Методика измерения длины волокна
Одной из важнейших задач, решаемых с помощью OTDR, является измерение расстояний до неоднородностей. Это расстояние определяется по времени запаздывания импульсов, отразившихся от неоднородности и вернувшихся обратно в рефлектометр. Пересчет времени в расстояние осуществляется автоматически с помощью формулы
L = c T ,
2n Г
(3.1)
где с/nГ – групповая скорость распространения света в волокне, с – скорость света в вакууме, nГ – групповой показатель преломления волокна. Множитель 1/2 учитывает то, что импульс света проходит участок длиной L дважды – в прямом и обратном направлении. При оценках обычно используют приближенные значения с = 3105 км/с и nГ = 1.5. Тогда коэффициент пересчета времени в расстояние получается равным 0.1 км/мкс = 0.1 м/нс.
В результате такого пересчета рефлектограмма представляется на дисплее OTDR как функция длины волокна. При этом точность измерения расстояния с помощью рефлектометра ограничивается теми же факторами, что и при классических способах
измерения расстояния (например, с помощью линейки). А именно, точностью определения положения начала и конца отсчета и точностью калибровки шкалы прибора.
Для OTDR характерно то, что точность измерения расстояния практически не зависит
от длительности (t) зондирующих импульсов, которая может меняться в широких пределах
(от 2 нс до 20 мкс). Обусловлено это тем, что положение неоднородности на рефлектограмме определяется по переднему фронту импульса, как это показано на рис. 3.1.
|
|
|
Рис. 3.1. Измерение длины волокна по сигналу отражения от конца волокна
На рис. 3.1 представлены рефлектограммы отрезка волокна длиной около 5 км с погонными потерями порядка 0.2 дБ/км на l = 1550 нм. Рефлектограммы измерены при двух значениях длительности импульса 100 нс (сплошная линия) и 1 мкс (пунктирная линия). Рефлектограммы представляют собой прямые линии (с углом наклона ~ 0.2 дБ/км) и с всплесками сигнала в начале и в конце линии. Эти всплески сигнала вызваны отражением импульсов света от оптического разъема рефлектометра и от торца волокна и представляют собой по существу осциллограммы отраженных импульсов. Причем передний фронт отраженных импульсов отображается ближе к началу рефлектограммы, так как он приходит на фотоприемник раньше, чем его задний фронт.
Длина волокна находится по расстоянию между передними фронтами импульсов, отраженных от оптического разъема рефлектометра и от заднего торца волокна. Это
расстояние, как видно из рис. 3.1, не зависит от ширины импульса. Точность, с которой определяется положение начала и конца волокна тем выше, чем больше крутизна переднего фронта импульса.
|
|
|
Длительность импульсов определяет величину сигнала обратного релеевского
рассеяния света в волокне и ширину мертвой зоны в начале рефлектограммы. При большой длительности импульса (1 мкс) сигнал обратного релеевского рассеяния заметно превосходит уровень шумов в конце рефлектограммы, но при этом мертвая зона делает недоступным для измерения большой участок в начале волокна (~ 0.5 км). При уменьшении длительности импульса до 100 нс ширина мертвой зоны уменьшается примерно в 10 раз. При этом уровень сигнала обратного релеевского рассеяния уменьшается на 5 дБ, и вклад шумов может уже стать заметным.
Инструментальные ошибки
Инструментальные ошибки в измерении длины волокна по рефлектограмме складываются из ошибки в определении начала волокна (смещение нуля), ошибки в калибровке горизонтальной шкалы рефлектометра и ошибки в определении положения конца волокна. Ошибка в определении положения конца волокна обусловлена конечной шириной интервала между измеряемыми точками (ценой деления) и неточностью фиксации положения переднего фронта импульса, отраженного от конца волокна. Смещение нуля возникает из-за ошибки в фиксации момента испускания импульса и примерно одинаково (± 1 м) для всех моделей mini-OTDR.
|
|
|
Точность калибровки горизонтальной шкалы рефлектометра определяется точностью, с которой измеряется ход времени в рефлектометре (» 3×10–5) и точностью, с которой специфицируется величина группового показателя преломления волокна. В большинстве случае точность, с которой специфицируется величина группового показателя преломления волокна, составляет около 3×10–5. Оба эти фактора дают одинаковый вклад в результирующую ошибку, равную примерно 5×10–5×L, где L – длина волокна.
Инструментальная ошибка в определении положения конца волокна равна половине
ширины интервала между измеряемыми точками L0/N, где L0 – диапазон измеряемых длин, N – число измеряемых точек (рис. 3.2). Устанавливаемый в рефлектометре диапазон из- меряемых длин L0 обычно немного превышает длину волокна. Полагая L0 = L для типичного значения N = 32 000 получаем, что эта инструментальная ошибка равна примерно 3×10–5×L.
Рис. 3.2. Нахождение положения отражающей неоднородности на рефлектограмме
Все инструментальные ошибки, кроме смещения нуля (см. таблицу № 3.1), прямо пропорциональны длине волокна. Как видно из этой таблицы, при длине волокна менее 20 км результирующая инструментальная ошибка в измерении длины волокна обусловлена, в основном, смещением нуля и составляет около 1 – 2 м. При увеличении длины волокна до
|
|
|
200 км результирующая инструментальная ошибка увеличивается до 10 – 20 м.
Таблица № 3.1 . Инс трументаль ные ошибк и при измерении дли ны во ло кна
| Н аименование ошибки | в еличина ошибки |
| Смещение нуля | ±1м |
| Ошибка из-за неточности калибровки | 5×10–5×L |
| Ширина интервала между | 3×10–5×L |
Типичные ошибки оператора
Перед началом измерений в рефлектометре необходимо установить величину группового показателя преломления волокна и диапазон измеряемых длин. Диапазон измеряемых длин устанавливается немного больше измеряемой длины волокна. Так, чтобы в конце реф-лектограммы был виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и шумовая дорожка, образующаяся в отсутствие сигнала обратного рассеяния света в волокне.
Если значение диапазона измеряемых длин установлено меньше длины измеряемого волокна, то в рефлектограмме появляются ложные сигналы. Они образуются потому, что рефлектометр посылает следующий импульс раньше, чем успеет вернуться предыдущий
импульс. В результате в фотоприемник в одно и тоже время поступают импульсы, отраженные от разных участков волокна, как это показано на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Рефлектограммы линии при разных значениях диапазона измеряемых длин:
а ) Диапазон измеряемых длин (30 км) больше длины линии (25 км)
б) Диапазон измеряемых длин (20 км) меньше длины линии (25 км)
На рис. 3.3а изображена рефлектограмма отрезка волокна длиной 25 км, полученная при правильной установке диапазона измеряемых длин (30 км, т.е. больше длины волокна). В конце рефлектограммы виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и видна шумовая дорожка.
Оценим время, затрачиваемое импульсом света на прохождение через этот отрезок волокна (туда и обратно) и время, через которое рефлектометр посылает очередной импульс света. Учитывая, что коэффициент пересчета равен 0.1 км/мкс, получаем, что при диапазоне измеряемых длин в 30 км, рефлектометр посылает импульсы света через каждые
0.3 мс. В тоже время импульс света, отраженный от торца волокна длиной 25 км, возвращается в рефлектометр через 0.25 мс, т.е. раньше, чем рефлектометр пошлет в волокно следующий импульс.
На рис. 3.3б изображена рефлектограмма того же отрезка волокна (длиной 25 км),
полученная при неправильной установке диапазона измеряемых длин (20 км, т.е. меньше длины волокна). В этом случае рефлектометр посылает в волокно импульсы света через каждые 0.2 мс. При этом импульс света, отраженный от торца волокна, возвращается в рефлектометр через 0.25 мс, то есть получается, что очередной импульс рефлектометр посылает в волокно раньше, чем вернется предыдущий импульс, отраженный от торца волокна.
В результате фотоприемник регистрирует два импульса отраженных от заднего торца волокна. При этом ложный импульс будет отображен ближе к началу рефлектограммы. Как видно из рис. 3.3б, ложный импульс появляется на расстоянии 5 км,
равном разности между длиной линии (25 км) и величиной (неправильно установленного)
диапазона измеряемых длин (20 км).
Ложный импульс можно обнаружить не только по его местоположению, но и по тому, что у него нет ступеньки, какая обычно бывает из-за потерь в неоднородности. Кроме того,
при неправильной установке диапазона измеряемых длин в конце рефлектограммы не будет виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и не будет видна шумовая дорожка, образующаяся в отсутствие сигнала обратного рассеяния света в волокне.
Для того, чтобы представить рефлектограмму как функцию длины волокна,
необходимо знать величину группового показателя преломления волокна или, иначе говоря, скорость распространения импульса света в волокне. Импульс света можно рассматривать как совокупность близких по частоте монохроматических волн. В вакууме все эти монохроматические волны распространяются с одной и той же фазовой скоростью с
– скоростью света в вакууме. С этой же скоростью будет распространяться и импульс света.
При распространении импульса света в волокне дело обстоит сложнее. Показатель преломления волокна зависит от длины волны, причем по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки волокна зависят от
длины волны (материальная дисперсия). Во-вторых, потому, что волна распространяется
частично в сердцевине и частично в оболочке и показатель преломления волокна принимает некое среднее значение между величиной показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки. При изменении длины волны изменяется глубина проникновения поля волны в кварцевую оболочку и, соответственно, величина эффективного показателя преломления (волноводная дисперсия).
В среде с дисперсией каждая из монохроматических волн, на которые разлагается
импульс, распространяется со своей фазовой скоростью с/n(l), где n(l) - показатель преломления среды (фазовый). В результате оказывается, что импульс света не только деформируется, но весь он (например, его вершина) перемещается со скоростью (групповой), отличающейся от фазовой скорости любой его монохроматической составляющей. По аналогии с фазовой скоростью (с/n) скорость перемещения импульса v (групповую скорость) принято характеризовать групповым показателем преломления: v = c/nГ. Групповой показатель nГ связан с фазовым показателем преломления n соотношением: nГ = n – l×(dn/dl). В отсутствие дисперсии (dn/dl = 0), как легко видеть, nГ = n и скорость (групповая), с которой распространяется импульс, совпадает с фазовой скоростью.
Степень легирования сердцевины и геометрические параметры SM волокон у разных компаний производителей волокна могут немного различаться. Как видно из таблицы 3.2,
типичные значения групповых показателей преломления SM волокон разных
производителей отличаются друг от друга в третьем знаке после запятой (± 0.2 %). При длине волокна 30 км ошибка в установке величины группового показателя преломления в
0.2 % приводит к ошибке в определении длины волокна в 60 м.
Таблица 3 .2 . Типичные значения группо в ых по к азателей прело мления
для станд артных о дномо дов ых (SM) во лок он
| Компания производитель | A lcatel | C orning | H itachi | OFS | P irelli | S amsung | |
| Групповой показатель преломления | l = 1310 нм | 1,4640 | 1,4677 | 1,466 | 1,466 | 1,467 | 1,4690 |
| l = 1550 нм | 1,4645 | 1,4682 | 1,467 | 1,467 | 1,468 | 1,4695 | |
Величина группового показателя волокна обычно приводится в спецификациях на оптический кабель, но иногда это не делается. В этом случае в рефлектометре можно установить среднее значение группового показателя преломления для SM волокон:
nГ = 1.467. Как видно из таблицы № 3.2, практически для всех волокон типичное значение группового показателя преломления отличается от этого среднего на величину ~ 0.2 %.
В некоторых задачах необходимо знать с хорошей точностью разность групповых показателей преломления на разных длинах волн. Например, когда при поиске сильно изогнутых участков волокон надо сравнить рефлектограммы, измеренных на разных длинах волн. Для того, чтобы проводить такое сравнение, необходимо чтобы расстояния межу неоднородностями в этих рефлектограммах были одинаковыми. Наличие изгиба в волокне удается идентифицировать потому, что потери, вносимые при изгибе волокна, сильно зависит от длины волны излучения.
Из таблицы 3.2 видно, что групповые показатели преломления SM волокон на длинах волн 1310 нм и 1550 нм различаются в четвертом знаке после запятой. Эту небольшую прибавку можно рассчитать с помощью коэффициента дисперсии, величина которой для SM волокон специфицирована. Коэффициент дисперсии волокна выражается через
производную от группового показателя преломления соотношением:
D (l ) = 1 × d n Г . С
c d l
другой стороны, зависимость коэффициента дисперсии SM волокон от длины волны в
4
|
D (l ) = S0l æ1 - æ l0 ö ö ,
|
|
|
где S0 = 0.09 пс/(нм2×км) – коэффициент наклона дисперсии на длине волны нулевой дисперсии l0 = 1310 нм. Отсюда нетрудно рассчитать разность групповых показателей
преломления для двух длин волн: n
(l ) - n
|
æ æ l ö2
1 - 0
2
ö
. Зависимость разности
|
ç ÷
|
|
|
n Г (l ) - n Г (l0 ) от длины волны изображена на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Зависимость разности групповых показателей преломления
n Г (l) – n Г (l0 ) от длины волны для SM волокон.
Для длин волн 1550 нм и 1310 нм разность групповых показателей преломления, как видно из рис. 3.4, равна 6×10–4. Таким образом, если значение группового показателя преломления для волокна неизвестно, то на l0 = 1310 нм следует установить nГ = 1.4670, а на
l = 1550 нм, соответственно, nГ = 1.4676.
Оценим ошибку в измерении расстояния, возникающую из-за неточности величины группового показателя преломления волокна, указанной в спецификации на волокно. Обычно в спецификации на волокно в значении группового показателя преломления указываются четыре знака после запятой. Например, для волокна компании Corning в таблице 3.2 приведено значение nГ = 1.4682 (на l = 1550 нм). Такая запись означает, что величина nГ измерена производителем волокна с точностью ±5×10–5. При этом ошибка в измерении длины будет равна ±5×10–5×L. Т.е. она будет примерно такой же, как и инструментальная ошибка рефлектометра.
Если же величина группового показателя преломления неизвестна и в рефлектометре установлено среднее значение группового показателя преломления на этой длины волны, например, nГ = 1.4676 на l = 1550 нм, то ошибка в измерении расстояния будет, естественно, больше. Как видно из таблицы 3.2, практически для всех волокон типичное значение группового показателя преломления отличается от этого среднего на величину ~0.2 %. Это
значит, что ошибка в определении расстояния будет порядка ± 10–3×L.
Методические ошибки
Методические ошибки в определении расстояния до неоднородности в линии передачи возникают из-за того, что положение неоднородности на рефлектограмме получается разным для отражающей и не отражающей (поглощающей) неоднородности. Эти ошибки влияют на точность определения места повреждения волокна. Происходит это потому, что при обрыве волокна угол наклона торца волокна может получиться
практически любым и коэффициент отражения от торца волокна может меняться в широких пределах практически от нуля до френелевского коэффициента отражения.
Величина ошибки в определении положения конца волокна зависит от крутизны фронта импульса, коэффициента отражения от неоднородности и коэффициента обратного
релеевского рассеяния света в волокне. При хорошем сколе торца волокна в конце рефлектограммы наблюдается всплеск сигнала, обусловленный отражением (кривая А, рис.
3.5). Амплитуда этого всплеска пропорциональна мощности оптического импульса, а крутизна начала всплеска пропорциональна крутизне переднего фронта импульса.
Положение конца волокна (LA) определяется по моменту времени, когда этот всплеск достигнет верхнего порогового уровня, пересечение которого означает обнаружение
|
Рис. 3.5. Нахождение положения конца волокна в рефлектограмме при разных значениях коэффициенте отражения от торца
(u - ширина импульса),
(А) Френелевский коэффициент отражения от торца волокна,
(Б) Конец волокна погружен в иммерсию
Если же отражение отсутствует, например, из-за того, что конец волокна погружен в иммерсию или на конце волокна создана петелька с большими потерями, то в конце рефлектограммы наблюдается уменьшение сигнала (кривая Б). В этом случае положение конца волокна (LБ) определяется по моменту, когда сигнал достигнет нижнего порогового уровня.
При прохождении импульса через отражающую неоднородность скорость нарастания сигнала определяется крутизной переднего фронта импульса (кривая А). Соответственно,
пороговый уровень достигается, когда через эту неоднородность пройдет часть переднего фронта импульса. При прохождении импульса через не отражающую неоднородность (кривая Б) сигнал начнет заметно уменьшаться только после того, как через неё пройдет не только весь передний фронт импульса, но и некоторая доля самого импульса.
В результате оказывается, что измеренное значение длины волокна зависит от качества скола торца волокна и может превысить его истинное значение на несколько десятков метров. Эта методическая ошибка может существенно повлиять на точность определения места повреждения волокна в линии передачи. Поэтому целесообразно рассмотреть более подробно характерные типы повреждений волокна.
Волокна в оптическом кабеле разрушаются, в основном, под действием натяжения, возникающего при укладке волокон в кабель, инсталляции кабеля в линию передачи и в
процессе эксплуатации этой линии. Они могут быть также разрушены при сильных ударах
по кабелю или его сильных изгибах. Избыточное натяжение волокна приводит к появлению трещины в кварцевой сердцевине и оболочке волокна. Однако волокно обычно полностью
не разрывается потому, что после раскалывания кварцевой оболочки обе ее половинки
продолжают удерживаться пластиковым (акрилатным) покрытием волокна (рис 3.6).
Рис 3.6. Типичный вид трещин, образующихся при растяжении волокна а) Хорошо отражающая трещина с двумя плоскими поверхностями б) Плохо отражающая трещина с двумя плоскими поверхностями
в) Плохо отражающая трещина, с четырьмя отражающими поверхностями
|
Рис 3.7 Плоская поверхность торца волокна с зоной тумана и перьевой зоной
Если же на поверхности волокна нет заметных дефектов, то для его разрушения требуется приложить большее напряжение. При большом натяжении процесс разрушения выглядит иначе. В этом случае необходимо учитывать, что в процессе роста трещины энергия натяжения преобразуется в кинетическую энергию. Возникающий при большом
натяжении волокна избыток кинетической энергии трещины приводит к созданию новых трещин так, что плоской поверхности практически не образуется, а волокно распадается на три или более куска с зазубренными краями (рис. 3.6 в).
Коэффициент отражения света от трещин зависит от качества образующих её торцевых поверхностей и расстояния между ними. Если торцевая поверхность оптически
плоская, и нормаль к ней параллельна оси волокна (рис. 3.6 а), то коэффициент отражения
от такой поверхности близок к френелевскому (~3.5 %). Коэффициент отражения от двух таких поверхностей зависит от расстояния между ними и может меняться в пределах от 0 до
14%.
При увеличении угла наклона q между нормалью к торцевой поверхности и осью волокна коэффициент отражения от этой поверхности (обратно в моду волокна) быстро уменьшается. При угле больше 4° такая трещина, как видно из таблицы 3.3, уже представляет собой практически неотражающую неоднородность.
Таблица 3.3 . Зав исимо сть ко э ффициента отра жения о т угла меж ду о сью
в о лок н а и но рмаль ю к пов ерхно сти то рца во локна
| Угол между осью волокна и нормалью к плоскости торца, град | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Коэффициент отражения, % | 3.50 | 2.55 | 0.98 | 0.20 | 0.02 | 1.3×10–3 |
Для того, чтобы волокно скололось под углом меньше 4°, необходимо, чтобы насечка на поверхности волокна, с которой начинается рост трещины, была с хорошей точностью
ориентирована перпендикулярно оси волокна. Такая насечка может быть создана с помощью высококачественного скалывателя (типичный угол скола < 0.5...1°). Вероятность
создать её случайным образом мала. Так, например, при разрушении волокна в линии, среднее значение коэффициента отражения от скола получается всего лишь около 0.1 %. Часть таких сколов получается настолько плохими, что их нельзя обнаружить с помощью идентификаторов дефектов (fault locators), регистрирующих только отраженное излучение.
Неотражающие сколы волокна можно обнаружить с помощью рефлектометра, так как они неизбежно приводят к появлению дополнительных потерь. Однако в этом случае возникает методическая ошибка в определении положения места повреждения волокна. Эту ошибку можно скорректировать, если предварительно измерить её зависимость от величины коэффициента отражения и ввести соответствующую поправку в измеренное
значение длины волокна.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 829; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!