Точность измерения расстояний оптического рефлектометра зависит от трех факторов:
1. Стабильность тактовой частоты.
2. Шаг точек измерений.
3. Неопределенность показателя преломления.
Точность измерения расстояний зависит от стабильности и точности схемы синхронизации‚ которая определяет время подачи импульсов и длительность интервалов между выборкой показаний измерителя. Так например‚ точность измерения расстояния 0‚01% означает‚ что‚ если расстояние до конца волокна найдено равным 20 000м‚ то точность этого измерения будет ± 2м (20 000х0‚0001). Если часы спешат или отстают‚ тогда измеренное время – и‚ соответственно‚ расстояние – будет либо короче‚ либо длиннее‚ чем в действительности.
Влияет на точность измерений и пространственная разрешающая способность. Оптический рефлектометр может точно измерять расстояния только исходя из точек измерений‚ которые он использует. Чем ближе друг к другу расположены эти точки‚ тем больше вероятность того‚ что одна из них окажется около какого-либо повреждения волокна или прямо на нем.
Расстояние рассчитывается рефлектометром исходя из скорости света в волокне‚ а эта скорость определяется как скорость света в вакууме (постоянная величина)‚ деленная на показатель преломления. Это означает‚ что определяемый пользователем показатель преломления является критическим фактором для точного измерения расстояний. Если значение показателя преломления ошибочно‚ то и расстояние будет измерено неправильно. Однако характеристики волокна в разных его частях могут быть неодинаковыми‚ в связи с чем будет немного изменяться и значение показателя преломления. А это приведет‚ в свою очередь‚ к дополнительной неточности при измерении расстояний. Такая «неопределенность свойств волокна» вызывается изменениями показателя преломления в одном и том же волокне‚ а также тем‚ что показатели преломления двух или более волокон‚ объединенных посредством оптоволоконных соединений‚ могут быть неодинаковыми. Больше всего разницы между показателями преломления может быть у сращенных вместе волокон двух различных изготовителей.
Показатель преломления – это соотношение между скоростью света в вакууме и скоростью света в каком-нибудь определенном волокне. Поскольку быстрее всего свет распространяется в вакууме (например‚ в безвоздушном пространстве)‚ а в плотных материалах (таких‚ как атмосфера или стекло) распространяется медленнее‚ то значение этого показателя всегда больше единицы. Для стекла оно равно примерно 1‚5. Скорость света меняется в зависимости от плотности того материала‚ в котором он распространяется. Плотность волокна определяется количеством и видом примесей‚ применяемых в процессе изготовления; их распределение может быть не абсолютно одинаковым в различных частях волокна и в различных волокнах. Таким образом‚ значение показателя преломления изменяется как в различных волокнах‚ так и в пределах одного волокна. Показатель преломления является «калибровочным» коэффициентом‚ который «сообщает» рефлектометру‚ с какой скоростью распространяется свет‚ и тем самым предоставляет ему возможность точно измерять расстояния.
В большинстве случаев нужно использовать значения показателя‚ рекомендованные изготовителем для различных видов тестируемых волокон и для различных длин волн. С любыми вопросами‚ касающимися показателя преломления‚ обращайтесь к изготовителю волокна. Изменения в процессе изготовления волокна повлекут за собой и изменения значений показателя преломления.
Оптическое волокно обычно используется и тестируется только на трех диапазонах длин волны: 850 нм‚ 1300 нм и 1550 нм. Многомодовые волокна работают в диапазонах 850 нм и 1300 нм. Одномодовые волокна – только в диапазонах 1300 нм и 1550 нм.
Рисунок 10. Разница между рефлектограммами, снятыми на различных длинах волн
Для того чтобы подсоединить волокно к источнику света или измерителю‚ к волокну надо присоединить оптический разъем. На рынке имеется множество типов разъемов; наиболее обычными среди них являются: FC/PC‚ ST, SC‚ Biconic‚ SMA и D4. К волокнам всегда присоединяются вилочные части разъемов; к оборудованию для тестирования и к передающему оборудованию – розеточные части (или оптические переходные разъемы (переходники) «розетка–розетка»‚ позволяющие использовать вилочные части разъемов).
Во внимание надо принимать некоторые характеристики разъемов; это – коэффициент отражения‚ пригодность для многократных соединений‚ стойкость‚ размеры (обычно значение имеет длина разъема)‚ а также материалы‚ из которых разъем сделан. У разъемов‚ предназначенных для обеспечения контакта друг с другом‚ значения коэффициента отражения более низкие. Разъемы с ключом и прорезью могут присоединяться только одним способом и поэтому их можно использовать больше раз‚ чем разъемы других типов. При правильном сопряжении разъема должна быть исключена возможность его легкого вращения или смещения‚ которые могли бы привести к изменению количества проходящей через него световой энергии. От длины разъема зависит‚ насколько он будет выступать из распределительных панелей и передающего оборудования. Металлические разъемы‚ вероятно‚ будут служить дольше и обладают большей стойкостью‚ чем пластмассовые. Одними из лучших разъемов для одномодовых и многомодовых волокон являются разъемы различных видов‚ принадлежащие к типу FC/PC и обладающие очень хорошими характеристиками. Разъемы типа ST также считаются очень хорошими; сейчас для многих сетей они становятся одними из стандартных разъемов. SС-разъемы – это разъемы с самозапирающимся сочленением‚ обычно применяющиеся на линиях с большой плотностью волокон.
Для оптических рефлектометров надо использовать действительно хорошие разъемы‚ даже если для волокна использованы разъемы другого типа. Для соединения оптического рефлектометра с волокном почти всегда используют патчкорд‚ или перемычку – короткий отрезок одножильного волоконно-оптического кабеля‚ снабженный разъемами на обоих концах (см. следующий раздел о конфигурировании оптического рефлектометра).
У большинства рефлектометров имеются различные приспособления для подсоединения внешних устройств‚ таких‚ как принтеры‚ графопостроители‚ дисководы‚ модемы‚ внешние мониторы и компьютеры. Подключение этих устройств осуществляется с помощью одного или нескольких из следующих стандартных интерфейсов:
Выбор конфигурации оптического рефлектометра зависит от того‚ какое волокно будет тестироваться. Одновременно оптический рефлектометр может тестировать только один тип волокна – одномодовое или многомодовое. Для каждого типа волокна можно выбрать одну или две длины волны. Таким образом‚ на рынке имеются рефлектометры пригодные для тестирования многомодового волокна на 850 нм и/или 1300 нм или же одномодового волокна на 1300 нм и/или 1550 нм. Большинство обычных рефлектометров имеют модульную конструкцию‚ так что лазерный блок можно видоизменять таким образом‚ чтобы он стал соответствовать типу тестируемого волокна. Оптические минирефлектометры‚ как правило‚ не являются модульными.
Базовый блок и оптический модуль. Базовый блок рефлектометров модульной конструкции состоит из контроллера‚ дисплея‚ органов управления и дополнительного оборудования‚ поставляемого по желанию заказчика (такого‚ как принтер/графопостроитель‚ интерфейсы для внешнего сопряжения‚ модем‚ дисковод и т.п.). Оптический модуль‚ состоящий из блоков лазерного источника света и оптического измерителя‚ подсоединяется к базовому блоку с помощью разъема; его можно заменять на другие модули‚ чтобы сделать возможным тестирование при различных сочетаниях длин волн и типов волокна.
Тип волокна. Оптический модуль обычно может работать только с одномодовым или только с многомодовым волокном.
Рисунок 11. Типы оптических волокон
Основное различие между этими двумя типами волокна заключается в том‚ что диаметр светопроводящего сердечника многомодового волокна по меньшей мере в пять раз больше‚ чем у одномодового. Поскольку оптический рефлектометр должен и посылать и получать световую энергию‚ то оптический модуль не может эффективно работать с обоими типами волокна. Так например‚ модуль‚ предназначенный для одномодового волокна‚ без труда направит световые импульсы и в одномодовое и в многомодовое волокно‚ но при возвращении отраженной световой энергии из многомодового волокна большая часть обратного рассеяния будет потеряна при попытке войти в более узкий сердечник одномодового волокна‚ идущего к детектору.
Все сердечники одномодового волокна примерно одного и того же размера: от 8 до 10 микрон в диаметре. Оптический модуль для одномодового волокна оптимизирован для посылки световых импульсов в волокно такого диаметра.
Диаметры многомодового волокна могут быть равными 50; 62‚5 и 100 микронам. Конструкция оптического модуля для многомодового волокна обеспечивает его оптимальную работу только с каким-либо одним из этих размеров сердечника‚ хотя он без труда может проводить измерения и в сердечниках двух других размерах.
Длина волны. Длина волны для тестирования – это одна из важных характеристик оптического рефлектометра. Крайне важно тестировать сеть волоконно-оптической связи на той же длине волны‚ на которой она будет работать. Но может оказаться полезным тестирование и на других длинах волн. Хотя вы можете отконфигурировать рефлектометр таким образом‚ что он будет работать только на одной длине волны‚ все же лучше всего предусмотреть тестирование на обеих длинах волн‚ выделенных для данного типа волокна (850 нм и 1300 нм для мультимодового волокна и 1310 нм и 1550 нм для одномодового). Полное тестирование волокна должно производиться на обеих длинах волн‚ так чтобы стали известными его полные характеристики – на тот случай‚ если сеть в будущем будет модернизирована и перейдет на другую длину волны.
В некоторых случаях Вы‚ возможно‚ захотите протестировать волокно на других длинах волн‚ не входящих в рабочие диапазоны. Такие длины волн называются «внеполосными» и включают в себя 1244 нм и 1625 нм. Волна длиной 1244 нм используется для измерения в области сильного затухания кривой спектрального затухания в волокне‚ называемой «водяным максимумом». Если это затухание в области «водяного максимума» возрастает вследствие необычной химической активности в волокне‚ то оно может затронуть вскоре и рабочий диапазон 1310 нм. Диапазон 1625 нм обычно используется для мониторинга волокна (при применении волокна большой длины в диапазоне 1550 нм). Потери на 1625 нм аналогичны потерям на 1550 нм‚ так что и на этом диапазоне можно измерять всю длину волокна. В этом диапазоне также выше чувствительность к потерям на изгибы‚ так что проблемы такого рода можно обнаружить до того‚ как они начнут влиять на работу сети. Тестирование на длине волны 1625 нм обычно проводится на работающем волокне посредством ввода и вывода тестирующего светового излучения в волокно при помощи WDM-устройства (светоделительного мультиплексора).
При использовании более коротких волн затухание в волокне усиливается из-за их повышенной чувствительности к релеевскому рассеянию. Но на более длинных волнах увеличивается чувствительность к потерям на изгибы; кроме того‚ при работе на них наружу из волокна «просачивается» больше света‚ чем при работе на коротких волнах. Это означает‚ что в волокне‚ в котором из-за изгиба появилось механическое напряжение‚ при тестировании на 1550 нм будут обнаружены более высокие потери в месте изгиба‚ чем при тестировании на 1300 нм; хотя общее‚ полное затухание на 1550 нм будет меньше‚ чем на 1300 нм. Чувствительность различных длин световых волн к различным механизмам потерь в волокне может стать крайне важным орудием при отыскании неисправностей в волоконно-оптическом кабеле.
Разъем. Волоконно-оптические сети перед вводом в строй всегда снабжают разъемами. Разъемы либо устанавливаются на волокне на месте работы‚ либо к концу волокна присоединяется заранее снабженный разъемом отрезок кабеля («пигтейл»). Для обеспечения наилучших результатов разъем на рефлектометре должен соответствовать разъему‚ установленному в волоконно-оптической сети. На некоторых рефлектометрах используются разъемы универсального типа‚ допускающие их оперативную замену на месте. У других рефлектометров имеются только фиксированные‚ незаменяемые разъемы.
В тех случаях‚ когда рефлектометр применяется для тестирования многих неодинаковых волоконно-оптических сетей‚ использующих различные разъемы‚ нужно использовать волоконно-оптическую кабельную «перемычку» (или «патчкорд»). На обоих концах кабельной перемычки установлено по разъему‚ один из которых присоединен к рефлектометру‚ а другой – к волоконно-оптической сети. Для того чтобы разъемы на концах перемычки подходили‚ соответственно‚ к рефлектометру и к волоконно-оптической сети‚ они могут быть разного типа. Кабельные перемычки часто применяются даже тогда‚ когда разъем рефлектометра соответствует разъему сети‚ это делается для предотвращения износа оптического волокна сети. В волоконно-оптической сети могут использоваться несколько типов разъемов‚ так что понадобится столько патчкордов‚ сколько имеется типов разъемов. У каждого патчкорда на одном конце будет разъем того типа‚ который использован на рефлектометре‚ а на другом – того типа‚ который применен в сети.
При подключении к неоконцованному (без разъема) оптическому волокну Вам потребуется применить пигтейл. Он такой же‚ как и перемычка‚ но снабжен разъемом лишь на одном конце. На другом конце – неоконцованное волокно‚ так что можно выполнить временное сращение с неоконцованным концом волокна‚ которое предстоит тестировать.
5.2. Параметры измерений
После того как рефлектометр был должным образом отконфигурирован с учетом той волоконно-оптической сети‚ в которой предстоит производить измерения‚ он готов к проведению тестирования. Для обеспечения наилучших результатов надо настроить прибор. Многие из параметров измерения надо настроить лишь один раз‚ затем они будут сохранены в памяти прибора. Если данные о рефлектограмме можно хранить в памяти рефлектометра или на дискете‚ то при выведении рефлектограммы на экран можно вывести и информацию о настройке.
Диапазон измеряемых расстояний. Диапазон измеряемых расстояний называют также диапазоном длин‚ выводимых на дисплей. Он ограничивает длину волокна‚ которую можно вывести на экран дисплея. Диапазон измеряемых расстояний должен быть больше длины тестируемого волокна. Этот диапазон влияет на точность тестирования и на время‚ нужное для его проведения.
Поскольку оптический рефлектометр должен одновременно посылать только один импульс‚ а затем‚ прежде чем послать следующий импульс‚ ждать‚ пока в детектор не вернутся все отражения первого импульса‚ то диапазон измеряемых расстояний определяет время‚ через которое посылаются импульсы. Этот параметр называется частотой повторения импульсов (ЧПИ). Чем больше эта частота‚ тем короче время усреднения при данном числе средних значений. Чем длиннее волокно‚ тем больше время прохождения импульса по нему; поэтому‚ чем больше диапазон измерения расстояний‚ тем большее время занимает полное усреднение – так как ЧПИ меньше. При тестировании длинного волокна с использованием более короткого диапазона измеряемых расстояний появляется возможность того‚ что новый тестирующий импульс будет послан в волокно до того‚ как все отраженные сигналы от предыдущего импульса будут восприняты детектором рефлектометра. Полученные в результате этого несколько уровней отраженных сигналов могут привести к появлению на дисплее непредсказуемых результатов и оказать воздействие на результаты измерения уровней. Это может привести также к появлению на рефлектограмме волокна паразитных отраженных сигналов.
Разрешающая способность. При некоторых конфигурациях рефлектометра имеется возможность выбирать разрешающую способность измерений – расстояние (шаг) между точками с результатами измерений. Более высокая разрешающая способность (меньший шаг точек) обеспечит получение большего числа сведений о волокне‚ но тестирование в этом случае‚ как правило‚ займет больше времени‚ чем при более низкой разрешающей способности. Самая лучшая разрешающая способность‚ предлагаемая большинством рефлектометров‚ составляет 0‚5 м (между точками с результатами измерений). Обычно разрешающая способность составляет 8 м.
Более высокая разрешающая способность обеспечивает более точное определение местонахождения события (неоднородности) на рефлектограмме. Так‚ например‚ допустим‚ что рефлектометр снимает показания через каждые 8м волокна‚ но может оказаться так‚ что обрыв волокна произойдет через 7 м после точки с результатами измерений. Возникшее в результате этого френелевское отражение будет казаться исходящим от точки с результатами измерений‚ находящейся за 7 м до места действительного обрыва‚ поскольку следующая точка (через 1м после места обрыва) окажется на уровне френелевского отражения. Измерения покажут‚ что обрыв находится за 7 м до места действительного обрыва‚ так как расстояние до места обрыва всегда определяется как расстояние до последней точки обратного рассеяния перед френелевским отражением. Действительное место обрыва (отражение) будет на расстоянии 7 м. от полученного в результате измерений. Если же разрешающую способность точек с результатами измерений сократить до 0‚5 м‚ то местонахождение обрыва будет установлено более точно – с точностью примерно до 30 см (см. Рис.9).
Разрешающую способность не надо путать с масштабом дисплея по горизонтали. Да и разрешающая способность курсора (то‚ на какое минимальное расстояние можно переместить курсор на экране) не имеет никакого отношения к шагу точек с результатами измерений. Большинство курсоров можно поместить между этими точками‚ создав тем самым впечатление‚ что они обеспечивают лучшую разрешающую способность.
Длительность импульса. Длительность лазерных импульсов можно изменять. Выбирая большую или меньшую длительность импульса‚ можно регулировать уровень отраженного обратного рассеяния‚ а также размер мертвой зоны. Более длительный импульс означает посылку в волокно большего количества световой энергии‚ которая поэтому пройдет по волокну на большее расстояние и приведет к более высоким уровням обратного рассеяния. Но это приведет также к большей длительности мертвых зон. И наоборот‚ импульс меньшей длительности приведет к тому‚ что мертвые зоны будут минимальной длительности‚ но обратное рассеяние окажется слабее.
Импульсы большой длительности обеспечивают рефлектометру максимальный динамический диапазон; они применяются для быстрого обнаружения дефектов и обрывов волокна. Поскольку при более длинных импульсах уровни обратного рассеяния повышаются‚ то для получения «чистой» рефлектограммы потребуется меньшее время усреднения.
Импульсы меньшей длительности применяются для тестирования той части волокна‚ которая примыкает к рефлектометру. Они используются и для того‚ чтобы отличить друг от друга две (или более) неоднородности‚ близко расположенные друг к другу. Вследствие меньшей длительности мертвой зоны такие импульсы дают возможность обнаруживать более мелкие подробности в обратном рассеянии‚ идущем сразу же за френелевским отражением. Но из-за более низкого уровня обратного рассеяния требуется большее время усреднения.
Эмпирическое правило‚ применяемое для определения длительности импульса гласит: «Длинный импульс – чтобы видеть далеко; короткий импульс – чтобы видеть вблизи».
Усреднение. Смежные точки с результатами измерений‚ полученные от одного измерительного импульса‚ могут отличаться друг от друга‚ хотя в самом импульсе изменения произошли весьма небольшие. Полученная в результате этого рефлектограмма выглядит «зашумленной» или размытой. Чтобы получить более надежную и гладкую рефлектограмму‚ рефлектометр каждую секунду посылает тысячи измерительных импульсов. Каждый импульс обеспечивает набор точек измерений‚ которые затем усредняются с последующими наборами точек‚ для того чтобы улучшить отношение «сигнал – шум» рефлектограммы. Усреднение занимает некоторое время. Обычно длительное усреднение требуется при тестировании длинного волокна‚ а также при посылке импульсов малой длительности. Можно заранее установить объем усреднения‚ необходимый для получения согласующихся между собой результатов тестирования.
Если тестирование проводится в реальном масштабе времени‚ то усреднения не производится вообще или производится очень мало. При выведении данных на дисплей в реальном масштабе времени можно видеть изменения‚ имеющие место в волокне‚ в то время‚ когда они происходят. Тестирование в реальном масштабе времени обычно производится во время осуществления операций по сращиванию волокна. Такое тестирование направлено на идентификацию волокна и на измерение параметров выполняемого оптоволоконного стыка. Такое тестирование используется также для быстрого измерения волоконно-оптического кабеля на барабане в ходе приемочного тестирования.
