4039

Разработка методических указаний для выполнения лабораторных работ с использованием компьютерной программы Рефлектометр

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При построении телекоммуникационных сетей с ипользованием оптоволоконных кабелей важнейшим инструментом является оптический рефлектометр. Оптический рефлектометр – сложное и дорогое устройство, поэтому для его изучения была создана компьютерная программа, моделирующая работу оптического рефлектометра (ОР)...

Русский

2012-11-12

569.59 KB

19 чел.

Введение

При построении телекоммуникационных сетей с ипользованием оптоволоконных кабелей важнейшим инструментом является оптический рефлектометр. Оптический рефлектометр – сложное и дорогое устройство, поэтому для его изучения была создана компьютерная программа, моделирующая работу оптического рефлектометра (ОР).

Задание для данной курсовой работы – разработка методических указаний для выполнения лабораторных работ с использованием компьютерной программы «РЕФЛЕКТОМЕТР»  для ознакомления со структурой и принципом работы ОР, изучения методики измерения параметров оптических волокон (ОВ) и параметров сварных соединений ОВ.

Часть I

Компьютерная программа «РЕФЛЕКТОМЕТР» моделирует лабораторную установку (рис.1), состоящую из универсального оптического рефлектометра (ОР), сварочного аппарата (СА)  и  двух однородных отрезков оптических волокон: ОВ1 (в компьютерной программе ВС1) и ОВ2 (в компьютерной программе ВС2). Предусмотрены возможности подключения ОР к волоконному тракту (ВТ) с любой стороны (ВС1+ВС2) или (ВС2+ВС1) и отключения ОР от ВТ.

Рис.1 Структурная схема лабораторной установки

Оптический   рефлектометр

Моделируемый оптический рефлектометр (ОР) состоит из:

–   четырех сменных оптоэлектронных блоков;

–   электронного блока обработки сигналов обратного рассеяния.

В комплект ОР входят следующие оптоэлектронные блоки:

  1.  для многомодовых ОВ (МОВ) с длиной волны =0.85 мкм;
  2.  для МОВ  с =1.3 мкм;
  3.  для одномодовых ОВ (ООВ) с =1.3 мкм;
  4.  для  ООВ  с =1.55 мкм.

Структурная  схема  оптоэлектронного  блока  (рис. 2), подключенного к ВТ с  помощью  направленного  ответвителя  (НО),  содержит:

– стабилизированный  по  мощности  источник   коротких  оптических импульсов   (ИИ);

–  фотоприёмное   устройство  (ФПУ).

Источник излучения (ИИ) включает: лазерный диод (ЛД) с встроенным фотодиодом (ФД) и систему стабилизации выходной оптической мощности, состоящую из усилителя тока накачки (УТН), источника опорного тока (ИОТ) и усилителя тока ошибки (УТО).

ФПУ включает: лавинный фотодиод (ЛФД) со стабилизированным источником питания (ИП), усилитель фототока (УФТ) и усилитель напряжения (УН).

Периодическая последовательность коротких импульсов напряжения поступает из блока обработки на один вход УТН, который преобразует входное напряжение в ток накачки ЛД. Для стабилизации выходной оптической мощности используется датчик - встроенный ФД, фототок которого поступает на один вход УТО, который преобразует разность фототока и опорного тока от ИОТ в напряжение стабилизирующей отрицательной обратной связи, поступающее на второй вход УТН.

Рис. 2. Структурная схема оптоэлектронного блока

Оптические импульсы через НО поступают в исследуемый ВТ. Обратно рассеянное излучение и отраженные от неоднородностей ВТ оптические импульсы через НО поступают на вход ЛФД, где преобразуются в фототок. Последний в УФТ преобразуется в напряжение и усиливается в УН. Коэффициент УН можно изменять при настройке ОР.

Структурная схема электронного блока ОР (рис. 3) включает генератор импульсов (ГИ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессорное устройство управления (МПУУ) и устройство отображения (УО).

     

            

                     Рис.  3. Структурная схема электронного блока обработки ОР

       УО выполняется на основе электронно-лучевой трубки или жидко-кристаллической панели. МПУУ управляет работой АЦП и позволяет осуществлять накопление и запоминание сигналов обратного рассеяния от различных точек ВТ.

         ПРИНЦИП  НАКОПЛЕНИЯ  СИГНАЛА  ОБРАТНОГО  РАССЕЯНИЯ (СОР).

Для накопленного сигнала UN(l), обусловленного участком ВТ, расположенном на расстоянии l от начала ВТ, можно записать

                             ,       (1)

где N - число накоплений сигнала в данной точке;

US(l)  - полезный сигнал в данной точке рефлектограммы;

Uni - отсчет шума при i накоплении.

                

Т.к. шум на выходе ФПУ является случайной величиной со среднеквадратическим отклонением (СКО) , то отношение сигнала к шуму на выходе ФПУ составляет

                                                   .         (2)

После N накоплений отношение сигнала к шуму возрастает пропорционально  

                                         .     (3)

Числом накоплений в ОР можно управлять.  

Динамический диапазон ОР, который представляет собой выраженное в     логарифмических единицах отношение сигнала обратного рэлеевского рассеяния при                               l =  0 к шуму :

                           (4)

за  счет  накопления  возрастает  на  2.5 lg(N) дБ.

Динамический диапазон ОР зависит также от длительности зондирующего импульса ti. Если известен динамический диапазон D0 при длительности импульса ti0, оценить в первом приближении динамический диапазон D при другой длительности импульса ti можно по выражению

                                                  .     (5)

Типичная рефлектограмма сигнала обратного рассеяния для ВТ приведена на рис. 1.4.

 

Рис.  4  Сигнал обратного рассеяния

На ней можно выделить однородные участки (2) ВТ (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания , на которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания.

 Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала (1) вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ВС. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР - мертвую зону, т.е. расстояние lм, на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания.

  Выброс сигнала с перепадом затухания (4) возникает при наличии в тракте разъемного соединителя, а также при наличии в волокне маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха. Такие отражения характеризуются возвратными потерями, которые могут быть рассчитаны по выражению:

                                                             (6)

где R - коэффициент отражения.

Коэффициент отражения для границы раздела кварц/воздух достигает значительной величины 4% при угле падения 0. Однако, если поверхность скошенная, неровная или загрязненная, коэффициент отражения может иметь значительно меньшую величину, и отражение от обрыва или заднего торца ВТ не всегда можно обнаружить.

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой (3). Конец ВТ или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу (5) и следующему за ним участку (6) с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.

       Рис.  5   Типичная  рефлектограмма  при  подключении  к  ОР  однородного  ОВ.

На  рис. 5  показано окно программы «РЕФЛЕКТОМЕТР»   с рефлектограммой  при

подключении  к  ОР  однородного  ОВ,  где видны  два всплеска – сигналы отражения

от переднего и заднего торцов ОВ, однородный участок с постоянным коэффициентом затухания  и сигнал шума за пределами оптического волокна.

Контрольные  вопросы

  1.  Основные элементы структурной схемы оптического рефлектометра и их

назначение.

  1.  Сущность принципа накопления сигнала обратного рассеяния.
  2.  Сущность режима последовательного накопления сигнала обратного рассеяния.
  3.  Сущность режима параллельного накопления сигнала обратного рассеяния.
  4.  Причины возникновения  «мёртвой зоны»  в оптическом рефлектометре.
  5.  Способы уменьшения  «мёртвой зоны».
  6.  Динамический диапазон оптического рефлектометра.
  7.  Способы увеличения динамического диапазона.
  8.  Какие параметры оптоволоконного тракта позволяет измерить оптический рефлектометр?

Управление лабораторной установкой

        1.    Компьютерная программа, моделирующая  работу лабораторной установки,  запускается  ярлыком  «РЕФЛЕКТОМЕТР»  на  рабочем столе.

         2.   В открывшемся окне  в  верхней части экрана  находится  основное меню (на синем  фоне),  над  которым  будет  строка  с  подсказкой,  следуя  которой, необходимо  нажимать  на  любую  клавишу.

          3.    Далее,  используя  клавиши  управления  курсором  (стрелка «влево» и «вправо»), перамещаемся  по пунктам  основного меню. Обращение к выбранному пункту осуществляется клавишей «Enter».  

      Основное меню содержит следующие пункты (режимы работы):

«Помощь», «Вариант», «Параметры», «Рефлектограмма», «Сварка», «Подключение»,    «Настройка»     и     «Выход».

          4. Выбираем пункт горизонтального меню «ВАРИАНТ» курсорными клавишами и нажимаем клавишу «Enter».  Устанавливается указанный преподавателем вариант задания.

  1.  Выбираем пункт «ПАРАМЕТРЫ».

      Режим "ПАРАМЕТРЫ" позволяет войти в подменю, каждый пункт которого предназначен для установки определенного параметра ОР. Для перемещения по подменю используются вертикальные курсорные клавиши. Выбор устанавливаемого параметра подтверждается клавишей «Enter». Для установки конкретного значения выбранного параметра также используется подменю, управляемое курсорами. Выбранное значение параметра подтверждается клавишей «Enter». После установки значений всех параметров для выхода в главное меню нажмите клавишу «Enter» при выборе пункта подменю "Выход". 

На экран выведены параметры, заданные по умолчанию:

  параметры ОР:

     -  коэффициент усиления -            (100);

     -  длительность импульса -           (500 нс);

     -  длину волны -                              (1.3 мкм);

     -  максимальное расстояние -        (25 км);

     -  режим работы -                           (логарифмический);

     -  цена деления по вертикали -     (2.5 дБ/дел);

     -  режим накопления -                    (параллельный);

     -  число накоплений -                     (2000);

     -  оптический разъем -                   (многомодовый 50/125 мкм);

     -  режим просмотра -                      (обзор);

   режим подключения:

     -  подключение -                              (ВС1+ВС2); 

   упрвление сварочным аппаратом:

     -  сварка -                                         (скол) .

При установке "Коэффициента усиления" изменяется коэффициент передачи УН в ФПУ в пределах от 0.3 до 10000. При этом изменяется расположение рефлектограммы на экране в логарифмическом масштабе, но не меняется отношение сигнала к шуму.

При установке "Длительности импульса" вместе с изменением длительности импульса в пределах от 20 до 5000 нс изменяется также уровень сигнала обратного рассеяния. Причем с увеличением длительности уровень сигнала обратного рассеяния растет, а уровень френелевских сигналов и уровень шума практически не изменяются. При изменении длительности изменяется расположение рефлектограммы на экране в логарифмическом масштабе и отношение сигнала к шуму.

При установке "Длины участка" горизонтальная шкала ОР имеет протяженность 1, 5, 25 и 125 км.

При установке "Длины волны" изменяется тип оптико-электронного блока. При этом для длины волны =1.3 мкм необходимо выбрать также и тип оптического разъема 50/125 мкм или 9/125 мкм в пункте меню "Оптический разъем". Для других длин волн оптический разъем и длина волны связаны однозначно. Поэтому достаточно задать только длину волны.

При установке "Режима работы" можно выбирать между линейным масштабом по оси Y и логарифмическим. Второй режим работы удобнее при измерениях затухания и потерь. Шкала градуируется непосредственно в дБ. В линейном режиме по вертикальной оси откладывается величина напряжения сигнала в Вольтах на выходе ФПУ. После выбора режима работы в этом же пункте выбирается цена деления вертикальной шкалы дБ/дел в логарифмическом масштабе (в пределах от 0.25 до 2.5 дБ/дел) и в В/дел в линейном масштабе (в пределах от 1 мВ/дел до 1.0 В/дел).

 При установке "Режима накоплений" можно выбирать между последовательным и параллельным накоплением сигнала обратного рассеяния.

       -  В первом случае в каждом измерительном периоде измеряется сигнал только в одной точке рефлектограммы. В каждой точке проводится N измерений (N может изменяться от 10 до 1000). После чего начинается регистрация другой точки.

Общее время регистрации Tr прямо пропорционально числу регистрируемых точек M и числу накоплений в каждой точке N 

                                             ,     (7)

где - период следования зондирующих импульсов.

       - Во втором случае в каждом измерительном периоде измеряется сигнал ото всех точек рефлектограммы. Число накоплений N может изменяться от 2000 до 2000000. Общее время регистрации не зависит от числа регистрируемых точек M и составляет

                                                      .     (8)

Отметим, что параллельное накопление организовать технически сложнее чем последовательное. Кроме того, его реализация требует применения большего количества быстродействующих микросхем, что приводит также к увеличению энергопотребления. При работе на установке помните, что с увеличением числа накоплений N резко возрастает время измерения, особенно при последовательном накоплении.

6.      Устанавливаем  режим подключения.

    Режим "ПОДКЛЮЧЕНИЕ" позволяет войти в подменю, состоящее из трех пунктов: "ВС1+ВС2", "ВС2+ВС1" и "Нет подключения". Выбирая первый или второй, можно подключить ОР с любой стороны ВТ. При установке третьего пункта можно наблюдать отражение от границы раздела  ОВ/воздух.

          7.   Режим "СВАРКА" ( управление сварочным аппаратом )   позволяет войти  в  подменю,  состоящее  из  двух  пунктов:    "Сварка" и  "Скол".     

При выборе пункта "Сварка" происходит сварка двух ОВ, в последовательности указанной в режиме основного меню "ПОДКЛЮЧЕНИЕ".

При выборе пункта "Скол" сварка, если она была перед этим сделана, разрушается и на рефлектограмме можно видеть только один ОВ.

8. Режим «Настройка» предназначен для выбора вывода на экран монохромного или цветного изображения, для включения и выключения звуковых эффектов, для подстройки программы под быстродействие компьютера. Для подстройки с помощью курсорных клавиш изменяется задержка.

9.  Режим «РЕФЛЕКТОГРАММА» позволяет запустить ОР на регистрацию рефлектограммы (запуск измерительного процесса).

Основной целью выбора и задания параметров ОР является получение наглядной рефлектограммы, по возможности свободной от шумов, и по которой можно определять параметры исследуемого волоконного тракта и самого ОР.

Для измерения уровней сигналов обратного рассеяния и расстояний до соответствующих точек используются два вертикальных курсора, которые перемещаются с помощью курсорных клавиш клавиатуры: левый курсор – клавишами  и , правый – клавишами  и .

Отсчеты расстояний в км и сигналов обратного рассеяния в дБ находятся под экраном с рефлектограммой. Там же приводится расстояние между курсорами и разность сигналов обратного рассеяния.

           Предусмотрена возможность подробного изучения фрагмента рефлектограммы, находящегося между курсорами, с помощью нажатия большой клавиши пробела. Этот режим работы называют «электронной лупой» или «окном». Режим используется для повышения точности измерения расстояний и вносимого неоднородностями затухания.     Операция выделения фрагмента может выполняться и для уже выбранного фрагмента.

Возврат  к  исходной  рефлектограмме  осуществляется через пункт меню «Параметры»  -  «обзор».

 

порядок  выполнения  работы

        Перед  проведением  экспериментальных  исследований  необходимо, прочитав содержание, выполнить ряд пунктов:

  1.   Запускаем программу  «РЕФЛЕКТОМЕТР».
  2.   Выбираем  нужный вариант.
  3.   Устанавливаем параметры:

  параметры ОР:

     -  коэффициент усиления -            (3);

     -  длительность импульса -           (20 нс);

     -  длина участка -                            (25 км);

     -  длину волны -                              (1.3 мкм);

     -  режим работы -                           (логарифмический);

             -  цена деления по вертикали -     (2.5 дБ/дел);

     -  режим накопления -                    (параллельный);

             -  число накоплений -                     (2000);

     - оптический разъем -        (выбирается в зависимости от типа ОВ (определённого в ходе лабораторной работы №1));

   режим подключения:

     -  подключение -                              (ВС1+ВС2); 

   упрвление сварочным аппаратом:

     -  сварка -                                         (скол).

         4.    Определение  ширины  мертвой  зоны

 ["Мертвая зона" образуется из-за насыщения ФПУ отраженным от торца ОВ импульсом. В этой зоне невозможно проведение измерений, в частности невозможно обнаружить даже отражение от обрыва ОВ.

   Для измерения ширины "мертвой зоны" Lmz необходимо выбрать начальный участок рефлектограммы с первым курсором, установленным на расстояние L0 = 0.  

   Ширину "мертвой зоны определяют с помощью второго курсора, наблюдая за уровнем сигнала. Конец зоны соответствует началу рассеянного сигнала. Измерения  провести для одного ОВ, который надо указать в отчете.]

          Последовательность действий  (1*):

     ПАРАМЕТРЫ → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «20 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «влево» (установка L1= 0) → стрелка «вниз» (L2 = 1.400 км) → «ПРОБЕЛ» (режим «ОКНО») → стрелка «влево» (установка L1= 0) →  стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки начала  линейного участка ) → записываем показание dL  для импульса выбранной длительности. 

     Изменяя  «ДЛИТ. ИМПУЛЬСА» (50, 100, 500, 2000) повторяем последовательность действий  (1*).

    

Результаты измерений ширины "мертвой зоны" в зависимости от длительности импульса и длины волны поместите в таблицу 1.

           ТАБЛИЦА  1

 ,  мкм

Ti , нс

20

50

100

500

2000

dL ,  км

 

            5.    Измерение  динамического  диапазона  оптического    

            рефлектометра

 

       Динамический диапазон определяет максимальное затухание волоконного тракта  (ВТ),  при  котором  отношение  сигнала  рассеянного  от  конца  ВТ  к  шуму равно 1.

Для экспериментального определения динамического диапазона ОР необходимо измерить уровень сигнала обратного рассеяния от начала ВТ  Ys (сразу после импульса,  отраженного от переднего торца ВТ)  и уровень шума Yn ,  определяемый по уровню максимального пика.

           Динамический диапазон определяется по выражению

                                                          , дБ         (9)

Динамический диапазон определяется на длинах волн 0.85 и 1.3 мкм для многомодовых  ОВ     и  1.3  и  1.55  для  одномодовых  ОВ.

а)           Последовательность действий  (2*):

       Проводим измерения сначала для одной длины волны — 1.3 мкм, в режиме числа накоплений  2000,  установленных ранее.

      ПАРАМЕТРЫ → КОЭФФ. УСИЛЕНИЯ → «100» → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «20 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки  начала  линейного участка ) записываем показание А2 (уровень сигнала обратного рассеяния Ys), ищем в области

шума максимальный  пик, наводим на наго правый курсор (уровень шума Yn), записываем  значение А2;

     ПАРАМЕТРЫ → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «200 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки  начала  линейного участка ) записываем показание А2 (уровень сигнала обратного рассеяния Ys), ищем в области

шума максимальный  пик, наводим на наго правый курсор (уровень шума Yn), записываем  значение А2;

     ПАРАМЕТРЫ → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «2000 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки  начала  линейного участка ) записываем показание А2 (уровень сигнала обратного рассеяния Ys), ищем в области

шума максимальный  пик, наводим на наго правый курсор (уровень шума Yn), записываем  значение А2.

    

Изменяем число накоплений на 20 000 и повторяем измерения:

     ПАРАМЕТРЫ → РЕЖИМ НАКОПЛЕНИЯ → ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ → «20 000» →

ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «20 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки  начала  линейного участка ) записываем показание А2 (уровень сигнала обратного рассеяния Ys), ищем в области

шума максимальный  пик, наводим на наго правый курсор (уровень шума Yn), записываем  значение А2;

     ПАРАМЕТРЫ → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «200 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки  начала  линейного участка ) записываем показание А2 (уровень сигнала обратного рассеяния Ys), ищем в области

шума максимальный  пик, наводим на наго правый курсор (уровень шума Yn), записываем  значение А2;

     ПАРАМЕТРЫ → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «2000 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки  начала  линейного участка ) записываем показание А2 (уровень сигнала обратного рассеяния Ys), ищем в области

шума максимальный  пик, наводим на наго правый курсор (уровень шума Yn), записываем  значение А2.

По формуле (9) вычисляем динамический диапазон D , подставляя  записанные значения  Ys  и   Yn .

 

б)    Теперь необходимо изменить длину волны (в зависимости от типа ОВ) и повторить  последовательность действий  (2*).

                                  

                 

 Результаты измерений динамического диапазона от длины волны λ, длительности   импульса   Ti   и   числа   накоплений   N    внесите   в  таблицу  2.

                                                                                                                ТАБЛИЦА  2

,мкм

N

2000

20000

Ti,нс

20

200

2000

20

200

2000

1.3

D,дБ

0.85 или 1.55

D,дБ

CОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Упрощенную структурную схему оптического рефлектометра.

2. Результаты наблюдений и измерений по пунктам:

     2.1.     Результаты  измерений  ширины  мертвой  зоны  (таблица 1) ;

     2.2.     Результаты  измерения  динамического  диапазона  ОР (таблица 2) .

 

3.  Выводы по работе.

Часть II

МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

 К  ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТЕ  № 2  (ОПТЛАБ – 3.2)

«ИЗМЕРЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ  ОПТИЧЕСКОГО  ВОЛОКНА

С ПОМОЩЬЮ  ОПТИЧЕСКОГО  РЕФЛЕКТОМЕТРА»

П О    Д И С Ц И П Л И Н Е

«Направляющие системы электросвязи»

Ростов-на-Дону

2009 год

         Тема:   «ИЗМЕРЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ  ОПТИЧЕСКОГО  ВОЛОКНА (ОВ)

                               С  ПОМОЩЬЮ  ОПТИЧЕСКОГО  РЕФЛЕКТОМЕТРА»

        Цель работы:

                         1  ОЗНАКОМЛЕНИЕ  С  МЕТОДАМИ  ИЗМЕРЕНИЯ  ПАРАМЕТРОВ   ОВ

                       2.  Определение  типа  ОВ   и  потерь  на  вводе .

                            3.  Определение  основных  параметров   ОВ1  И ОВ2:

                                     – Определение  длины ;

                                     – Определение  коэффициента  затухания .

                            4.  СОСТАВЛЕНИЕ  ОТЧЕТА  ПО  ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТЕ..

                

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

                                                 Состав установки 

Компьютерная программа «РЕФЛЕКТОМКТР» моделирует лабораторную установку (рис.1), состоящую из универсального оптического рефлектометра (ОР), сварочного аппарата (СА)  и  двух однородных отрезков оптических волокон: ОВ1 (в компьютерной программе ВС1) и ОВ2 (в компьютерной программе ВС2). Предусмотрены возможности подключения ОР к волоконному тракту (ВТ) с любой стороны (ВС1+ВС2) или (ВС2+ВС1) и отключения ОР от ВТ.

Рис.1 Структурная схема лабораторной установки

Оптический   рефлектометр

Моделируемый оптический рефлектометр (ОР) состоит из:

-   четырех сменных оптоэлектронных блоков;

-   электронного блока обработки сигналов обратного рассеяния.

В комплект ОР входят следующие оптоэлектронные блоки:

  1.  для многомодовых ОВ (МОВ) с длиной волны = 0.85 мкм;
  2.  для МОВ  с = 1.3 мкм;
  3.  для одномодовых ОВ (ООВ) с = 1.3 мкм;
  4.  для  ООВ  с = 1.55 мкм.

Структурная  схема  оптоэлектронного  блока  (рис. 2), подключенного к ВТ с  помощью  направленного  ответвителя  (НО),  содержит:

- стабилизированный  по  мощности  источник   коротких  оптических импульсов   (ИИ);

-  фотоприемное   устройство  (ФПУ).

Источник излучения (ИИ) включает: лазерный диод (ЛД) с встроенным фотодиодом (ФД) и систему стабилизации выходной оптической мощности, состоящую из усилителя тока накачки (УТН), источника опорного тока (ИОТ) и усилителя тока ошибки (УТО).

ФПУ включает: лавинный фотодиод (ЛФД) со стабилизированным источником питания (ИП), усилитель фототока (УФТ) и усилитель напряжения (УН).

Периодическая последовательность коротких импульсов напряжения поступает из блока обработки на один вход УТН, который преобразует входное напряжение в ток накачки ЛД. Для стабилизации выходной оптической мощности используется датчик - встроенный ФД, фототок которого поступает на один вход УТО, который преобразует разность фототока и опорного тока от ИОТ в напряжение стабилизирующей отрицательной обратной связи, поступающее на второй вход УТН.

Рис. 2. Структурная схема оптоэлектронного блока

Оптические импульсы через НО поступают в исследуемый ВТ. Обратно рассеянное излучение и отраженные от неоднородностей ВТ оптические импульсы через НО поступают на вход ЛФД, где преобразуются в фототок. Последний в УФТ преобразуется в напряжение и усиливается в УН. Коэффициент УН можно изменять при настройке ОР.

Структурная схема электронного блока ОР (рис. 3) включает генератор импульсов (ГИ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессорное устройство управления (МПУУ) и устройство отображения (УО).

     

            

                     Рис.  3. Структурная схема электронного блока обработки ОР

       УО выполняется на основе электронно-лучевой трубки или жидко-кристаллической панели. МПУУ управляет работой АЦП и позволяет осуществлять накопление и запоминание сигналов обратного рассеяния от различных точек ВТ.

         ПРИНЦИП  НАКОПЛЕНИЯ  СИГНАЛА  ОБРАТНОГО  РАССЕЯНИЯ (СОР).

Для накопленного сигнала UN(l), обусловленного участком ВТ, расположенном на расстоянии l от начала ВТ, можно записать

                             ,     (1)

где N - число накоплений сигнала в данной точке;

US(l)  - полезный сигнал в данной точке рефлектограммы;

Uni - отсчет шума при i накоплении.

                

Т.к. шум на выходе ФПУ является случайной величиной со среднеквадратическим отклонением (СКО) , то отношение сигнала к шуму на выходе ФПУ составляет

                                                   .      (2)

После N накоплений отношение сигнала к шуму возрастает пропорционально  

                                         .     (3)

Числом накоплений в ОР можно управлять.  

Динамический диапазон ОР, который представляет собой выраженное в логарифмических единицах отношение сигнала обратного рэлеевского рассеяния при l= 0 к шуму :

                           (4)

за счет  накопления  возрастает  на  2.5 lg(N) дБ.

 

Динамический диапазон ОР зависит также от длительности зондирующего импульса ti. Если известен динамический диапазон D0 при длительности импульса ti0, оценить в первом приближении динамический диапазон D при другой длительности импульса ti можно по выражению

                                                  .     (5)

Типичная рефлектограмма сигнала обратного рассеяния для ВТ приведена на рис. 1.4.

 

Рис.  4  Сигнал обратного рассеяния

На ней можно выделить однородные участки (2) ВТ (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания , на которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания.

 Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала (1) вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ВС. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР - мертвую зону, т.е. расстояние lм, на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания.

  Выброс сигнала с перепадом затухания (4) возникает при наличии в тракте разъемного соединителя, а также при наличии в волокне маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха. Такие отражения характеризуются возвратными потерями, которые могут быть рассчитаны по выражению:

                                                             (6)

где R - коэффициент отражения.

Коэффициент отражения для границы раздела кварц/воздух достигает значительной величины 4% при угле падения 0. Однако, если поверхность скошенная, неровная или загрязненная, коэффициент отражения может иметь значительно меньшую величину, и отражение от обрыва или заднего торца ВТ не всегда можно обнаружить.

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой (3). Конец ВТ или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу (5) и следующему за ним участку (6) с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.

       Рис.  5   Типичная  рефлектограмма  при  подключении  к  ОР  однородного  ОВ.

На  рис. 5  показано окно программы «РЕФЛЕКТОМЕТР»   с рефлектограммой  при

подключении  к  ОР  однородного  ОВ,  где видны  два всплеска – сигналы отражения

от переднего и заднего торцов ОВ, однородный участок с постоянным коэффициентом затухания  и сигнал шума за пределами оптического волокна.

Контрольные  вопросы

1.  Основные элементы структурной схемы оптического рефлектометра и их

назначение.

  1.  Принципы работы оптического рефлектометра.
  2.  В каких случаях потери больше: при переходе излучения из одномодового волокна в одномодовое или при переходе из многомодового в одномодовое?
  3.  Принципы определения типа волокна с помощью рефлектометра.
  4.  Коэффициент затухания оптического волокна.
  5.  В каких единицах измеряется коэффициент затухания?
  6.  Сущность способа измерения коэффициента затухания.
  7.  Как изменяется коэффициент затухания кварцевого оптического волокна при увеличении длины волныизлучения с 0,8 до 1,6 мкм?
  8.  При какой длине волны излучения коэффициент затухания кварцевого оптического волокна минимален?

Управление лабораторной установкой

        1.    Компьютерная программа, моделирующая  работу лабораторной установки,  запускается  ярлыком  «РЕФЛЕКТОМЕТР»  на  рабочем столе.

         2.   В открывшемся окне  в  верхней части экрана  находится  основное меню (на синем  фоне),  над  которым  будет  строка  с  подсказкой,  следуя  которой, необходимо  нажимать  на  любую  клавишу.

          3.    Далее,  используя  клавиши  управления  курсором  (стрелка «влево» и «вправо»), перамещаемся  по пунктам  основного меню. Обращение к выбранному пункту осуществляется клавишей «Enter».  

      Основное меню содержит следующие пункты (режимы работы):

«Помощь», «Вариант», «Параметры», «Рефлектограмма», «Сварка», «Подключение»,    «Настройка»     и     «Выход».

          4. Выбираем пункт горизонтального меню «ВАРИАНТ» курсорными клавишами и нажимаем клавишу «Enter».  Устанавливается указанный преподавателем вариант задания.

  1.  Выбираем пункт «ПАРАМЕТРЫ».

      Режим "ПАРАМЕТРЫ" позволяет войти в подменю, каждый пункт которого предназначен для установки определенного параметра ОР. Для перемещения по подменю используются вертикальные курсорные клавиши. Выбор устанавливаемого параметра подтверждается клавишей «Enter». Для установки конкретного значения выбранного параметра также используется подменю, управляемое курсорами. Выбранное значение параметра подтверждается клавишей «Enter». После установки значений всех параметров для выхода в главное меню нажмите клавишу «Enter» при выборе пункта подменю "Выход". 

На экран выведены параметры, заданные по умолчанию:

  параметры ОР:

     -  коэффициент усиления -            (100);

     -  длительность импульса -           (500 нс);

     -  длину волны -                              (1.3 мкм);

     -  максимальное расстояние -        (25 км);

     -  режим работы -                           (логарифмический);

     -  цена деления по вертикали -     (2.5 дБ/дел);

     -  режим накопления -                    (параллельный);

     -  число накоплений -                     (2000);

     -  оптический разъем -                   (многомодовый 50/125 мкм);

     -  режим просмотра -                      (обзор);

   режим подключения:

     -  подключение -                              (ВС1+ВС2); 

   упрвление сварочным аппаратом:

     -  сварка -                                         (скол) .

При установке "Коэффициента усиления" изменяется коэффициент передачи УН в ФПУ в пределах от 0.3 до 10000. При этом изменяется расположение рефлектограммы на экране в логарифмическом масштабе, но не меняется отношение сигнала к шуму.

При установке "Длительности импульса" вместе с изменением длительности импульса в пределах от 20 до 5000 нс изменяется также уровень сигнала обратного рассеяния. Причем с увеличением длительности уровень сигнала обратного рассеяния растет, а уровень френелевских сигналов и уровень шума практически не изменяются. При изменении длительности изменяется расположение рефлектограммы на экране в логарифмическом масштабе и отношение сигнала к шуму.

При установке "Длины участка" горизонтальная шкала ОР имеет протяженность 1, 5, 25 и 125 км.

При установке "Длины волны" изменяется тип оптико-электронного блока. При этом для длины волны =1.3 мкм необходимо выбрать также и тип оптического разъема 50/125 мкм или 9/125 мкм в пункте меню "Оптический разъем". Для других длин волн оптический разъем и длина волны связаны однозначно. Поэтому достаточно задать только длину волны.

При установке "Режима работы" можно выбирать между линейным масштабом по оси Y и логарифмическим. Второй режим работы удобнее при измерениях затухания и потерь. Шкала градуируется непосредственно в дБ. В линейном режиме по вертикальной оси откладывается величина напряжения сигнала в Вольтах на выходе ФПУ. После выбора режима работы в этом же пункте выбирается цена деления вертикальной шкалы дБ/дел в логарифмическом масштабе (в пределах от 0.25 до 2.5 дБ/дел) и в В/дел в линейном масштабе (в пределах от 1 мВ/дел до 1.0 В/дел).

 При установке "Режима накоплений" можно выбирать между последовательным и параллельным накоплением сигнала обратного рассеяния.

       -  В первом случае в каждом измерительном периоде измеряется сигнал только в одной точке рефлектограммы. В каждой точке проводится N измерений (N может изменяться от 10 до 1000). После чего начинается регистрация другой точки.

Общее время регистрации Tr прямо пропорционально числу регистрируемых точек M и числу накоплений в каждой точке N 

                                             ,     (7)

где - период следования зондирующих импульсов.

       - Во втором случае в каждом измерительном периоде измеряется сигнал ото всех точек рефлектограммы. Число накоплений N может изменяться от 2000 до 2000000. Общее время регистрации не зависит от числа регистрируемых точек M и составляет

                                                      .     (8)

Отметим, что параллельное накопление организовать технически сложнее чем последовательное. Кроме того, его реализация требует применения большего количества быстродействующих микросхем, что приводит также к увеличению энергопотребления. При работе на установке помните, что с увеличением числа накоплений N резко возрастает время измерения, особенно при последовательном накоплении.

6.      Устанавливаем  режим подключения.

    Режим "ПОДКЛЮЧЕНИЕ" позволяет войти в подменю, состоящее из трех пунктов: "ВС1+ВС2", "ВС2+ВС1" и "Нет подключения". Выбирая первый или второй, можно подключить ОР с любой стороны ВТ. При установке третьего пункта можно наблюдать отражение от границы раздела  ОВ/воздух.

          7.   Режим "СВАРКА" ( управление сварочным аппаратом )   позволяет войти  в  подменю,  состоящее  из  двух  пунктов:    "Сварка" и  "Скол".     

При выборе пункта "Сварка" происходит сварка двух ОВ, в последовательности указанной в режиме основного меню "ПОДКЛЮЧЕНИЕ".

При выборе пункта "Скол" сварка, если она была перед этим сделана, разрушается и на рефлектограмме можно видеть только один ОВ.

8. Режим «Настройка» предназначен для выбора вывода на экран монохромного или цветного изображения, для включения и выключения звуковых эффектов, для подстройки программы под быстродействие компьютера. Для подстройки с помощью курсорных клавиш изменяется задержка.

9.  Режим «РЕФЛЕКТОГРАММА» позволяет запустить ОР на регистрацию рефлектограммы (запуск измерительного процесса).

Основной целью выбора и задания параметров ОР является получение наглядной рефлектограммы, по возможности свободной от шумов, и по которой можно определять параметры исследуемого волоконного тракта и самого ОР.

Для измерения уровней сигналов обратного рассеяния и расстояний до соответствующих точек используются два вертикальных курсора, которые перемещаются с помощью курсорных клавиш клавиатуры: левый курсор – клавишами  и , правый – клавишами  и .

Отсчеты расстояний в км и сигналов обратного рассеяния в дБ находятся под экраном с рефлектограммой. Там же приводится расстояние между курсорами и разность сигналов обратного рассеяния.

           Предусмотрена возможность подробного изучения фрагмента рефлектограммы, находящегося между курсорами, с помощью нажатия большой клавиши пробела. Этот режим работы называют «электронной лупой» или «окном». Режим используется для повышения точности измерения расстояний и вносимого неоднородностями затухания.     Операция выделения фрагмента может выполняться и для уже выбранного фрагмента.

Возврат  к  исходной  рефлектограмме  осуществляется через пункт меню «Параметры»  -  «обзор».

ВЫПОЛНЕНИЕ  экспериментальных  исследований .

порядок  выполнения  работы

        Перед  проведением  экспериментальных  исследований  необходимо, прочитав содержание, выполнить ряд пунктов:

  1.  Запускаем  программу  «РЕФЛЕКТОМЕТР»;
  2.  Выбираем  нужный  вариант;
  3.  Устанавливаем  параметры:

  параметры ОР:

     -  коэффициент усиления -            (30);

     -  длительность импульса -           (500 нс);

     -  длина участка -                            (25 км);

     -  длину волны -                              (1.3 мкм);

     -  режим работы -                           (логарифмический);

             -  цена деления по вертикали -     (2.5 дБ/дел);

     -  режим накопления -                    (параллельный);

             -  число накоплений -                     (2000);

     - оптический разъем -                    (многомодовый 50/125 мкм )

   режим подключения:

     -  подключение -                              (ВС1+ВС2); 

   упрвление сварочным аппаратом:

     -  сварка -                                         (скол).

       4.   Определение типа  ОВ  и потерь на вводе

       [  В настоящее время в оптических кабелях дальней связи используют оптические волокна (ОВ) с кварцевыми сердцевиной и оболочкой двух основных типов: одномодовые ОВ (ООВ) и многомодовые ОВ (МОВ) с градиентным профилем показателя преломления. Они имеют одинаковый диаметр оболочки 2b = 125 мкм, но разный диаметр сердцевины 2a = 50 мкм для МОВ и 2a = 8-10 мкм для ООВ. Конструкции оптических разъемов для различных ОВ практически одинаковы, что приводит к возможности неправильного подключения ОВ к оптическому рефлектометру (ОР). Например, подключение ООВ к многомодовому выходу ОР или подключение МОВ к одномодовому выходу ОР приводит к большим потерям на вводе или выводе излучения, уменьшению полезного сигнала и ухудшению отношения сигнала к шуму. Причем большие потери возникают только при переходе излучения из МОВ в ООВ. Потери в первом приближении определяются отношением площадей сердцевин соединяемых ОВ (или квадратов радиусов) и отношением числовых апертур. Дополнительные потери на вводе/выводе излучения при неправильном соединении ОВ  можно оценить по выражению

                                                , дБ    (3.1)

где rm, r0 - радиусы МОВ и ООВ, соответственно;

NAm, NA0 - числовые апертуры МОВ и ООВ, соответственно. ]

Для экспериментального определения типа ОВ и величины дополнительных потерь за счет неправильного выбора оптического блока необходимо провести измерения уровней сигнала Ys на определенном расстоянии и шума Yn за пределами ОВ на длине волны = 1.3 мкм при двух типах оптических разъемов ОР (многомодовом 50/125 мкм и одномодовом 9/125 мкм).

  Тип ОВ ,подключенного к ОР, соответствует тому оптическому разъему, при котором уровень сигнала при одном и том же расстояниии больше. Измерения должны проводиться с помощью курсора в таких точках, в которых насыщение ФПУ отсутствует.

  Для измерения уровня шума курсором выбирается максимальный шумовой всплеск на рефлектограмме за пределами ОВ. Тогда потери на вводе/выводе при несоответствии ОВ и оптического блока ОР составят:

        ,    (3.2)

где  индексы "m" и "o" означают МОВ и ООВ, соответственно,

        индексы "s" и "n" означают сигнал и шум, соответственно.

          Последовательность действий :

    После установки параметров  (ОР подключен к ОВ1) → РЕФЛЕКТОГРАММА → ENTER

стрелка «вниз» (L2 = 1.000 км) → запишите показание А2 (уровень сигнала Ysm), стрелка «вверх» найдите в области шума максимальный  пик, наведите на него правый курсор, запишите  значение А2 (уровень шума Ynm) → Esc 

    ( Зарисуйте рефлектограмму ОВ в логарифмическом и линейном масштабах.  («ПАРАМЕТРЫ → РЕЖИМ РАБОТЫ → ЛИНЕЙНЫЙ → 1 В/дел → ENTER (после зарисовки рефлектограммы вернитесь в РЕЖИМ РАБОТЫ → ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ → 2.5дБ/дел)). Обратите внимание на различие их форм, а также на различный характер шума.)

ПОДКЛЮЧЕНИЕ → «ВС2+ВС1» ENTER (теперь ОР подключен со стороны ОВ2) →   РЕФЛЕКТОГРАММА → ENTER

стрелка «вниз» (L2 = 1.000 км) → запишите показание А2 (уровень сигнала Ysm), стрелка «вверх» найдите в области шума максимальный  пик, наведите на него правый курсор, запишите  значение А2 (уровень шума Ynm) → Esc 

  ПАРАМЕТРЫ → ОПТИЧЕСКИЙ РАЗЪЁМ →  9/125 ( одномодовый) → ENTER

стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

(ОР  подключен  со  стороны  ОВ2)

стрелка «вниз» (L2 = 1.000 км) → запишите показание А2 (уровень сигнала Yso), стрелка «вверх» найдите в области шума максимальный  пик, наведите на него правый курсор, запишите  значение А2 (уровень шума Yno) → Esc 

    ( Зарисуйте рефлектограмму ОВ в логарифмическом и линейном масштабах.  («ПАРАМЕТРЫ → РЕЖИМ РАБОТЫ → ЛИНЕЙНЫЙ → 1 В/дел → ENTER (после зарисовки рефлектограммы вернитесь в РЕЖИМ РАБОТЫ → ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ → 2.5дБ/дел)). Обратите внимание на различие их форм, а также на различный характер шума.)

ПОДКЛЮЧЕНИЕ → «ВС1+ВС2» → ENTER (теперь ОР подключен со стороны ОВ1) →   РЕФЛЕКТОГРАММА → ENTER

стрелка «вниз» (L2 = 1.000 км) → запишите показание А2 (уровень сигнала Yso), стрелка «вверх»  найдите в области шума максимальный  пик, наведите на него правый курсор, запишите  значение А2 (уровень шума Yno) → Esc 

 Сравните уровни сигналов при подключении ОВ1 и ОВ2 к многомодовому (50/125 мкм) и одномодовому  (9/125 мкм) разъёмам. Тип ОВ, подключенного к ОР, соответствует тому оптическому разъему, при котором уровень сигнала  больше.

      После определения типа ОВ установите в режиме «ПАРАМЕТРЫ»    соответствующий  оптическому  волокну  тип оптического разъема.

        Укажите в отчете тип используемого ОВ и рассчитанное по экспериментальным   данным   значение   потерь   на   вводе.

       5.   Определение  основных  параметров   ОВ1  И   ОВ2 

              5.1. Определение   длины   ОВ    

 Для определения длины ОВ используйте любой из двух курсоров. Длина ОВ соответствует началу импульса, отраженного от заднего торца ОВ.   

           Подводите курсор слева к импульсу отраженному от заднего торца ОВ. За начало импульса принимается последняя точка, после которой начинается увеличение сигнала.

           Для увеличения точности необходимо перейти в режим (окно). Выделите с помощью первого и второго курсоров участок ОВ, который содержит отраженный от конца ОВ импульс. Точность определения расстояний возрастает с уменьшением длительности импульса.

           Последовательность действий :

     ПОДКЛЮЧЕНИЕ → ВС1+ВС2 ENTER (ОР подключен к ОВ1) → ПАРАМЕТРЫ → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «200 нс» → ENTERстрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вправо» (подводим левый курсор на небольшое расстояние к отраженному от конца ОВ импульсу) → стрелка «вниз» (подводим правый курсор на небольшое расстояние к отраженному от конца ОВ импульсу) → «ПРОБЕЛ» (режим «ОКНО») → стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки конца линейного участка ) → записываем показание L2 (длина ОВ1) → Esc;

     ПОДКЛЮЧЕНИЕ → ВС2+ВС1 ENTER (ОР подключен к ОВ2) → РЕФЛЕКТОГРАММА → ENTER

стрелка «вправо» (подводим левый курсор на небольшое расстояние к отраженному от конца ОВ импульсу) → стрелка «вниз» (подводим правый курсор на небольшое расстояние к отраженному от конца ОВ импульсу) → «ПРОБЕЛ» (режим «ОКНО») → стрелка «вниз» (правый курсор двигаем влево до точки конца линейного участка ) → записываем показание L2 (длина ОВ2) → Esc;

 

           5.2. Определение  коэффициента  затухания

 Для определения коэффициента затухания на однородном участке ОВ необходимо с помощью курсоров выбрать две точки, отстоящие друг от друга на известное расстояние ΔL=L2-L1 , например 1 км и определить в них уровни сигналов Ys1 и Ys2 . Тогда   коэффициент затухания 

                                                      , дБ/км    (3.3)

    Общее  затухание  на  однородном  участке  можно  определить  по  выражению

                                                           , дБ,     (3.4)

а также как разность уровней сигнала между двумя курсорами, совмещенными с интересующими нас точками.

         Измерения  коэффициента  затухания  проводятся на двух длинах волн, которые используются с данным типом  ОВ:

          -  для  МОВ на  = 0.85 и 1.3 мкм;

          -  для  ООВ на   = 1.3 и 1.55 мкм.

           Последовательность действий (*:

а)    

     ПОДКЛЮЧЕНИЕ → ВС1+ВС2 ENTER (ОР подключен к ОВ1) → ПАРАМЕТРЫ → КОЭФФ. УСИЛЕНИЯ → «1» → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «200 нс» → ДЛИНА ВОЛНЫ → «1.3 мкм» → ENTERстрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

стрелка «вправо» (установка L1 = 0.500 км), записываем показание А1 (уровень сигнала Ys1 ) → стрелка «вниз» (L2 = 1.500 км),  записываем показание А2 (уровень сигнала Ys2 )  → Esc

     ПОДКЛЮЧЕНИЕ → ВС2+ВС1 ENTER (ОР подключен к ОВ2) → РЕФЛЕКТОГРАММА → ENTER

стрелка «вправо» (установка L1 = 0.500 км), записываем показание А1 (уровень сигнала Ys1 ) → стрелка «вниз» (L2 = 1.500 км),  записываем показание А2 (уровень сигнала Ys2 )  → Esc 

б)    Теперь необходимо изменить длину волны (в зависимости от типа ОВ) и повторить  последовательность действий (*.

       Для повышения точности измерений Ys  можно уменьшить цену деления по оси Y.

Рассчитайте коэффициент затухания и общее  затухание  для  ОВ2  и  ОВ2.

            5.3.   Оформление   результатов   наблюдений 

Результаты измерений и расчетов внесите в таблицу 1.

                                                                                                                   ТАБЛИЦА 1

,мкм

ОВ

L,км

Ys1,дБ

Ys2,дБ

L,км

,дБ/км

a,дБ

1.3

ОВ1

1.3

ОВ2

ОВ1

-

ОВ2

-

CОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.  Упрощенную структурную схему оптического рефлектометра.

 2.  Результаты наблюдений и измерений по пунктам:

       2.1.       Результаты  измерений, расчета, вывод о типе ОВ и 4 рефлектограммы;

       2.2.       Результаты измерений и расчетов длины, коэффициента затухания и  

                    общего затухания  двух  ОВ  на  двух  длинах  волн  (таблица 1) .

 3.  Выводы по работе.

                                            Часть III

МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

 К  ЛАБОРАТОРНОЙ  РАБОТЕ  № 3  (ОПТЛАБ – 3.3)

«ИЗМЕРЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ  СВАРНЫХ  СОЕДИНЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО

ВОЛОКНА (ОВ)  С  ПОМОЩЬЮ  ОПТИЧЕСКОГО  РЕФЛЕКТОМЕТРА»

П О    Д И С Ц И П Л И Н Е

«Направляющие системы электросвязи»

Ростов-на-Дону

2009 год

         Тема:   «ИЗМЕРЕНИЕ   ПАРАМЕТРОВ   СВАРНЫХ   СОЕДИНЕНИЙ

                 ОПТИЧЕСКОГО   ВОЛОКНА  (ОВ)   С   ПОМОЩЬЮ                              ОПТИЧЕСКОГО    РЕФЛЕКТОМЕТРА»

        Цель работы:

                            1.   Измерения потерь в сварке 

                            2.  СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ..

                

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

                                                 Состав установки 

Компьютерная программа «РЕФЛЕКТОМКТР» моделирует лабораторную установку (рис.1), состоящую из универсального оптического рефлектометра (ОР), сварочного аппарата (СА)  и  двух однородных отрезков оптических волокон: ОВ1 (в компьютерной программе ВС1) и ОВ2 (в компьютерной программе ВС2). Предусмотрены возможности подключения ОР к волоконному тракту (ВТ) с любой стороны (ВС1+ВС2) или (ВС2+ВС1) и отключения ОР от ВТ.

Рис.1 Структурная схема лабораторной установки

Оптический   рефлектометр

Моделируемый оптический рефлектометр (ОР) состоит из:

-   четырех сменных оптоэлектронных блоков;

-   электронного блока обработки сигналов обратного рассеяния.

В комплект ОР входят следующие оптоэлектронные блоки:

  1.  для многомодовых ОВ (МОВ) с длиной волны   = 0.85 мкм;
  2.  для МОВ  с = 1.3 мкм;
  3.  для одномодовых ОВ (ООВ) с = 1.3 мкм;
  4.  для  ООВ  с = 1.55 мкм.

Структурная  схема  оптоэлектронного  блока  (рис. 2), подключенного к ВТ с  помощью  направленного  ответвителя  (НО),  содержит:

- стабилизированный  по  мощности  источник   коротких  оптических импульсов   (ИИ);

-  фотоприемное   устройство  (ФПУ).

Источник излучения (ИИ) включает: лазерный диод (ЛД) с встроенным фотодиодом (ФД) и систему стабилизации выходной оптической мощности, состоящую из усилителя тока накачки (УТН), источника опорного тока (ИОТ) и усилителя тока ошибки (УТО).

ФПУ включает: лавинный фотодиод (ЛФД) со стабилизированным источником питания (ИП), усилитель фототока (УФТ) и усилитель напряжения (УН).

Периодическая последовательность коротких импульсов напряжения поступает из блока обработки на один вход УТН, который преобразует входное напряжение в ток накачки ЛД. Для стабилизации выходной оптической мощности используется датчик - встроенный ФД, фототок которого поступает на один вход УТО, который преобразует разность фототока и опорного тока от ИОТ в напряжение стабилизирующей отрицательной обратной связи, поступающее на второй вход УТН.

Рис. 2. Структурная схема оптоэлектронного блока

Оптические импульсы через НО поступают в исследуемый ВТ. Обратно рассеянное излучение и отраженные от неоднородностей ВТ оптические импульсы через НО поступают на вход ЛФД, где преобразуются в фототок. Последний в УФТ преобразуется в напряжение и усиливается в УН. Коэффициент УН можно изменять при настройке ОР.

Структурная схема электронного блока ОР (рис. 3) включает генератор импульсов (ГИ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессорное устройство управления (МПУУ) и устройство отображения (УО).

     

            

                     Рис.  3. Структурная схема электронного блока обработки ОР

       УО выполняется на основе электронно-лучевой трубки или жидко-кристаллической панели. МПУУ управляет работой АЦП и позволяет осуществлять накопление и запоминание сигналов обратного рассеяния от различных точек ВТ.

         ПРИНЦИП  НАКОПЛЕНИЯ  СИГНАЛА  ОБРАТНОГО  РАССЕЯНИЯ (СОР).

Для накопленного сигнала UN(l), обусловленного участком ВТ, расположенном на расстоянии l от начала ВТ, можно записать

                             ,       (1)

где N - число накоплений сигнала в данной точке;

US(l) - полезный сигнал в данной точке рефлектограммы;

Uni - отсчет шума при i накоплении.

                

Т.к. шум на выходе ФПУ является случайной величиной со среднеквадратическим отклонением (СКО) , то отношение сигнала к шуму на выходе ФПУ составляет

                                                   .         (2)

После N накоплений отношение сигнала к шуму возрастает пропорционально  

                                         .     (3)

Числом накоплений в ОР можно управлять.  

Динамический диапазон ОР, который представляет собой выраженное в логарифмических единицах отношение сигнала обратного рэлеевского рассеяния при l= 0 к шуму :

                           (4)

за счет  накопления  возрастает  на  2.5 lg(N) дБ.

Динамический диапазон ОР зависит также от длительности зондирующего импульса ti. Если известен динамический диапазон D0 при длительности импульса ti0, оценить в первом приближении динамический диапазон D при другой длительности импульса ti можно по выражению

                                                  .     (5)

Типичная рефлектограмма сигнала обратного рассеяния для ВТ приведена на рис. 1.4.

 

Рис.  4  Сигнал обратного рассеяния

На ней можно выделить однородные участки (2) ВТ (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания , на которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания.

 Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала (1) вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ВС. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР - мертвую зону, т.е. расстояние lм, на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания.

  Выброс сигнала с перепадом затухания (4) возникает при наличии в тракте разъемного соединителя, а также при наличии в волокне маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха. Такие отражения характеризуются возвратными потерями, которые могут быть рассчитаны по выражению:

                                                             (6)

где R - коэффициент отражения.

Коэффициент отражения для границы раздела кварц/воздух достигает значительной величины 4% при угле падения 0. Однако, если поверхность скошенная, неровная или загрязненная, коэффициент отражения может иметь значительно меньшую величину, и отражение от обрыва или заднего торца ВТ не всегда можно обнаружить.

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой (3). Конец ВТ или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу (5) и следующему за ним участку (6) с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.

       Рис.  5   Типичная  рефлектограмма  при  подключении  к  ОР  однородного  ОВ.

На  рис. 5  показано окно программы «РЕФЛЕКТОМЕТР»   с рефлектограммой  при

подключении  к  ОР  однородного  ОВ,  где видны  два всплеска – сигналы отражения

от переднего и заднего торцов ОВ, однородный участок с постоянным коэффициентом затухания  и сигнал шума за пределами оптического волокна.

Управление лабораторной установкой

        1.    Компьютерная программа, моделирующая  работу лабораторной установки,  запускается  ярлыком  «РЕФЛЕКТОМЕТР»  на  рабочем столе.

         2.   В открывшемся окне  в  верхней части экрана  находится  основное меню (на синем  фоне),  над  которым  будет  строка  с  подсказкой,  следуя  которой, необходимо  нажимать  на  любую  клавишу.

          3.    Далее,  используя  клавиши  управления  курсором  (стрелка «влево» и «вправо»), перамещаемся  по пунктам  основного меню. Обращение к выбранному пункту осуществляется клавишей «Enter».  

      Основное меню содержит следующие пункты (режимы работы):

«Помощь», «Вариант», «Параметры», «Рефлектограмма», «Сварка», «Подключение»,    «Настройка»     и     «Выход».

          4. Выбираем пункт горизонтального меню «ВАРИАНТ» курсорными клавишами и нажимаем клавишу «Enter».  Устанавливается указанный преподавателем вариант задания.

  1.  Выбираем пункт «ПАРАМЕТРЫ».

      Режим "ПАРАМЕТРЫ" позволяет войти в подменю, каждый пункт которого предназначен для установки определенного параметра ОР. Для перемещения по подменю используются вертикальные курсорные клавиши. Выбор устанавливаемого параметра подтверждается клавишей «Enter». Для установки конкретного значения выбранного параметра также используется подменю, управляемое курсорами. Выбранное значение параметра подтверждается клавишей «Enter». После установки значений всех параметров для выхода в главное меню нажмите клавишу «Enter» при выборе пункта подменю "Выход". 

На экран выведены параметры, заданные по умолчанию:

  параметры ОР:

     -  коэффициент усиления -            (100);

     -  длительность импульса -           (500 нс);

     -  длину волны -                              (1.3 мкм);

     -  максимальное расстояние -        (25 км);

     -  режим работы -                           (логарифмический);

     -  цена деления по вертикали -     (2.5 дБ/дел);

     -  режим накопления -                    (параллельный);

     -  число накоплений -                     (2000);

     -  оптический разъем -                   (многомодовый 50/125 мкм);

     -  режим просмотра -                      (обзор);

   режим подключения:

     -  подключение -                              (ВС1+ВС2); 

   упрвление сварочным аппаратом:

     -  сварка -                                         (скол) .

При установке "Коэффициента усиления" изменяется коэффициент передачи УН в ФПУ в пределах от 0.3 до 10000. При этом изменяется расположение рефлектограммы на экране в логарифмическом масштабе, но не меняется отношение сигнала к шуму.

При установке "Длительности импульса" вместе с изменением длительности импульса в пределах от 20 до 5000 нс изменяется также уровень сигнала обратного рассеяния. Причем с увеличением длительности уровень сигнала обратного рассеяния растет, а уровень френелевских сигналов и уровень шума практически не изменяются. При изменении длительности изменяется расположение рефлектограммы на экране в логарифмическом масштабе и отношение сигнала к шуму.

При установке "Длины участка" горизонтальная шкала ОР имеет протяженность 1, 5, 25 и 125 км.

При установке "Длины волны" изменяется тип оптико-электронного блока. При этом для длины волны =1.3 мкм необходимо выбрать также и тип оптического разъема 50/125 мкм или 9/125 мкм в пункте меню "Оптический разъем". Для других длин волн оптический разъем и длина волны связаны однозначно. Поэтому достаточно задать только длину волны.

При установке "Режима работы" можно выбирать между линейным масштабом по оси Y и логарифмическим. Второй режим работы удобнее при измерениях затухания и потерь. Шкала градуируется непосредственно в дБ. В линейном режиме по вертикальной оси откладывается величина напряжения сигнала в Вольтах на выходе ФПУ. После выбора режима работы в этом же пункте выбирается цена деления вертикальной шкалы дБ/дел в логарифмическом масштабе (в пределах от 0.25 до 2.5 дБ/дел) и в В/дел в линейном масштабе (в пределах от 1 мВ/дел до 1.0 В/дел).

 При установке "Режима накоплений" можно выбирать между последовательным и параллельным накоплением сигнала обратного рассеяния.

       -  В первом случае в каждом измерительном периоде измеряется сигнал только в одной точке рефлектограммы. В каждой точке проводится N измерений (N может изменяться от 10 до 1000). После чего начинается регистрация другой точки.

Общее время регистрации Tr прямо пропорционально числу регистрируемых точек M и числу накоплений в каждой точке N 

                                             ,     (7)

где - период следования зондирующих импульсов.

       - Во втором случае в каждом измерительном периоде измеряется сигнал ото всех точек рефлектограммы. Число накоплений N может изменяться от 2000 до 2000000. Общее время регистрации не зависит от числа регистрируемых точек M и составляет

                                                      .     (8)

Отметим, что параллельное накопление организовать технически сложнее чем последовательное. Кроме того, его реализация требует применения большего количества быстродействующих микросхем, что приводит также к увеличению энергопотребления. При работе на установке помните, что с увеличением числа накоплений N резко возрастает время измерения, особенно при последовательном накоплении.

6.      Устанавливаем  режим подключения.

    Режим "ПОДКЛЮЧЕНИЕ" позволяет войти в подменю, состоящее из трех пунктов: "ВС1+ВС2", "ВС2+ВС1" и "Нет подключения". Выбирая первый или второй, можно подключить ОР с любой стороны ВТ. При установке третьего пункта можно наблюдать отражение от границы раздела  ОВ/воздух.

          7.   Режим "СВАРКА" ( управление сварочным аппаратом )   позволяет войти  в  подменю,  состоящее  из  двух  пунктов:    "Сварка" и  "Скол".     

При выборе пункта "Сварка" происходит сварка двух ОВ, в последовательности указанной в режиме основного меню "ПОДКЛЮЧЕНИЕ".

При выборе пункта "Скол" сварка, если она была перед этим сделана, разрушается и на рефлектограмме можно видеть только один ОВ.

8. Режим «Настройка» предназначен для выбора вывода на экран монохромного или цветного изображения, для включения и выключения звуковых эффектов, для подстройки программы под быстродействие компьютера. Для подстройки с помощью курсорных клавиш изменяется задержка.

9.  Режим «РЕФЛЕКТОГРАММА» позволяет запустить ОР на регистрацию рефлектограммы (запуск измерительного процесса).

Основной целью выбора и задания параметров ОР является получение наглядной рефлектограммы, по возможности свободной от шумов, и по которой можно определять параметры исследуемого волоконного тракта и самого ОР.

Для измерения уровней сигналов обратного рассеяния и расстояний до соответствующих точек используются два вертикальных курсора, которые перемещаются с помощью курсорных клавиш клавиатуры: левый курсор – клавишами  и , правый – клавишами  и .

Отсчеты расстояний в км и сигналов обратного рассеяния в дБ находятся под экраном с рефлектограммой. Там же приводится расстояние между курсорами и разность сигналов обратного рассеяния.

           Предусмотрена возможность подробного изучения фрагмента рефлектограммы, находящегося между курсорами, с помощью нажатия большой клавиши пробела. Этот режим работы называют «электронной лупой» или «окном». Режим используется для повышения точности измерения расстояний и вносимого неоднородностями затухания.     Операция выделения фрагмента может выполняться и для уже выбранного фрагмента.

Возврат  к  исходной  рефлектограмме  осуществляется через пункт меню «Параметры»  -  «обзор».

 

ХОД  РАБОТЫ.

        Перед  проведением  экспериментальных  исследований  необходимо, прочитав содержание, выполнить ряд пунктов:

  1.   Запускаем программу  «РЕФЛЕКТОМЕТР».
  2.   Выбираем  нужный вариант.
  3.   Устанавливаем параметры:

  параметры ОР :

     -  коэффициент усиления -            (10);

     -  длительность импульса -           (500 нс);

     -  длина участка -                            (25 км);

     -  длину волны -                              (1.3 мкм);

     -  режим работы -                            (логарифмический);

        -  цена деления по вертикали -     (2.5 дБ/дел);

     -  режим накопления -                     (параллельный);

        -  число накоплений -                     (2000);

     - оптический разъем -        (выбирается в зависимости от типа ОВ,      определённого в ходе лабораторной работы №1);

   режим подключения:

     -  подключение -                              (ВС1+ВС2); 

   упрвление сварочным аппаратом:

     -  сварка -                                         (сварка).

  1.       Измерения потерь в сварке 

        Убедитесь по рефлектограмме, что ОВ (ВС1 и ВС2) сварены.

Вносимые сваркой потери можно определить методом трех курсоров.

[ В современных ОР для этих измерений все курсоры устанавливаются на рефлекто-грамме одновременно и расчет потерь проводится по заложенной в программное обес-печение ОР формуле.]

На рис. 6  показана типичная рефлектограмма неразъемного соединения.

    Первый курсор устанавливают в точке, соответствующей концу ОВ1. Ему соответствуют расстояние l1 и сигнал обратного рассеяния Y1. Курсоры 2 и 3 устанавливаются на однородном участке ОВ2. При этом фиксируют соответствующие уровни сигналов Y2, Y3 и расстояния l2, l3. За потери в соединении принимается разность уровней YА =Y1 и YВ. Точка А находится в точке начала стыка на расстоянии l1, а точка В находится на пересечении курсора 1 с прямой, аппроксимирующей сигнал обратного рассеяния на участке ВТ после соединения. Аппроксимация производится по двум точкам, определяемым курсорами 2 и 3. Курсор 2 следует располагать непосредственно после стыка, в точке, которая лежит на линейном участке сигнала обратного рассеяния. Курсор 3 должен лежать, как можно дальше от стыка, но на линейном участке сигнала обратного рассеяния. Тогда для вносимых потерь в разъемных и неразъемных соединениях будет справедливо:

    (3.6)

Результат расчета потерь может в некоторых случаях иметь отрицательный знак. Отрицательные потери в сварке физически не возможны. Такой результат свидетельствует о том, что свариваемые ОВ имеют разные значения коэффициентов рассеяния и (или) разные числовые апертуры. Причем уровень обратного рассеяния во втором ОВ в этом случае, как правило, превышает соответствующий уровень в первом. Обычно при этом наблюдаются и значительные расхождения в коэффициентах затухания этих ОВ. В связи с этим при измерении потерь в соединениях ОВ с различными параметрами методом обратного рассеяния возникает методическая погрешность. Для исключения этой погрешности необходимо проводить измерения с двух концов ВТ, т.е. провести два измерения потерь в стыке ОВ при подключениях (ВС1+ВС2) и (ВС2+ВС1). На рис. 7 показаны рефлектограммы, иллюстрирующие такую измерительную ситуацию.

Рис. 6. Измерение вносимых потерь в соединении методом трех курсоров

a 

б 

Рис.  7. Рефлектограммы, зарегистрированные с обоих концов ВТ

Потери в стыке определяются по выражению

,         (3.7)

где as1, as2 - потери в стыке, измеренные с разных концов ВТ.

 Для определения средних потерь при сварке ОВ и их среднеквадратического отклонения (СКО) проведите многократные измерения (не менее 5) потерь в сварке. Для этого после измерения потерь в очередной сварке произведите скол ОВ и повторную сварку. 

          Средние потери и СКО s(as) определяем по следующим выражениям:

, ,     (3.8)

где j - номер сварки.

 Результаты измерений и расчетов поместите в таблицу 1.

                                                                                                               ТАБЛИЦА 1

Подкл

Экспериментальные данные

Рассчитан. величины

L1

L2

L3

Ys1

Ys2

Ys3

аsi

asj

аs

s(asj)

1

ВС1

ВС2

2

ВС1

ВС2

3

ВС1

ВС2

4

ВС1

ВС2

5

ВС1

ВС2

           Последовательность действий  (1*):

      ПАРАМЕТРЫ → КОЭФФ. УСИЛЕНИЯ → «100» → ДЛИТ. ИМПУЛЬСА → «20 нс» → ENTER → стрелка «вправо» (РЕФЛЕКТОГРАММА) → ENTER

Для расположения участка рефлектограммы со сваркой посередине экрана ОР нужно изменять коэффициент усиления ФПУ и длительность зондирующего импульса.

Для повышения точности измерений используйте режим электронной лупы (окно) и уменьшите цену деления по оси Y.

CОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

   Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Упрощенную структурную схему оптического рефлектометра.

2.  Результаты многократных наблюдений и измерений потерь в сварке и результаты статистической  обработки  результатов  наблюдений  (таблица 1).

                                        Л и т е р е т у р а

  1.  Гроднев И. И., Верник С. М., Кочановский Л. Н.  Линии связи.: Учебник для вузов.- 6-е издание перераб. и дополн. – М. Радио и связь, 1995
  2.  Гроднев И. И., Мурадян А. Г., Шарафутдинов Р. М. и др.  Волоконно-оптические системы передачи: - Справочник.- М. Радио и связь, 1993
  3.  Гитин В. Я., Кочановский Л. Н.  Волоконно-оптические системы передачи: Учебное пособие для техникумов связи - М. Радио и связь, 2003


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13738. История отечества. Тест. Вариант 5 131 KB
  Вариант №5 Часть 1 А1. Какое из указанных событий произошло раньше других 1 битва на реке Воже 3 Куликовская битва 2 разорение Москвы ханом Тохтамышем 4 Грюнвальдская битва А2. Кто из назва...
13739. История отечества. Тест. Вариант 6 130.5 KB
  Вариант №6 Часть 1 А1. Позже других событий произошло 1 воцарение династии Романовых 3 крещение Руси 2 начало феодальной раздробленности 4 введение опричнины А2. Начало государственности ...
13740. История отечества. Тест. Вариант 7 128.5 KB
  Вариант №7 Часть 1 А1. Позже других событий произошло 1 начало Смутного времени 2 первое упоминание о Москве в летописи 3 установление монголотатарского ига 4 завершение образования Российс
13741. История отечества. Тест. Вариант 9 126 KB
  Вариант №9 Часть 1 А1. Кто из перечисленных князей правил позднее других 1 Игорь Старый 3 Владимир Мономах 2 Василий Темный 4 Александр Невский А2. В Новгородской боярской республике высш
13742. История отечества. Тест. Вариант 10 123 KB
  Вариант №10 Часть 1 А1. Какое из перечисленных событий произошло позднее других 1 битва на Калке 3 первое упоминание о Москве в летописях 2 восстание древлян 4 поход князя Игоря Святославича на половце
13743. История отечества. Тест. Вариант 11 121 KB
  Вариант №11 Часть 1 А1. Какое событие древнейшая русская летопись Повесть временных лет относит к 945 г. 1 восстание древлян 3 призвание варягов в Новгород 2 крещение князя Владимира 4 поход князя Олег
13744. История отечества. Тест. Вариант 12 123.5 KB
  Вариант №12 Часть 1 А1.Установление монголотатарского ига на Руси произошло в 1 XI в. 2 XII в. 3 XIII в. 4 XIV в. А2. Соседями восточных славян в период Древней Руси являлись ...
13745. История отечества. Тест. Вариант 13 128.5 KB
  Вариант №13 Часть 1 А1. Какое из названных событий произошло в XV в. 1 основание славяногреколатинской академии 2 церковнообрядовая реформа патриарха Никона 3 издание печатной книги Апостол ...
13746. История отечества. Тест. Вариант 14 120.5 KB
  Вариант №14 Часть 1 А1. В XIII в. произошло событие 1 сражение на реке Калке 3 Грюнвальдская битва 2 взятие Казани 4 Куликовская битва А2. Избранию царя из династии Романовых предшествовало с