42192

Моделирование процесса измерения основных параметров волоконно-оптических трасс по рефлектометрическим данным

Лабораторная работа

Физика

Если среда в которой распространяется импульс в данном случае оптическое волокно содержит неоднородности то на рефлектограмме появятся изломы и всплески. Как было сказано выше если неоднородности в волокне отсутствуют то рефлектограмма будет представлять из себя прямую с некоторым наклоном. Ступеньки говорит о наличии неоднородности на которой происходит поглощение мощности светового импульса1. Обычно такие неоднородности наблюдаются в местах сварки оптических волокон.

Русский

2013-10-27

291.5 KB

7 чел.

  1.  Цель работы

Целью работы является моделирование  процесса измерения  основных параметров волоконно-оптических трасс по рефлектометрическим данным.

  1.  Краткие теоретические сведения

В настоящее время все большее количество измерений в ВОЛС делается с помощью рефлектометра. В силу этого приобретает актуальность проблема правильной обработки результатов рефлектометрических измерений (рефлектограмм). Суть рефлектометрического метода состоит в том, что в исследуемое волокно запускается короткий световой импульс. При прохождении через волокно свет рассеивается во всех направлениях, в том числе и в обратном. В силу того, что свет распространяется с конечной скоростью, на тот конец световода, откуда был введен импульс, свет, рассеянный из разных мест волокна, приходит в разное время. Уровень пришедшего (рассеянного) сигнала измеряется через определенные равные промежутки времени. Оптическая длина световода до того места, откуда был рассеян сигнал, зарегистрированный в момент времени t (время измеряется от момента ввода импульса в волокно), определяется по формуле:

                                                     (1)

где с – скорость света, n – коэффициент преломления материала световода.

Уровень рассеянного сигнала принято выражать в децибелах (дБ):

                                                 (2)

где D – уровень сигнала в децибелах, P – мощность принятого сигнала,

P0 – мощность исходного импульса.

Надо отметить, что обычно интересуются не абсолютным уровнем сигнала, а относительным, поэтому к значению, полученному по формуле (2) прибавляют константу, подобранную таким образом, чтобы все значения уровня на исследуемом отрезке были больше нуля, а минимальное значение было равно нулю. Удобство подобного представления состоит в том, что при распространении света в однородной среде, затухание импульса происходит по экспоненциальному закону, поэтому после логарифмирования получается прямая пропорциональность, то есть график имеет вид прямой линии. Если среда, в которой распространяется импульс, в данном случае оптическое волокно, содержит неоднородности, то на рефлектограмме появятся изломы и всплески. Типичный вид рефлектограммы для световода, представлен на рис.1.

Таким образом, рефлектограмма – есть уровень сигнала обратного рассеяния по длине волокна, выраженный в децибелах. Она несет в себе большое количество информации как о локальных, так и об интегральных параметрах световода. Большое значение имеет правильная обработка рефлектограмм. Вот основные задачи, которые решаются при обработке рефлектограмм:

  1.   Нахождение оптической длины волокна;
  2.   Нахождение полного затухания и километрического затухания (затухание на единицу длины) на различных участках в волокне;
  3.   Нахождение неоднородностей и измерение их параметров.

Для решения первой задачи необходимо правильно установить коэффициент преломления для световода и определить где находится его конец. Если измерение сделано корректно, то конец волокна легко находится: это обычно довольно большой всплеск или впадина на рефлектограмме, за которой следует участок с шумом довольно большого уровня (рис.1). Однако, если волокно слишком длинное, то измерительный импульс не будет проходить его целиком. В этом случае мы увидим, что рефлектограмма становится пологой и к концу становится сильно зашумленной - «сигнал тонет в шуме». В этом случае надо провести переизмерение данного волокна.

Рис.1.

Для решения второй и третьей задач применяются маркеры. Маркерами помечаются отдельные точки рефлектограмм и каждый маркер в отдельности не несет большого смысла. Гораздо большее значение имеют участки рефлектограммы между маркерами. После того, как мы поставим два маркера, маркер 1 и маркер 2 (рис.2), мы определяем оптическую длину волокна L между ними, затухание D – разность значений уровня сигнала и километрическое затухание – затухание, поделенное на расстояние между маркерами D/L.

Перейдем теперь к рассмотрению неоднородностей. Как было сказано выше, если неоднородности в волокне отсутствуют, то рефлектограмма будет представлять из себя прямую с некоторым наклоном. Наличие неоднородностей приводит к появлению на этой прямой ступенек и всплесков. Ступеньки говорит о наличии неоднородности, на которой происходит поглощение мощности светового импульса1. Обычно такие неоднородности наблюдаются в местах сварки оптических волокон. Отражения света на такой неоднородности не происходит, поэтому неоднородности такого типа называются не отражающими неоднородностями. Всплеск вверх2 говорит о наличии отражения в данном месте оптической трассы, поэтому неоднородности такого типа называются отражающими неоднородностями. Отражение возникает обычно при соединении оптических волокон через оптические разъемы. На отражающей неоднородности также происходит потеря мощности светового импульса. Поиск неоднородностей заключается в поиске всех ступеней и всплесков на графике рефлектограммы.

После того, как неоднородности найдены, необходимо измерить их параметры – потери и отражение, если неоднородность отражающая. Для измерения потерь на неоднородности обычно применяется 4х-маркерный метод (рис.3). Маркер 2 ставится непосредственно перед неоднородностью, маркер 1 –  перед маркером 2, но после предыдущей неоднородности. Маркер Y ставится сразу после неоднородности, а маркер 3 – после маркера Y как можно дальше на линейном участке. Для нахождения потерь проводится аппроксимирующая прямая между маркерами 1 и 2 и вычисляется ее значение в точке маркера 2, назовем его К1. Далее проводится аппроксимирующая прямая между маркерами Y1 и 3, которая экстраполируется в точку, где стоит маркер 2 и вычисляется ее значение в этой точке, назовем его К2. После этого потери на неоднородности в децибелах выражаются по формуле:

К = К1-К2                                          (3)

Здесь большую роль играет метод проведения аппроксимирующих прямых. Применяется два метода – двухточечный (ДТМ или, по-английски TPATwo Point Approximation) и аппроксимация по методу наименьших квадратов (АПР – аппроксимация, или, по-английски LSALeast Square Approximation). Двухточечный метод сильно чувствителен к шуму, то есть при наличии шума небольшое изменение положения любого маркера, кроме маркера 1, существенно меняет результат. При аппроксимации по методу наименьших квадратов можно менять положения маркеров в довольно широких пределах, не изменяя существенно результата, но наличие шума может привести к тому, что проведенная прямая будет иметь наклон сильно отличный от реального. При необходимости нужно изменить используемый метод аппроксимации.

Для нахождения отражения находим максимум между маркерами 2 и Y, вычисляем разность значений в максимуме и точке маркера 2, назовем эту разность P, после чего отражение в децибелах вычисляется по формуле:

                                      (4)

где D – ширина импульса, использованного при измерении в микросекундах, а В – уровень рассеяния при ширине импульса 1мкс, равный 50 на длине волны 1.31мкм и 52 на длине волны 1.55мкм. Как видим, для нахождения отражения нет необходимости расставлять все маркеры, достаточно знать только высоту пика, поэтому, если необходимо измерить только отражение, то можно просто поставить маркер 1 непосредственно перед началом всплеска, а маркер 2 на пик, после чего вычислить отражение по формуле (4). При нахождении отражения следует иметь в виду, что если пик острый, то отражение будет найдено правильно. Если же пик срезан, то скорее всего это означает, что отражение от неоднородности настолько большое, что фотоприемник рефлектометра пришел в насыщение, в этом случае найденное значение отражения будет заниженным.

Для промышленного использования в производстве кабеля обычно используются волокна длиной не менее 4км, без отражающих неоднородностей и с максимальными потерями на точечной неоднородности не более 0.2дБ.

3. Средства для выполнения лабораторной работы

Для выполнения данной лабораторной работы необходим IBM совместимый персональный компьютер с процессором Intel P-233 или выше под управлением операционной системы Microsoft Windows  с установленным на нем программным обеспечением АРМ 2.0 light и примерами рефлектограмм реальных оптических трасс.

  1.  Порядок выполнения работы

  1.  Запустить программу WorkPlaceLab («Измеритель параметров оптического кабеля»).
  2.  Открыть указанный преподавателем файл рефлектограммы.  
  3.  С помощью окна определить длину волны, на которой было сделано измерение, а также ширину зондирующего импульса.
  4.  Измерить протяженность мертвой зоны. Для этого находим начало линейного участка рефлектограммы и помещаем в это место курсор. После установки курсора на панели параметров высвечивается оптическая длина трассы до него.
  5.  Найти на рефлектограмме неоднородности. Для лучшего просмотра отдельных частей трассы использовать увеличенный просмотр.
  6.  Измерить параметры всех обнаруженных неоднородностей, установив для каждой из них соответствующим образом маркеры. Параметры измерений контролируем на панели параметров. Отражение, где необходимо, вычислить по формуле (4). При необходимости изменить способ аппроксимации с помощью щелчка мыши на соответствующем параметре на панели параметров. Результаты измерений заносим в таблицу:

Тип неоднородности

Расстояние, м

Потери, дБ

Отражение, дБ

  1.  Измерить оптическую длину волокна путем установки курсора в соответствующую точку.

  1.  Пример выполнения работы.

Открыта программа («Измеритель параметров оптического кабеля»). Загружен файл 001.tra.

На панели в левом нижнем углу показаны характеристики рефлектограммы – длина волны, диапазон длин волокна, в котором проводилось измерение, а также ширина зондирующего импульса. Необходимо помнить, что в действительности важную роль играет и показатель преломления волокна, но он определяется при реальных измерениях, и сейчас без него можно обойтись.

Таким образом, необходимые характеристики составляют:

длина волны 1.55 мкм;

ширина импульса 100 нс.

Далее необходимо измерить протяжённость мёртвой зоны. Для этого маркер 1 активируется и устанавливается на точку окончания мёртвой зоны (при необходимости меняется масштаб), и в окне «Расстояние» можно получить необходимую цифру:

протяжённость мёртвой зоны 0.03 км, то есть 30 метров.

1 Если ступень вверх, то формально происходит увеличение мощности света, что на самом деле означает возбуждение дополнительных световых мод и говорит о плохом качестве используемого волокна или о неправильно сделанной сварке. Далее мы не будем рассматривать неоднородности такого типа

2 Всплеск вниз не имеет физического смысла, за исключением случаев маскирования, поэтому на реальных рефлектограмах он не встречается и здесь не рассматривается


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84939. Урок розвитку зв’язного мовлення у 2 класі 40 KB
  Пізньої осені, коли промерзає ґрунт, зменшується кількість корму, насамперед у комах; їжаки зариваються в опале листя і впадають у сплячку аж до березня. У цей час у них дуже повільне дихання (до 6 разів на хвилину), різко знижується температура тіла, серце робить лише кілька ударів на хвилину.
84940. Визначення роду і числа прикметників 32 KB
  Мета. Закріплювати вміння змінювати прикметники за родами і числами, вдосконалювати вміння визначати рід, число прикметників у зв’язку з іменниками,добирати найвлучніші прикметники, розвивати вміння аналізувати, узагальнювати,зіставляти мовні явища. Розвивати увагу, спостережливість.
84941. Складання тексту-розповіді про осінь 62 KB
  Мета: вчити учнів складати текстрозповідь красиво говорити; правильно послідовно висловлювати свої думки на основі власних спостережень через художнє слово. Чаґосовського Пори року Осінь; ілюстрації із зображенням осені осінні листочки; зошит з розвитку зв’язного мовлення роздатковий дидактичний матеріал.
84942. Урок-казка «Таємниці зими» 40 KB
  Мета уроку: Розкрити перед дітьми «секрети зими». Формувати вміння підбирати споріднені слова, синоніми. Стимулювати дитяче захоплення; сплеск образної уяви; щирість естетичних суджень. Розвивати увагу, фантазію, оригінальність мислення.
84943. Речення. Основні ознаки речення 210 KB
  Мета. Формувати поняття про речення як одиницю мовлення; вчити виділяти речення тексту, відокремлювати речення одне від одного, удосконалювати навички інтонування речень; розвивати увагу; інтонаційну виразність; виховувати доброзичливе ставлення до природи...
84944. Тварини – частина живої природи. Види тварин. Спостереження за тваринами 62 KB
  Мета: Формувати поняття «тварини-живі організми»; поняття про види тварин; розвивати вміння спостерігати за тваринами, увагу, кмітливість; виховувати дбайливе ставлення до тварин. Обладнання: малюнки із зображенням тварин, картки з завданням, мікрофон, фільм про тварин, проектор, комп’ютер.
84945. «Шукачі скарбів». Виховна година, присвячена 175-річниці з Дня народження Марка Твена 116 KB
  Мета: виховувати шанобливе ставлення до книг; виховувати такі почуття, як дружба, відповідальність, любов. Тип заняття: брейн-ринг Обладнання: уривки художніх фільмів, видання книжок М.Твена для дітей,; декорації: паркан, квіти, скриня із кульками «доброта», «щирість», «відданість», «підприємливість»...
84946. Масляна. Складання розповіді 31.5 KB
  Навчити будувати зв’язну розповідь за опорними словами та малюнками, вдосконалювати вміння висловлюватися реченнями, активізувати і поповнити словниковий запас, висловлювати свої думки в логічній послідовності, формувати навички усного і писемного мовлення, закріпити уміння добирати прикметники...
84947. Написання твору за картиною Р.Г.Романова «Зимовий ліс» 3.32 MB
  Організація учнів до уроку. Створення позитивного настрою. З хорошим настроєм, бажанням вчитися та пізнати щось нове розпочнемо наш з вами урок. Станьте, діти, всі рівненько, Посміхніться всім гарненько, Привітайте гостей, що до нас завітали. Хочу чути, чого б ви сьогодні їм всім побажали?