Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния теории и техники ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи 22
1.1. Общие положения 22
1.2. Системы мониторинга ВОЛП
1.2.1. Назначение систем мониторинга ВОЛП 25
1.2.2. Принцип осуществления мониторинга. Технологии, применяемые в системах RFTS 26
1.2.3. Схема построения, состав оборудования и программного обеспечения систем мониторинга 28
1.2.4. Обзор существующих систем RFTS
1.3. Измерение натяжения оптического волокна методом бриллюэновской рефлектометрии 40
1.4. Приборы для рефлектометрических измерений, основанных на анализе бриллюэновского рассеянного излучения 42
1.5. Бриллюэновский анализатор
1.5.1. Принцип действия и схема построения бриллюэновского анализатора 42
1.5.2. Функциональные возможности бриллюэновского анализатора 44
1.6. Бриллюэновский рефлектометр 45
1.6.1. Принцип действия и схема построения бриллюэновского рефлектометра 45
1.6.2. Функциональные возможности бриллюэновского рефлектометра... 48
1.7. Обзор существующих приборов для бриллюэновской рефлектометрии 48
1.8. Классификация методов ранней диагностики ВОЛП 56
Выводы по главе 1 58 % %t
ГЛАВА 2. Исследование методов увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров 61
2.1. Анализ характерных проблем оптической рефлектометрии 61
2.2. Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия оптических волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне .
2.2.1. Обоснование технического решения 65
2.2.2. Анализ возможных вариантов схем построения рефлектометров OFDR-FS с использованием поднесущей частоты радиодиапазона 70
2.3. Низкокорреляционая оптическая рефлектометрия с применением
шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона 74
2.3.1. Обоснование технического решения 74
2.3.2. Анализ возможных вариантов схем построения низкокорреляционных рефлектометров с применением шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона 76
2.3.3. Использование сигнала, переносящего трафик, в качестве измерительного сигнала 81
2.3.4. Классификация методов оптической рефлектометрии с радиочастотными измерительными сигналами 83
2.4. Алгоритмические методы увеличения функциональных возможностей приборов для оптической рефлектометрии 85
2.4.1. Общие сведения 85
2.4.2. Метод регрессионного анализа 85
2.4.3. Метод медианной фильтрации 88
Выводы по главе 2 89
ГЛАВА 3. Исследование тензометрических методов ранней диагностики состояния волоконно-оптических линий передачи 91
3.1. Спонтанное рассеяние Манделынтама-Бриллюэна 91
3.2. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна 92
3.3. Зависимость параметров рассеянного излучения от различных факторов
3.3.1. Зависимость частоты рассеянного излучения от натяжения и температуры 94
3.3.2. Влияние механического напряжения в месте изгиба волокна на параметры бриллюэновского рассеянного сигнала 95
3.3.3. Влияние поперечного эффекта Доплера 96
3.3.4. Влияние эффекта Доплера, вызванного неоднородностью гравитационного поля 103
3.3.5. Резонансные явления в оптическом волокне, вызванные наличием отражений. Влияние их на параметры бриллюэновского рассеянного сигнала
3.4. Математическая модель метода бриллюэновской рефлектометрии 112
3.5. Разработка принципов построения альтернативных вариантов схем бриллюэновских рефлектометров 114
3.6. Формантный метод определения бриллюэновского частотного сдвига 122
Выводы по главе 3 131
ГЛАВА 4. Реализация компьютерных моделей и вычислительные эксперименты 133
4.1. Принципы построения компьютерных моделей процессов, происходящих при распространении излучения в оптическом волокне и формировании рефлектограмм 133
4.2. Реализация компьютерной модели формирования рефлектограмм 139
4.3. Упрощенный вариант компьютерной модели формирования рефлектограмм 147
4.4. Экспериментальная проверка метода рефлектометрии частотной области с широкополосным зондирующим сигналом 162
4.4.1. Общие сведения 162
4.4.2. Определение параметров зондирующего сигнала и модели волокна 163
4.4.3. Синтез зондирующего сигнала 168
4.4.4. Анализ данных и визуализация результатов 173
4.4.5. Программа экспериментов 176
4.4.6. Проведение экспериментов и их результаты 178
Выводы по главе 4 208
Заключение 213
Список литературы 216
- Принцип осуществления мониторинга. Технологии, применяемые в системах RFTS
- Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия оптических волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне
- Резонансные явления в оптическом волокне, вызванные наличием отражений. Влияние их на параметры бриллюэновского рассеянного сигнала
- Экспериментальная проверка метода рефлектометрии частотной области с широкополосным зондирующим сигналом
Введение к работе
Актуальность темы
Интенсивное развитие волоконно-оптической связи, высокая конкуренция между операторами связи и стоимость информационных ресурсов, передаваемых по сетям телекоммуникаций, выдвигают на ведущие позиции задачу централизованного контроля за сетевыми волоконно-оптическими линиями передачи (ВОЛП) с целью их документирования, своевременного обнаружения и скорейшего устранения повреждений в них. Поэтому в последнее время операторы начинают инвестировать немалые средства в развитие инфраструктуры своих волоконно-оптических сетей с акцентом на внедрение и совершенствование систем управления и автоматического мониторинга состояния линий и каналов связи.
Независимо от метода контроля оптических волокон такие системы должны обеспечивать:
дистанционный контроль параметров волокон оптических кабелей;
достоверное и своевременное документирование и составление отчетности;
автоматическое обнаружение неисправностей волоконно-оптических линий и каналов связи с указанием их точного местоположения;
контроль и управление процессом оповещения о повреждении оптических кабелей;
проведение измерений параметров оптических волокон в автоматическом режиме;
прогнозирование изменений параметров оптических кабелей.
Эти задачи частично могут быть решены автоматизированными системами администрирования волоконно-оптических кабелей, включающими систему удаленного контроля оптических волокон (RFTS - Remote Fiber Test System), программу привязки топологии сети к географической карте местности, а также базы данных оптических компонентов, критериев и результатов контроля. Используемый в этих системах метод обратного рэлеевского рассеяния не позволяет осуществлять локализацию дефектов на ранней стадии их развития.
Основной причиной повреждения оптического волокна является механическое напряжение. По данным исследований, если относительное удлинение волокна не превышает 0,3%, то оно может безотказно функционировать весьма продолжительное время – в течение 25 лет и более, тогда как в случае, если относительное удлинение превышает 0,6%, отказ может произойти в течение первого года эксплуатации. В этой связи наибольший интерес для ранней диагностики повреждений оптических волокон представляют тензометрические методы, позволяющие получить распределение натяжения волокна вдоль трассы кабеля. Контроль натяжения оптического волокна должен проводиться на всех этапах производства кабеля, при строительстве и эксплуатации ВОЛП. Можно утверждать, что измерение натяжения волокон необходимо проводить регулярно и повсеместно, на всех эксплуатируемых линиях.
Большой вклад в теорию измерений параметров волоконно-оптических линий передачи внесли отечественные ученые: Андреев В.А., Бурдин В.А., Бурдин А.В., Попов Б.В., Попов В.Б., Семенов А.Б., Портнов Э.Л., Дашков М.В., Кочановский Л.Н. и Глаголев С.Ф..
Одним из наиболее перспективных подходов к измерению натяжения волокон с практической точки зрения является использование принципов бриллюэновской рефлектометрии. Основная проблема для их широкого внедрения состоит в чрезвычайно высокой стоимости измерительного оборудования. Поэтому исследование возможностей использования альтернативных методов и поиск новых технических решений, позволяющих осуществить такие измерения более простыми средствами, представляют собой весьма актуальные задачи. Они обуславливают необходимость создания математических моделей и их реализаций в виде компьютерных программ, изыскания технических решений, направленных на упрощение бриллюэновских рефлектометров с целью оптимизации их технико-экономических показателей, а также создания имитационных моделей, позволяющих проводить эксперименты в данной области. Решению этих задач и посвящена данная работа.
Цель работы и задачи исследований
Целью диссертационной работы являются исследование методов ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи и научное обоснование альтернативных принципов построения оптических рефлектометров.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
-
Определение перспективных направлений развития методов ранней диагностики ВОЛП в контексте существующей ситуации и технических решений, имеющихся в данной области.
-
Разработка альтернативных принципов построения оптических рефлектометров, обладающих расширенными функциональными возможностями и более простых в практической реализации.
-
Исследование перспективного метода рефлектометрии, основанного на использовании специальных шумоподобных сигналов, сеток частот и сигнала трафика. Разработка метода спектрографической рефлектометрии.
-
Исследование функциональных возможностей метода бриллюэновской рефлектометрии применительно к диагностике ВОЛП.
-
Исследование влияния основных факторов на сигнал бриллюэновского рассеяния.
-
Разработка функциональных схем альтернативных вариантов бриллюэновских рефлектометров и их элементов.
-
Разработка формантного метода бриллюэновской рефлектометрии и функциональных схем приборов, основанных на нем.
-
Разработка методов и средств компьютерного моделирования процессов эволюции распространения сигналов в одномодовом оптическом волокне и получения рефлектограмм.
-
Экспериментальная (на компьютерной модели) проверка метода спектрографической рефлектометрии с сеткой частот, описанного в работе.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались методы теории направляющих систем, теории линий передач, вычислительной математики, быстрое преобразование Фурье, компьютерная обработка табличных данных, программирование в среде СУБД, методы компьютерного и имитационного моделирования.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена корректной постановкой задач, подтверждается строгостью применяемого математического аппарата, а также данными, полученными в процессе имитационного моделирования, и положительными результатами апробации и внедрения.
Личный вклад
Автору принадлежит формулировка всех описанных в диссертации обнаруженных закономерностей и выводов. Все предлагаемые в работе научные положения, функциональные схемы приборов, алгоритмы моделирующих программ и сами эти программы, технология и средства проведения экспериментов и их результаты получены соискателем лично.
Научная новизна
В работе решены научные задачи, новизна которых заключается в следующем:
-
Обнаружена и исследована корреляция между поперечным эффектом Доплера и результатами измерения частоты бриллюэновского рассеянного излучения.
-
Разработана классификация рефлектометрических методов, используемых при исследовании оптических волокон.
-
Предложен спектрографический метод рефлектометрии, основанный на использовании шумоподобных сигналов, сеток частот и сигнала, переносящего трафик в ВОЛП.
-
Предложен формантный метод бриллюэновской рефлектометрии, являющийся разновидностью упомянутого выше спектрографического метода.
-
Предложен ряд способов реализации имитационных моделей одномодового оптического волокна и процессов, происходящих при распространении в нем сигналов, а также процессов получения рефлектограмм.
Практическая ценность
-
Разработаны принципы построения измерителей натяжения, основанных на формантном методе бриллюэновской рефлектометрии.
-
Предложена функциональная схема рефлектометра с использованием сигнала, переносящего трафик в ВОЛП, в качестве зондирующего сигнала.
-
Предложен ряд технических решений для создания программ моделирования распространения оптических сигналов в одномодовом волокне.
-
Создан упрощенный комплекс программ для моделирования распространения оптических сигналов в одномодовом волокне в условиях многократных отражений света от неоднородностей, и для получения рефлектограмм.
-
Разработана технология проведения экспериментов в области оптической спектрографической рефлектометрии с сеткой частот. Созданы средства для синтеза измерительных сигналов такого вида, и для визуализации результатов.
-
Даны практические рекомендации по реализации спектрографических рефлектометров.
-
Проведенные исследования являются составной частью хоздоговорной НИР с ОАО «Ростелеком» «Анализ методов мониторинга и ранней диагностики распределенных волоконно-оптических сетей», шифр «Мониторинг», в которой автор принимал участие.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты исследований были внедрены следующими организациями:
-
ОКБ «Салют» – при проектировании измерительных комплексов. Внедрены следующие результаты диссертационной работы:
Спектрографический метод рефлектометрии оптических волокон, использующий сумму сеток частот с различным шагом и выделение разностных частотных составляющих;
Способ формирования зондирующего сигнала и принципы построения оптических рефлектометров.
Использование указанных результатов работы позволило улучшить метрологические характеристики проектируемых комплексов и снизить их стоимость.
-
Сибирским научно-исследовательским институтом метрологии – при разработке методик государственных испытаний оптических измерительных приборов импульсно-рефлектометрического типа.
-
НПП СТЭЛЛ – внедрены следующие результаты:
Спектрографический метод рефлектометрии оптических волокон;
Формантный метод бриллюэновской рефлектометрии;
Предлагаемые в работе функциональные схемы измерительных приборов.
Использование результатов позволило улучшить метрологические характеристики и снизить стоимость проектируемых приборов.
-
Федеральным государственным образовательным бюджетным учреждением высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ) на кафедре «Линии связи» факультета Мультисервисных телекоммуникационных систем, а именно:
в лекционных и практических курсах по дисциплинам «Оптические направляющие системы и пассивные компоненты ВОСП», «Метрология в оптических телекоммуникационных системах» по специальности 210400 – «Физика и техника оптической связи», а также в курсе «Методы и средства измерения в телекоммуникационных сетях» по специальности 210404 – «Многоканальные телекоммуникационные системы»;
в дипломном проектировании.
в виде рекомендаций по созданию программного обеспечения для моделирования процесса распространения сигналов по одномодовому оптическому волокну, а также процесса получения рефлектограмм.
Имеются соответствующие подтверждающие документы о результатах внедрения.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» 2008, 2009, 2010 и 2011 годов,
IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2008 г.,
X Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей», 2008г.,
V Международной заочной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий», 2008 г.,
X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2010 г.,
Всероссийской конференции по волоконной оптике, 2011 г.
Публикации
Основные результаты работы представлены в 22 печатных трудах, два из которых входят в перечень ведущих рецензируемых журналов, рекомендуемых ВАК. Один труд опубликован за рубежом.
Структура и объем работы
Принцип осуществления мониторинга. Технологии, применяемые в системах RFTS
В настоящее время, когда суммарный объем трафика, передаваемого по ВОЛП, непрерывно повышается, одним из основных факторов обеспечения надежности последних является мониторинг, позволяющий своевременно и оперативно оценить состояние ВОЛП, а также выявить опасные тенденции изменения их параметров [4], [5]. Различные средства мониторинга, наряду с возможностью быстрой локализации неисправностей, позволяют осуществлять накопление данных о работе компонентов ВОЛП и производить статистическую обработку и анализ этой информации, что способствует своевременному принятию мер по предотвращению аварийных ситуаций [6].
Применяемая аппаратура ВОЛП обладает развитыми средствами мониторинга систем передачи, а также управления ими, как и созданное с этой целью программное обеспечение. Однако, комплексный подход к контролю ВОЛП предполагает охват им и самих оптических кабелей, а также различных пассивных элементов оптических трактов. Это может быть достигнуто посредством автоматически осуществляемого непрерывного зондирования волокон при помощи рефлектометра, накопления и обработки результатов измерений и предоставления полученных данных пользователям в максимально удобном для них виде.
С целью реализации указанного подхода, рядом фирм предлагаются системы дистанционного тестирования оптических волокон - RFTS (Remote Fiber Test System) [7].
Рефлектометры входят в состав модулей дистанционного тестирования RTU (Remote Test Unit), располагающихся в различных точках сети и связанных с сервером, который осуществляет обработку поступающей от них информации [8].
Для мониторинга разветвленных ВОЛП в RFTS применяются два метода. Согласно одному из них - методу одновременного тестирования ответвлений -измерительный сигнал рефлектометра распространяется от точки разветвления по всем отходящим от нее волокнам одновременно. Данный метод основан на использовании специальных способов идентификации отраженных сигналов. Эти способы предназначены для установления соответствия обнаруженных отражательных событий конкретным ответвлениям сети. Другой метод - разновременного тестирования ответвлений -предполагает применение специальных оптических коммутаторов, называемых Optical Test Access Unit (OTAU), устанавливаемых в узлах сети. В таком случае в каждый момент времени имеется лишь один путь распространения измерительного сигнала и обработка полученных данных осуществляется обычным образом, как при отсутствии ответвлений.
Следует отметить, что на состав оборудования RFTS, расположенного в узловых точках сети, оказывает влияние как выбранный метод тестирования кабелей (по отдельным, выделенным для этой цели волокнам, или по волокнам, по которым передаются данные), так и разновидность сети - с активным оборудованием в узлах или пассивная. При одновременном тестировании волокон, несущих трафик, в случае пассивной сети возможен вариант без дополнительной аппаратуры в узлах. Если же в узлах имеется какое-либо активное оборудование, то, для создания пути измерительного сигнала в обход него, в составе RFTS необходимо наличие мультиплексоров WDM и оптических фильтров, а также коммутаторов OTAU или дополнительных разветвителей.
Для идентификации отраженных и рассеянных сигналов, приходящих из различных волокон-ответвлений, в случае их одновременного тестирования, необходимо применение специальных методов. Они используют сравнение эталонной рефлектограммы с рефлектограммами, получаемыми в ходе периодического проведения тестов. После создания эталонной рефлектогаммы производится выявление принадлежности отражательных событий, зафиксированных на ней, отдельным ответвлениям. С этой целью применяется математическое моделирование. В случае обнаружения расхождения рефлектограмм при указанном сравнении, полученная информация, как и характерное изменение распределения уровня обратно-рассеянного сигнала, позволяют определить ответвление сети, параметры которого изменились. В некоторых случаях имеют место ложные ослабления. Выявление их также осуществляется посредством математического моделирования. Необходимо отметить, что метод одновременного тестирования обладает рядом недостатков, среди которых - существенное ослабление сигнала при распределении его на множество направлений. Это уменьшает максимальную длину анализируемых участков сети.
Архитектура RFTS (возможный вариант) Возможный вариант архитектуры такой системы изображен на рисунке 1.1. Основой системы является модуль дистанционного тестирования RTU (Remote Test Unit), содержащий оптические рефлектометры. Подключение к ним различных волокон осуществляется при помощи оптических коммутационных устройств OTAU (Optical Test Access Unit), которые могут быть расположены как в непосредственной близости от RTU, так и в удаленных от них точках сети, что дает возможность создания сложных разветвленных сетей мониторинга. Следует заметить, что топологии систем контроля и передачи, в общем случае, могут являться различными.
Частотномодулированная непрерывноволновая рефлектометрия оптических волокон на поднесущей частоте, находящейся в радиодиапазоне
Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал-шум. Основана она на том факте, что среднее значение шумового компонента в сигнале является нулевым, что позволяет, последовательно суммируя результаты многократных измерений, устранить шум на рефлектограммах. Но при этом возрастает время измерения.
Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между мощностью и продолжительностью тестирующего импульса или между динамическим диапазоном и пространственным разрешением является взаимно конкурирующим и представляет фундаментальный предел традиционной OTDR [25]. Таким образом, для этого метода рефлектометрии характерна необходимость поиска компромисса между динамическим диапазоном, определяющим длину дистанции измерений, и разрешающей способностью.
Необходимость одновременного улучшения перечисленных параметров рефлектометра, продиктованная, в частности, развитием систем RFTS, обусловливает актуальность поиска новых технических решений в области оптической рефлектометрии.
В настоящее время, помимо традиционной OTDR, существует множество разновидностей методов оптической рефлектометрии, каждый из которых характеризуется своими особенностями, преимуществами и недостатками, областью применения. Среди них можно назвать методы оптической рефлектометрии в частотной области (Optical Frequency Domain Reflectometry -OFDR). К ним относится метод OFDR с частотным сканированием (OFDR-FS), называемый также частотномодулированной непрерывноволновой рефлектометрией (FMCW) [27], и метод OFDR с синтезированной функцией когерентности (OFDR-SCF) [28]. Кроме того, имеются также две модификации корреляционной OTDR (C-OTDR) [29] - с использованием псевдослучайного сигнала (PRS C-OTDR) и метод комплементарной коррелированной OTDR (CC-OTDR). Существует и низкокорреляционная рефлектометрия (LC-OTDR) [30]. Среди вариантов OTDR следует также назвать методы когерентной OTDR (CO-OTDR) [31], OTDR с подсчетом фотонов (PC-OTDR) [32] и поляризационную рефлектометрию во временной области (PO-OTDR) [33].
Следующие подразделы посвящены модифицированным методам OFDR-FS и LC-OTDR, отличительной особенностью которых является использование измерительных сигналов радиочастотного диапазона и модуляция ими оптической несущей. Это дает ряд возможностей, рассмотренных далее.
Метод оптической рефлектометрии частотной области с частотным сканированием (OFDR-FS) [27] является весьма перспективным, поскольку ему не присуще известное ограничение OTDR, не позволяющее одновременно реализовать максимально-возможные значения динамического диапазона и разрешающей способности прибора [25]. Однако этому методу, как впрочем, и любому другому, также свойственны и характерные ограничения некоторыми факторами. В частности, согласно [27], для варианта данного метода, описанного там, таковыми являются длина когерентности, фазовый шум и шум интенсивности источника излучения (лазера), нелинейность зависимости его частоты от времени (в процессе модуляции), перескакивания моды, а также поляризационные эффекты.
Нелинейность качания частоты и фазовые шумы уменьшают разрешающую способность. Кроме того, фазовые шумы и ограниченная длина когерентности лазера снижают максимальную длину дистанции измерений до нескольких сотен метров. Еще одной разновидностью вредного влияния фазового шума является сокращение длины участка волокна, на котором возможно надежное одновременное измерение сильного френелевского отражения и обратнорассеянного сигнала. Поскольку данный вариант метода предполагает когерентный прием оптического сигнала, существенную роль играет поляризация оптических сигналов и особенно ее стабильность в процессе измерения. Перескакивания моды увеличивают уровень шумов и создают побочные пики на рефлектограмме, обусловленные периодическими скачками фазы.
Между тем, существует возможность весьма значительно ослабить влияние большинства указанных факторов. Этого можно достичь применением радиочастотного измерительного сигнала качающейся частоты [34]. Оптическая несущая, промодулированная данным сигналом по амплитуде, необходима лишь для осуществления распространения данного измерительного сигнала в среде, образованной оптическим волокном. При этом требования к лазеру и его излучению значительно снижаются.
Резонансные явления в оптическом волокне, вызванные наличием отражений. Влияние их на параметры бриллюэновского рассеянного сигнала
Авторами работы [45] были получены данные для оптического волокна диаметром 26 = 125 мкм с показателем преломления сердцевины п = 1,4738 для длины волны Л = 1310 нм. Радиус изгиба при этом был равен R = 2MM. Согласно результатам их исследования, с изменением координаты JC от - 4 до 4 мкм направления оптических осей волокна изменяются достаточно сложным образом. При изгибе волокна происходит сдвиг максимума поля моды, поскольку при этом значение показателя преломления на оси волокна (х = 0) отличается от такового, имеющего место в случае отсутствия деформации.
Для определения влияния изгибов оптического волокна на спектр бриллюэновского сигнала необходимо знать распределение по сечению сердцевины волокна механического напряжения и напряженности электромагнитного поля.
Если источник движется вокруг наблюдателя по окружности, то и в этом случае воспринимаемая частота/отличается от излучаемой : f=Ajy-W«A \-л V (3.9) хотя число длин волн, укладывающихся на пути распространения, остаётся неизменным [48]. Здесь Р = v/c, где v - скорость движения источника, ас скорость света в вакууме. Множитель Д - /?2 учитывает замедление времени в системе движущегося источника. Формула (3.9) определяет поперечный эффект Доплера, обусловленный разным ходом времени в системах источника и наблюдателя. Поперечный эффект Доплера является эффектом второго порядка малости относительно v/c и наблюдать его значительно труднее, чем продольный. В случае сравнения частот в одной системе отсчёта, как, например, при радиолокации, поперечный эффект Доплера отсутствует.
Предположим, что оптическое волокно вместе с источником излучения и приемником размещено вдоль меридиана Земли в одном полушарии. Под источником здесь подразумевается достаточно малый участок волокна, подвергающийся анализу в какой-либо определенный момент времени в процессе получения бриллюэновской рефлектограммы, а под приемником -рефлектометр. Поскольку концы этого волокна расположены на разном расстоянии от земной оси, линейная скорость того из них, который находится ближе к экватору, имеет большее значение, чем скорость другого. Поэтому, в данном случае, частота передаваемого сигнала будет сдвигаться за счет поперечного эффекта Доплера [49].
Здесь следует отметить, что эффект не может быть обнаружен на сигнале рэлеевского рассеяния при рефлектометрическом исследовании волокна, так как сдвиги оптических частот, соответствующих зондирующему импульсу и сигналу рэлеевского рассеяния, равны по модулю и противоположны по знаку. Однако смещение частоты сигнала бриллюэновского рассеяния должно существовать, поскольку создание частотного сдвига и его измерение происходят в системах отсчета, движущихся с разной скоростью. Рассчитаем максимально возможное значение отклонения этого частотного сдвига, которое могло бы иметь место в случае расположения приемника на полюсе Земли, а источника - на экваторе. Расчет произведем по формуле (3.9) для частоты бриллюэновского сдвига /Б= 10840 МГц. Длина экватора Ьэкв = 40075186 м. Линейная скорость любой точки, расположенной на экваторе
Величиной такого порядка малости на практике можно пренебречь. Однако, для обеспечения определенной полноты исследования, необходимо вывести формулу, устанавливающую зависимость изменения сдвига частоты от длины оптического волокна и географической широты источника или приемника.
Поэтому радиус R является также радиусом экваториального сечения Земли. Отрезки гх и г2 представляют собой радиусы сечений, плоскости которых параллельны плоскости экватора и проходят соответственно через точки размещения источника и приемника. Из рисунка следует, что rl=R-sm(90-al) r2=R-sm(90-a2) (3.12) (3.13) где щ и а2 - географические широты источника и приемника соответственно (здесь и далее предполагается, что значения всех углов измеряются в градусах). В качестве входных данных для практического расчета, однако, удобнее задавать широту одного из них (допустим - приемника) и длину оптического волокна.
Экспериментальная проверка метода рефлектометрии частотной области с широкополосным зондирующим сигналом
Эта частота должна иметь значение, при котором спектральная линия рэлеевского рассеяния оказывается вне его полосы пропускания. Циркуляторы создают для сигнала, приходящего из волокна, путь в обход преобразователя частоты. Стоксовая компонента выделяется монохроматором.
Устройство предназначено для работы в составе установки, содержащей, помимо рефлектометра, также персональный компьютер. Специальная программа должна осуществлять управление синтезатором частоты и рефлектометром, получая от последнего данные, соответствующие каждому из поочередно задаваемых зтченш/сдв. Следует принять во внимание то, что далеко не каждый рефлектометр пригоден для подобного применения. Требования к спектральному составу лазерного излучения в обычных рефлектометрах являются значительно менее жесткими, чем в бриллюэновских. В случае прямого способа модуляции излучения полупроводникового лазера могут иметь место такие эффекты, как динамическое уширение спектра, «звон» лазера [57], частотный чирп формируемых волновых пакетов. Поэтому можно предположить, что достичь практически приемлемых метрологических характеристик системы в целом, удастся только применением чрезвычайно узкополосного монохроматора.
Ширина полосы пропускания последнего должна в идеальном случае быть равной удвоенной ширине полосы пропускания приемного устройства рефлектометра, точнее - той части его тракта, которая начинается от выхода фотодетектора. Данное утверждение очевидно, поскольку модулированный зондирующими импульсами оптический сигнал имеет две боковых полосы. В этом случае центральная частота полосы пропускания монохроматора должна изменяться в процессе измерений. Следует заметить, что существующие в настоящее время монохроматоры имеют значительно более широкую полосу пропускания [58], [59].
Наиболее подходящим для применения в подобной установке можно считать когерентный рефлектометр [31]. Схема устройства, применяемого в случае его использования, показана на рисунке 3.1 lb. В данной схеме монохроматор предназначен для выделения спектральной составляющей с частотой fp +/сдв., где /сдв. - частота сигнала на выходе синтезатора. Подавление на выходе устройства линии спектра с частотой необходимо для исключения мешающего действия сигнала рэлеевского рассеяния на входе фотодетектора рефлектометра (следует подчеркнуть, что в рассматриваемом случае частота стоксовой спектральной линии должна быть равна fP). Поскольку прибор обеспечивает достаточно высокую частотную селективность, из оптического пути принимаемого сигнала монохроматор исключен. Данный вариант устройства является менее чувствительным к спектральному составу лазерного излучения рефлектометра.
Один из способов упрощения и удешевления измерительного прибора, предназначенного для бриллюэновской рефлектометрии, состоит в использовании так называемого формантного метода определения частотного сдвига, вызванного эффектом Манделыптама-Бриллюэна [60], [61]. Метод ориентирован на применение при спектрографическом рефлектометрическом анализе оптических волокон с сеткой частот.
В передающем тракте прибора формируется сигнал, обладающий широким спектром, который перекрывает частотную область гиперзвуковых колебаний, обусловленных тепловыми фононами. Модулированное этим сигналом оптическое излучение подается в исследуемое волокно и подвергается бриллюэновскому усилению за счет лазерного сигнала накачки, подаваемого с другой стороны. При этом в результате частотно-избирательного действия вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) ослабленное излучение накачки оказывается модулированным по амплитуде теми составляющими зондирующего сигнала, которые попадают в полосу бриллюэновского усиления, что и регистрируется прибором.
Для опознавания номера спектральных линий, каждая из них должна быть промодулирована по амплитуде сигналом индивидуальной частоты. Предполагается, что эта частота линейно связана с номером спектральной линии. Тогда, производя амплитудное детектирование суммы спектральных компонентов указанного сигнала для рассеянного излучения, можно получить низкочастотный спектр, огибающая которого имеет максимум на частоте, зависящей от значения бриллюэновского сдвига.
Наиболее просто синтезировать необходимый сигнал можно при условии, что каждая основная спектральная линия сетки частот будет иметь лишь одну боковую полосу. При этом, если рассматривать отдельно гармоники основной линии и линии, соответствующей этой боковой полосе, можно сделать вывод о росте модулирующей частоты с увеличением номеров гармоник (рис. 3.12).
Похожие диссертации на Исследование методов ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи
