3. Блок-схема оптического рефлектометра
Оптический рефлектометр состоит из лазерного источника света‚ оптического измерителя‚ разветвителя‚ дисплея и контроллера.
Рисунок 4. Блок - схема оптического рефлектометра
3.1. Лазерный источник света
Лазер посылает световые импульсы по команде контроллера. При различных условиях измерения вы можете выбирать различные длительности импульса. Свет проходит через разветвитель и входит в тестируемое волокно. У некоторых оптических рефлектометров имеется по два лазера‚ с помощью которых можно тестировать волокна на двух различных длинах волн. Использовать оба лазера одновременно нельзя. С одного лазера на другой можно переключиться простым нажатием кнопки.
3.2. Разветвитель
У разветвителя имеется три порта – один для источника света‚ один для тестируемого волокна и один для измерителя. Разветвитель – это устройство‚ позволяющее свету распространяться только в определенных направлениях: ОТ лазерного источника К тестируемому волокну и ОТ тестируемого волокна К измерителю. Свет НЕ может идти от источника прямо к измерителю. Таким образом‚ импульсы из источника света направляются в тестируемое волокно‚ а отраженная световая энергия – обратное рассеяние и френелевское отражение – направляется в измеритель.
3.3. Блок оптического измерителя
Измеритель – это фотоприемник‚ который измеряет уровень мощности света‚ идущего из тестируемого волокна. Он преобразует оптическое излучение в электрические сигналы соответствующего уровня – чем больше мощность оптического излучения‚ тем выше уровень электрических сигналов. Измерители оптического рефлектометра специально рассчитаны на измерение крайне низких уровней обратного рассеяния световой энергии. В состав измерителя входит и электрический усилитель‚ предназначенный для дальнейшего повышения уровня электрического сигнала.
Френелевское отражение примерно в 40 000 раз сильнее обратного рассеяния. Измерить такую величину измеритель не в состоянии - она приводит к его перегрузке и насыщению. Поэтому выходной электрический сигнал «обрезается» тогда‚ когда достигает максимального уровня выходной мощности измерителя. Так что каждый раз‚ когда тестирующий импульс достигает конца волокна – все равно у механического соединения (стыка) или у конца всего волокна – это приводит к тому‚ что измеритель «слепнет» до окончания импульса. Этот период «слепоты» называется мертвой зоной.
3.4. Блок контроллера
Контроллер – это мозг оптического рефлектометра. Он подсказывает лазеру‚ когда надо посылать импульс; получает от измерителя данные об уровнях мощности; рассчитывает расстояния до точек рассеяния и отражения в волокне; в нем хранятся отдельные точки измерений; он посылает информацию на дисплей.
Одним из основных компонентов блока контроллера является очень точная схема синхронизации‚ которая используется для точного измерения разницы во времени между посылкой импульса лазером и обнаружением отраженного света измерителем. Умножив это время распространения импульса в обоих направлениях (туда и обратно) на скорость света в волокне (которая представляет собой скорость света в безвоздушном пространстве‚ скорректированную введением показателя преломления)‚ и поделив его пополам‚можно рассчитать расстояние от оптического рефлектометра до нужной точки.
Поскольку обратное рассеяние имеет место по всей длине волокна‚ то назад‚ в рефлектометр идет непрерывный поток света. Контроллер через определенные промежутки времени фиксирует уровни‚ которые были определены измерителем‚ и получает таким образом точки измерений. Каждая точка измерений характеризуется своим соответственным временем (соотносящим ее с расстоянием от рефлектометра) и уровнем мощности. Поскольку первоначальный импульс по мере своего распространения по волокну становится слабее (из-за потерь‚ вызванных релеевским рассеянием)‚ то‚ чем больше пройденное им по волокну расстояние‚ тем ниже уровень соответствующего обратного рассеяния. Поэтому по мере увеличения расстояния от рефлектометра уровни мощности обычно понижаются. Но когда имеет место френелевское отражение‚ то уровень мощности в соответствующей точке резко поднимается до максимума – намного выше уровня обратного рассеяния‚ имевшего место непосредственно перед этим.
Когда контроллер собрал все точки измерений‚ он выводит эту информацию на экран дисплея. Первая точка с результатами измерений выводится на левый край графика как точка начала волокна. Ее положение на вертикальной оси зависит от уровня мощности отраженного сигнала: чем выше мощность‚ тем выше находится точка. Последующие точки измерений располагаются правее. Получающаяся в результате этого рефлектограмма представляет собой наклонную линию‚ идущую из верхнего левого угла в правый нижний. Наклон рефлектограммы указывает на удельные потери (в дБ/км). Чем круче наклон кривой‚ тем больше значение удельных потерь. Сама линия образуется точками измерений‚ соответствующими уровням обратного рассеяния. Френелевское отражение выглядит на рефлектограмме в виде всплесков‚ идущих вверх от уровня обратного рассеяния. Резкий сдвиг уровня обратного рассеяния указывает на «точечную потерю»‚ что может означать наличие либо сварного соединения (оптоволоконного стыка)‚ либо точки с механическим напряжением‚ через которую свет выходит из волокна.
3.5. Блок дисплея
Блок дисплея – это экран на ЭЛТ или на жидких кристаллах‚ на который выводятся точки измерений‚ образующие рефлектограмму волокна‚ а также параметры настройки рефлектометра и результаты измерений. На большинстве дисплеев рефлектометров точки измерений для большей наглядности соединяются друг с другом линией. С помощью выведенных на экран курсоров на рефлектограмме можно выбрать любую точку измерений. Когда курсор находится на какой-либо точке‚ на экран выводится расстояние до этой точки. У рефлектометра с двумя курсорами на экран будут выводиться расстояния до каждого из них‚ а также разница между уровнями обратного рассеяния в обеих точках. С помощью курсоров можно измерять различные параметры: потери в двух точках‚ удельные потери‚ потери на стыки и потери на отражение. Результаты таких измерений выводятся на экран.
Рисунок 5. Экран рефлектометра
4.1. Динамический диапазон
Динамический диапазон оптического рефлектометра определяет‚ какую длину волокна он может измерить. Диапазон выражается в децибелах‚ причем чем больше значение диапазона‚ тем больше длина волокна‚ которое можно измерить. Тестирующий импульс должен быть достаточно сильным‚ чтобы достичь конца тестируемого волокна‚ а измеритель должен быть достаточно чувствительным‚ чтобы быть в состоянии измерить самые слабые сигналы обратного рассеяния‚ поступающие с конца длинного отрезка волокна. Динамический диапазон зависит как от полной импульсной мощности лазерного источника света‚ так и от чувствительности измерителя: очень мощный источник света и чувствительный измеритель обеспечат большой динамический диапазон и наоборот.
Динамический диапазон оптического рефлектометра определяется как разность между уровнем обратного рассеяния на ближнем конце волокна и верхним уровнем среднего значения шума у конца волокна или после него.
Рисунок 6. Динамический диапазон
При большом динамическом диапазоне индикация на дисплее уровня обратного рассеяния на дальнем конце волокна будет четкой и плавной. При маленьком динамическом диапазоне рефлектограмма будет зашумлена на дальнем конце - точки с результатами измерений‚ показывающие на рефлектограмме уровень обратного рассеяния‚ не образуют плавной линии‚ а будут постоянно уходить то вверх‚ то вниз. На зашумленной части рефлектограммы трудно различить какие-нибудь детали‚ так как разница между результатами измерений в двух смежных точках может быть больше значения потерь на оптоволоконном соединении.
Увеличение полной выходной импульсной мощности лазерного источника может быть осуществлено двумя способами: увеличением абсолютного количества излучаемой световой энергии или увеличением длительности импульса. У каждого способа есть свой предел.
У лазерного диода имеется естественный максимальный уровень выходной мощности‚ который невозможно превысить. Кроме того‚ более высокая выходная мощность означает сокращение срока службы: лазер может быстрее перегореть.
Увеличение длительности импульса затрагивает другие рабочие характеристики‚ такие‚ как мертвая зона: чем больше длительность импульса‚ тем длиннее мертвые зоны.
У измерителей также имеются естественные ограничения их способности измерять низкие уровни световой энергии. В некоторой точке уровень посланного измерителем электрического сигнала (который соответствует обнаруженному уровню мощности оптического излучения) теряется в электрическом шуме схемы‚ так что контроллер не может отличить шум от результатов‚ полученных измерителем. Решающее значение для ослабления отрицательного воздействия на рефлектометр электрического шума имеет внутреннее электрическое экранирование. Кроме того‚ когда измеритель работает с использованием своей максимальной чувствительности‚ то уровень его точности понижается. Для повышения точности измерений при более низких уровнях световой энергии в рефлектометре применяется метод усреднения‚ объединяющий результаты измерений тысяч импульсов. Использование этого метода усреднения повышает чувствительность измерителя и тем самым помогает увеличивать динамический диапазон.
Имеется несколько различных способов расчета динамического диапазона. Упомянутый выше метод‚ рекомендуемый многими ведущими организациями‚ называется «методом определения 98%-ного уровня шума». При применении этого метода определяется точка‚ в которой уровень обратного рассеяния только начинает смешиваться с уровнем шума в приборе. Другой общепринятый метод называется "SNR =1" (SNR – это отношение «сигнал–шум»). Он аналогичен методу 98%-ного уровня шума‚ но увеличивает значение динамического диапазона примерно на 2–3 децибела. При использовании метода "SNR=1" определяется точка‚ у которой уровень обратного рассеяния рефлектограммы идет вниз и опускается ниже уровня внутреннего шума рефлектометра. Это означает‚ что‚ возможно‚ вы окажетесь не в состоянии получить от рефлектограммы подробные данные о конце волокна. Третий метод называется «Обнаружением френелевского отражения»; он может увеличить значение динамического диапазона на 10 и более децибел. При использовании этого метода производится измерение точки‚ в которой пик френелевского отражения в конце волокна можно обнаружить сразу же над уровнем шума. Этот метод дает самое большое значение динамического диапазона‚ но в то же время он вводит в заблуждение‚ поскольку не связан с тем‚ как рефлектометр работает в обычном режиме.
4.2. Мертвая зона
Мертвая зона – это та часть показывающей френелевское отражение рефлектограммы волокна‚ в которой высокий уровень этого отражения «перекрывает» более низкий уровень обратного рассеяния.
Измеритель оптического рефлектометра рассчитан на то‚ чтобы измерять низкие уровни обратного рассеяния в волокне; и в тех случаях‚ когда это обратное рассеяние перекрывается более сильным френелевским отражением‚ он «слепнет». Этот период «слепоты» продолжается столько времени‚ сколько длится импульс. Когда измеритель воспринимает отражение высокого уровня‚ он оказывается в состоянии насыщения и не способен измерять более низкие уровни обратного рассеяния‚ которые могут иметь место сразу же после отражающей неоднородности. Мертвая зона включает в себя длительность отражения ПЛЮС время восстановления максимальной чувствительности измерителя. У высококачественных измерителей это время восстановления меньше‚ чем у дешевых моделей‚ поэтому при их использовании и мертвые зоны становятся короче.
Появление мертвой зоны можно пояснить примером с рассматриванием звездного неба: если вокруг нет никакого освещения‚ то Ваши глаза становятся чувствительней и Вы начинаете различать очень тусклые звезды («обратное рассеяние»). Если же кто-нибудь посветит Вам прямо в лицо фонариком то этот‚ более яркий‚ свет («френелевское отражение») ослепит Вас‚ так что Вы уже не сможете различать звезды. Вы не будете видеть ничего кроме яркого света до тех пор‚ пока он будет светить Вам в глаза («длительность импульса»). После того как этот свет уберут‚ Ваши глаза постепенно привыкнут к темноте‚ станут более чувствительными‚ и Вы опять сможете различать слабый свет звезд. Измеритель рефлектометра ведет себя примерно так же‚ как и Ваши глаза в этом примере. Период «слепоты» и восстановления чувствительности и есть мертвая зона.
Поскольку мертвая зона непосредственно связана с длительностью импульса‚ то ее можно уменьшить‚ сократив длительность импульса. Но сокращение длительности импульса означает уменьшение динамического диапазона. В конструкции любого рефлектометра должен найти отражение компромисс между этими двумя характеристиками. Аналогичным образом‚ пользователь оптического рефлектометра должен выбирать длительность импульса в зависимости от того‚ что для него является более важным – различать близко расположенные друг к другу неоднородности или просматривать волокно большей длины. Самая лучшая конструкция обеспечивает большой динамический диапазон при небольшой длительности импульса. Это соотношение динамический диапазон на длительность импульса и будет определять на каком расстоянии в волокне вы сможете отличать друг от друга две находящихся близко друг к другу неоднородности (оптоволоконные соединения).
Значение мертвых зон. Мертвые зоны появляются на рефлектограмме волокна во всех случаях‚ когда в волокне использованы разъемы‚ а также при наличии в волокне некоторых дефектов (таких‚ как трещины). В каждом волокне имеется по крайней мере одна мертвая зона: в том месте‚ где оно присоединено к рефлектометру. Это означает‚ что в начале тестируемого волокна имеется участок‚ в котором НЕЛЬЗЯ ПРОИЗВОДИТЬ НИКАКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. Этот участок имеет непосредственное отношение к длительности импульса лазерного источника. Обычно импульсы у оптических рефлектометров имеют длительность от 3 нс (наносекунда – одна миллиардная секунды) до 20 000 нс. При переводе в расстояние это означает от 60 см до почти 2 км. Если Вам нужно получить характеристику той части волокна‚ которая находится рядом с ближним концом или если Вам нужно измерить два события (неоднородности) на рефлектограмме‚ находящиеся друг от друга на расстоянии менее 30 м‚ то Вам нужно выбрать самую короткую из возможных длительностей импульса‚ при которой вы сможете добраться до той точки‚ которую вы хотите измерить.
Мертвые зоны можно разделить на две категории: мертвые зоны события (неоднородности) и мертвые зоны затухания.
Мертвая зона события (называемая также мертвой зоной отражения) – это расстояние от одного френелевского отражения до другого френелевского отражения‚ которое можно обнаружить. Такая мертвая зона говорит о том‚ когда после какого-либо отражения (обычно от разъема у рефлектометра) Вы сможете обнаружить отражение от обрыва или от оптоволоконного соединения. Это имеет значение в том случае‚ если Вы пытаетесь отделить друг от друга два разных соединения‚ находящихся менее чем в 30 м друг от друга (например‚ во время восстановления чувствительности). Наличие короткой мертвой зоны события означает‚ что после первого оптоволоконного соединения Вы сможете увидеть второе.
Рисунок 7. Мертвая зона события (мертвая зона отражения)
Мертвая зона затухания – это расстояние от какого-либо френелевского отражения до того места‚ где можно обнаружить обратное рассеяние.
В этом случае Вы получаете информацию о том‚ как скоро после отражения Вы сможете измерить второе событие‚ такую‚ как сварное соединение (оптоволоконный стык) или дефект волокна. Чтобы осуществлять какие-либо измерения потерь в волокне‚ Вы должны быть в состоянии увидеть обратное рассеяние по обе стороны от оптоволоконного соединения. Это означает‚ что рефлектограмма должна опуститься со своего пика у отражения до уровня обратного рассеяния. Мертвые зоны затухания всегда длиннее‚ чем мертвые зоны события‚ поскольку для обнаружения уровня обратного рассеяния детектор должен полностью восстановить свою чувствительность.
Рисунок 8. Мертвая зона затухания
4.3. Разрешающая способность
Имеются две разновидности разрешающей способности: пространственная (расстояние) и по потерям (уровень).
Разрешающая способность по потерям (по затуханию) – это способность измерителя различать воспринимаемые им уровни мощности. Большинство измерителей рефлектометров могут выводить на экран дисплея разность между уровнями обратного рассеяния вплоть до 0‚01 или 0‚001 децибела. Эту характеристику не надо путать с точностью определения уровня (которую мы обсудим ниже). По мере распространения лазерного импульса по волокну соответствующие сигналы обратного рассеяния становятся все слабее‚ а разница между уровнями обратного рассеяния в двух смежных точках измерения становятся все больше. Таким образом‚ чем дальше импульс распространяется по волокну от рефлектометра‚ тем относительно больше (по сравнению с частью волокна‚ примыкающей к рефлектометру) становится расстояние по вертикали между точками с результатами измерений‚ образующими рефлектограмму. Это приводит к тому‚ что ближе к концу всего волокна рефлектограмма становится зашумленной и для своего выравнивания нуждается в усреднении множества результатов измерения импульсов. Шум на рефлектограмме может лишить Вас возможности обнаруживать или измерять оптоволоконные соединения и дефекты с низкими потерями.
Пространственная разрешающая способность (разрешение по расстоянию) – это параметр‚ определяющий‚насколько близко друг к другу по времени (и‚ соответственно‚ по расстоянию) находятся отдельные точки с результатами измерений‚ образующие рефлектограмму. Эта способность выражается в единицах расстояния; высокая разрешающая способность – 0‚5 м‚ а низкая – от 4 до 16 м.
Рисунок 9. Разрешающая способность по расстоянию
Контроллер рефлектометра через определенные интервалы времени получает из измерителя точки с результатами измерений. Если он снимает показания измерителя очень часто‚ то расстояния между точками измерений будут небольшими‚ и рефлектометр сможет обнаруживать в волокне такие неоднородности‚ которые расположены близко друг к другу. Разрешающая способность по расстоянию оказывает влияние на способность рефлектометра определять местонахождение конца всего волокна: если точки измерений находятся друг от друга на расстоянии 8 м‚ то конец волокна может быть определен лишь с точностью ±8 м (см. раздел о точности измерения расстояний).
Вы можете выбирать и измерять расстояния (и потери) между любыми двумя точками измерений рефлектограммы. Чем ближе эти точки расположены друг к другу‚ тем больше сведений о волокне Вы получите. Рефлектограмма выводится на экран дисплея в виде линии‚ соединяющей точки измерений; Вы можете устанавливать курсор как между точками‚ так и на них самих. Такая интерполяция означает‚ что разрешающая способность дисплея выше‚ чем действительная пространственная (или относящаяся к точкам с результатами измерений) разрешающая способность. На экране дисплея легко достичь и «сантиметровой разрешающей способности» – для этого надо просто расширить на экране пространство между двумя точками измерений‚ так чтобы курсор можно было перемещать на очень небольшое расстояние. Но это не означает‚ что оптический рефлектометр производит измерения с высокой разрешающей способностью – речь идет только о высокой разрешающей способности дисплея.
Пространственная разрешающая способность в некоторых местах уменьшается из-за наличия мертвой зоны. Достоверные измерения затухания в волокне – это те‚ которые сделаны между двумя уровнями обратного рассеяния. Для измерения потерь нельзя использовать те точки измерений‚ которые были получены в то время‚ когда измеритель был в состоянии насыщения из-за френелевского отражения. Это связано с тем‚ что в то время измеритель не мог точно измерять уровни. Поэтому пространственная разрешающая способность в районе вокруг френелевского отражения – хуже (более низкая) из-за того‚ что единственные точки измерений‚ которые можно использовать‚ находятся до и после мертвой зоны по обе стороны оптоволоконного соединения.
4.4. Точность измерения потерь
Точность измерений‚ производимых измерителем оптического рефлектометра‚ определяется точно так же‚ как и у оптических ваттметров и фотоприемников любого вида. Точность любого оптического измерителя зависит от того‚ насколько близко выходная мощность электрического сигнала соответствует входной мощности оптического излучения. Большинство оптических измерителей преобразуют поступающую мощность оптического излучения равномерно по всему рабочему диапазону в электрический сигнал соответствующего уровня‚ но выходная мощность электрического сигнала оказывается крайне низкой. Во всех измерителях используются электрические усилители‚ повышающие крайне низкий уровень выходной мощности электрического сигнала‚ но все эти усилители вносят в сигнал определенные искажения. Высококачественные усилители могут усиливать как высокие‚ так и низкие уровни на одну и ту же величину. Говоря другими словами‚ в большей части рабочего диапазона у них в высшей степени «линейная» реакция на входную мощность. Усилители более низкого качества вносят в усиливаемый сигнал значительные искажения либо на высоком‚ либо на низком уровне входной мощности‚ так что эти уровни по краям рабочего диапазона становятся нелинейными. От того‚ в какой степени оптическому измерителю и его усилителю присуща линейность‚ будет зависеть‚ насколько точно поступающая оптическая мощность будет преобразовываться в усиленный электрический сигнал.
Точность измерений у многих оптических измерителей выражается либо (если диапазон измерений невелик) в виде просто плюс-минус (±) какое-то количество децибел (например‚ «± 0‚10 дБ»)‚ либо как определенное число процентов от уровня мощности (например‚ «2%»). Для оптических рефлектометров лучшим представлением точности измерений является указание степени линейности‚ выраженной как ± какое-то количество децибел на 1 децибел мощности‚ измеряемой в определенных диапазонах измерений – например‚ «± 0‚10 дБ/дБ в диапазоне от 10 дБ до 20 дБ». Предполагается‚ что оптические рефлектометры должны поддерживать приемлемую точность в весьма широких диапазонах измерений – некоторые рефлектометры охватывают диапазоны уровней обратного рассеяния‚ превышающие 40 дБ. Поэтому рефлектометрам требуется поддержание довольно высокой степени линейности во всем измеряемом диапазоне входных мощностей оптического излучения. Недостаточная степень линейности оптических рефлектометров часто отражается на характере рефлектограммы волокна‚ выводимой на дисплей. Она то круто падает вниз‚ то загибается вверх‚ то приобретает крайне неровный характер. Характеристики линейности оптических рефлектометров в рекламных описаниях обычно не приводятся.
Френелевские отражения обычно находятся вне диапазона измерений и поэтому при характеристике линейности рефлектометра не учитываются. Однако в выводимой на экран рефлектограмме в период восстановления чувствительности после отражения часто проявляется нелинейность‚ возникающая при переходе уровня поступающей мощности от крайне высокого (отражение) к очень низкому (обратное рассеяние).
