Разработка программного интерфейса для лабораторных работ по дисциплине: "Методы и средства измерения в телекоммуникациях"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Обоснование необходимости разработки данных лабораторных работ

3. Методы измерения в телекоммуникациях

3.1 Методы и средства измерения затухания методами светопропускания

3.1.1 Метод двух точек

3.1.2 Метод обрыва

3.1.3 Метод вносимых потерь

3.1.4 Измерение приращения затухания при воздействии внешних факторов

3.1.5 Измерение переходного затухания

3.2 Метод обратного рассеяния

3.3 Методы и средства измерения оптической мощности

3.3.1 Классификация методов и принципы построения средств измерений оптической мощности

3.3.2 Измерители мощности с термофотодиодами

3.3.3 Измерители мощности с фотодиодами

4. Проектирование программных пакетов

4.1 Разработка оболочки пакета программ

4.2 Разработка модуля регистрации

4.3 Разработка модуля тестирования

4.4 Разработка модуля просмотра статистической информации

4.5 Разработка основных модулей лабораторных работ №1 и №2

5. Оценка эффективности разработанных интерфейсов

6. Охрана труда и техника безопасности

6.1 Основные правила при работе с компьютером

6.2 Требования к видеодисплейным терминалам и персональным электронно-вычислительным машинам

6.3 Требования к помещениям для эксплуатации ВДТ и ПЭВМ

6.4 Требования к освещению помещений и рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ

6.5 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ

6.5.1 Общие требования

6.5.2 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ для учащихся средних и высших учебных заведений

6.6 Требования к организации режима работы с ВДТ и ПЭВМ студентов высших учебных заведений

6.7 Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе помещений эксплуатации ВДТ и ПЭВМ

6.8 Требования к шуму и вибрации

6.9 Электробезопасность

6.10 Пожарная безопасность

Заключение

Литература

1. Введение

программный интерфейс лабораторный

Развитие компьютерных технологий даёт новый подход к образовательной системе в целом. В связи с этим улучшается качество образовательного процесса, появляется наглядность в обучении, возможность быстро осваивать материал. Стремительный рост объема информации требует перехода от модели обучения, основанной на запоминании, к модели, обеспечивающей развитие навыков получения новых знаний. Этот переход и обеспечивается за счёт внедрения компьютерных программ обучения и проверки знаний.

Современные компьютерные классы позволяют проводить занятия с максимальной эффективностью. Создание обучающих и контролирующих знания компьютерных программ обладают рядом преимуществ: возможность дистанционного образования, исключение присутствия преподавателя, наглядность материала.

Отдельно можно выделить наибольшую скорость проверки знаний и исключение человеческого фактора, в отличии от традиционных методов.

Но с другой стороны исключение человеческого фактора является большим недостатком, так как преподаватель не может проследить ход решения студента.

Разработанный программный интерфейс обеспечивает проверку знаний при изучении предмета ”Методы и средства измерения в телекоммуникациях”. Он включает в себя 2 лабораторные работы. Первая работа посвящена измерениям на ВОЛП с помощью оптических рефлектометров во временной области(OTDR). Вторая- измерениям на ВОЛП с помощью оптического тестера(ТЕСТЕР).

Вопросы к тесту выбираются из базы данных, которую формирует преподаватель, это даёт возможность комплексной проверки знаний.

Разработка данного программного интерфейса позволяет: применять алгоритмы тестового контроля, использовать в тестах мультимедийные возможности компьютеров, уменьшить объем бумажной работы и ускорить подсчет результатов, повысить оперативность тестирования, снизить затраты на организацию и проведение тестирования.

2. Обоснование необходимости разработки данных лабораторных работ

Для обеспечения высокого уровня подготовки студентов необходимо оборудовать лаборатории института современными высокотехнологичными и высокоточными приборами. Так как для организации полноценной лабораторной работы требуется несколько разнотипных приборов и очень часто они не являются взаимозаменяемыми, то при поломке одного из них выходит из строя вся стойка целиком.

Большинству приборов уже более двадцати лет, следовательно, их срок эксплуатации уже истек. Кроме того, они морально устарели. Эти приборы находятся в плачевном состоянии и очень часто выходят из строя. Таким образом, срывается нормальная организация учебного процесса.

Видно, что срочно необходима модернизация всех лабораторий, иначе они станут бесполезны.

В последнее время большинство измерительных приборов представляют собой узкоспециализированные компьютеры, позволяющие производить большое количество измерений с очень высокой точностью, но являются дорогостоящими. Нельзя забывать, что сейчас происходит бурное развитие цифровой техники и вследствие этого в течение одного года появляются несколько моделей однотипного измерительного оборудования с улучшенными характеристиками.

Для модернизации лабораторий и установки в них современных измерительных приборов потребуются огромные финансовые вложения. Для их уменьшения можно перевести часть работ в электронный вариант, то есть написать программы, моделирующие физические процессы. Компьютерные лабораторные работы модернизировать намного легче и дешевле. Это позволит поспевать за развитием рынка современных приборов.

В тоже время нельзя забывать, что переводить все лабораторные работы в электронный вариант нежелательно. Так как студенты должны учиться работать различными измерительными приборами.

При выполнении данных лабораторных работ студент ознакомится с различными типами программных оболочек OTDR, оптическим тестером, увидит, что представляет собой рефлектограмма, научиться измерять различные параметры.

Включение этих лабораторных работ в график учебного процесса позволит преподавателям уделять больше внимания индивидуальной работе со студентами, так как у них не будет затрачиваться время на проведение допуска к лабораторной работе и промежуточный контроль ее выполнения. Так же преподавателя нельзя будет обвинить в предвзятости к студенту при оценке знаний, так как программа выставляет оценку по единому алгоритму и для нее не имеет значения, кто отвечает на вопросы.

3. Методы измерения в телекоммуникациях

3.1 Методы и средства измерения затухания методами светопропускания

В процессе производства ОК, строительства и эксплуатации ВОЛП интерес представляет полное затухание ОК, которое определяется следующими причинами:

затухание, обусловленное поглощением и рассеянием ОВ;

дополнительное затухание, возникающее в процессе эксплуатации (возникающие микротрещины, микро и макроизгибы и т. п.);

затухания отражения от входного конца, возникающие при вводе излучения в световод и на неоднородностях.

В общем виде затухание оптического сигнала определяется соотношением:

, дБ, (3.1.1)

где и - мощности оптического сигнала в точках 2 и 1 соответственно, выраженные в Вт, мВт или мкВт.

В случае, когда шкала измерителя мощности проградуирована в логарифмических единицах, т.е. в абсолютных уровнях сигнала по мощности, определяемых по формуле:

, (3.1.2)

затухание сигнала определяется по упрощенной формуле:

, дБ. (3.1.3)

Для однородного волокна можно определить коэффициент затухания - затухание на единицу длины волокна в дБ/ед. длины:

, дБ/ед. длины, (3.1.4)

которое не зависит от выбранной длины L волокна.

Из формул (3.1.1), (3.1.3) и (3.1.4) следует, что при определении затухания возникает задача измерения мощности оптического сигнала на выходе и входе ОВ. При этом вычисленные значения затуханий имеют отрицательные знаки. Опускание последнего является в волоконной оптике обычной практикой.

Существуют различные методы измерения затухания ОВ и ОК [1].

Классификация этих методов и соответствующая им терминология не являются однозначными. Ниже приводится классификация, в достаточной мере отражающая суть реальных методов:

двух точек;

метод обрыва;

замещения;

сравнения с отраженным сигналом;

обратного рассеяния.

3.1.1 Метод двух точек

Метод по своей сути является наиболее простым и заключается в измерениях мощности Р1(), вводимой в ОВ (кабель), и мощности, излучаемой Р2() на его выходе. Затухания измеряемого объекта определяются по формулам (3.1.1) - (3.1.4).

Погрешность измерения затухания этим методом зависит от двух факторов:

погрешности прибора, измеряющего мощность;

погрешности измерения доли мощности, вводимой в измеряемое волокно.

Первый из этих факторов является очевидным. Проанализируем второй:

Измерение мощности на выходе излучателя не является проблемой, однако эта мощность неадекватна мощности, введенной в измеряемый объект, вследствие потерь на вводе. Определение этих потерь с необходимой погрешностью затруднительно. Поэтому возможны два решения: определение и учет с необходимой погрешностью значения потерь на вводе энергии в волокно в каждом конкретном случае измерений; снижение этих потерь до заведомо малого (пренебрежимого) значения. Очевидно, как в первом, так и во втором варианте погрешность измерений затухания будет ограничиваться точностью учета (или обеспечения малости) значения потерь на вводе. Второе решение является более конструктивным. На рисунке 3.1 представлена функциональная схема измерения, соответствующая рассматриваемому методу 1.

Источником возбуждения измеряемого кабеля является по существу не излучатель 1, а половина калиброванного разъема на выходе поглотителя оболочечных мод. Таким образом, половина разъема представляет собой излучатель равновесной структуры поля.

Во вторую половину калибровочного разъема закладывается входной торец измеряемого волокна. Диаметр сердцевины калиброванного отрезка волокна 4 и его числовая апертура заведомо меньше таковых измеряемого волокна. Разъем снабжен микроманипулятором, дающим возможность плавно с большой точностью юстировать разъем относительно торца измеряемого волокна так, чтобы мощность (или показания приборов 7, пропорциональные мощности), контролируемая на конце кабеля l, была максимальной.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определив показания y2 прибора на конце кабеля, разъем размыкают и измеряют тем же прибором мощности y1 излучения калиброванным волокном 4 в разъеме 5. Очевидно, что при соблюдении указанных выше условий (для диаметров сердцевины, числовых апертур и оптимальной юстировки) второе измерение, дающее показание y1, определяет мощность (или пропорциональную ей величину) в начале кабеля. Тогда значение затухания может быть определено по формуле (3.1.1) (вместо величин P1 и P2 могут фигурировать y1 и y2).

Обязательным условием снижения до минимума потерь в разъеме 5 является подготовка торца измеряемого волокна. Для этого используются известные приемы: контролируемое (на специальном станке) обламывание волокна, полировка торца волокна и очистка его поверхности от неизбежных жировых пленок в чистом бензине или сероуглероде. Описанный метод измерения удобен в тех случаях, когда оба конца кабеля непосредственно доступны для измерения одному оператору.

Двусторонний доступ возможен, например, при измерениях на заводе или при входном контроле, когда кабель уложен на барабане или ОВ намотано на бобине. Если кабель уложен в траншее, т.е. его концы разнесены, то измерение по методу двух точек усложняется, так как его должны проводить два оператора у концов кабеля. При этом необходимо, чтобы измерители мощности, разнесенные по концам кабеля, имели бы идентичные параметры. В подобных случаях более удобными являются методы, обеспечивающие измерение при одностороннем доступе.

3.1.2 Метод обрыва

Он рекомендуется ITU-T G.651, EIA/TIA и ГОСТ 26814-86, является наиболее точным из используемых, но требует разрыва волокна, и его использование при инсталляции, техническом обслуживании и в полевых условиях нежелательно, поэтому он применяется только на кабельных площадках и при производстве ОВ. Метод основан на сравнении значений мощности оптического излучения, измеренной на выходе длинного волокна и на выходе короткого отрезка волокна, образованного отсечением части длины (около 2 м) со стороны источника. При измерении необходимо обеспечить постоянство мощности, вводимой в оптическое волокно измеряемого кабеля, и неизменность модового состава излучения.

Метод применяют для измерения затухания оптических кабелей, не армированных оптическими соединителями. Торцевые поверхности оптических волокон измеряемого кабеля должны быть перпендикулярны оси волокон, не иметь сколов и повреждений, препятствующих прохождению оптического излучения. В целях снижения погрешности измерения, обусловленной плохой обработкой торца волокна и некачественной установкой его в адаптере, измерения повторяют многократно, каждый раз обламывая подключаемый через адаптер к приемнику конец ОВ на длине 1…3 см, затем полученные оценки усредняют. При этом оценки, существенно отличающиеся от среднего значения, отбрасывают.

Измерение проводят на установке, схема которой представлена на рисунке 3.2, если применяют источник излучения, имеющий фиксированную длину волны (светодиод или лазер), или на установке, схема которой указана на рисунке 3.3, если применяют источник излучения с широкой спектральной полосой (лампа накаливания с монохроматором).

Положение и интенсивность источника излучения должны быть стабильными в течение всего времени проведения измерений. Длина волны и спектральная ширина источника излучения должны соответствовать требованиям, указанным в стандартах или технических условиях на измеряемый оптический кабель.

Устройство ввода излучения в измеряемое оптическое волокно кабеля должно обеспечивать юстировку входного конца волокна в трех взаимно перпендикулярных плоскостях для осуществления оптимального ввода энергии в волокно и жесткую фиксацию волокна.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Смеситель мод должен обеспечивать возбуждение измеряемого волокна с модовым составом, соответствующим установившемуся модовому распределению. При отсутствии смесителя мод уровень оптического сигнала на выходе волокна в процессе измерения может флюктуировать. Для контроля установившегося модового распределения должен быть использован метод измерения числовой апертуры. Критерием установившегося модового распределения является идентичность распределения излучения в дальней зоне на выходе модового смесителя и измеряемого волокна.

Фильтр мод оболочки должен обеспечивать вывод мод, распространяющихся по оболочке волокна измеряемого оптического кабеля. Для контроля вывода мод оболочки должен быть использован метод измерения интенсивности излучения в ближней зоне. Критерием вывода мод оболочки является отсутствие излучения в оболочке волокна после фильтра мод оболочки.

Приемник излучения должен иметь фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего конуса излучения, выходящего из оптического волокна. Приемник должен быть чувствительным к излучению во всем спектральном диапазоне, используемом в измерениях. Чувствительность приемника должна быть однородна по всей его площади, а преобразовательная характеристика - линейной или известной.

Регистрирующее устройство должно обеспечивать регистрацию сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника излучения. Если применяют модуляцию оптического излучения, то система обработки сигнала, поступающего от приемника излучения, должна быть согласована с характеристиками модулятора (например, синхронизована с частотой модуляции сигнала источника излучения). Характеристика регистрирующего устройства должна быть линейной или известной.

Подготовку образцов к измерениям проводят в следующей последовательности:

оба конца измеряемого кабеля освобождают от защитных покрытий: один входной - на расстоянии не менее 1 м, второй - на расстоянии не менее 0,5 м;

концы каждого волокна измеряемого кабеля освобождают на длине 10 - 50 мм от первичной и вторичной защитных оболочек;

торцевые поверхности оптических волокон на обоих концах кабеля обрабатывают так, чтобы они были ровными и перпендикулярными оси волокна и не имели сколов.

На расстоянии (0,5 ± 0,2) м от входного торца измеряемого волокна оптического кабеля последовательно устанавливают смеситель мод и фильтр мод оболочки.

Измеряемое волокно оптического кабеля устанавливают входным торцом в устройство ввода, выходным - вблизи фоточувствительной площадки приемника излучения так, чтобы все излучение с выходного торца попадало на площадку.

С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца измеряемого волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Фиксируют положение входного торца и регистрируют значение сигнала на выходе приемника излучения. При проведении измерения спектрального распределения затухания изменяют длину волны вводимого в оптическое волокно излучения в заданном спектральном диапазоне; при этом регистрируют значение сигнала на выходе волокна во всем спектральном диапазоне.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, от выходного конца измеряемого волокна обламывают отрезок длиной 0,5 - 3 см. Подготовленный выходной торец вновь устанавливают вблизи фоточувствительной площадки так, чтобы все излучение попадало на площадку приемника. Повторные измерения повторяют не менее 3-х раз. Конкретное число таких измерений определяют в соответствии с требованиями к случайной составляющей погрешности измерений и в соответствии с ГОСТ 8.207-76.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, обламывают измеряемое оптическое волокно кабеля после фильтра мод оболочки на расстоянии (1±0,2) м от входного торца. Подготавливают выходной торец короткого отрезка оптического волокна и устанавливают его относительно фоточувствительной площадки приемника излучения так, чтобы на нее попадало все излучение с выходного торца. Регистрируют значение сигнала на выходе приемника излучения на фиксированной длине волны источника излучения или в спектральном диапазоне.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, от выходного торца обламывают отрезок длиной 0,5 - 3 см, подготавливают выходной торец к измерению и вновь устанавливают относительно площадки приемника излучения так, чтобы на нее попадало все излучение с выходного торца измеряемого волокна. Эти операции также повторяют не менее 3-х раз.

Общее затухание измеряемого оптического кабеля определяют по формуле:

, (3.1.5)

где - затухание оптического кабеля, дБ;

и - оценки математических ожиданий уровней оптической мощности на выходах измеряемого оптического кабеля и его короткого отрезка соответственно;

- длина волны, на которой проведены измерения.

Коэффициент затухания измеряемого оптического кабеля на фиксированной длине волны определяется по формуле:

, (3.1.6)

где - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

- длина короткого отрезка кабеля, км;

- длина измеряемого оптического кабеля, км.

3.1.3 Метод вносимых потерь

Метод основан на последовательном измерении мощности оптического излучения на выходе измеряемого волокна оптического кабеля и на выходе вспомогательного волокна, армированного оптическим соединителем.

Метод применяют для измерения затухания оптических кабелей, оптические волокна которых армированы оптическими соединителями.

Измерения проводят на установке, схема которой указана на рисунке 3.4.

Требования к источнику излучения, устройству ввода, смесителю мод, приемнику излучения и регистрирующему устройству должны соответствовать требованиям, указанным в методе обрыва.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптические соединители, которыми армированы волокна измеряемого кабеля и вспомогательное оптическое волокно, должны иметь известный уровень потерь при соединении, указанный в стандартах или технических условиях.

С помощью устройства 8 регистрируют значение уровня мощности на фиксированной длине (при измерении спектральной зависимости затухания изменяют длину волны вводимого в волокно оптического излучения в заданном спектральном диапазоне, при этом регистрируют значение уровня мощности на выходе измеряемого волокна оптического кабеля во всем спектральном диапазоне). В целях уменьшения случайной составляющей погрешности измерения повторяют не менее 3-х раз.

Вынимают измеряемое волокно оптического кабеля. Сочленяют соединитель вспомогательного волокна с соединителем приемника излучения и регистрируют значение уровня мощности на выходе вспомогательного волокна. Эти измерения тоже повторяют не менее 3-х раз.

Затухание измеряемого оптического кабеля определяют по формуле:

, (3.1.7)

где - затухание оптического кабеля, дБ;

и - значения сигналов, соответствующие уровню мощности на выходе вспомогательного и измеряемого оптического кабеля;

- среднее значение потерь в оптическом соединителе, дБ;

- длина волны, на которой проведены измерения.

Коэффициент затухания измеряемого оптического кабеля определяется по формуле:

, (3.1.8)

где - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

- длина оптического кабеля, км.

3.1.4 Измерение приращения затухания при воздействии внешних факторов

Данное измерение проводят обычно при производстве ВОК или в случае возникновения сбоев при инсталляции, или эксплуатации ВОЛП, чтобы удостовериться, что они не вызваны приращением затухания от воздействия внешних факторов. Кроме этого эти измерения могут проводиться и в исследовательских целях. Приращения затухания ВОК могут возникнуть от таких внешних воздействий, как растяжение и изгиб, изменение температуры окружающей среды и других.

Измерения проводят на установке, схема которой представлена на рисунке 3.5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Требования к источнику и приемнику излучения, устройству ввода, смесителю мод, фильтру мод оболочки и регистрирующему устройству должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Источник и приемник излучения должны иметь повышенную долговременную стабильность, обеспечивающую измерения с необходимой точностью.

Измерения проводят при расположении волокна в устройстве, создающем необходимые внешние воздействия, в следующей последовательности[2]:

образец измеряемого кабеля помещают в камеру внешних воздействий и выводят из установки оба конца измеряемого кабеля на длину, необходимую для подключения к источнику и приемнику излучения;

регистрируют мощность оптического излучения на выходе волокна измеряемого ВОК до внешнего воздействия;

дискретно, с необходимым шагом изменения, увеличивают внешний воздействующий фактор и фиксируют показания измерителя мощности на выходе волокна;

на каждом шаге изменения выдерживают ВОК под действием внешнего фактора в течение времени, установленного соответствующим стандартом или ТУ, определяют изменение мощности оптического излучения в зависимости от внешнего воздействия;

прерывают внешнее воздействие и определяют значение мощности оптического излучения на выходе волокна непосредственно после его воздействия, а также через заданное время.

Приращение затухания определяют по формулам:

, (3.1.9)

, (3.1.10)

, (3.1.11)

где i = 1,2,3…N-1;

, и - приращение затухания непосредственно после воздействия, в процессе воздействия и по окончании воздействия соответственно;

, , и - значение мощности на выходе оптического кабеля до начала воздействия, на i-ом шаге, в процессе воздействия и по окончании воздействия;

- время действия воздействия;

- длина оптического кабеля, км.

3.1.5 Измерение переходного затухания

Данное измерение обычно проводится при производстве ВОК, однако, как и в предыдущем случае, может возникнуть необходимость поверочных измерений. Ниже рассматривается основной метод измерения переходного затухания, которое на дальнем конце ВОЛП представляет собой коэффициент передачи между выходами волокон при вводе оптического излучения в волокно, влияющего на кабель, а на ближнем конце представляет коэффициент передачи между входами, подверженными влиянию ближайших волокон. В соответствии с этими определениями измерение переходного затухания осуществляют путем измерения мощности на входе волокна, влияющего на кабель, а также выходах или входах волокон, подверженных такому влиянию, по схеме, представленной на рисунке 3.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве источника излучения применяют оптические источники с мощностью, достаточной для проведения измерения в заданном динамическом диапазоне. Длина волны источника излучения должна быть указана в стандартах или технических условиях на конкретный оптический кабель.

Требования к устройству ввода, фильтру мод оболочки, смесителю мод и регистрирующему устройству должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Приемник излучения должен обеспечивать измерения в динамическом диапазоне, заданном в стандартах или технических условиях на оптический кабель.

Порядок измерения в этом случае тот же, что и в рассматриваемых ранее измерениях вносимых потерь. Волокно, подверженное измеряемому влиянию, выбирается из числа волокон, расположенных в непосредственной близости с влияющим волокном.

Процедуру измерения переходного затухания рассмотрим на примере двух оптических волокон, осуществляя следующую последовательность операций:

Соединяют входной конец влияющего волокна с источником излучения, а выходной конец - с приемником излучения. С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца влияющего волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Регистрируют значение уровня мощности на выходе влияющего волокна измеряемого кабеля.

Выходной конец влияющего волокна отсоединяют от приемника излучения и соединяют с ним входной (выходной) конец волокна, подверженного влиянию. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности на входе (выходе) волокна, подверженного влиянию.

Не изменяя положения влияющего волокна, в устройстве ввода обрывают влияющее волокно на расстоянии (1±0,2) м от входного торца.

Выходной конец короткого отрезка волокна устанавливают относительно площадки приемника излучения так, чтобы на нее попало все излучение с выходного торца. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности, введенной во влияющее волокно.

Переходное затухание на ближнем и дальнем концах оптического кабеля определяют по формулам:

 , (3.1.12а)

, (3.1.12б)

где , и - соответственно значения уровня мощности на входе влияющего волокна, а также входе и выходе волокна, подверженного влиянию.

Для измерения переходного затухания средства измерения оптической мощности должны иметь высокую чувствительность и позволять измерять оптическую мощность уровнем порядка - 90 дБм и ниже. В случае отсутствия таких средств фиксируют реальный динамический диапазон измерений, как [3]:

, (3.1.13)

где - динамический диапазон, дБм;

и - соответственно уровень мощности на входе влияющего волокна или канала и минимально измеренный уровень мощности, дБм.

В некоторых случаях измерение переходного затухания может быть выполнено с помощью анализатора оптического спектра, позволяющего установить также спектральную плотность измеренного сигнала [3].

3.2 Метод обратного рассеяния

Общим недостатком рассмотренных ранее методов двух точек, обрыва и вносимых потерь является их неспособность дать информацию о распределении оптических потерь по длине оптического кабеля. Рассматриваемый метод обратного рассеяния пригоден для решения целого ряда задач: определения распределения оптических потерь по длине кабеля, измерений затуханий кабеля, параметров распределенных и локальных неоднородностей типа обрыва, мест сварки, а также расстояний до неоднородностей, длины волокна и расстояний до мест обрыва. Метод способен произвести диагностику и мониторинг целостности волокна и волоконно-оптической сети в целом.

Метод обратного рассеяния основан на введении в волокно импульсного оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на приемник в результате обратного рассеяния и отражений распространяющейся в волокне световой волны.

При реализации этого метода измеряемое волокно зондируют оптическими импульсами, вводимыми в ОВ через оптический направленный ответвитель. Из-за флюктуаций показателя преломления сердцевины вдоль волокна, отражений от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине волокна, возникает поток обратного рассеяния. Измеряют уровень мощности этого потока в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно в зависимости от времени задержки относительно момента посылки зондирующего импульса. В результате получают распределение мощности обратнорассеянного потока вдоль волокна - характеристику обратного рассеяния волокна. Регистрируют отдельные реализации характеристики обратного рассеяния, усредняют их по некоторому количеству зондирующих импульсов, а усредненное значение выводят на устройство отображения для дальнейшего анализа. Изображение характеристики обратного рассеяния на экране дисплея называется рефлектограммой (рисунок 3.7).

Для реализации данного метода разработаны специальные приборы - оптические рефлектометры во временной области - Optical Time Domain Reflectometer (OTDR). Они получили широкое распространение благодаря своей универсальности, так как обеспечивают одновременное определение целого ряда важнейших параметров ОВ и ОК: степени регулярности кабеля, мест неоднородностей и повреждений, потерь в местах соединений, затухания и расстояний до мест соединений, длин ОВ и др.

В качестве источника излучения применяют лазер, генерирующий стабильные по мощности, длине волны, длительности и частоте повторения импульсы оптического излучения. Мощность оптического излучения должна быть достаточна для проведения измерений, но не приводить к возникновению нелинейных эффектов в волокне измеряемого оптического кабеля.

Направленный ответвитель должен обеспечивать эффективную передачу мощности оптического излучения в оптическое волокно измеряемого кабеля и обратнорассеянной мощности к приемнику излучения. Он должен иметь апертуру,соответствующую апертуре волокна измеряемого кабеля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обобщенная структурная схема такого прибора представлена на рисунке 3.8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приемник излучения должен иметь быстродействие, соответствующее длительности импульса источника излучения, остальные требования к источнику излучения должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Устройство обработки сигнала должно обеспечивать увеличение соотношения сигнал/шум на выходе приемника излучения, достаточное для регистрации обратнорассеянного сигнала. Регистрирующая система должна иметь характеристики, согласованные с устройством обработки рефлектограмм.

Зондирующие импульсы поступают от источника излучения через направленный ответвитель в оптическое волокно. Поток обратного рассеяния регистрируется в чувствительном фотоприемном устройстве и преобразуется в электрический сигнал, который после специальной обработки в записывающем и усредняющем устройствах подается на вход устройства отображения (дисплей). При использовании в качестве устройства отображения электронного осциллографа этот сигнал вызывает соответствующее отклонение луча по оси Y на экране. Вертикальная ось экрана градуируется либо в децибелах по мощности (дБм), либо в единицах измеряемого затухания (дБ). Отклонение луча по горизонтальной оси X происходит под действием пилообразного напряжения генератора развертки осциллографа. Вследствие этого положение луча по оси X изменяется в зависимости от времени запаздывания сигнала ? t. Зная групповое время запаздывания оптического сигнала в сердцевине ОВ, можно осуществить градуировку горизонтальной оси в единицах длины для измеряемого типа ОВ.

В приборе имеется блок управления, обеспечивающий согласованную работу лазера, каскадов обработки сигналов и электронного осциллографа. В результате генератор развертки, запускаемый тем же импульсом, что и лазер, создает возможность наблюдения потока обратного рассеяния или полностью, или по частям. Блок управления осуществляет регистрацию и занесение в память реализации временных характеристик мощности обратного рассеяния и их усреднение. Рефлектограмма на экране осциллографа строится по усредненной временной характеристике. Кроме того, указанный блок управляет работой рефлектометра по заданной программе, обрабатывает данные, а также выполняет ряд сервисных функций. Как правило, типичный комплект оптического рефлектометра включает базовый блок и набор сменных блоков, каждый из которых работает на определенных длинах волн (0,85 мкм; 1,3 мкм и 1,55 мкм) и имеет свои характеристики [1].

Рассмотрим основные принципы измерения по методу обратного рассеяния. Как уже отмечалось выше, определение пространственных координат неоднородностей осуществляется по результатам измерения интервала времени между моментом посылки зондирующего импульса и регистрацией импульса обратнорассеянной мощности.

Как видно из рефлектограммы (рисунок 3.7), от коннекторов, микротрещин и от концов волокна относительно большая часть световой энергии отражается обратно, что обуславливает наличие пиков. По разности ? t между двумя пиками, а также провалами, соответствующими сосредоточенным потерям, скорости света в вакууме c0 и групповому показателю преломления ng?1,476 в стекле сердцевины, можно рассчитать либо длину волокна, либо координаты указанных выше неоднородностей.

(3.2.1)

где - измеряемая длина или координата неоднородности ОВ;

- разность времени между пиками начального и конечного импульсов, с;

- скорость света в вакууме, равная 300000 км/с;

- действительный групповой показатель преломления стекла сердцевины.

Реализация указанных измерений с помощью импульсного рефлектометра осуществляется путем выбора режима измерений и установки маркера в соответствующей точке рефлектограммы. При этом на устройство отображения выводится результат измерения расстояния.

Измерение коэффициента затухания ОВ по характеристикам обратного рассеяния производится на линейном монотонном участке рефлектограммы (рисунок 3.9).

Общие потери ВОЛП рассчитываются по формуле:

, [дБ] , (3.2.2)

где и - уровни оптической мощности на рефлектограмме, соответствующие концу и началу зондируемой ВОЛП, выраженные в мВт или мкВт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вследствие того, что свет проходит вперед и назад, здесь используется коэффициент 5 вместо коэффициента 10, используемого в аналогичном уравнении для метода светопропускания.

Дальнейшим усовершенствованием методики измерения является калибровка вертикальной шкалы прибора непосредственно в единицах измеряемых потерь. При этом потери для любого участка между точками и подсчитываются по формуле:

, [дБ] , (3.2.3)

где и - потери ВОЛП в дБ от начала до координат L2 и L1 соответственно.

В случае однородного волокна, т.е. когда потери остаются постоянными по всей длине, коэффициент затухания (погонные или километрические потери) рассчитываются по формуле:

, [дБ/км]. (3.2.4)

В режиме измерения затухания все операции, за исключением операции размещения двух маркеров, производятся автоматически и значение затухания оптической линии на участке между маркерами выводится на отображающее устройство.

Измерения потерь в сварных соединениях. Этот вид потерь может быть вызван как отражательными, так и неотражательными событиями. В идеале потери данного типа должны иметь вид резкого изгиба рефлектограммы. Однако изменение модового состава оптического излучения и отражения в месте соединения приводит к искажению рефлектограммы в некоторой зоне вблизи места соединения. Протяженность этой зоны достаточно велика (100…200 м), поэтому оценки затухания стыка, полученные непосредственно как разность результатов измерения обратнорассеянной мощности до и после стыка, имеют большую погрешность, которая может достигать 100 % и выше. В этой связи, а также в целях уменьшения влияния собственных шумов на погрешность измерения затухания в современных рефлектометрах эффективно используются алгоритмы аппроксимации фрагментов рефлектограммы линейной (регрессионной) зависимостью по методу наименьших квадратов, рисунок 3.10.

(3.2.5)

Параметры аппроксимации a и b чаще всего определяются методом наименьших квадратов (LSA), то есть с использованием математического аппарата регрессивного анализа. При этом:

, (3.2.6а)

, (3.2.6б)

где - оценка математических ожиданий измеряемых координат ;

- оценка математических ожиданий измеряемых значений потерь в координатах ;

n - количество отсчетов на участке аппроксимации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аппроксимирующие линии регрессии экстраполируют для верхнего участка рефлектограммы вперед, а для нижнего участка назад. Оценивают уровни мощности обратного потока энергии в ОВ в конце первой () и начале второй () сращиваемых строительных длин, то есть в месте стыка. Затухание на стыке оценивают как разность:

. (3.2.7)

Как правило, рефлектометром автоматически измеряется затухание соединения ОВ. Наибольшее применение нашел способ пяти точек, реализованный в рефлектометрах стран СНГ, а также в рефлектометрах фирм Anritsu, Laser Precision и ряде других [1]. Согласно этому способу оператор в режиме “Измерение затухания на стыках ОВ” расставляет пять маркеров (рисунок 3.11): два (1 и 2) - на монотонно падающем участке характеристики одной строительной длины, два маркера (4 и 5) - на монотонно падающем участке другой строительной длины и один маркер (3) в месте стыка.

Важно, чтобы маркеры 1,2 и 4,5 не были установлены на выбросах и провалах характеристики. В режиме линейной аппроксимации по отсчетам рефлектограммы между границами 1 - 2 и 4 - 5 вычисляются параметры a и b линейной регрессии. Расстояние по оси ординат между этими прямыми в точке установки маркера 3 пропорционально искомому значению затухания в месте стыка.

Участки между точками 1,2 и 4,5 могут быть аппроксимированы также полиномами. В этом случае участки автоматически разбиваются на одинаковые интервалы. На границах этих интервалов автоматически измеряются уровни мощности, по которым и производится аппроксимация кривых тем или иным полиномом. Весь процесс измерения после расстановки маркеров - автоматический, результат измерения выводится на устройство отображения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Известен двухмаркерный способ (рефлектометр ОР - 310), при котором измеритель по обе стороны от стыка на монотонных участках характеристики расставляет два маркера так, чтобы место стыка находилось между ними на одинаковом расстоянии [1]. Программа, управляющая процессом измерения, предусматривает автоматическое разбиение участка между маркерами на равные интервалы, выполнение операций измерения уровней мощности, аппроксимации, экстраполяции и расчета затухания в месте соединения ОВ.

Если выполнено сращивание волокон с различными коэффициентами затухания, то углы наклона аппроксимирующих прямых будут различны. Возможен также случай, когда обратное рассеяние после события выше, чем до него, возможен подъем “gainer” (рисунок 3.12) в месте изгиба рефлектограммы.

Основным фактором, вызывающим увеличение рассеяния в точке сращиваемых волокон, является разница коэффициентов рассеяния соединяемых волокон. Так, если последующее по ходу распространения излучения волокно будет иметь несколько более высокий коэффициент рассеяния, чем предыдущее, оно будет рассеивать большее количество света обратно на OTDR. Последний обнаружит это увеличение и, естественно, изобразит его на экране на несколько более высоком уровне, чем уровень предыдущего участка волокна.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вторым фактором, увеличивающим рассеяние в точке сращивания волокон, является отличие геометрии их сердцевины, причем незначительные расхождения диаметров последних могут привести к увеличению возвращенного света после точки их сочленения, определяемому выражением [4]:

, (3.2.8)

где и - диаметры сердцевин оптических волокон.

Следовательно, меньшее по диаметру принимающее волокно будет рассеивать меньшее количество света на OTDR, чем большее волокно будет передавать. На дисплее OTDR это отображается подъемом на рефлектограмме. Это указывает на то, что информация обратного рассеяния не всегда адекватна процессу распространения света в волокне, так как последний при распространении по оптическому волокну не усиливается. Следовательно, OTDR определяет потери, исходя из разницы в уровнях обратного рассеяния, а не из действительного состояния оптического волокна, в связи с чем различия в коэффициенте рассеяния Рэлея и коэффициенте, определяющем захваченную волокном и направленную обратно к рефлектометру часть рассеянного во всех направлениях света , оказывают влияния на сигнал OTDR и могут привести к двусмысленности в процессе интерпретации результатов измерений. Однако, если и для кабеля 1 и кабеля 2 известны, тогда действительное значение потерь сращивания может быть определено в соответствии с выражением [4]:

, (3.2.9)

где и представляют собой уровни сигналов обратного рассеяния в точках A и B;

и - коэффициенты затухания 1 и 2 кабеля;

- геометрическая ширина импульса;

- коэффициент, определяющий захваченную волокном и направляемую обратно к рефлектометру часть рассеянного во всех направлениях света;

- коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;

- параметр, определяющий профиль преломления волокна.

Из выражения (3.2.9) следует, что измеренные OTDR потери сращивания могут иметь разные знаки и, следовательно, зависят от направления зондирования волокна. Очевидно, что при тестировании с другого конца того же волокна OTDR покажет гораздо большее значение потерь. Следовательно, измерение потерь с помощью OTDR должно проводиться с обоих концов линии при последующем усреднении полученного результата, что позволяет исключить эффект направленности. Это единственный способ убедиться в правильности прочтения потерь сращивания вне зависимости от того, присутствуют на данном отрезке волокна усиления или нет. Если усиление проявляется, становится невозможным определить точно, что представляют собой потери сращивания без осуществления тестирования с обоих концов волокна.

Измерение потерь на изгибах оптических волокон. При изгибе волокон с увеличением длины световой волны тип колебаний, распространяющихся в волокне, становится менее ограничен высоколегированной сердцевиной, а эти параметры становятся значимыми. Пример зависимости потерь от изгиба одномодового волокна, намотанного вокруг стержня диаметром 23 мм, при различных длинах волн приведен на рисунке 3.13 [4].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как следует из рисунка 3.13, более длинные световые волны способствуют более эффективному поиску мест изгибов волокна и могут быть использованы для обеспечения надежной диагностики оптоволоконных кабелей. На практике потери, вызванные макроизгибами, становятся существенными при л=1550 нм и особенно при л=1625 нм.

Измерение потерь отражательных событий. Отражения в оптическом кабеле могут быть вызваны изменениями показателя преломления, например, воздушным зазором в микротрещине, механическим сращиванием или коннектором. К дополнительным потерям приводят также некачественное соединение коннекторов, несовпадение диаметров сердцевины или цифровой апертуры, а также неконцентричность сердцевины волокна. На рисунке 3.14 представлен вид вносимых потерь коннектора, составляющих приблизительно 0,4 дБ, измеренных импульсным рефлектометром. Слегка наклонная вершина импульса указывает на то, что данная форма представляет собой сумму отраженного и трансформированного вследствие потерь прямоугольного сигнала обратного рассеяния [4].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные характеристики импульсного рефлектометра. Общие требования к OTDR достаточно хорошо известны и включают следующие основные параметры: динамический диапазон, дальность и пространственная разрешающая способность, мертвые зоны по отражению и ослаблению.

Динамический диапазон. Это одна из основных характеристик рефлектометра. Различают несколько оценок этой величины. Наиболее широко используются динамический диапазон по потоку обратнорассеянной мощности, определяемой по среднеквадратическому значению при отношении сигнал/шум равном единице (SNR=1) - DS, динамический диапазон по потоку обратнорассеянной мощности оптического излучения, определяемой по среднеквадратическому значению уровня шума при отношении шум/сигнал равном 0,1 - D0,1, эффективное значение динамического диапазона по потоку обратнорассеянной мощности - De, и динамический диапазон по потоку мощности, обусловленному Френелевским отражением - D4% [4].

Динамический диапазон DS определяют как разность между уровнем мощности потока обратного рассеяния в точке ввода оптического излучения в ОВ и уровнем среднеквадратического значения шума как показано на (рисунке 3.15а).

Динамический диапазон D0,1, определяют как разность между уровнем мощности потока обратного рассеяния в точке ввода мощности оптического излучения в ОВ и предельным значением уровня, при котором еще возможно выделить сачок в 0,1 дБ на характеристики обратного рассеяния. Находят значение D0,1 по формуле:

, дБ. (3.2.10)

Эффективное значение динамического диапазона De, определяют как разность между уровнем мощности обратнорассеянного потока в точке ввода оптического излучения в ОВ и уровнем на 0,3 дБ выше максимального уровня шума (рисунок 3.15б).

Значительно реже используют оценку динамического диапазона по потоку за счет Френелевского отражения - D4%, который определяется относительно уровня мощности сигнала в точке, в которой еще можно различить 4% от уровня максимального значения отраженного оптического импульса. Графически это значение определяют, как показано на (рисунке 3.15в). При определении динамического диапазона D4% различают его оценку при отношении сигнал/шум, равном единице, и эффективное значение, которые отличаются, как и при определении динамического диапазона по обратнорассеянному потоку, выбором уровня помехи, относительно которого производится отсчет.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Значения оценок динамического диапазона для наиболее известных марок рефлектометров они изменяются в пределах:

De от 6..10 дБ до 30..34 дБ;

DS от 9..15 дБ до 36..40 дБ;

D4% от 37…38 дБ до 39…45 дБ.

Дальность обнаружения неоднородности. Основной задачей импульсного рефлектометра является определение расстояний до неоднородностей в оптическом волокне, измерение которых заключается в определении времени распространения оптического излучения в прямом и обратном направлениях. При этом групповая скорость распространения оптического импульса определяется известным выражением:

, (3.2.11)

где - скорость распространения световой волны в свободном пространстве;

- коэффициент преломления;

- частота оптического излучения;

- постоянная распространения.

Как видно из данного выражения, зависит от показателя преломления среды. Так как точность измерения расстояния зависит от точности измерения времени и правильного задания при измерениях значения , имеем

. (3.2.12)

Максимально возможное расстояние, которое может контролировать OTDR с заданной точностью при заданной длительности тестирующих импульсов, будет равно [4]

 . (3.2.13)

Как уже отмечалось, дальность обнаружения неоднородности зависит от динамического диапазона рефлектометра и характеристик волокна. Кроме этого, в OTDR накладываются ограничения, вызванные тем, что мощность отраженного сигнала при заданной мощности источника излучения зависит от длительности импульса , а самый слабый сигнал, который может быть обнаружен с отношением сигнал/шум , зависит от ширины полосы пропускания предусилителя. Для учета этого фактора рассмотрим пространственную разрешающую способность OTDR.

Пространственная разрешающая способность (). Она характеризует способность OTDR обнаружить два соседних события, одно из которых может быть отражательным, и определяет возможность выделения близко расположенных неоднородностей. Очевидно, что зависит от длительности импульса , излучаемого лазером, и ширины полосы пропускания усилителя :

. (3.2.14)

В ближней зоне волокна разрешающая способность показывает насколько близко к коннектору передней панели прибора может быть расположено неотражательное событие (например, сращивание) и насколько точно оно может быть измерено.

Используя выражение для разрешающей способности, окончательно дальность обнаружения неоднородности можно определить в виде [4]

. (3.2.15)

Последние выражения устанавливают связь между основными рабочими характеристиками и параметрами OTDR.

Мертвые зоны. Считается, что мертвые зоны, обнаруживаемые на рефлектограмме, зависят от одного фактора - длительности импульса светового излучения, проходящего по волокну, а так как она может быть выбрана, то каждому ее значению будет соответствовать определенная мертвая зона. В связи с этим можно констатировать, что чем больше длительность импульса в секундах, тем больше мертвая зона в метрах (рисунок 3.16). Однако после установления предпочтительной длительности импульса для просмотра того или иного волокна становятся очевидными другие факторы. В частности, при выбранной длительности импульса мы можем столкнуться с различными мертвыми зонами для отражательных событий, причем зависящими от расстояния и интенсивности (амплитуды) отражательного события. Чтобы понять это, необходимо уточнить, что детектор OTDR ежеминутно измеряет уровни возвращенного света слабой интенсивности, в связи с чем, он должен обладать очень высокой чувствительностью. Однако когда свет достигает коннектора с высокой отражательной способностью, уровень возвращенного света резко увеличивается, и это может привести к насыщению приемника. Уровень (амплитуда) возвращенного света определяется, с одной стороны, расстоянием OTDR до события, а с другой - насколько эффективна отражательная способность данного события. Очевидно, что основным фактором, определяющим степень ослабления амплитуды светового излучения, является расстояние до отражательного события, т.е. чем дальше событие, тем больше ослабляется амплитуда светового излучения, возвращающегося в детектор OTDR. В то же время, чем выше отражательная способность данного события, тем больше амплитуда возвращенного света. Следовательно, если событие характеризуется значительной отражательной способностью и находится достаточно далеко, это либо может, либо не может привести к образованию мертвой зоны.

Мертвые зоны всегда связаны с наличием отражений и вызваны насыщением приемника OTDR при поступлении на его вход отраженного сигнала высокого уровня, т.к. в этом случае ему потребуется некоторое время для восстановления чувствительности после подобной перегрузки, а это приведет к потере информации после насыщения. Как результат, определенный сегмент волокна оказывается исключенным из процесса тестирования.