Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Прогнозирующий контроль в системах автоматического мо ниторинга волоконно-оптических кабелей связи 20
1.1. Общие положения 20
1.2. Системы автоматизированного контроля состояния оптических волокон кабелей связи 23
1.3. Вопросы прогнозирующего контроля систем RFTS 37
1.4. Температурные воздействия 38
1.5. Механические напряжения 42
1.6. Влияние влажности 44
1.7. Влияние водорода 45
1.8. Влияние ионизирующего излучения 46
1.9. Выбор коэффициента отражения как прогнозирующего параметра в системах автоматического мониторинга 49
1.10. Рефлектометрические методы измерения параметров ВОЛП 51
1.11. Оценка чувствительности оптических рефлектометров обратного рассеяния к сигналам Френелевского отражения . 54
1.12. Выводы 61
Глава 2. Модель отражений оптического излучения в оптическом волокне на дефекте оболочки 63
2.1. Характер дефектов оболочки оптических волокон 63
2.2. Отражения оптического излучения, при распространении в оптических волокнах 63
2.3. Методы расчета постоянной распространения основной моды регулярных оптических волноводов 70
2.4. Строгое решение для ступенчатого оптического волокна 74
2.5. Расчет постоянной распространения круглого одномодо-вого оптического волокна с произвольным профилем показа-
Ф теля преломления 75
2.6. Коэффициент отражений на дефекте оболочки оптического волокна 77
2.7. Выводы 86
Глава 3. Экспериментальные исследования отражений на дефектах оболочки оптического волокн
3.1. Моделирование дефектов оболочки оптического волокна 87
3.2. Адаптация модели отражений распространяющегося в оптическом волокне оптического излучения для дефектов оболочки на сварных соединениях волокон 96
3.3. Методика обработки тепловых изображений 98
3.4. Методика выполнения эксперимента 103
3.6. Результаты обработки экспериментальных данных 104
3.7. Выводы 107
Глава 4. Модели и методы прогноза срока службы оптических воло кон с дефектами оболочки 108
4.1. Основы теории усталостного разрушения оптических волокон 108
4.2. Анализ нагрузок, прикладываемых к оптическим волокнам кабелей связи в процессе их эксплуатации 114
4.3. Исследование взаимосвязей между размерами дефектов оболочки оптических волокон механической прочностью волокна 118
4.4. Исследование взаимосвязей между размерами дефектов оболочки оптических волокон и коэффициентами отражений 122
4.5. Разработка модели прогноза срока службы оптических волокон по результатам анализа характеристик обратного Рэлеевского рассеяния 130
4.6. Данные наблюдений неоднородностей оптических волокон линий передачи в процессе эксплуатации и оценка адекватности модели прогноза 141
4.7. Выводы 145
Глава 5. Разработка рекомендаций по техническому обслуживанию оптических кабелей связи 146
5.1. Алгоритмы выполнения планово-профилактических и аварийно-восстановительных работ 146
5.1.1. Основные положения по технической эксплуатации линейно-кабельных сооружений ВОЛП 146
5.1.2. Алгоритм производства работ при выявлении локальной неоднородности 151
5.1.3. Требования к зондирующим сигналам в режиме поиска локальных неоднородностей 154
5.1.4. Способы измерения потерь в соединениях волокон оптическим рефлектометром в одном направлении 158
5.2. Контроль характеристик обратного рассеяния активных оптических волокон линий передачи сетей связи 164
5.2.1. Общие положения 164
5.2.2. Модель взаимодействия волн оптического излучения вынужденного комбинационного рассеяния 168
5.2.3. Квантово-механическое представление ВКР и решение для случая квазинепрерывной накачки 172
5.2.4. Исследование обусловленных ВКР потерь оптической мощности информационного сигнала в линии передачи 179
5.2.5. Исследование искажений информационного сигнала при мониторинге активных оптических волокон 183
5.2.6. Исследование обусловленных ВКР погрешностей измерений параметров активных оптических волокон методом обратного Рэлеевского рассеяния 190
5.3. Выводы 198
Заключение 200
Литература
- Системы автоматизированного контроля состояния оптических волокон кабелей связи
- Характер дефектов оболочки оптических волокон
- Моделирование дефектов оболочки оптического волокна
- Основы теории усталостного разрушения оптических волокон
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию отражений оптического излучения на дефектах оболочки оптических волокон и разработке рекомендаций по техническому обслуживанию оптических кабелей связи, в частности, алгоритма технического обслуживания оптических кабелей при выявлении в процессе мониторинга оптических волокон малых локальных неоднородно-стей.
Актуальность темы и состояние вопроса.
Современная революция в информационных технологиях, скачок в развитии волоконно-оптической техники привели к изменениям принципов построения сетей связи. В условиях постоянного роста потребности современного общества в получении информации задача обеспечения требуемого качества и количества предоставляемых услуг связи требует создания динамичной сети, конфигурируемой в соответствии с текущим типом трафика. То есть, интеллектуальной сети, позволяющей предоставлять сетевые услуги (QoS - Quality of Service) и обеспечивать управление их качеством. Или, другими словами, полосой пропускания. Очевидно, что необходимые для реализации таких возможностей мониторинг сети, ее оперативная настройка, выявление и устранение неисправностей в сжатые сроки, быстрое подключение пользователей к новым услугам, а также дальнейшее развитие сети не представляется возможным без построения автоматизированных сетей управления (TMN - Telecommunication Management Networks). В основе идеологии TMN лежит создание единой архитектуры, позволяющей выполнять обмен информацией между станциями управления, функционирующими под разными операционными системами, и телекоммуникационным оборудованием с использованием стандартизированных интерфейсов.
Решение задачи управления полосой пропускания на сетях связи в условиях непрерывного роста потребностей в увеличении скорости передачи
* базируется на внедрении волоконно-оптических технологий. Одной из ос
новных тенденций развития современных телекоммуникационных сетей яв
ляется их эволюция в направлении полностью оптических сетей (AON - АН
Optical Networks). При этом уже сегодня цифровые мультисервисные сети
используют в основном волоконно-оптические линии передачи (ВОЛП).
Ф Характерной особенностью ВОЛП является значительное по сравне-
нию с линиями передачи другого типа время восстановления. Потому при проектировании и технической эксплуатации телекоммуникационных сетей, использующих ВОЛП, особое внимание уделяется вопросам создания обходных путей - резервирования линейного тракта, оптических каналов, цифро-вых потоков, а также мерам профилактики, направленным на предупреждение повреждений оптических кабелей. К таким мерам относится и мониторинг линейно-кабельных сооружений ВОЛП.
Системы автоматического мониторинга волокон OK (RFTS — Remote
* Fiber Test Systems) являются одной из основных подсистем TMN. Они обес
печивают повышение качества обслуживания ВОЛП, сокращают сроки про
ведения и затраты на аварийно-восстановительные работы (АВР). Это дости
гается за счет централизованного управления устранением неисправностей,
сокращения времени их устранения при использовании дистанционной диаг
ностики, снижения затрат на персонал при внедрении автоматизации измере
ний. В свою очередь, повышение качества обслуживания обеспечивается за
счет прогнозирующего контроля ОВ, направленного на выявление деграда
ции ОВ на ранней стадии, увеличения срока службы ВОЛП при ограничен-
ных возможностях маршрутизации, а также предотвращении несанкциониро
ванного доступа.
Диагностика волокон ОК ВОЛП в подавляющем большинстве современных систем RFTS осуществляется методом обратного рассеяния, реали-
зованного в оптических рефлектометрах обратного рассеяния, функционирующих во временной области (OTDR - Optical Time Domain
* Reflectometers). Оценка состояния ОВ базируется на сравнении текущей и
опорной характеристик обратного рассеяния (рефлектограмм), их сопостав
лении с заданными пороговыми значениями. Имея накопленную базу данных
(рефлектограммы и результаты их обработки), набор инструментов для их
анализа, оператор может контролировать изменения характеристик компо-
нентов оптического линейного тракта во времени, отслеживать развитие ин
дикаторов качества, анализировать общую тенденцию и, как следствие, раз
работать прогнозирующую политику обслуживания сети.
Однако, традиционные методы контроля (метод обрыва, метод вносимых потерь, метод обратного Релеевского рассеяния), основаны на измере-нии мощности распространяющегося в ОВ оптического излучения, которое практически полностью сосредоточено в сердцевине тестируемого ОВ. Это ограничивает возможности локализации дефектов на ранней стадии, поскольку усталостное разрушение кварцевых волокон происходит в результа-те роста дефектов с поверхности оболочки. Такие перспективные средства измерений как оптические рефлектометры обратного Бриллюэновского рассеяния, позволяющие выявлять участки оптических волокон пониженной прочности на ранней стадии развития дефектов, из-за высокой стоимости и сложности производства измерении пока не находят применения в системах мониторинга. То же можно сказать о новом направлении — применении для контроля состояния оптических волокон оптических рефлектометров для измерения поляризационной модовой дисперсии. Поэтому сегодня и в ближайшей перспективе базовыми средствами измерений в системах автомати-зированного контроля оптических волокон на сетях связи остаются оптические рефлектометры обратного Рэлеевского рассеяния. Соответственно и задача оценки степени деградации оптического волокна по результатам измерения его характеристики обратного рассеяния остается актуальной.
Идеи применения метода обратного рассеяния для прогнозирования эксплуатационной надежности ОК ВОЛП появились еще в начале 90-х годов. Так, в работах В.К. Борисова и В.В. Коровкина было высказано предположение, что срок жизни поврежденного ОВ можно оценить, используя результаты анализа неоднородности с отражением, соответствующей на рефлекто-грамме дефекту ОВ. Однако на тот момент времени реализация данного метода не была осуществлена из-за отсутствия оптических рефлектометров с требуемыми для этих целей характеристиками и адекватной математической модели, связывающей параметры неоднородности и геометрические размеры поверхностного дефекта.
Современные OTDR позволяют выявлять достаточно малые неоднородности с коэффициентами отражений порядка-85...-75 дБ. Появление неоднородности с отражением, отображаемой на характеристике обратного рассеяния тестируемого ОВ в виде характерного всплеска, свидетельствует о той стадии развития дефекта, когда он находится либо вблизи границы раздела оболочка/сердцевина, либо уже достиг сердцевины. Очевидно, что в реальных условиях эксплуатации разрушение ОВ, у которого наличие дефекта зарегистрировано на характеристике обратного рассеяния, неизбежно. Однако вопросы о его периоде его работоспособности с момента локализации дефекта, о порядке и сроках проведения профилактических работ, остаются открытыми.
В соответствии с вышесказанным задачи исследования отражений оптического излучения на дефектах оболочки оптических волокон и разработки рекомендаций по техническому обслуживанию оптических кабелей связи, в частности, алгоритма технического обслуживания оптических кабелей при выявлении в процессе мониторинга оптических волокон малых локальных неоднородностей являются актуальными.
Цель работы и задачи исследования.
Исследование отражений оптического излучения на дефектах оболочки оптических волокон и разработка рекомендаций по техническому обслуживанию оптических кабелей связи, в частности, алгоритма технического обслуживания оптических кабелей при выявлении в процессе мониторинга оптических волокон малых локальных неоднородностей.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
Разработка модели и исследование отражений оптического излучения в ОВ на дефекте оболочки
Разработка методики экспериментальных исследований коэффициентов отражений ОВ с дефектами оболочки и экспериментальное обоснование адекватности математической модели отражений оптического излучения в ОВ на дефекте оболочки
Разработка алгоритма технического обслуживания оптических кабелей связи на ЭКУ при выявлении в процессе мониторинга оптических волокон малых локальных неоднородностей.
Разработка математической модели, описывающей обусловленное вынужденным комбинационным рассеянием взаимодействие информационной и зондирующей последовательностей оптических импульсов.
Разработка рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала системы мониторинга для локализации в волоконно-оптической линии передачи малых неоднородностей.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы теории оптических волноводов, теории линий передач, теории связи мод диэлектрических волноводов, теории дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования.
Личный вклад.
Все основные научные положения, выводы и рекомендации, состав-
ляющие содержание диссертации, разработаны соискателем лично.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель отражений оптического излучения в ОВ на дефекте оболочки.
2. Разработана методика экспериментальных исследований коэффици
ентов отражений ОВ с дефектами оболочки.
3. Показано, что при локализации дефектов с коэффициентом отраже
ний порядка (-90.. -70) дБ при нагрузке на волокно, не превышающей ее мак
симальное значение при допустимом минимально допустимом радиусе изги-
ба волокна в кассете 60,0 мм, развитие дефекта находится еще на первой
стадии процесса разрушения стекла и срок службы волокна с момента лока
лизации дефекта может достигать нескольких месяцев и более года.
4. Разработана математическая модель и получены аналитические вы-
* ражения, описывающие обусловленное вынужденным комбинационным рас
сеянием взаимодействие информационной и зондирующей последовательно
стей оптических импульсов.
5. Разработаны способы измерений потерь в соединениях ОВ оптиче-
ским рефлектометром обратного Релеевского рассеяния в одном направле
нии. Способы измерений защищены патентами на изобретение.
Практическая ценность.
Разработан алгоритм технического обслуживания оптических кабелей связи на ЭКУ при выявлении в процессе мониторинга оптических волокон малых локальных неоднородностей.
Разработаны рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала системы мониторинга для локализации в волоконно-оптической ли-
нии передачи малых неоднородностей. Показано, что в системах мониторинга активных волокон необходима защита от установки неадекватных значений параметров зондирующих сигналов.
Предложена методика прогноза срока службы оптического волокна с локальным дефектом оболочки по данным мониторинга его характеристики обратного рассеяния.
Разработаны способы измерений потерь в соединениях ОВ оптическим рефлектометром обратного Релеевского рассеяния в одном направлении.
Основные положения, выносимые на защиту.
Модель отражений оптического излучения в ОВ на дефекте оболочки и экспериментальное обоснование ее адекватности.
Математическая модель и аналитические выражения, описывающие обусловленное вынужденным комбинационным рассеянием взаимодействие информационной и зондирующей последовательностей оптических импульсов.
Алгоритм технического обслуживания оптических кабелей связи на ЭКУ при выявлении в процессе мониторинга оптических волокон малых локальных неоднородностей.
Рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала системы мониторинга для локализации в волоконно-оптической линии передачи малых неоднородностей.
Способы измерений потерь в соединениях ОВ оптическим рефлектометром обратного Релеевского рассеяния в одном направлении.
Реализация результатов работы.
Основные результаты исследования отражений на дефектах оболочки оптического волокна, рекомендации по измерениям и обработке характери-
стик обратного рассеяния оптических волокон при локализации малых неод-нородностей, способы измерений потерь в соединениях оптических волокон оптическим рефлектометром в одном направлении внедрены в ЦНИИС и использовались при разработке методики проведения ремонтно-восстановительных и аварийно-восстановительных работ на ВОЛП, исследовании локальных неоднородностей в местах сварных соединений и их влияния на снижение надежности ВОЛП, разработке рекомендаций по повышению эффективности и надежности эксплуатации линейно-кабельных сооружений и вошли в руководящий документ отрасли РД 45.180-2001 «Руководство по проведению планово-профилактических и аварийно-восстановительных работ на линейно-кабельных сооружениях связи волоконно-оптической линии передачи».
Практические рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала и обработке характеристик обратного рассеяния в задачах локализации малых неоднородностей в оптических линиях передачи, практические рекомендации по техническому обслуживанию оптических кабелей с применением систем мониторинга оптических волокон, способы измерения параметров волоконно-оптических линий передачи внедрены и используются в системе технической эксплуатации ВОЛП ОАО «Ростелеком».
Рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала в системах мониторинга оптических волокон, результаты исследований совместной работы систем передачи и систем контроля по оптическим волокнам при реализации мониторинга по активным волокнам внедрены ЗАО НПЦ «СПЕКТР» в отечественной системе автоматизированного контроля оптических кабелей и были использованы при выполнении опытно-конструкторских работ «Комплекс программно-технических средств для проведения измерений рабочих и резервных оптических волокон», при разработке и изготовлении комплекса программно-технических средств контро-
16 ля волоконно-оптических линий передачи «ФОТОН», при разработке оптического рефлектометра «АТЛАС-2010».
Элементы теории, методики расчета, практические рекомендации и методы измерения параметров оптических линий передачи внедрены в учебный процесс Поволжской Государственной Академии Телекоммуникаций.
Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях:
LV научная сессия посвященная Дню радио (Москва, МТУСИ, 2000), LVI научная сессия посвященная Дню радио. ( Россия, Москва, МТУСИ, 2001), International Conference on Optoelectronic Information Technologies "Photonics-ODS 2000" (Ukraine, Vinnytsia, 2000), Международная научно-технической конференция «APOC-2001» (Китай, Пекин, 2001), Международная конференция «Optical technologies for communications» (Россия, Уфа, УГАТУ, 2003), IV международная научно-технической конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Россия, Уфа, УГАТУ, 2003), III Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Россия, Волгоград, ВолГУ, 2004), V и VII Российская научно-техническая конференция проф.-преп. и инженерно - технического состава ПГАТИ (Россия, Самара, ПГАТИ, 1998, 2000).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 18 печатных трудах, включая 11 статей в научных изданиях, 4 тезиса докладов, 3 патента. Некоторые результаты работы отражены также в
отчетах по хоздоговорным НИР, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 247 страниц машинописного текста, 83 рисунка и 6 таблиц. Список литературы включает 228 наименований.
В первой главе представлен обзор методов контроля состояния оптических волокон кабелей связи. Дан подробный обзор факторов разрушения оптических волокон. Выявлены основные проблемы контроля оптических волокон, связанные с ограниченными возможностями метода обратного Рэ-леевского рассеяния по выявлению дефектов на ранних стадиях усталостного разрушения волокон. Выполнен анализ потенциальных возможностей современных оптических рефлектометров по локализации неоднородностей. Сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе представлен аналитический обзор экспериментальных исследований структуры поверхностных дефектов оптических волокон кабелей связи. Разработана математическая модель отражений оптического излучения в ОВ на дефектах оболочки. Получены теоретические оценки коэффициента отражений на дефекте оболочки в зависимости от длины волны и размеров дефекта для стандартных одномодовых ступенчатых оптических волокон.
В третьей главе разработана методика физического моделирования поверхностных дефектов оболочки оптических волокон. Разработана методика обработки тепловых изображений оптических волокон и оценивания по данным обработки коэффициента отражений для ступенчатого оптического
волокна. Разработана методика экспериментальных исследований отражений оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, на дефекте оболочки. Экспериментально обоснована адекватность предложенной математической модели отражений распространяющегося в оптическом волокне оптического излучения на дефекте оболочки.
В четвертой главе исследованы взаимосвязи коэффициента отражений на локальной неоднородности с размерами формирующего ее дефекта оболочки и, соответственно, с прогнозируемой прочностью оптического волокна на участке с дефектом. Показано, что с увеличением длины волны при тех же размерах дефекта в оболочке коэффициент отражений возрастает. Показано, что при локализации дефектов с коэффициентом отражений порядка (-90.. -70) дБ развитие дефекта находится еще на первой стадии процесса разрушения стекла. Предложена методика прогноза срока службы оптического волокна на участке с дефектом оболочки по данным мониторинга его характеристики обратного рассеяния. Адекватность используемых моделей подтверждена результатами обследования и наблюдений на введенных в эксплуатацию оптических кабельных линиях связи.
В пятой главе разработан алгоритм производства работ при выявлении локальной неоднородности оптических волокон на ЭКУ. Сформулированы и обоснованы требования к зондирующему сигналу при поиске локальных неоднородностей. Даны рекомендации по выбору его параметров. Разработаны способы определения поправок для проведения измерений потерь оптической мощности в соединениях волокон методом обратного рассеяния в одном направлении. Предложена математическая модель и получены аналитические выражения, описывающие обусловленное вынужденным комбинационным рассеянием взаимодействие информационной и зондирующей последовательностей оптических импульсов. Разработана методика оценивания
дополнительных потерь мощности информационного сигнала в системах связи с контролем активных оптических волокон. Разработана методика расчета увеличения вероятности ошибок в системах передачи информации при мониторинге активных волокон. Выполнены исследования влияния зондирующего оптического сигнала на качество передачи информации в системах связи с контролем активных оптических волокон. Исследованы обусловленные ВКР погрешности измерений в системах мониторинга активных оптических волокон.
В заключении представлены основные результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность.
В приложении представлены выводы формул, документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.
Системы автоматизированного контроля состояния оптических волокон кабелей связи
В настоящее время построение современных цифровых мультисервис-ных сетей связи в подавляющем случае выполняется на основе ВОЛП. Это привело к необходимости пересмотра принципов их обслуживания и эксплуатации. Большие объемы передаваемой информации, высокая стоимость потери трафика вследствие повреждения ОК и большая протяженность элементарных кабельных участков (ЭКУ) ВОЛП приводят к необходимости оперативного и квалифицированного обслуживания, а также своевременной диагностики волокон и кабеля ВОЛП. Решение указанных задач, особенно при построении протяженных оптических сетей, возможно на основе применения систем RFTS, являющихся одной из основных подсистем TMN, и перехода к принципу профилактического обслуживания ВОЛП [20 — 25]. Очевидно, системы RFTS должны предусматриваться на этапе проектирования цифровых мультисервисных сетей связи. В то же время, по данным одного из ведущих производителей измерительной техники GN Nettest / Laser Precision Division, внедрение подобных систем на сети с общей протяженностью ВОЛП порядка 14 тыс. км может окупиться в течение 15,4 месяца.
Представленные в настоящее время на рынке средств связи системы RFTS можно условно разделить на две группы. К первой группе следует отнести системы, разработанные и предлагаемые производителями оптических рефлектометров: "ORION/QUESTFiber" (GN Nettest) [22 - 29]; "AccessFiber" (Agilent Technologies) [22 - 23]; "Atlas" (Wavetek Wandel&Goltermann) [22 - 23, 3 0]; "FiberVisor" (EXFO) [22 - 23, 31 - 32]; "Anritsu" (Anritsu) [33]
Данные системы в большей мере ориентированы на контроль разветвленной волоконно-оптической сети связи с размещением оборудования в обслуживаемых пунктах, связанных между собой альтернативными оптике средствами связи.
Ко второй группе относятся системы, разработанные и предлагаемые фирмами, специализирующимися на системах обслуживания линейных сооружений связи. Это, например, следующие системы RFTS: "SmartLGX" (Lucent Technologies) [22]; "OCN-MS" (Nicotra System) [22, 34-35]; "FIBERTEST" (НИИТ, г. Минск) [36]; «Фотон» (НПЦ «Спектр», г. Самара) [37-38].
Данные системы разрабатывались для контроля протяженных линейных сооружений и предусматривают размещение оборудования в необслуживаемых пунктах, связь между которыми осуществляется по служебным каналам, организуемым по контролируемой ВОЛП.
В отличие от систем первой группы они позволяют контролировать не только характеристики ОВ, но и другие параметры линейного тракта: сопротивление изоляции ОК, открытие дверей и люков, а также температуру и влажность в необслуживаемых помещениях и т.п.
Функциональные возможности, принципы работы и структура всех выше перечисленных систем в целом идентичны. Отличия касаются в основном интерфейса, формы представления данных, организации связи, конкретных технических решений.
К основным задачам системы мониторинга относятся: Автоматизированный контроль состояния оптических волокон в процессе эксплуатации на распределенной кабельной сети; Выдача сигнала аварии при повреждении кабеля; Дистанционная диагностика волокон и устранение неисправностей на распределенной сети из центров управления. При этом системы RFTS поддерживают следующие функции: Управление документированием линейно-кабельных сооружений; Установка индикаторов качества (порогов); Прогнозирование повреждения линии; Обнаружение повреждений ОВ, сигнализация об аварии, определение места повреждения; Выявление тенденций изменения параметров ОВ; Дистанционное управление.
Одно из основных преимуществ внедрения системы RFTS на оптических сетях связи заключается в организации прогнозирующего контроля, в основе которого лежит мониторинг параметров линейно-кабельных сооружений, отслеживании тенденций их изменения в процессе эксплуатации и сравнении текущих результатов измерений с контрольными значениями параметров. Это позволяет прогнозировать состояние линейного тракта ВОЛП в целом и, соответственно, при необходимости планировать график проведения ремонтно-восстановительных работ.
Диагностика ОВ осуществляется методом обратного рассеяния с помощью OTDR. Оценка состояния волокон тестируемой ВОЛП выполняется путем сравнения текущей и опорной рефлектограмм и сопоставления отклонений параметров волокна с заданными для них пороговыми значениями. Алгоритм работы системы RFTS поясняют рис. 1.2 - 1.3.
При инсталляции системы и настройке ее на периодические измерения снимаются эталонные (контрольные) рефлектограммы и задаются пороги на отклонение текущих рефлектограмм от эталонных. Как правило, это две группы порогов: предупредительные и аварийные (рис. 1.3).
Характер дефектов оболочки оптических волокон
Как известно, стекло разрушается с поверхности [1 - 9, 58 - 63, 84 -94]. Микротрещины, зародыши которых появляются на поверхности оболоч » ки волокна еще при изготовлении заготовок, в последствии растут в процессе старения оптического волокна из-за внешних механических и температурных воздействий, под действием паров влаги [1-6, 85, 86]. Внутренние механические напряжения в волокне и скорость роста микротрещины зависят от размеров поверхностного дефекта [1-6, 63, 84 - 94]. Микротрещины разви-ваются от начальных размеров зародыша до момента, когда скорость их роста достигает некоторого критического значения и волокно разрушается. Эффект разрушения оптического волокна за счет роста дефектов в процессе его старения называется усталостным разрушением. На рис.2.1 представлена фо тография волокна со следами усталостного разрушения [89]. На растущем дефекте волокна выделяют зону с гладкой поверхности (зеркальную), зону с поверхностью, имеющую слабую шероховатость (волнистую) и зону трещин (шероховатую) [2 - 3, 5, 87 - 88]. Это иллюстрирует рис. 2.2 [5]. Реализующие прогнозирующий контроль системы автоматического мониторинга волоконно-оптических кабелей в качестве базовых средств измерений используют работающие во временной области оптические рефлектометры обратного рассеяния. Идентификация и локализация дефектов опти ческого волокна осуществляется по характеристике обратного рассеяния, на которой они отображаются как отраженные импульсы.
Если разрушение оптических волокон происходит с поверхности оболочки волокна, то, согласно теории волоконных диэлектрических волноводов [95 - 102], более 80...85 % энергии распространяющегося в волноводе электромагнитного поля заключено в сердцевине, и только менее 15-20% распространяется в оболочке. При этом интенсивность поля в оболочке быстро убывает в радиальном направлении от границы сердцевина-оболочка к поверхности волокна. Наличие оптического излучения в оболочке позволяет допустить вероятность возникновения импульсов Френелевского отражения на микротрещинах, еще не достигших границы сердцевина - оболочка, и тем самым считать возможным локализацию дефектов волокна методом обратного Рэлеевского рассеяния уже на ранней стадии. Для оценки справедливости подобного допущения, необходимо исследовать взаимосвязи коэффициента отражений оптического излучения на дефекте оболочки с параметрами дефекта. Решение этой задачи представлено в данной главе.
По определению коэффициентом отражений называют величину, равную [103 - 106]: g = 10-log Рпад (2.1) где - коэффициент отражений на неоднородности, дБ; Ротр - мощность оптического излучения, отраженного от одиночной неоднородности волокна; Рпад " мощность оптического излучения, падающего на одиночную неоднородность.
На участке оптического волокна с дефектом геометрические параметры волновода и параметры среды изменяются. Имеет место локальная неоднородность оптической линии передачи. В общем случае, энергия распространяющихся в одномодовой линии передачи электромагнитных волн частично отражается на неоднородности, частично распространяется по волокну в том же направлении, а также часть ее преобразуется на неоднородности в энергию мод высшего порядка. При этом имеет место излучение энергии нена-правляемых мод (дополнительные потери на излучение).
Участок оптического волокна с дефектом можно рассматривать как регулярную волоконно-оптическую линию передачи со вставкой в виде короткого отрезка также регулярной оптической линии передачи, но с другими параметрами (рис. 2.3). Тогда, задача сводится к поиску отраженной мощности оптического излучения в соединении регулярных оптических волноводов.
Полагая условие (2.3) справедливым в дальнейшем ограничимся анализом отражений на стыке двух диэлектрических волноводов.
В общем случае задача о расчете электромагнитного поля в соединении регулярных волноводов включает решение задач для двух соединяемых регулярных оптических волноводов и задачи сшивания полей регулярных волноводов с учетом конструкции перехода.
Строгое решение подобной задачи осложняется трудностью задания геометрических и материальных характеристик волноводного перехода в пространстве. В трехмерной постановке это решается только численными методами. Для этих целей применяют различные модификации метода конечных разностей, вариационно-разностные методы, метод конечных элементов, метод согласования мод и итерационные методы решения и другие [95-102, 104-152].
Задача значительно упрощается при наличии аналитических решений для соединяемых регулярных волноводов. Очевидно, что в этом случае поля мод невозмущенного волновода должны быть хорошей аппроксимацией полей мод возмущенного волновода, включая и область возмущения. Это возможно только в случае, когда профили показателей преломления возмущенного и невозмущенного волноводов лишь слегка различаются в любой точке направляющей структуры. Еще более задача упрощается для слабонаправляющих оптических волноводов, для которых можно пренебречь поляризационными эффектами. Влияние поляризационных эффектов в таких линиях передачи мало, а их учет неоправданно усложняет анализ. Выражение для коэффициентов связи, полученное при условии, что продольные составляющие поля в рассмотрение не принимаются, имеет вид [101-102]: где Лоо - бесконечно большая площадь поперечного сечения.
Если световод непоглощающий, то скалярные функции ,- вещественные. Определив коэффициенты связи, будет нетрудно найти коэффициенты отражения и прохождения для основной моды в соединении волокон. Решение неоправданно громоздко. В рамках принятых допущений методы эквивалентных параметров дают практически те же результаты, но более простыми средствами.
Электромагнитное поле в волноводе с неоднородностью, на которой параметры волновода меняются скачком, исследовалось в рамках задачи об отражении поверхностной моды от обрыва диэлектрического волновода произвольного поперечного сечения [126 - 127]. Задача решалась в скалярном приближении вариационным методом, базирующимся на спектральных разложениях по собственным модам открытых волноводов. В работах подробно исследован коэффициент отражения и погрешности вариационных соотношений. Показано, что в скалярном приближении коэффициент отражения определяется в основном фазовой скоростью моды. При этом зависимость его от формы поперечного сечения волновода сравнительно слабая. Результаты работ показали также, что условий, определяющих соединяемые волноводы как слабонаправляющие, недостаточно для применения скалярной теории. Необходимо, помимо этого, выполнение условия близости показателей преломления соединяемых волокон.
Моделирование дефектов оболочки оптического волокна
Предложенная модель отражений оптического излучения в оптических волокнах с дефектами оболочки является приближенной. Необходима экспериментальная проверка ее адекватности. Для реализации подобной проверки необходимы способы формирования дефектов в оболочке оптического волокна и методы измерения геометрических размеров этих дефектов.
В процессе обследования действующих магистральных волоконно-оптических линий передачи при измерениях методом обратного рассеяния и зондировании импульсами малой длительности (менее 100 не) были выявлены неоднородности сварных соединений оптических волокон [57, 70, 181].
При этом потери в соединениях удовлетворяли нормативным требованиям. Примеры рефлектограмм подобных соединений приведены на рис. 3.1, рис. 3.2. Среднее значение локального коэффициента отражения выявленных неоднородностей сварных соединений составило (-75) дБ, максимальное значение (-68) дБ. Значения менее (-86) дБ как неоднородность не идентифицировались.
Было выявлено, что отражения в сварных соединениях оптических волокон имели место при нарушении режимов сварки - уменьшении тока дуги и времени горения дугового разряда [57, 70, 181]. Так, например стандартная программа сварки ступенчатых оптических волокон производства фирмы Fujikura была модифицирована следующим образом: максимальное время сварки ограничено до 0,6 с, изменен зазор до 4 мкм. При сварке с использованием указанного оборудования по стандартной программе оптических волокон на катушках длиной 1045 ми 1012 м, соответственно, и контроле качества сварки оптическим рефлектометром HP Е6000А при длительности зондирующего импульса 10 не отражений в месте соединения выявлено не было. При уменьшении зазора до 4 мкм или ограничении максимального времени горения дуги сварки вместо 10с значением 0,6 с наблюдались отражения на сварном соединении с коэффициентом отражений (-70)...(-85) дБ. То есть, того же порядка, что были выявлены на действующих магистралях.
Аналогичные результаты были получены при сварке волокон аппаратом FSU-975 (Ericsson) при сварке в ручном режиме с пониженными значениями тока и времени сварки. При этом, на «тепловых» изображениях указанных соединений, которые позволяет получать данный тип сварочного аппарата, имели место характерные всплески, которые можно трактовать как дефекты оболочки на сварном соединении оптических волокон.
На рис. 3.3, 3.4 представлены типичные тепловые фотографии нормального сварного соединения ступенчатых одномодовых оптических волокон, а на рис. 3.5, 3.6 — тепловые фотографии для тех же волокон, но для сварного соединения с дефектом в оболочке волокна.
На рис. 3.7 представлена трехмерная (3D) поверхность распределения интенсивности теплового свечения в зоне стыка без дефекта, полученная в результате цифровой обработки тепловых изображений, приведенных на рис. 3.3, 3.4. На рис. 3.8 приведена ЗО-поверхность распределения интенсивности свечения в зоне стыка с дефектом, построенная в результате цифровой обработки соответствующих тепловых изображений, представленных на рис. 3.5, 3.6. трехмерные изображения, полученные в результате цифровой обработки тепловых фотографий.
В свою очередь, на рис. 3.12 представлен результат наложения кривых распределения интенсивности теплового излучения в плоскости поперечного сечения ОВ в точке максимальной интенсивности свечения. Кривая (а) соответствует соединению без дефекта, кривая (б) - стыку с дефектом в щ области оболочки.
Таким образом, изменяя параметры сварки, можно формировать дефекты оболочки оптического волокна, на которых при минимальных потерях будут иметь место коэффициенты отражений, соответствующие по значениям коэффициентам отражений на развивающихся с поверхности оболочки во ф локна микротрещинах. Для сравнения на рис. 3.13 представлены фрагменты рефлектограммы квазирегулярного участка волокна (рис. 3.13 (а)), участка волокна с микротрещиной (рис. 3.13 (б)) и соединения волокон, на котором был сформирован дефект оболочки (рис. 3.13 (в)).
Основы теории усталостного разрушения оптических волокон
Вопросам усталостного разрушения оптических волокон из кварцевого стекла посвящено много работ, в которых достаточно подробно изложены основы теории их разрушения [1 -6, 84 — 94]. Кварцевое стекло является материалом, не проявляющим пластичности. При деформациях в стекле на любом дефекте (например, царапине) возникают локальные механические перенапряжения, которые не могут релаксировать за счет пластической деформации. Расчеты показывают, что в зависимости от глубины трещины напряжения в стекле в ее вершине в десятки или даже сотни раз выше, чем средние по объему. Это является основной причиной низкой прочности изделий из стекла, поверхность которых не защищена от механических контактов и, как следствие, имеет множество микродефектов. Следует отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности оптического волокна, могут возникать не только вследствие контакта волокна с твердыми телами в процессе вытяжки, но и на более ранних стадиях его изготовления. В частности, к снижению прочности волокон приводят инородные частицы, которые могут находиться в опорных кварцевых трубках, используемых при выращивании заготовок, микротрещины в заготовках, которые при вытяжке трансформируются в поверхностные дефекты волокна, а также частицы пыли в печи для вытяжки. Анализ причин, вызывающих разрушение оптических волокон, позволил разработать некоторые общие технологические требования, которые позволяют получать практически "бездефектные" волокна с высокой прочностью на разрыв (5,5 ГПа или -70 Н при диаметре 125 мкм) на коротких отрезках (-1 м) при ее небольшом разбросе [1 -6]. Это - производство заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая по лировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении, очистка от пыли полимерных материалов для покрытия и др.
Следует отметить, что малый разброс разрывной прочности на коротких кусках не позволяет гарантировать отсутствие одной или нескольких слабых точек на длине оптических волокон, достигающей нескольких километров. Даже при соблюдении всех вышеупомянутых технологических требований на большой длине возможно появление редких дефектов, которые отбраковываются в условиях производства путем контрольной перемотки под нагрузкой всей длины волокна после его вытяжки. Волокно сматывается с катушки при малом натяжении, проходит специальное приспособление, где создается требуемая нагрузка, и после этого наматывается на другую катушку также при малом натяжении. При этом каждый участок волокна последовательно оказывается под заданной нагрузкой около 1 секунды или менее, в зависимости параметров установки. Современное состояние технологии производства волоконных световодов позволяет перематывать их под нагрузкой 0,7...1,4 ГПа (при 1...2% относительном удлинении световода диаметром 125 мкм) с достаточно малым количеством обрывов. Как правило, один обрыв (дефект) приходится на километры и даже десятки километров волокон, прошедших подобное тестирование. При перемотке с удлинением 1% разрушаются все дефекты размером более 0,86...1,0 мкм [1 -3, 5 — 8]. Увеличение нагрузки при перемотке уменьшает минимальный размер отбраковываемого дефекта пропорционально квадрату нагрузки.
Оставшиеся на поверхности кварцевых волокон дефекты растут. Из-за роста дефектов волокна постепенно снижают свою прочность и в результате разрушаются. Другими словами оптические волокна в полимерных оболочках подвержены статической усталости или усталостному разрушению. Время до момента полного разрушения волокна зависит от его исходной прочности и приложенной нагрузки. Если к двум образцам волокон с одинаковой ис по ходной прочностью в одинаковых условиях окружающей среды приложить две разные нагрузки, то соответствующее каждой из них время до разрушения образца удовлетворяет следующему соотношению [1-3,5-6]: h (4.1) где N— параметр статической усталости, равный, как правило, N = 20-22; G\, j-i - приложенные нагрузки; t\, 2 - соответствующее время до разрушения образца. Из (4.1) следует, что уменьшение нагрузки на 10% увеличивает срок службы в тех же условиях приблизительно в 8 — 10 раз.
Рост трещин имеет место и при прохождении теста прочности. Чем медленнее происходит растяжение образца во время теста на разрыв, тем больше дефектов и тем ниже разрывная прочность. Например, если два образца волокна с одинаковой исходной прочностью испытывать в одинаковых условиях окружающей среды с разной скоростью увеличения нагрузки, то соответствующие им разрывные прочности будут удовлетворять следующему соотношению: N#+1 "1 _ &Ы (Т2 \аЬ2 ) (4-2) где j\, о"2 - скорости увеличения нагрузки; Gb\ Gb2 " соответствующая прочность оптического волокна на разрыв.
Снижение скорости нагружения на порядок приводит к снижению измеренной разрывной прочности на -10%. Как следствие, оценка прочности оптического волокна имеет смысл только при наличии данных о некоторой исходной прочности. Эту информацию получают, как правило, из условий испытания. Если увеличивать скорость роста нагрузки, то прочность световода будет повышаться, асимптотически выходя на некий уровень, который зависит только от размеров исходных дефектов. Это так называемая исходная (инертная) прочность - прочность в отсутствие роста трещин. Уровень инертной прочности оказывается в 2...2,5 раза выше обычно получаемой [1 - 6]. Такую (или близкую к ней) прочность можно наблюдать, испытывая волокна при условиях, исключающих воздействие паров воды на дефекты. Это может быть при высоком вакууме (после удаления адсорбированной на поверхности стекла влаги) или низких температурах (например, жидкий азот), когда действие влаги на стекло практически прекращается. Прочность, близкую к инертной могут демонстрировать волокна в герметичном (металлическом) покрытии при правильно подобранных режимах нанесения. Любые известные полимерные материалы защитных покрытий не являются герметичными от паров воды. Прочность волокна в полимерном покрытии близка к прочности такого же волокна, у которого покрытие удалено без повреждения поверхности стекла. Полимерное покрытие только задерживает на некоторое время проникновение влаги к поверхности. Например, прочность волокна в стандартном полиакрилатном покрытии реагирует на изменение влажности, выходя на новый уровень в течение нескольких десятков минут.
