрушается от удара, то поверхность не является плоской. Это надо учитывать при проведении измерений.

Помимо методов, рассмотренных выше, для определения поврежденных участков ВОЛС используются методы, основанные на корреляции ошибок по битам, а также хорошо известные методы контроля, основанные на передаче контрольных частот, когда дискретный сигнал поступает на каждый усилитель в полосе, не исполыуемой для передачи информации [2].

Определение места повреждения ОВ. Анализ способов поиска мест повреждения ОВ на трассе прокладки ОК показывает, что их можно разделить на три группы [9]. К первой следует отнести способы, основанные на измерении расстояния до места повреждения и последующем отсчете этого расстояния вдоль кабеля на трассе прокладки (рис 7.16).

Рис.7.16. Определение места повреждения ОВ кабеля путем измерения и последующего отсчета вдоль трассы расстояния до места повреждения: 1-оптический рефлектометр; 2-оптическое волокно ОК

Способ первой группы по определению повреждения ОВ реализуется следующим образом. Измерения проводятся с помощью рефлектометра. Это обычно проходит в две стадии: сначала проводят приблизительную локализацию места повреждения, и затем более точно указывается место повреждения.

При приблизительной локализации рефлектометр настраивается на показ всей длины кабеля. Длительность импульса обычно составляет 4 нс. Если волокно разорвано, то кривая будет показывать соответствующее отражение в волокне, и если наблюдается большое возрастание затухания в точке повреждения волокна, то на графике кривой будет острый пик. Такие точки должны быть затем расширены для получения показаний прибора с большим разрешением. Таким образом находится приблизительное место повреждения кабеля. Если волокно разорвано, то место разрыва находится между двумя точками соединения.

Для более точного определения места повреждения кабеля в точке С (рис. 7. ]7) используется настолько короткий импульс насколько это возможно и график на дисплее должен быть максимально расширен вокруг ожидаемого места повреждения кабеля. После усреднения определяется место повреждения кабеля. Зная точки повреждения кабеля, полученные при измерении, можно выбрать относительную точку повреждения ОВ.

Расстояние до известной точки определяется с помощью результатов измерений и рефлектограммы, с привязками по трассе, полученными при сдаче ВОЛС в эксплуатацию. Индекс преломления прибора должен быть отрегулирован таким образом, чтобы расстояние, показываемое прибором, совпадало с истиной длиной кабеля. Точка повреждения измеряется с помощью отрегулированного значения показателя преломления.

Измерение проводится со стороны А и со стороны В. Определив расстояние до места повреждения со стороны A(l_А-С1) и расстояние до места повреждения со стороны В(l_В-С2) можно определить относительную точку повреждения ОВ. Для этого необходимо суммировать длину участка А-С₁ с расстоянием от точки С₁ до относительной точки повреждения, которое определяется выражением вида:

. (7.19)

Рис.7.17. Определение места повреждения кабеля способом первой групы

Рис.7.18. Определение места повреждения ОВ кабеля при внешнем локальном воздействии на волокно: 1-оптический рефлектометр; 2-оптическое волокно ОК; 3-устройство внешнего воздействия

В основе способов второй группы лежит измерение характеристики обратного рассеяния поврежденного ОВ при внешнем локальном воздействии на ОК, которое перемещают вдоль трассы прокладки кабеля, изменяя затухание волокна в точке воздействия (рис. 7.18).

К третьей группе можно отнести способы определения места повреждения ОВ комбинированных ОК с металлическими элементами, основанные на сопоставлении характеристики обратного рассеяния поврежденного волокна и рефлектограммы токопроводящей цепи ОК при внешнем локальном электромагнитном воздействии на токопроводящую цепь, которое перемещают вдоль кабеля (рис. 7.19).

Рис. 7.19. Определение места повреждения ОВ кабеля с металлическими элементами:

а — с внешним каналом для синхронизации; б — с использованием для синхронизации токопроводящей цепи кабеля связи; в — на базе универсального прибора (УП), совмещающего функции ОР и измерителя неоднородностейтокопроводящих цепей:

1 — источник электромагнитного излучения; 2 — оптическое волокно ОК; 3 — оптический рефлектометр; 4 — рефлектометр для металлических цепей; 5 — универсальный рефлектометр

Погрешность способов первой группы обусловлена главным образом погрешностью отсчета расстояния вдоль трассы прокладки кабеля. Эта погрешность достаточно велика из-за случайных изменений глубины и направления прокладки кабеля вдоль трассы линии связи, неточности определения трассы прокладки кабеля, погрешностей средств измерений, применяемых для отсчета расстояния вдоль кабеля, и наконец, из-за значительных величин длин регенерационных участков ВОЛС (10...100 км и более) и строительных длин ОК (2...4 км). В случае, когда на ОК допустим монтаж относительно короткой вставки, может потребоваться уточнение места повреждения ОВ с поверхности земли на трассе прокладки кабеля. Это можно выполнить способами второй и третьей групп.

Способы второй группы реализуются следующим образом. Источник внешнего направленного воздействия на ОК, создающий в точке воздействия локальную неоднородность (увеличение затухания) ОВ, перемещают вдоль трассы прокладки кабеля. Изменение характеристики обратного рассеяния волокна наблюдают с помощью оптического рефлектометра, подключенного к поврежденному волокну. Место повреждения определяют как место расположения источника направленного воздействия, для которого неоднородность, обусловленная внешним воздействием, и неоднородность, обусловленная повреждением ОВ, совпадут на регистрируемой характеристике обратного рассеяния.

При поиске места повреждения в комбинированных ОК направленное электромагнитное воздействие перемещают вдоль трассы, регистрируя рефлектограмму токопроводящей цепи кабеля, как правило, цепи «металлический элемент — земля». Сопоставляя характеристику обратного рассеяния ОВ и рефлектограмму токопроводящей цепи, находят на рефлектограмме точку повреждения ОВ. Место повреждения определяют как место размещения внешнего электромагнитного воздействия, для которого в этой точке рефлектограммы будет зарегистрирован наведенный источником внешнего воздействия импульс.

Основные проблемы реализации способов этой группы связаны с необходимостью синхронизации рефлектометра и источника внешнего воздействия, а также с обеспечением достаточных уровней наводимых сигналов при малых габаритных размерах устройства внешнего воздействия.

Как правило, делать короткие вставки (менее 0,5 ... 1 км) на ВОЛС не рекомендуется. Поэтому точность определения места повреждения волокон, обеспечиваемая способами первой группы, обычно является достаточной и необходимость в уточнении мест повреждения с поверхности земли на трассе возникает редко [2].

Определение мест повреждений жил дистанционного питания ОК. К повреждениям токопроводящих цепей ОК относятся обрыв металлических элементов (если требуется сохранять их электрическую непрерывность) и повреждение изоляции между металлическими элементами, металлическими элементами и землей. Методика нахождения мест повреждений такого характера и рекомендуемые в этом случае приборы те же, что и для электрических кабелей связи. Так, для определения мест обрыва металлических элементов может быть рекомендован импульсный метод, позволяющий измерять расстояние до места обрыва, и индукционный метод для поиска места повреждения на трассе. Для реализации этих методов требуются измеритель неоднородностей и кабелеискатель в комплекте с генератором испытательных сигналов.

Методов определения повреждения изоляции металлических элементов (понижение сопротивления изоляции и электрической прочности изоляции) достаточно много, и они хорошо известны. Выбор того или иного способа зависит от характера и условий повреждения. Основными средствами измерений, используемыми в данном случае, являются мосты постоянного тока, высоковольтные мосты, искатели мест понижения изоляции, источники высокого напряжения и др.

Определение мест повреждения защитного шланга ОК. Повреждение наружных изолирующих покровов ОК ведет к проникновению влаги в кабель и соответственно к увеличению интенсивности коррозионных процессов ОВ и преждевременному их старению. Методика поиска мест повреждения шланга (полимерной оболочки) и приборы те же, что и для электрических кабелей связи. Расстояние до места повреждения определяется с помощью моста постоянного тока. Поиск места понижения сопротивления изоляции наружных покровов ОК может производиться методом градиента потенциалов приборами — искателями мест понижения изоляции (ИМПИ). При высоких переходных сопротивлениях (до 1...5 МОм) предварительно можно осуществить дожег изоляции с помощью высоковольтного источника напряжения. Способы контроля за исправностью защитного шланга кабелей, а так же методы определения района и мест его повреждения приведены в [10].

Способы определения трассы прокладки ОК. Точность нахождения места повреждения ОК во многом зависит от точности определения трассы прокладки ОК. Для ОК с металлическими элементами способы определения трассы те же, что и для обычных электрических кабелей связи (с помощью кабелеискателей) [10]. Для ОК без металлических элементов эти способы не подходят. На сегодняшний день для таких кабелей рекомендуются способы, основанные на применении:

• системы электронных маркеров, при которой специальные малогабаритные пассивные маркеры периодически располагаются вдоль трассы в земле в непосредственной близости от кабеля и обнаруживаются с помощью специальных трассопоисковых приборов;
• металлических маркеров-проводов, которые периодически располагаются в оболочке кабеля и выводятся в специальную выводную колонку (КИП);
• ярко окрашенной электропроводящей предупредительной ленты, прокладываемой в грунт непосредственно над кабелем на расстоянии 152...305 мм;
• специального маркировочного кабеля, например, состоящего из двух пар медных проводников диаметром 0,9 мм; кабель прокладывается кабелеукладчиком совместно с ОК, через определенные расстояния выводится на поверхность и оконцовывается в специальной муфте, которая крепится к опоре или стойке.

Как правило, на наружной поверхности оболочек маркировочных лент, кабелей имеется маркировка длины (например, с интервалом 0,3 м), а иногда и предупредительные надписи. Кроме того, на защитном шланге ОК имеется маркировка длины с интервалом в 1м.

Наиболее известная электронная система маркировки и поиска подъемных сооружений—система Scotch-mark фирмы 3M (США). Система предусматривает четыре типа маркеров. Специальный сигнал, посылаемый источником направленного излучения, отражается маркером и регистрируется приемником. Аналогичная система имеется и в России. Стоимость системы достаточно высока, причем при частом расположении маркеров она возрастает. При редком расположении маркеров система не позволяет определять трассу на участках между маркерами. Достоинство системы — простота поиска трассы. Кроме того, она не создает опасности повреждения ОК от внешних электромагнитных воздействий, стационарные сооружения-маркеры не могут быть разрушены с поверхности трассы. Эта система является наиболее перспективной.

Способ размещения маркировочных проводов в оболочке ОК хотя и удобен в эксплуатации и позволяет очень точно определять трассу, но не нашел широкого применения, поскольку очень дорог. Маркеры-провода являются потенциальными источниками повреждения ОК (например, грозовыми разрядами).

Способ прокладки электропроводящей предупредительной ленты над кабелем также достаточно дорог. Кроме того, как показал опыт эксплуатации подобных систем, рабочие, выполняющие земляные работы, нередко принимают маркерную ленту за кабель, что может привести к повреждению ОК.

Способ прокладки маркировочного кабеля совместно с ОК так же дорог и требует оборудования для крепления специальных муфт. Однако он обеспечивает возможность организации служебной связи и точность определения трассы на всей длине ОК достаточно высока.

Учитывая проблемы трассировки ОК, особое внимание следует уделять документации на трассу прокладки кабеля, точности привязок к местности, характеристике обратного рассеяния, рефлектограммам токопроводящих цепей.