Измерение возвратных потерь

В предыдущем разделе была рассмотрена методика определения вносимых потерь в стыке. В разъемных соединениях, а также на локальных дефектах, на конце ОВ и в некачественных неразъемных соединениях возникают френелевские отражения. Отраженные от стыков оптические импульсы могут оказывать отрицательное воздействие на источники излучения ВОСП, особенно одномодовые. Поэтому допустимый уровень этих отражений, так называемые возвратные потери, нормируется и должен обязательно измеряться в одномодовых ВОЛТ.

Для определения возвратных потерь с помощью ОР необходимо получить рефлектограмму (рис. 12.15), на которой виден выброс сигнала, обусловленный френелевским отражением в разъемном соединении. Этот выброс не должен вызывать перегрузку фотоприемного устройства. По рефлектограмме измеряют уровни СОР а _S и a_F.

Рис. 12.15. Методика измерения возвратных потерь

Для расчета возвратных потерь по рефлектограмме используют выражение:

                                         (12.22)

где Y_{S 0} - относительный уровень СОР при длительности зондирующего импульса t_{и 0}; t_и ‑ длительность зондирующего импульса, при которой была зарегистрирована рефлектограмма.

Для t_{и 0}=1 нс типичные значения затухания обратного рассеяния Y_{S 0} для стандартных ОВ приведены в табл. 12.5. Более точные значения для ОВ конкретного производителя должны определяться экспериментально.

Параметры современных ОР

В настоящее время существует большой выбор ОР. Все современные ОР имеют устройства для накопления СОР от отдельных точек ВОЛТ и логарифмирования СОР, оперативное запоминающее устройство для хранения результатов измерения СОР в каждой точке. В состав ОР входит графический дисплей, позволяющий по зарегистрированной рефлектограмме с помощью одного или нескольких курсоров и встроенных функций определять различные параметры ВОЛТ. Все современные ОР имеют возможность обмениваться данными с компьютером через стандартный интерфейс.

Наиболее важными параметрами ОР являются динамический диапазон, время измерения, пространственное разрешение и ширина мертвой зоны.

Динамический диапазон

Динамический диапазон определяет максимальное затухание ВОЛТ, при котором отношение СОР к шуму ³ 1. Строго говоря, динамический диапазон не является параметром ОР. Он зависит от типа исследуемого ОВ и используемой длины волны. Динамический диапазон возрастает с увеличением мощности и длительности зондирующего сигнала, увеличения числа накоплений и времени измерения, а также с уменьшением уровня шума ФПУ. Обычно приводимый в рекламных проспектах динамический диапазон ОР соответствует максимальной мощности и длительности зондирующего импульса, максимальному числу накоплений и времени измерения. Динамический диапазон можно определить для конкретной рефлектограммы, как разность между максимальным СОР в ближней зоне и уровнем шума за пределами ВОЛТ.

Уровень шума (порог реагирования) определяется параметрами ФПУ и может быть выражен в единицах оптической мощности P _пор или в логарифмических единицах Y _пор по отношению к некоторой мощности P _н, принятой за 0 дБ

Y _пор = 5 lg (P _пор / P _н).                                                                                        (12.23)

Порог реагирования ФПУ зависит от типа фотоприемника, коэффициента шума предварительного усилителя и от полосы пропускания D F усилителя ФПУ. Пороговая мощность может быть выражена через спектральную плотность шума S_ш, приведенную ко входу ФПУ

P_пор = S_ш D F                                                                                           (12.24)

Полоса пропускания D F ФПУ выбирается исходя из допустимых искажений отраженных от неоднородностей ВОЛТ оптических импульсов на выходе ФПУ. Причем, между длительностью импульса t_и и требуемой полосой пропускания D F существует обратно пропорциональная зависимость. Полагая, что известен порог реагирования P_{пор 0} ФПУ для длительности импульса, при которой нормируется относительный уровень СОР в ближней зоне ВОЛТ, т. е. при t_и =1 нс, можно записать порог реагирования ФПУ для любой длительности импульса

P_пор = P_пор0 (t_{и 0} / t_и) ^0.5                                                                                      (12.25)

Для увеличения отношения сигнала к шуму, а следовательно, и для увеличения динамического диапазона используют накопление СОР на выходе ФПУ. Накопление или усреднение сигнала в каждой точке рефлектограммы эквивалентно многократным измерениям с последующим расчетом среднего значения. Отношение сигнала к шуму возрастает при этом в корень из N раз, где N –число накоплений (измерений) в одной точке.

С учетом сказанного, для порога реагирования в логарифмических единицах можно записать

       Y _пор = 5 lg (P _{пор 0} / P _н) + 2.5 lg (t _{и 0}/ t _и) -2.5 lg (N).                                           (12.26)

Используя определение динамического диапазона, а также (12.15) и (12.26), получим для динамического диапазона

D= 5 lg (P ₀ / P _{пор 0} ) + Y_{s 0} + 7.5 lg (t _и / t _{и 0} ) + 2.5 lg (N) - a _оп.                                (12.27)

Рис. 12.16. Экспериментальное определение динамического диапазона

Динамический диапазон может быть определен экспериментально по зарегистрированной рефлектограмме, как показано на рис.12.16. Определить по рефлектограмме максимальный уровень обратного рассеяния Y_sm достаточно просто. Сложнее определить уровень, соответствующий среднеквадратическому уровню шума Y _ш (шум ведь процесс случайный). В то же время максимальный уровень шума Y_im за пределами ВОЛТ определить достаточно легко.

Для оценки динамического диапазона можно использовать следующий подход.

Полагаем, что максимальный уровень шума P _{ш m} в линейном масштабе примерно в 3 раза превышает среднеквадратическое значение уровня шума P _ш. Тогда после логарифмирования среднеквадратический уровень шума Y _ш будет меньше максимального на 2.4 дБ.

Время измерения

Регистрация рефлектограмм происходит не в реальном масштабе времени, так как для выделения сигнала из шума необходимо накопление СОР. Время измерения зависит от числа накоплений N и периода следования зондирующих импульсов T ₀. Последняя величина зависит от максимальной длины ВОЛТ L_m, которая, как и N, устанавливается тем или иным способом оператором. Время измерения можно определить по выражению

T _и = NT ₀ = NL_mn ₁ / c.                                                                               (12.28)

Отметим, что время измерения по этому выражению будет определяться при параллельном накоплении СОР во всех точках рефлектограммы (параллельное накопление). Это наиболее эффективное (быстрое) накопление. Однако оно требует использование быстродействующей, а, следовательно, и неэкономичной элементной базы для накопителя. Это затрудняет использование параллельного накопления для малогабаритных полевых рефлектометров. Рефлектометры предыдущих поколений использовали последовательное накопление, когда за один период зондирования измеряется СОР только в одной точке рефлектограммы. В этом случае время измерения возрастает в M раз, где M – число точек на рефлектограмме. Для уменьшения времени измерения число точек необходимо уменьшать. С другой стороны, число точек должно быть достаточным для обнаружения отражающих неоднородностей. Разумное число точек составляет

M = 2 L_m / D L = 2 T ₀ / t _и.                                                                           (12.29)

Применяются не только параллельное и последовательное накопления, но и параллельно-последовательное. Время измерения при этом имеет промежуточное значение между двумя крайними случаями.