Основы оптической рефлектометрии

Наиболее универсальным и информативным методом измерений параметров ОВ, ОК и ВОЛТ 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 (OpticalTimeDomainReflectometer - оптический рефлектометр во временной области).

Рис. 12.9. Упрощенная структурная схема оптического рефлектометра
ИИ - источник излучения; НО - направленный ответвитель; ВОЛТ - исследуемый волоконный тракт; ГИ - генератор импульсов; ФПУ - фотоприемное устройство; УОС - устройство обработки сигнала; Д - дисплей

Упрощенная схема ОР представлена на рис. 12.9. Короткий оптический импульс мощного лазера через одно плечо направленного ответвителя (НО) поступает в исследуемое ОВ. Обратно на вход ОР приходят оптические импульсы, отраженные от локальных неоднородностей исследуемого ОВ. Их называют френелевскими отражениями. Через НО они поступают на вход ФПУ. В НО происходят потери при вводе излучения от ИИ в ВОЛТ и при выводе излучения из ВОЛТ на ФПУ. Коэффициент оптических потерь K _оп обычно меньше 0.25. Если в ОВ вводится мощность P ₀, коэффициент отражения от неоднородности равен R, то мощность отраженного импульса P_r приходящего на вход ОР с учетом коэффициента затухания ОВ a и расстояния до неоднородности l составляет                                                                                     (12.10)

Причем длительность отраженных импульсов без учета дисперсии будет равна длительности зондирующего импульса t_u. Временной интервал t между зондирующим и отраженным импульсами определяется эквивалентным показателем преломления n ₁ сердцевины ОВ и расстоянием l до неоднородности

                                                                                                    (12.11)

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

                                                                                                      (12.12)

где с - скорость света в вакууме.

Часть рассеянного излучения возвращается обратно ко входу ОР. Она определяется фактором обратного рассеяния G, который зависит от апертурных свойств ОВ. Например, для многомодовых ОВ (МОВ) и одномодовых ОВ (ООВ) со ступенчатым профилем показателя преломления фактор обратного рассеяния составляет

МОВ: ;             ООВ:                           (12.13)

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

                                                                            (12.14)

Совокупность рассеянного и отраженного излучения из исследуемого ВОЛТ, 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

      

                                            (12.15)

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

                                                                                 (12.16)

Из выражения (12.15) 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. 12.4 приведены типичные значения относительного уровня СОР в ближней зоне ВОЛТ при длительности зондирующего импульса t_u0 = 1 нс.

Табл. 12.4. Относительный уровень СОР в ближней зоне ВОЛТ

Тип ОВ	Длина волны, мкм	YS 0, дБ
МОВ	0.85	-35
	1.3	-37.5
ООВ	1.31	-39.5
	1.55	-40.5

 

Типичная рефлектограмма СОР для ВОЛТ приведена на рис. 12.10. На ней можно выделить однородные участки 2 ВОЛТ (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 ОВ. 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:

                                                                                         (12.17)

где R - коэффициент отражения.

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой 3. Конец ВОЛТ 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.12.10. Сигнал обратного рассеяния

Метод обратного рассеяния обладает весьма ценными для практики возможностями:

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

· проведение измерений при одностороннем доступе к ВОЛТ;

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

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

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