Принцип работы оптического рефлектометра (otdr): как он устроен, принцип действия и примеры реальных измерений

Преимущества

Сенсор данного прибора является обычным телекоммуникационным волокном, что сразу предоставляет следующие плюсы:

• низкая стоимость сенсора;
• возможность использования уже проложенных телекоммуникационных линий;
• простота укладки;
• нечувствительность к электромагнитным помехам;
• отсутствие необходимости подведения электричества;
• отсутствие необходимости техобслуживания;
• скрытность сенсора (при укладке кабеля в грунт).

Прибор в целом имеет следующие достоинства:

• возможность удалённой настройки компонентов прибора (бустер, предусилитель и др.);
• отображение нарушений в реальном времени на карте местности;
• возможность одновременной регистрации нескольких сигналов тревоги с разных участков сенсора;
• возможность прослушивания звука с выбранного участка.

[править] Характеристики

На расстояние, в пределах которого рефлектометр способен обнаружить повреждение, влияют также сечение жил проверяемого кабеля, его качество и способ подключения к нему рефлектометра. Чем больше сечение жил кабеля, тем меньшее затухание претерпевает электрический импульс, подаваемый рефлектометром в этот кабель, и тем больше перекрываемое прибором расстояние.

Старые кабели или кабели с дефектами могут иметь пониженное сопротивление изоляции или повышенное затухание, что приводит к сокращению предельного расстояния. Кроме того, на расстояние действия рефлектометра влияет способ его подключения к кабелю. Подключение должно быть таким, чтобы в проверяемый кабель была передана максимально возможная энергия импульса прибора. Многие рефлектометры имеют функцию автоматической цифровой фильтрации шумов. Данная функция обеспечивает многоуровневую систему фильтрации, позволяющую устранить различные типы шумов, возникших от различных наводок. Существуют два типа приемного блока рефлектометра — каждый со своими преимуществами и недостатками. Наиболее часто используется узкополосный приемный блок. Он позволяет применять узкополосный усилитель и АЦП (следовательно, потребляет меньшую мощность и имеет меньшую стоимость); перед усилителем располагается схема выборки и хранения. Данная схема позволяет использовать импульсы длительностью до 2 нс, но имеет и отрицательную сторону: она вносит помехи на выводимое на дисплей изображение характеристики и поэтому не может использоваться в рефлектометрах с большой дальностью действия.

Широкополосный приемный блок не имеет схемы выборки и хранения, потому что в ней используются широкополосный усилитель и АЦП. Преимуществом такой конструкции является низкий уровень шумов, позволяющий идеально использовать ее в рефлектометрах с большой дальностью действия. Однако такая схема не поддерживает очень короткие импульсы, что является необходимым для рефлектометров малой дальности действия. Прибор определяет расстояние до неоднородности, исходя из скорости распространения сигнала в кабеле и измеренного времени его прохождения до неоднородности и обратно. Скорость распространения сигнала в кабеле обычно представляется в виде коэффициента, показывающего, насколько скорость распространения сигнала в данном кабеле отличается от скорости света, и берется из таблиц или определяется опытным путем. В импортных приборах чаще всего используется коэффициент распространения (VOP или PVF), выраженный в процентах (<100 %), в отечественных — коэффициент укорочения (g) (>1). Коэффициент распространения и коэффициент укорочения связаны между собой следующим соотношением: g = 1/VOP = 1/PVF Правильность выбора коэффициента распространения оказывает значительное влияние на точность любого сделанного измерения, следовательно для получения как можно более точных результатов необходимо знать технологию определения коэффициента распространения для каждого конкретного кабеля.

Лучшие модели оптических рефлектометров по соотношению цена / возможности

В таблице ниже представлены популярные серии оптических рефлектометров, которые наиболее интересны с точки зрения стоимости, характеристик и качества исполнения по состоянию на август 2020. Все серии предлагаемых рефлектометров (более 20 моделей) представлены .

Возможности

Максимальный диапазон

Импульс оптического излучения затухает при распространении по волокну. Для одномодового волокна при работе на длине волны 1550 нм типичное значение коэффициента затухания составляет 0.18 дБ/км. Так как излучение после рассеяния также проходит обратный путь, то итоговое затухание на 1 км сенсора составит 0.36 дБ. Максимальным расстоянием является то, на котором уровень рассеянного сигнала становится так мал, что его нельзя различить на фоне шума системы. Это ограничение нельзя преодолеть путём увеличения мощности вводимого излучения, так как с определённого значения это вызовет нелинейные эффекты, которые сделают работу системы невозможной. Типичный диапазон работы системы составляет 50 км.

Пространственное разрешение и частота регистрации отсчётов

Пространственное разрешение определяется преимущественно длительностью импульса, составляя половину длительности импульса в волокне. Так, для продолжительности импульса 200 нс пространственное разрешение будет составлять 10 м. Необходимо заметить, что длительность импульса влияет на величину обратнорассеянной мощности, поэтому разрешение связано с максимальным диапазоном. Однако увеличение длительности импульса ведёт к ухудшению пространственного разрешения, поэтому обычно используются продолжительности в диапазоне от 100 до 1000 нс. Следует отличать от пространственного разрешения частоту регистрации отсчётов. Она определяется скоростью работы АЦП прибора и может составлять и 10 нс. Но это не означает, что прибор может различать события с разрешением 1 м, так как данные события «смешаются» в пределах десятиметрового импульса.

Регистрируемая частота звука

Рефлектограмма является набором значений интенсивности в каждой точке сенсора. То есть чем больше количество рефлектограмм, которое мы получаем, тем выше частота, которую мы можем регистрировать. Но она ограничена сверху, так как для получения одной картины обратного рассеяния необходимо, чтобы импульс света сначала дошёл до самой дальней точки сенсора, а потом обратнорассеянное излучение вернулось обратно. Для волокна длиной 50 км с показателем преломления 1,5 это потребует 500 мкс, то есть частота опроса сенсора составляет 2 кГц. Согласно теореме Котельникова, такая система может регистрировать сигналы с частотой до 1 кГц.

Измерения температуры

Система на основе рэлеевского рассеяния также, как и устройство на основе рамановского и бриллюэновского рассеяний, может регистрировать изменения температуры, так как нагрев и охлаждение будут влиять на случайные фазы центров рассеяния. Однако данное направление ещё не получило широкого распространения.

Структурная схема

Структурная схема фазочувствительного рефлектометра: 1 – узкополосный лазер, 2 – эрбиевый усилитель – бустер, 3 — программируемая логическая интегральная схема, 4 – драйвер модулятора, 5 — акустооптический модулятор, 6 – оптический разветвитель 50:50, 7 – оптический циркулятор, 8 – сенсорное волокно, 9 – эрбиевый предусилитель, 10 – оптический фильтр, 11 – фотодиод, 12 – аналогово-цифровой преобразователь, 13 – персональный компьютер оператора.

Излучение от источника 1 усиливается в бустере 2 до необходимой мощности, далее акустооптический модулятор 5 формирует зондирующий импульс под действием управляющих сигналов ПЛИС 3 и драйвера 4, который через разветвитель 6 попадает в сенсорные каналы (их может быть 1 в упрощённой схеме или 2 для обеспечения резервирования), в каждом из которых излучение через циркулятор 7 попадает в сенсорное волокно 5. Рассеянное назад излучение с каждой точки сенсора циркулятором 7 направляется на предусилитель 9, который повышает низкую мощность до регистрируемого уровня. В фильтре 10 отсекается спонтанное излучение предусилителя 9. Преобразование оптического сигнала в электрический происходит на фотодиоде 11, далее происходит его оцифровка на АЦП 12, предварительная обработка и фильтрация на ПЛИС 3. В окончательном виде информация подаётся на компьютер оператора 13.
Особенности схемы:

1. Лазерный источник должен обладать большой длиной когерентности и хорошей стабильностью центральной длины волны.
2. Бустер должен позволять усиливать сигнал до 1 Вт в непрерывном режиме (схема с импульсным режимом работы бустера допустима, но даёт больший уровень шума)
3. ПЛИС должна обладать достаточной вычислительной мощностью для обеспечения управления всеми компонентами и предварительной обработки получаемых данных
4. Драйвер модулятора должен обеспечивать малые фронты и малый джиттер.
5. Модулятор должен обеспечивать высокий коэффициент гашения для подавления когерентного шума, малые фронты импульса и высокую лучевую стойкость. Поэтому в приборах данного типа используются акустооптические модуляторы.
6. Разветвитель должен выдерживать излучение до 1 Вт.
7. Циркулятор обеспечивает проведение излучения к сенсору и к фотоприёмнику с минимальными потерями. Также должен обладать высокой лучевой стойкостью.
8. Сенсорное волокно может быть любым одномодовым, что является преимуществом прибора.
9. Предусилитель при использовании схемы с двумя сенсорами должен быть двухканальным и позволять настраивать выходную мощность.
10. Оптический фильтр должен обладать узкой шириной спектра для отсечения спонтанных шумов.
11. Фотодиод должен работать с частотами порядка 10 МГц.
12. АЦП должен быть двухканальным и соответствовать частоте работы фотодиода
13. ПК должен обеспечивать окончательную обработку и отображение данных. Несколько ПК могут обрабатывать данные по разным алгоритмам.

Краткое вступление

Это вторая статья из цикла материалов, посвящённых тестированию пассивных оптических сетей PON. В ней приводятся результаты измерений пяти моделей рефлектометров с рабочими длинами волн 1310 нм и 1550 нм, которые используются для измерений неактивной PON сети на этапе строительства, либо для диагностики нерабочей ветки эксплуатируемой сети при устранении поломок. В тесте намеренно представлены рефлектометры всех ценовых диапазонов: от эконом модели Grandway FHO3000-D26 с динамическим диапазоном 26 дБ до профессионального EXFO MaxTester MAX 730C с динамическим диапазоном 39 дБ, который оснащён PON-оптимизированным измерительным модулем.

Выбор рефлектометра для пассивной оптической сети PON — это не простая задача. Ведь PON сеть содержит делители (сплиттеры), которые приводят к значительному затуханию тестовых рефлектометрических импульсов, что представляет собой серьёзное испытание для любой модели рефлектометра, даже с большим динамическим диапазоном. С другой стороны, делители PON сети часто располагаются близко друг к другу, иногда на расстоянии менее 100 метров. Это дополнительно усложняет задачу точного измерения, так как требует от рефлектометра минимальной мёртвой зоны.

Результаты реальных измерений, которые приведены на этой странице, помогут Вам выбрать оптимальную модель рефлектометра, а также избежать ситуации, когда фактические возможности приобретённого прибора не соответствуют его заявленным характеристикам. В качестве объекта измерения использовался имитатор PON сети с общим коэффициентом деления в ветке, равным 128. Подробное описание этого имитатора находится здесь. Далее приведены результаты тестов при неактивном волокне на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. В конце этой статьи есть обобщение с выводами. Результаты тестов активного волокна на длинах волн 1625 нм и 1650 нм будут опубликованы в отдельной статье.

Принцип действия

Принцип работы прибора схож с обычным оптическим рефлектометром. Главное отличие заключается в длине когерентности используемого источника излучения. В обычном рефлектометре она меньше длины зондирующего импульса, в результате чего назад рассеивается усреднённая мощность излучения. В фазочувствительном рефлектометре длина когерентности источника больше длительности импульса, благодаря чему рассеянное от неоднородностей излучение в пределах длительности импульса складывается с учётом фаз. Эти фазы для каждой волны являются случайной величиной, в результате чего регистрируемый сигнал рассеяния, называемый рефлектограммой, имеет флуктуации. Данный сигнал является одномерным аналогом спекл-картины.

Эти отклонения рефлектограммы примерно сохраняются до тех пор, пока не будут изменены фазы рассеивающих центров на каком-либо участке кабеля. Это происходит при деформации оптического волокна, которая может быть вызвана либо прямым воздействием на кабель, либо дошедшей до него акустической волной от окружающих событий.

Таким образом, анализируя стабильность получаемых рефлектограмм, можно делать выводы о происходящих вокруг сенсора событиях. При этом рефлектограммы не накапливаются для усреднения (как это происходит в оптическом рефлектометре), а постоянно обрабатываются для выявления воздействий. Типичный способ применения данного прибора – укладка сенсорного волокна вдоль контролируемого объекта (дорога, трубопровод, периметр территории и т.п.) и последующее отслеживание возникающих событий, отображаемых на экране оператора.