Приведена оценка факторов, влияющих на точность измерения длины оптического волокна, а также пути улучшения точности измерения длины.
Эксплуатация высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи информации связана с необходимостью измерения длины волоконно-оптических линий связи и отдельных их участков. Отдельной задачей является контроль волоконно-оптических систем передачи информации в системах управления специальной техники. Контроль волоконно-оптических бортовых систем необходим для обеспечения быстрого обнаружения и исправления отказов техники. Особенность данной задачи — измерение длин коротких отрезков оптических кабелей (до 1 км) с высокой точностью. Общепризнанным методом таких измерений является оптическая рефлектометрия, основанная на измерении времени распространения сигнала с учетом скорости оптического излучения в волокне [1]. Необходимо отметить, что на таких коротких расстояниях погрешность определения длины волокна современными оптическими рефлектометрами может составлять 20 мм. При этом точность получаемых в процессе измерений результатов существенным образом зависит как от характеристик самого рефлектометра так и физического строения оптического кабеля, так и от свойств волокна, в котором осуществляются измерения длины.
Для выявления факторов, оказывающих существенное влияние на погрешность измерения, необходимо рассмотреть структурную схему оптического рефлектометра и принцип его работы [1, 2]. Оптический рефлектометр состоит из передающего и принимающего блоков. Передающий блок состоит из формирователя импульсов с заданной длительностью и лазера с резонатором Фабри-Перо. Лазер работает, как правило, на длинах волн 850, 1310, 1550 и 1650 нм с пиковой мощностью излучения достигающей 200 мВт. Длительность оптических импульсов находится в диапазоне от десятых долей до единиц наносекунд. Принимающий блок состоит из фотоприемного устройства, усилителя, формирователя и измерителя временного интервала. Передающий блок формирует зондирующий импульс, посылаемый в оптическое волокно. Вследствие рэлеевского рассеяния на неоднородностях материала оптического волокна или френелевского отражения от конца волокна, излучение возвращается обратно и достигает быстродействующего фотоприемного блока, где усиливается и подается либо на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), либо на измеритель временных интервалов, в зависимости от режима работы.
Из анализа принципа работы и структурной схемы рефлектометра видно, что на погрешность измерения длины оказывают влияние следующие факторы: ширина спектра излучения лазера, оптические эффекты в измеряемом оптическом кабеле, а также погрешности измерителя временных интервалов. Ширина спектра излучения лазера, как и оптические эффекты в волокне, влияет на форму обратного оптического сигнала и на время прохождения излучения. В результате возникновения хроматической дисперсии и поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне импульс «размывается» во временной области и тем самым искажается его форма. Степень влияния данных эффектов на искажение импульса зависит от длины волны излучения, проходящего по оптическому волокну, от механических напряжений в волокне, возникающих вследствие изгиба, деформации и температурных перепадов, а также от типа и длины оптического волокна [3].
Искажение импульса вызывает позднее срабатывание формирователя в приемном блоке, что приводит к возникновению дополнительной задержки и, как следствие, к погрешности измерения длины.
Рассмотрим измерение стандартного оптического волокна с несмещенной дисперсией длиной порядка 1 км. На длине волны 1550 нм, хроматическая дисперсия составляет 18 пс/нм, а поляризационная модовая может достигать 2 пс. Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что при ширине спектра излучения лазера равной 5 нм, искажение импульса приводит к дополнительной погрешности измерения расстояния равной 9 мм.
Проведенные исследования позволяют выявить пути уменьшения погрешности измерения длины и достичь снижения доли погрешности измерения длины на 10–13 %.
Одним из таких путей является уменьшение ширины спектра излучения лазера, которое можно достичь, применив лазер с брегговской решеткой. Используя такой метод можно уменьшить влияние хроматической дисперсии почти до нуля.
Второй путь — подбор длины волны излучения таким образом, чтобы хроматическая дисперсия в ней была минимальной. Однако, данные пути ведут к необходимости внесения изменений в аппаратную часть оптического рефлектометра, что является сложной задачей.
Третий путь — применение в бортовых системах оптического волокна с малым коэффициентом хроматической дисперсии. Данное решение позволит не заботиться о характеристиках применяемого лазера и выбирать рефлектометр только по метрологическим и эксплуатационным характеристикам, к сожалению, невозможно нивелировать влияние поляризационной модовой дисперсии на погрешность измерения длины, однако можно выбрать оптическое волокно с малым коэффициентом поляризационной модовой дисперсии и прокладывать оптический кабель таким образом, чтобы исключить его механическое и температурное напряжения.
Таким образом, для обеспечения точных результатов измерения длины с помощью рефлектометра и получения расчетной погрешности измерения необходимо уменьшить ширину спектра излучения лазера рефлектометра, проводить измерения и учет дисперсионных характеристик проложенного и смонтированного кабеля [3], а также при необходимости, учитывать фактор физического строения оптического кабеля. Все вышеперечисленные меры позволят быстрее и эффективнее выявлять и исправлять отказы специальной техники.
Литература:
- ГОСТ Р МЭК 60793–1-22–2012 Методы измерений и проведение испытаний. Измерение длины.
- Листвин А. В., Листвин В. Н., Рефлектометрия оптических волокон, Москва, «ЛЕСАР арт», 2005.
- Григорьев В. В., Кравцов В. Е., Митюрев А. К., Тихомиров С. В., Методы измерений поляризационной модовой дисперсии в волоконно-оптических системах передачи информации, Фотон-Экспресс № 5, 2011 с. 22.
