Основы оптической рефлектометрии

Наиболее универсальным и информативным методом измерений параметров ВС, ОК и ВТ является метод обратного рассеяния (МОР). Приборы, основанные на МОР, называются оптическими рефлектометрами (ОР). Впервые идею использования обратного рэлеевского рассеяния в кварцевых ВС при их зондировании короткими оптическими импульсами для исследования ВС предложили американские ученые Барноски и Персоник [8, 9]. Для импульсных ОР в зарубежной литературе принята аббревиатура OTDR (Optical Time Domain Reflectometer - оптический рефлектометр во временной области).

Рис. 5.1. 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

Упрощенная схема ОР представлена на рис. 5.1. Короткий оптический импульс мощного лазера через одно плечо направленного ответвителя (НО) поступает в исследуемый ВС. Обратно на вход ОР приходят оптические импульсы, отраженные от локальных неоднородностей исследуемого ВС. Их называют френелевскими отражениями. Через НО они поступают на вход ФПУ. В НО происходят потери при вводе излучения от ИИ в ВТ и при выводе излучения из ВТ на ФПУ. Коэффициент оптических потерь K _оп обычно меньше 0.25. Если в ВС вводится мощность P ₀, коэффициент отражения от неоднородности равен R, то мощность отраженного импульса P_r приходящего на вход ОР с учетом коэффициента затухания ВС a и расстояния до неоднородности l составляет

(5.1)

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 n ₁ сердцевины ВС и расстоянием l до неоднородности

(5.2)

Проходящий по ВС зондирующий импульс рассеивается в любом сечении ВС, а рассеянное излучение распространяется равномерно во все стороны. Это рассеяние называют рэлеевским и его невозможно устранить технологическими приемами при изготовлении ВС. 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 ВС оптический импульс длительностью t _и одновременно вызывает рассеяние с участка ВС протяженностью

(5.3)

где с - скорость света в вакууме.

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

МВС: ; ОВС: (5.4)

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

(5.5)

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 P _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

(5.6)

где t_{и 0} - длительность зондирующего импульса, при которой нормируется относительный уровень СОР в ближней зоне ВТ

(5.7)

Из выражения (5.6) следует, что СОР возрастает с увеличением мощности P ₀ и длительности t_и зондирующего импульса, т.е. с увеличением его энергии. Кроме того, СОР возрастает с уменьшением оптических потерь

a_оп = -5× lg K_оп

В табл. 5.1 приведены типичные значения относительного уровня СОР в ближней зоне ВТ при длительности зондирующего импульса 1 нс.

Таблица 5.1

Тип ВС	Длина волны, мкм	YS 0, дБ
МВС	0.85	-35
1.3	-37.5
ОВС	1.31	-39.5
1.55	-40.5

Типичная рефлектограмма СОР для ВТ приведена на рис. 5.2. На ней можно выделить однородные участки 2 ВТ (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания a, 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 ВС. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР - мертвую зону, т.е. расстояние D l_м, на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания. 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:

(5.8)

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[1] 5 и следующему за ним участку 6 с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.

Рис.5.2. Сигнал обратного рассеяния

Метод обратного рассеяния обладает весьма ценными для практики возможностями:

· определение по одной рефлектограмме одновременно целого ряда основных параметров ВТ;

· проведение измерений при одностороннем доступе к ВТ;

· измерение не только общего затухания, но и распределения потерь вдоль ВТ;

· выявление дефектных, например, замокших участков, характеризующихся скачкообразным изменением сигнала обратного рассеяния;

· диагностирование текущего состояния ВТ и прогнозирования аварийных ситуаций путем сравнения только что зарегистрированной и паспортной рефлектограмм ВТ.

5.2. 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

(5.9)

где t - интервал времени между точками на рефлектограмме; c - скорость света в вакууме; n ₁- эквивалентный показатель преломления оптического кабеля.

Таким образом, для определения расстояния L необходимо точно измерить интервал времени t и задать эквивалентный показатель преломления n ₁ оптического кабеля. Современная электроника позволяет достаточно точно измерять временные интервалы. Однако при задании эквивалентного показателя преломления n ₁ возникают значительные трудности, поскольку этот показатель зависит не только от параметров ВС, но и от скрутки ВС в оптическом кабеле. При определении расстояния по реальной трассе ОК возникают дополнительные трудности из-за горизонтальных и вертикальных изгибов подземного кабеля в траншее, провисании подвесного ОК и т. п. Усложняет точное определение расстояния также наличие технологического запаса ОК в каждой муфте.