, ,
Использование Optical Time Domain Reflectometer при исследование волоконно – оптических проводников и установления мертвой зоны и локализации места обнаружения неисправности
Рассмотрены подход к анализу рефлектограмм для магистральных сетей. представлена диаграмма, которая иллюстрирует диапазон уровней мощности, с которыми работает оптический рефлектометр OTDR. Представлена диаграмма уровней OTDR. Установлен фактор, влияющим на возможности измерений с помощью OTDR, является длительность тестирующих импульсов. Приведены данные по разности мощности отраженного света и мощности обратного рассеяния, измеренного при длительности импульсов. Рассмотрены вопросы точности локализации места обнаружения неисправности.
Учитывая отличие в подходах к анализу рефлектограмм для магистральной сети и сетей доступа и распределения их анализ осуществляется автоматически большинством OTDR, обнаруживающих различные события по всей длине волокна. При измерениях в сетях доступа и распределения, наличие ответвляющихся компонентов, приводит к тому, что OTDR отображает множественную рефлектограмму, разложение которой до ответвления осуществляется достаточно просто и выполняется аналогично магистральной сети. Однако после разветвления выявить на рефлектограмме нахождение и измерение событий на разных каналах становится невозможно, так как многоточечные сети добавляют к ней еще одно измерение, которое OTDR самостоятельно не в состоянии идентифицировать, несмотря на то, что информация на рефлектограмме присутствует [1-5].
Сложность одновременного тестирования многоточечных сетей в первую очередь обусловлена сложностью анализа сигнала обратного рассеяния на мультиплексорах (коммутаторах) сигналов распределительных сетей. На рисунок 1 представлена диаграмма, которая иллюстрирует диапазон уровней мощности, с которыми работает оптический рефлектометр OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). Из данной диаграммы можно определить как самый высокий, так и самый низкий уровни сигналов отражения и обратного рассеяния, а также максимальный эквивалентный уровень шумов (NEP) на входе приемника, при котором обеспечивается требуемый динамический диапазон OTDR [1-5].
Чтобы подсчитать максимальный уровень мощности отраженного света и света обратного рассеяния, возьмем лазерный источник излучения с максимальной импульсной мощностью +13 дБм. Тогда, принимая потери соединителя на коннекторе OTDR равными 3 дБ, начальная мощность на его выходе (входе волокна), составит +10 дБм. В случае использования на передней панели бесконтактного коннектора, на ближайшем конце волокна появляется 4%-ное отражение, вызванное переходом стекло-воздух. Это соответствует отраженному световому импульсу, который приблизительно на 14 дБ ниже информационного импульса, и составляет -4 дБм. Для одномодового волокна при л = 1310 нм уровень мощности обратного рассеяния будет на 49 дБ/мкс ниже максимального уровня мощности, что при длительности импульса 10 мкс будет соответствовать обратно рассеянному сигналу, приблизительно равному -30 дБм, а для 100 не — около -50 дБм. Принимая во внимание ослабление оптического волокна, сигнал обратного рассеяния уменьшается с увеличением расстояния и в конечном итоге становится слабее уровня шумов приемника. Очевидно, что для тестирования на большие расстояния необходимо использовать более мощный источник излучения. С другой стороны, как будет показано ниже, для обеспечения оптимальной разрешающей способности и динамического диапазона OTDR диапазон рабочих частот приемника необходимо адаптировать к выбранному диапазону измерений, что допускает использование более высокого уровня NEP на коротких расстояниях.
Рисунок 1 – Диаграмма уровней OTDR
Кроме этого, чувствительность приемника может быть улучшена путем усреднения сигналов. Для оценки этой возможности рассмотрим оптическое волокно длиной 20 км, которое тестируется посредством OTDR с коэффициентом преобразования длительность импульса/расстояние, равным 10 мкс/км, и определим степень снижения шума при усреднении сигналов в течение одного этапа измерения, составляющего 1 с и 3 мин, соответственно. Учитывая, что 10% времени будет потеряно, а время, необходимое для прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях, определяется, как
соответствующая степень снижения шума Nls и N3min будет равна
Так как уровень снижения шума пропорционален квадратному корню из N, двустороннее SNR улучшение составит
Очевидно, что снижение шума в основном достигается в течение первой секунды измерения, а по истечении 3 минут уровень шума на экране уменьшится на (29.5 - 18.3)/2 дБ = 5.6 дБ по сравнению с первым обновлением экранного изображения. Другим важным фактором, влияющим на возможности измерений с помощью OTDR, является длительность тестирующих импульсов. Полученные на экране OTDR зависимости уровней мощности отраженного света и света обратного рассеяния от длительности импульсов приведены на рисунке 2 [26], из которого видно, что мощность отраженного света, вызванного случайным напряжением в волокне, зависит только от коэффициента отражения и не определяется длительностью импульсов.
Рисунок 2 – Зависимость мощности отраженного и обратно рассеянного света от длительности тестирующих импульсов
В то же время мощность обратного рассеяния зависит от длины волны и приблизительно пропорциональна длительности тестирующих импульсов, причем только для коротких импульсов, при которых изменение потерь волокна по пространственной ширине импульсов незначительно. Это означает, что измерение коэффициента отражения при помощи OTDR не является простым. Как правило, программное обеспечение OTDR производит все необходимые расчеты для коррекции данных зависимостей. В то же время следует учесть, что в случае тестирования волокон импульсами большой длительности мощность обратного рассеяния может достигнуть и даже превзойти уровень отражений Френеля, затрудняя тем самым задачу определения формы (кривой) отраженного сигнала стандартного коннектора с коэффициентом отражения —40 дБ.
Как следует из приведенного рисунка, разность мощности отраженного света и мощности обратного рассеяния, измеренного при длительности импульсов ф = 100 не на длине волны л = 1310 нм составляет 12 дБ. Здесь следует учесть, что данный график выполнен в логарифмической шкале с 10-кратным масштабом, в то время как на экране OTDR используется 5-кратный масштаб, поэтому высота изображения будет равняться половине приведенной на этом рисунке.
Ввиду того, что основной целью рассматриваемого вида измерений является установление точного местоположения неисправности волокна, наиболее жесткие требования предъявляются к OTDR по расстоянию (Total Distance Accuracy), которая определяется, как
Д = Д1 + Д2L + Д3 (1)
где Д1 — ошибка смещения (offset error); Д2 - ошибка масштабирования (scale error); Д3— ошибка дискретизации (sampling error); L - дистанция (distance).
В ряде случаев фирмы-производители OTDR не указывают значений ошибки дискретизации, однако ее можно определить через значение Dr диапазона OTDR по расстоянию, как Дf3=Dr/L. В этом случае
(2)
На рисунке 3 представлены зависимости динамического диапазона от длительности тестирующих импульсов и положительное поле допуска точности локализации неоднородности для наиболее распространенных рефлектометров 7225 (Ando), FCS-400 (EXFO), E6000 (Hewlett Packard), MTS510I (Wavetek) и СМА4000 (GN Nettest). Из полученных данных следует очевидное преимущество технологии OTDR, обеспечивающей при прочих равных условиях большую дальность тестирования оптических волокон и наивысшую точность локализации неоднородности оптического волокна.
Рисунок 3 – Зависимость динамического диапазона от длительности импульсов тестирования и положительного поля допуска погрешностей по дистанции для рефлектометров MTS 5100, СМА-4000, FCS 400 и AQ 72225В
Таким образом, при OTDR измерениях всегда имеет место компромисс между дальностью и пространственной разрешающей способностью. При VHDR технологии данный компромисс достигается снижением динамического диапазона на малых расстояниях тестирования, что, как показано выше, позволяет расширить полосу пропускания предусилителя OTDR и тем самым повысить разрешающую способность и точность измерения расстояния, а на больших дистанциях использовать меньшую полосу пропускания в сочетании с эффективными алгоритмами усреднения. В совокупности с использованием вместо ответвителя оптического циркулятора и сверхчувствительного приемника рефлектометра это позволило достичь непревзойденных параметров OTDR.
Список литературы
1. , Исследование собственных и дополнительных затуханий в оптических кабелях связи / Методические указания к лабораторной работе: СибГУТИ, Новосибирск, – 2009.
2. Оптические кабели связи: монография / , , – Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2001. 351с.
3. , , Прогнозирование срока службы подвесных кабельных систем. Механические нагрузки на оптические волокна // Lightwave Russia, 2006, №3, с. 14-19
4. Matthijsse P., Kuyt G. Влияние изгибов оптических волокон на их характеристики // Кабели и провода, 2005, №4, с. 17-22
5. Влияние деформаций на пропускание оптического волокна (http://www.2a-systems. ru/newsdesk_info. php/newsPath/13/newsdesk_id/108)
