Метод обратного рассеяния

Назначение и применение:

- Контроль состояния оптических волокон (ОВ), выявление, определение характера и поиск дефектов ОВ.

- Измерение затухания ОВ на строительных длинах оптических кабелей (ОК), на отдельных участках волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП), на длине регенерационного участка (РУ), на стыках ОВ.

- Измерение коэффициента затухания ОВ.

- Измерение расстояний до мест соединений ОВ и оценки качества стыков.

- Измерение характеристики обратного рассеяния ОВ и привязки ее к трассе прокладки ОК при паспортизации РУ ВОЛП.

Метод обратного рассеяния применяется на всех этапах строительства и эксплуатации ВОЛП:

- При входном контроле.

- В процессе монтажа муфт ОК.

- При приемо-сдаточных измерениях и паспортизации РУ ВОЛП.

- Для непрерывного контроля состояния ОВ в процессе эксплуатации ВОЛП.

- При выполнении измерений в процессе аварийно-восстановительных работ (АВР).

- Для поиска мест повреждений.

В основе метода лежит явление обратного Рэлеевского рассеяния.

Рисунок 4.1 - Формирование потока обратного рассеяния

Основные факторы формирования потока обратного Рэлеевского рассеяния:

- флуктуации показателя преломления сердцевины вдоль волокна;

- отражения от рассеянных и локальных неоднородностей.

Мощность обратно рассеянного потока P_s(t), измеренная в точке ввода оптических импульсов в ОВ с некоторой задержкой t относительно момента посылки зондирующего импульса, определяется мощностью обратного рассеяния в точке ОВ, расположенной на расстоянии от места измерения, равном:

(4.1)

где v_g - групповая скорость распространения оптического импульса:

(4.2)

c – скорость света:

п_g – групповой показатель преломления.

В первом приближении мощность обратно рассеянного потока P_s(t) равна:

, (4.3)

где Р₀ – максимальное (пиковое) значение амплитуды зондирующего импульса в точке ввода;

Δ t – длительность зондирующего импульса;

S, a_d – параметры Рэлеевского рассеяния.

S – параметр обратного Рэлеевского рассеяния, равный отношению обратно рассеянной мощности в некоторой точке ОВ ко всей рассеянной мощности в этой точке:

Параметр S определяется свойствами ОВ (форма профиля, апертура и пр.)

Пример: ступенчатый профиль показателя преломления:

a_d – параметр Рэлеевского рассеяния, равный отношению мощности, рассеянной в некоторой точке ОВ, к падающей оптической мощности в эту же точку:

Мощность обратного рассеяния прямо пропорциональна параметрам зондирующего импульса на вводе ОВ Р₀ и Δt, параметрам ОВ a_d и S и экспоненциально зависит от затухания αи групповой скорости v_g OB. В свою очередь, v_g обратно пропорциональна групповому показателю преломления ОВ.

Часто используется понятие коэффициента обратного рассеяния к:

(4.4)

Тогда мощность потока обратного рассеяния определяется по формуле:

(4.5)

Таким образом, зависимость уровня мощности обратного рассеяния от времени p_s(t) - линейная.

(4.6)

и разность уровней обратно рассеянной мощности, измеренных на ближнем конце в моменты времени t₁, и t₂, есть затухание ОВ на соответствующем участке линии.

(4.7)

где

, (4.8)

Коэффициент обратного рассеяния к изменяется вдоль волокна случайным образом:

• флуктуации показателя преломления

• флуктуации геометрических параметров ОВ

Т.е. на однородных участках (участках, не содержащих макро неоднородности – соединения, микротрещины сердцевины, изгибы, радиус которых меньше допустимого) волокно является квазирегулярным.

В этом случае реальная зависимость p_s(t) флуктуирует около некоторой прямой, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс непосредственно равен коэффициенту затухания волокна α .

При наличии в линии неоднородностей, отражающих свет, образуется поток Френелевского отражения. Измеренная на ближнем конце мощность P_F(x_i) оптического излучения, отраженного в некоторой точке x_i, равна:

(4.9)

где

;

x_i – расстояние до неоднородности;

Мощность потока Френелевского отражения на ближнем конце можно рассматривать как сумму:

. (4.10)

где т - количество неоднородностей на участке.

Коэффициент отражения, как правило, на несколько порядков больше коэффициента обратного рассеяния. Соответственно, в моменты времени

мощность потока обратного рассеяния пренебрежимо мала, по сравнению с мощностью потока отражения.

Очевидно, что, измеряя мощность обратного потока оптического излучения, поступающего на ближний конец ОВ, и анализируя ее изменения, можно получить оценки параметров исследуемой ВОЛП.

Измерения характеристик ОВ методом обратного рассеяния являются косвенными.

Искомая величина определяется в результате математической обработки результатов измерения мощности обратного потока оптического излучения.

Причем характеристики распространения оптического сигнала в прямом направлении определяют по изменениям мощности излучения распространяющегося в обратном направлении.

При этом предполагается, что параметры ОВ в прямом и обратном направлении идентичны.

Очевидно, что это условие выполняется с определенной погрешностью.

В общем случае измеряемую на ближнем конце ОВ мощность обратного потока можно представить в виде суммы мощностей обратно рассеянного потока, отраженного потока и мощности шума:

(4.11)

Мощность шума есть случайная функция, обусловленная совокупностью факторов.

Ряд составляющих шума не зависит от уровня мощности передаваемого оптического сигнала.

К ним относятся:

• тепловые шумы фотоприемника;

• собственные шумы лазера.

Другие составляющие шума связаны с мощностью передаваемого сигнала:

• дробовой шум фотоприемника;

• модовый шум;

• шумы, обусловленные взаимодействием лазера с нерегулярным волокном.

Результирующая мощность шума соизмерима с мощностью обратно рассеянного потока. Это величины одного порядка.

Поэтому одна из основных проблем реализации метода обратного рассеяния – выделение полезного сигнала на фоне высокого уровня помех.

Известны следующие способы реализации метода обратного рассеяния:

OCWR (Optical Continuous-Wave Reflectometry) – метод обратного рассеяния на основе непрерывного излучения

OCDR (Optical Coherence Domain Reflectometry) – интерферометрический метод обратного рассеяния

COTDR (Correlation Optical Time Domain Reflecto­metry) – корреляционная рефлектометрия.

OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) – метод обратного рассеяния в частотной области.

OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) - метод обратного рассеяния во временной области.

Оптические рефлектометры обратного рассеяния (OTDR – Optical Time Domain Reflectometer), реализующие метод обратного рассеяния во временной области, являются основными средствами измерений при строительстве и эксплуатации ВОЛП.

В OTDR мощность принимаемого сигнала ограничена мощностью зондирующего импульса, которая пропорциональна его максимальному значению и длительности.

Это вынуждает в процессе работы искать компромисс между динамическим диапазоном, определяющим дальность действия, и разрешающей способностью, обеспечивающей оптимальное решение измерительной задачи.

Вместе с тем, данный способ реализации метода обратного рассеяния позволяет получать приемлемые результаты с удовлетворительным быстродействием.

Это и обеспечило широкое внедрение реализующих его средств измерений.

На сетях связи в основном нашли применение только OTDR и определители места обрыва волокна – FF (Fault Finder), работающие во временной области.

Перечисленные приборы являются основными средствами измерений для строительства и эксплуатации ВОЛП.