Моделирование процесса измерения основных параметров
волоконно-оптических трасс по рефлектометрическим данным
1. Цель работы
Целью работы является моделирование процесса измерения основных параметров волоконно-оптических
трасс по рефлектометрическим данным.
2. Краткие теоретические сведения
В настоящее время все большее количество измерений в
ВОЛС делается с помощью рефлектометра. В силу этого приобретает актуальность
проблема правильной обработки результатов рефлектометрических измерений
(рефлектограмм). Суть рефлектометрического метода состоит в том, что в
исследуемое волокно запускается короткий световой импульс. При прохождении
через волокно свет рассеивается во всех направлениях, в том числе и в обратном.
В силу того, что свет распространяется с конечной скоростью, на тот конец
световода, откуда был введен импульс, свет, рассеянный из разных мест волокна,
приходит в разное время. Уровень пришедшего (рассеянного) сигнала измеряется
через определенные равные промежутки времени. Оптическая длина световода до того
места, откуда был рассеян сигнал, зарегистрированный в момент времени t (время
измеряется от момента ввода импульса в волокно), определяется по формуле:
(1)
где с –
скорость света, n – коэффициент преломления материала световода.
Уровень рассеянного сигнала принято выражать в
децибелах (дБ):
(2)
где D – уровень сигнала в децибелах, P – мощность
принятого сигнала,
P0 –
мощность исходного импульса.
Надо отметить, что обычно интересуются не абсолютным
уровнем сигнала, а относительным, поэтому к значению, полученному по формуле
(2) прибавляют константу, подобранную таким образом, чтобы все значения уровня
на исследуемом отрезке были больше нуля, а минимальное значение было равно
нулю. Удобство подобного представления состоит в том, что при распространении
света в однородной среде, затухание импульса происходит по экспоненциальному
закону, поэтому после логарифмирования получается прямая пропорциональность, то
есть график имеет вид прямой линии. Если среда, в которой распространяется
импульс, в данном случае оптическое волокно, содержит неоднородности, то на
рефлектограмме появятся изломы и всплески. Типичный вид рефлектограммы для
световода, представлен на рис.1.
Таким образом, рефлектограмма – есть уровень сигнала
обратного рассеяния по длине волокна, выраженный в децибелах. Она несет в себе
большое количество информации как о локальных, так и об интегральных параметрах
световода. Большое значение имеет правильная обработка рефлектограмм. Вот
основные задачи, которые решаются при обработке рефлектограмм:
1. Нахождение
оптической длины волокна;
2. Нахождение
полного затухания и километрического затухания (затухание на единицу длины) на
различных участках в волокне;
3. Нахождение
неоднородностей и измерение их параметров.
Для решения первой задачи необходимо правильно
установить коэффициент преломления для световода и определить где находится его
конец. Если измерение сделано корректно, то конец волокна легко находится: это
обычно довольно большой всплеск или впадина на рефлектограмме, за которой
следует участок с шумом довольно большого уровня (рис.1). Однако, если волокно
слишком длинное, то измерительный импульс не будет проходить его целиком. В
этом случае мы увидим, что рефлектограмма становится пологой и к концу
становится сильно зашумленной - «сигнал тонет в шуме». В этом случае надо
провести переизмерение данного волокна.
Линейный участок Шум Курсор Неоднородность Конец волокна Конец мертвой зоны
Рис.1. Пример рефлектограммы
Для решения второй и третьей задач применяются
маркеры. Маркерами помечаются отдельные точки рефлектограмм и каждый маркер в
отдельности не несет большого смысла. Гораздо большее значение имеют участки
рефлектограммы между маркерами. После того, как мы поставим два маркера, маркер
1 и маркер 2 (рис.2), мы определяем оптическую длину волокна L между
ними, затухание D – разность значений уровня сигнала и километрическое
затухание – затухание, поделенное на расстояние между маркерами D/L.
Перейдем теперь к рассмотрению неоднородностей. Как
было сказано выше, если неоднородности в волокне отсутствуют, то рефлектограмма
будет представлять из себя прямую с некоторым наклоном. Наличие неоднородностей
приводит к появлению на этой прямой ступенек и всплесков. Ступеньки говорит о
наличии неоднородности, на которой происходит поглощение мощности светового
импульса[1]. Обычно такие неоднородности
наблюдаются в местах сварки оптических волокон. Отражения света на такой
неоднородности не происходит, поэтому неоднородности такого типа называются не
отражающими неоднородностями. Всплеск вверх говорит о наличии отражения в
данном месте оптической трассы, поэтому неоднородности такого типа называются
отражающими неоднородностями. Отражение возникает обычно при соединении оптических
волокон через оптические разъемы. На отражающей неоднородности также происходит
потеря мощности светового импульса. Поиск неоднородностей заключается в поиске
всех ступеней и всплесков на графике рефлектограммы.
Рефлектограмма без неоднородностей Рефлектограмма с неоднородностями
После того, как неоднородности найдены, необходимо
измерить их параметры – потери и отражение, если неоднородность отражающая. Для
измерения потерь на неоднородности обычно применяется 4х-маркерный
метод (рис.3). Маркер 2 ставится непосредственно перед неоднородностью, маркер
1 – перед маркером 2, но после
предыдущей неоднородности. Маркер Y
ставится сразу после неоднородности, а маркер 3 – после маркера Y как можно дальше на линейном участке. Для нахождения
потерь проводится аппроксимирующая прямая между маркерами 1 и 2 и вычисляется
ее значение в точке маркера 2, назовем его К1.
Далее проводится аппроксимирующая прямая между маркерами Y1 и 3, которая экстраполируется в точку, где стоит
маркер 2 и вычисляется ее значение в этой точке, назовем его К2. После этого потери на неоднородности
в децибелах выражаются по формуле:
К = К1-К2 (3)
Здесь большую роль играет метод проведения
аппроксимирующих прямых. Применяется два метода – двухточечный (ДТМ или,
по-английски TPA – Two Point
Approximation) и аппроксимация по методу наименьших квадратов (АПР
– аппроксимация, или, по-английски LSA – Least Square Approximation). Двухточечный метод
сильно чувствителен к шуму, то есть при наличии шума небольшое изменение
положения любого маркера, кроме маркера 1, существенно меняет результат. При
аппроксимации по методу наименьших квадратов можно менять положения маркеров в
довольно широких пределах, не изменяя существенно результата, но наличие шума
может привести к тому, что проведенная прямая будет иметь наклон сильно
отличный от реального. При необходимости нужно изменить используемый метод
аппроксимации.
Для нахождения отражения находим максимум между
маркерами 2 и Y, вычисляем разность значений в
максимуме и точке маркера 2, назовем эту разность P, после чего отражение в децибелах вычисляется по
формуле:
(4)
где D – ширина импульса, использованного при измерении в
микросекундах, а В – уровень
рассеяния при ширине импульса 1мкс, равный 50 на длине волны 1.31мкм и 52 на
длине волны 1.55мкм. Как видим, для нахождения отражения нет необходимости
расставлять все маркеры, достаточно знать только высоту пика, поэтому, если
необходимо измерить только отражение, то можно просто поставить маркер 1
непосредственно перед началом всплеска, а маркер 2 на пик, после чего вычислить
отражение по формуле (4). При нахождении отражения следует иметь в виду, что
если пик острый, то отражение будет найдено правильно. Если же пик срезан, то
скорее всего это означает, что отражение от неоднородности настолько большое,
что фотоприемник рефлектометра пришел в насыщение, в этом случае найденное
значение отражения будет заниженным.
Для промышленного использования в производстве кабеля
обычно используются волокна длиной не менее 4км, без отражающих неоднородностей
и с максимальными потерями на точечной неоднородности не более 0.2дБ.
3. Средства для выполнения
лабораторной работы
Для выполнения данной лабораторной работы необходим IBM совместимый персональный компьютер с процессором Intel P-233 или
выше под управлением операционной системы Microsoft Windows с установленным на нем программным
обеспечением АРМ 2.0 light и
примерами рефлектограмм реальных оптических трасс.
4. Порядок выполнения работы
1. Запустить программу WorkPlaceLab («Измеритель параметров оптического кабеля»).
2. Открыть указанный преподавателем файл
рефлектограммы.
3. С помощью окна определить длину волны, на которой было
сделано измерение, а также ширину зондирующего импульса.
4. Измерить протяженность мертвой зоны. Для этого находим
начало линейного участка рефлектограммы и помещаем в это место курсор. После
установки курсора на панели параметров высвечивается оптическая длина трассы до
него.
5. Найти на рефлектограмме неоднородности. Для лучшего
просмотра отдельных частей трассы использовать увеличенный просмотр.
6. Измерить параметры всех обнаруженных неоднородностей,
установив для каждой из них соответствующим образом маркеры. Параметры
измерений контролируем на панели параметров. Отражение, где необходимо,
вычислить по формуле (4). При необходимости изменить способ аппроксимации с
помощью щелчка мыши на соответствующем параметре на панели параметров.
Результаты измерений заносим в таблицу:
|
№ |
Тип неоднородности |
Расстояние,
м |
Потери, дБ |
Отражение, дБ |
|
|
|
|
|
|
7. Измерить оптическую длину волокна путем установки
курсора в соответствующую точку.
5. Выполнение
Рис. 4. Пример «хорошей» рефлектограммы.
По рефлектограмме
определяются следующие характеристики:
длина волны - 1,31мкм;
ширина импульса - 100нс.
протяжённость мёртвой зоны – 0,136км.
оптическая длина волокна – 5,763км.
Вывод: неоднородностей на
рис. 4 нет, следовательно, волокно подходит для промышленного использования, т.к.
выполняются условия - длина не менее 4км, без отражающих неоднородностей и с
максимальными потерями на точечной неоднородности не более 0,2дБ.
II.
Загружен файл Bad\004.tra
Рис. 5. Пример
«плохой» рефлектограммы.
По рефлектограмме
определяются следующие характеристики:
длина волны – 1,55 мкм;
ширина импульса - 100 нс.
протяжённость мёртвой зоны – 0,240 км.
оптическая длина волокна – 1,019 км.
|
№ |
Тип неоднородности |
Расстояние, км |
Потери, дБ |
Отражение, дБ |
|
1 |
отражающая |
1,019 |
47,386 |
|
Расчет величины отражения
(R):
P= дБ
B=52 (для λ=1,55 мкм)
D=100 нс
R = B – 10*lg{(100,2 * P - 1) * D} = дБ.
Вывод: для промышленного
использования в производстве кабеля обычно используются волокна длиной не менее
