Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка метода выявления и локализации дефектов в оболочке световода оптического волокна 20
1.1. Методы выявления новых событий в процессе мониторинга оптических волокон 20
1.2. Описание предлагаемого метода определения места повреждения ОВ 25
1.3. Экспериментальная апробация метода 30
1.4. Выводы 38
Глава 2. Моделирование поляризационных характеристик обратного рассеяния с локальными событиями и воздействиями 41
2.1. Общие положения 41
2.2. Модель поляризационной характеристики обратного рассеяния ОВ 42
2.3. Модели отдельных событий на ВОЛП 44
2.4. Модель микротрещины 49
2.4.1. Двулучепреломление стандартного ступенчатого оптического волокна с микротрещиной в оболочке световода 49
2.4.2. Модель микротрещины на поверхности оболочки световода 50
2.4.3. Расчет оценок двулучепреломления, обусловленного асимметрией распределения механических напряжений в сечении световода
2.4.4. Оценка составляющей двулучепреломления, обусловленной действием механических напряжений 57
2.4.5. Расчет двулучепреломления и длины биений ступенчатого ОВ в зависимости от размера микротрещины 59
2.5. Модель кусочно-регулярной модели ВОЛП с локальными событиями 62
2.6. Исследование возможности применения вращения поляризации для локализации новых событий 69
2.7. Исследование возможности локализации последовательности событий 73
2.8. Выводы 73
Глава 3. Экспериментальные исследования на физических моделях 77
3.1. Общая схема эксперимента 77
3.2. Методы физического моделирования дефектов оптического волокна 80
3.3. Физические модели участка ВОЛП 83
3.4. Локализация событий разного типа 83
3.5. Локализация событий с применением контроллера поляризации 89
3.6. Оценка погрешности локализации нового события в ОВ по результатам сравнения ПХОР 91
3.7. Выводы 95
Глава 4. Рекомендации по мониторингу оптических волокон кабельных линий с использованием POTDR 98
4.1. Общие положения по технической эксплуатации транспортных сетей связи 98 4.2. Реализация системы мониторинга оптических волокон по поляризационным характеристикам обратного рассеяния 100
4.3. Оценка эффективности мониторинга оптических волокон по поляризационным характеристикам обратного рассеяния 105
4.4. Выводы 113
Заключение 115
Список литературы
- Описание предлагаемого метода определения места повреждения ОВ
- Двулучепреломление стандартного ступенчатого оптического волокна с микротрещиной в оболочке световода
- Физические модели участка ВОЛП
- Оценка эффективности мониторинга оптических волокон по поляризационным характеристикам обратного рассеяния
Введение к работе
Актуальность темы
Современное развитие волоконно-оптической связи и постоянно возрастающий объем передаваемой информации выдвигают на первый план задачу обеспечения эффективности функционирования волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП). Телекоммуникационные компании, имеющие протяженные оптические сети связи, в последнее время инвестируют немалые средства в обеспечение высокого качества и надежного функционирования линейно-кабельных сооружений ВОЛП, основным элементом которых являются оптические кабели (ОК).
Обеспечение эффективного функционирование кабелей связи требует выбора оптимальной стратегии технического обслуживания. Для протяженных объектов с высокими требованиями по надежности, к которым относятся и ВОЛП, наиболее перспективными являются корректирующая и прогнозирующая стратегии, базирующиеся на мониторинге параметров линий, задачей которого является выявление потенциальной угрозы повреждений. В том числе дефектов оптических волокон (ОВ) на ранней стадии их развития.
Диагностика современных систем автоматического мониторинга волокон оптических кабелей связи (RFTS - Remote Fiber Test Systems) базируется на анализе характеристик обратного рассеяния, полученные методами оптической ре-флектометрии, впервые предложенные М.К. Barnoski, S.M. Jensen и S.D. Personick. Данные методы основаны на измерении мощности оптического излучения, распространяющегося в волокне, которая практически полностью сосредоточена в сердцевине тестируемого ОВ. Вместе с тем, срок службы кварцевых ОВ связан с ростом микротрещин, развивающихся с поверхности оболочки световода ОВ от начальных размеров зародыша до момента, когда их размер достигает некоторого критического значения, при котором ОВ разрушается. Соответственно, по результатам измерения мощности обратного релеевского рассеяния, распространяющегося в волокне, можно обнаруживать микротрещины, зеркальная зона которых уже достигает границ сердцевины ОВ. То есть когда волокно уже разрушается. Фактически подобные системы мониторинга констатируют факт разрушения ОВ.
Бриллюэновские оптические рефлектометры позволяют измерять распределение механических напряжений по длине волокна, что является основой для прогноза срока службы оптических волокон. В основе их работы - измерения сдвига между частотой сигнала бриллюэновского рассеяния и частотой зондирующего сигнала, распространяющихся в ОВ. Мощность сигналов, распространяющихся в волокне, в основном сосредоточена в его сердцевине, что, как отмечено в работах С.Г. Акопова, J. Jay, ОВ. Длютрова и др., не позволяет применять его для выявления локальных дефектов в оболочке световода и микроизгибов ОВ. Кроме того, высокая стоимость существенно ограничивает возможность их применения в системах мониторинга.
В работах A.J. Rogers, J.G. Ellison, A.S. Siddiqui, A. Galtarossa, C.R. Menyuk,
M. Wuilpart, R.E. Schuh, S.C. Rashleigh, N. Gisin и др. показано, что поляризационные характеристики обратного рассеяния (ПХОР) ОВ чувствительны к внешним воздействиям на волокно. Данная особенность широко применяется в системах распределенных волоконно-оптических датчиков, в которых ОВ выполняет роль сенсорного элемента. Возможности применения интерферометрических и поляриметрических методов ограничены малыми расстояниями в сотни метров - единицы километров. Обладающие высокой чувствительностью когерентные рефлектометры применяются, в основном, в системах охранной сигнализации и, как правило, предназначены для регистрации вибраций. Для локализации участков, характеризующихся повышенными значениями поляризационной модовой дисперсии, предназначены импульсные поляризационные рефлектометры обратного рассеяния. Реализуемых в них методы измерения длины биений не позволяют обнаруживать и определять место расположение локальных дефектов. Однако, особенности ПХОР позволяют предположить возможность обнаружения локального дефекта в оболочке световода волокна по результатам сравнения ПХОР, измеренных в процессе мониторинга ОВ: до и после проявления дефекта.
Вышесказанное делает актуальной задачу исследования и разработки мониторинга ОВ на основе методов поляризационной рефлектометрии в целях обеспечения эффективного функционирования ВОЛП.
Цель работы - разработка методов и средств мониторинга оптических волокон кабельных линий связи на основе поляризационной рефлектометрии в целях обеспечения эффективности функционирования ВОЛП.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
-
Исследование возможности применения методов поляризационной рефлектометрии для обнаружения роста микротрещин в оболочке световода волокна в процессе мониторинга ОК.
-
Разработка метода поляризационной рефлектометрии для обнаружения и определения местоположения новых локальных событий на ПХОР ОВ.
-
Исследование чувствительности и погрешностей метода поляризационной рефлектометрии по обнаружению событий разного типа (микротрещина в оболочке световода, радиальная нагрузка, изгиб ОВ.
-
Разработка практических рекомендаций по обеспечения эффективности функционирования кабелей связи за счет мониторинга ОВ методами поляризационной рефлектометрии и обнаружения локальных дефектов в оболочке световода ОВ на ранней стадии развития.
Методы исследования. В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью теории поляризации света и эллипсометрии, теории оптических волноводов, математического аппарата дифференциального и интегрального исчислений, математической статистики и математического моделирования. Численные расчеты производились в среде MatLab.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки задач, обоснованностью использования допущений и ограничений,
применением известных математических методов, непротиворечивостью результатов и выводов, предельными переходами отдельных полученных результатов в известные соотношения для оптических волноводов, экспериментальной апробацией.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель расчета оценок двулучепреломле-ния ступенчатого ОВ с микротрещиной в оболочке зависимости от радиуса зеркальной зоны.
-
Доказана возможность обнаружения и локализации микротрещины в оболочке ОВ с радиусом зеркальной зоны более 1,5 радиусов сердцевины ОВ по результатам сравнения ПХОР, измеренных в процессе мониторинга ОВ.
-
Разработан метод определения места повреждения ОВ, основанный на анализе корреляционных характеристик между контрольной и текущей ПХОР, измеряемых в процессе мониторинга ОВ при изменении состояния поляризации зондирующего и принимаемого оптических сигналов, что подтверждено решением о выдаче патента на изобретение по заявке № 2012130591 от 29.08.2013.
-
Разработан метод обнаружения последовательно расположенных локальных событий по результатам сравнения ПХОР, измеряемых в процессе мониторинга при изменении состояния поляризации зондирующего и принимаемого оптических сигналов.
Личный вклад
Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной, получены автором лично. Научные положения диссертации соответствуют пункту 11 паспорта специальности 05.12.13.
Практическая ценность результатов работы
-
Получены количественные оценки длины биений ОВ на участках с событиями типа радиальная нагрузка, изгиб, микротрещина в оболочке световода волокна.
-
Получена количественная оценка погрешности локализации нового события в ОВ по результатам сравнения ПХОР в зависимости от длительности зондирующего импульса и длины «скользящего окна».
-
Разработаны практические рекомендации по выявлению и локализации новых событий в процессе мониторинга на основе поляризационной рефлекто-метрии.
-
Разработаны практические рекомендации по расширению функционала установленных на сети систем мониторинга оптических кабелей за счет включения оптического модуля на выходе удаленного комплекта и установки дополнительного соответствующего программного обеспечения.
Материалы диссертационной работы использовались при выполнении научно-исследовательских работ по договору №729-13-14 по теме «Разработка учебно-методических комплексов и макетов учебно-исследовательских стендов для организации обучения по магистерской программе на базовой кафедре
ПГУТИ» в рамках реализации Программы инновационного развития ОАО «Ростелеком» на 2011-2015 годы.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель расчета оценок двулучепреломления ступенчатого ОВ с микротрещиной в оболочке зависимости от радиуса зеркальной зоны.
-
Метод определения места повреждения ОВ, основанный на анализе корреляционных характеристик между контрольной и текущей ПХОР, измеряемых в процессе мониторинга ОВ при изменении состояния поляризации зондирующего и принимаемого оптических сигналов.
-
Результаты экспериментального анализа погрешности локализации нового события в ОВ по результатам сравнения ПХОР в зависимости от длительности зондирующего импульса и длины «скользящего окна».
-
Метод обнаружения последовательно расположенных локальных событий, основанный на сравнении ПХОР, измеряемых в процессе мониторинга при изменении состояния поляризации зондирующего и принимаемого оптических сигналов.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационного исследования внедрены в ОАО «Ростелеком», ФГОБУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики», а также в учебный процесс ФГОБУ ВПО ПГУТИ, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на V, VII, IX, X, XI XIII МНТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Самара, 2004 г., Самара, 2006 г., Казань, 2008 г., Самара, 2009 г., Уфа, 2010 г., Уфа, 2012 г.); на V, VI, VII, VIII, X Международной конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» (Самара, 2004 г., Казань, 2008 г., Самара, 2009 г., Уфа, 2010 г., Уфа, 2012 г.); на III, VI, VII, X МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 2004 г., Самара, 2006 г., Казань, 2007 г., Самара, 2008 г., Самара, 2011 г.); на Зм Российском семинаре по волоконным лазерам (Уфа, 2009 г.); на 3-ей, 4-ой Всероссийской конференции по волоконной оптике «ВКВО» (Пермь, 2011 г., 2013 г.); на МНТК «Нигматуллинские чтения-2013» (Казань, 2013 г.); на 5й отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества» (Москва, 2011 г.); на научно-технической конференции «Технологии телекоммуникаций корпоративных сетей» (Самара, 2008 г.); а также XII, XIII, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (Самара, 2005 г., 2006 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.).
Публикации
По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 40 печатных трудов. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях в периодических
научных изданиях, в том числе - 4 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, и 15 публикаций в форме тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 120 страницах основного текста, содержит 5 таблиц, 47 рисунков, список литературы включает 135 источников.
Описание предлагаемого метода определения места повреждения ОВ
Максимальная длина линии при измерениях OTDR ограничивается потерями в ОВ и, кроме того, зависит от характеристик рефлектометра и установленных параметров измерений - длительности зондирующего импульса и времени усреднения. В типовых OTDR диапазон измерений варьируется от 100 м до 200 км. Пространственное разрешение, в свою очередь, определяется половиной длины зондирующего импульса.
Однако, OTDR позволяют оценивать только состояние сердцевины ОВ и не могут выявлять дефекты оболочки световода и локальные воздействия на ОВ. Локализация дефекта оптического волокна с помощью типового OTDR может быть реализована только на стадии увеличения размеров микротрещины от поверхности оболочки до границы сердцевина/оболочка, при которых разрушение оптического волокна может принять катастрофический характер из-за, например, повышенного механического напряжения.
К внешним воздействиям на ОВ более чувствительна бриллюэновская рефлектометрия, базирующаяся на технологии детектирования и последующего анализа рассеяния Мандельштама-Бриллюэна относительно частоты зондирующего оптического излучения [3,4].
Различают две реализации данного метода - анализатор (BOTDA — Bril-louin Optical Time Domain Analyzer) и рефлектометр (BOTDR - Brillouin Optical Time Domain Reflectometer). В BOTDA используется явление вынужденного бриллюэновского рассеяния, а в BOTDR — явление спонтанного бриллю-эновского рассеяния [3,5]. В BOTDR информация о местоположении определяется как в обычном OTDR - исходя из времени задержки сигнала, а амплитуда сигнала — по сдвигу частоты бриллюэнновского рассеяния [11,12]. При этом в ОВ распространяется один зондирующий импульс. Принцип работы BOTDA реализуется путем распространения двух сигналов во встречном направлении — накачки с одной стороны и зондирующего с противоположной [11,14,15]. Спектр бриллюэновской частоты определяется в месте пересечения данных импульсов. Максимальная протяженность линии при измерениях BOTDR и BOTDA ограничивается потерями в ОВ, а пространственное разрешение - шириной зондирующего импульса [13].
Метод бриллюэновской рефлектометрии обладает двумя преимуществами [3]. Во-первых, это практически единственный оптический метод, позволяющий измерить величину абсолютного натяжения волокна. Во-вторых, позволяет построить распределение этого натяжения вдоль волокна. Вместе с тем, у метода имеется ряд недостатков. BOTDA используется при контроле натяжения волокон в заводских условиях. Однако, измерения на ВОЛП усложняются необходимостью подключения к обоим концам OB. BOTDR этого недостатка лишен. Но сдвиг частоты бриллюэновского рассеяния весьма чувствителен и к напряжению, и к температуре. При измерениях достаточно сложно различить их влияния на итоговый результат. Главное ограничение использования BOTDR связано с распространением диагностирующего излучения в сердцевине ОВ, что не позволяет применять его для выявления локальных дефектов в оболочке световода волокна и микроизгибов ОВ [7,8]. Кроме того, высокая стоимость BOTDR существенно ограничивает его широкое применение предприятиями, занимающимися технической эксплуатацией ВОЛП.
Одним из способов улучшения рабочих характеристик оптического рефлектометра является применение схемы когерентного приема [16,17]. Это позволяет получить максимальную чувствительность оптического приемника. Применение когерентного приема в рефлектометрии (CO-OTDR) имеет такое достоинство, как использование оптическим передатчиком и приемником одного и того же источника опорного сигнала (гетеродина), что позволяет избежать трудностей при стабилизации частоты оптического излучения [26].
Недостатком метода является сложность обработки сигналов. К тому же, реализация CO-OTDR требует применения более дорогих компонентов по сравнению с традиционными OTDR (например, узкополосный лазер вместо обычного лазера Фабри-Перо), а также использования внешнего модулятора и дополнительных оптических разветвителей [27]. Кроме того, в CO-OTDR наблюдается эффект поляризационного замирания, который проявляется в виде вариации интенсивности излучения вследствие того, что условия интерференции на приеме зависят от взаимного расположения состояний поляризации взаимодействующих сигналов. Результатом является зашумленность ре-флектограммы. Влияние данного эффекта можно снизить, однако это приведет к усложнению и увеличению стоимости реализации.
Когерентные рефлектометры довольно широко применяются в волоконно-оптических охранных системах, ориентируемых, в основном, на регистрацию вибраций [19,20,28]. При довольно высокой разрешающей способности (порядка 10 м) максимальная длина измеряемого ОВ в большинстве случаев ограничивается 40-50 км. А использование на более протяженных линиях потребует установки оптических усилителей.
Методы непрерывной частотной модуляции сигнала (FMCW - Frequency-Modulated Continuous-Wave) [18,22-24] базируются на определении пространственной информации из формы частотной характеристики, которая реализуется посредством модуляции частоты источника сигналом пилообразной формы [18]. Различают фазо-коррелированный и фазо-некоррелирован-ный методы [21].
В первом случае анализируют интерференционный сигнал при когерентном приеме зондирующего и опорного сигналов. При этом диапазон измерений может изменяться от нескольких десятков сантиметров до нескольких километров, а пространственная разрешающая способность составляет 0,01-10% данного диапазона [21].
Двулучепреломление стандартного ступенчатого оптического волокна с микротрещиной в оболочке световода
Представлен пример для длины волны Л = 1,55 мкм. При расчетах принимали радиус сердцевины а = 4,15 мкм и радиус оболочки b = 62,50 мкм. Показатели преломления чистого кварцевого стекла оболочки и сердцевины, легированной 0,36% окиси германия, рассчитывались по формуле Селмейера [71,81-86]. На длине волны Я = 1,55 мкм п0 = 1,48, гпа = 1,47. При этом пт = 1. Интегрирование в (30) выполняли численно методом трапеций. Погрешности вычисления интегралов оценивали по резльутатам вычислений с уменьшенным вдвое шагом. Во всех рассмотренных примерах она не превышала 1 %. Как следует из графиков при значениях радиуса зеркальной зоны микротрещины более радиуса сердцевины световода «геометрическое» двулучепрелом-ление растет практически пропорционально радиусу зеркальной зоны и при увеличении размера микротрещины в два раза двулучепреломление возрастает практически на два порядка.
Двулучепреломление, обусловленное асимметрией распределений механических напряжений в сечении световода оценивают разностью [10,71,72,87-92]: Bs = (С2 - Ct) (ау - ах), (2.32) где Съ С2 — постоянные, принимающие для кварцевого стекла следующие значения: С1 = 7,42-10"6 мм2/кг, С2 = 4,102-10"5 мм2/кг; ах,ау - средние значения составляющих напряжения в сердцевине световода, ориентированные вдоль осей х, у, или их значения в центре сердцевины.
Таким образом, задача оценки двулучепреломления сводится к задаче анализа распределений механических напряжений в сечении световода и определения разности напряжений вдоль осей координат в его сердцевине. Влияние асимметрии действия механических напряжений на двулучепреломление детально исследовано для ОВ с сохранением поляризации [87,88,90,91]. При этом, предложенные для этих ОВ модели, как правило, предполагают, что распределения механических напряжений в сечении световода симметричны относительно одной из осей, что ограничивает возможности их использования для решения рассматриваемой задачи анализа асимметрии напряжений, воз 58 никающей с ростом микротрещины с поверхности оболочки. В [92] представлена модель кварцевого ОВ с шлифованной плоской боковой поверхностью, а также рассчитанные с ее помощью оценки двулучепреломления ОВ, которые хорошо согласуются с приведенными экспериментальными данными. Для случая когда срез находится в оболочке, для расчета асимметрии напряжений в сердцевине световода предложена формула [92]: где а - радиус сердцевины световода; Е - модуль Юнга материала световода; а- коэффициент расширения кварцевого стекла; Т — разность температур; v -коэффициент Пуассона. Для чистого кварцевого стекла (оболочка световода) можно полагать Е = 7830 кг/мм2, v = 0,186, а = 5,4-10"7 1/ С, Т = -850 С.
На рис. 2.10 представлены результаты расчетов по формулам (2.32,2.34) зависимостей от радиуса зеркальной зоны микротрещины двулучепреломления Bs, обусловленного нарушением осевой симметрии распределений механических напряжений по сечению световода из-за микротрещины в оболочке. Интегрирование в (2.34) выполняли численно методом трапеций. Погрешности вычисления интегралов оценивали по результатам вычислений с уменьшенным двое шагом. Во всех рассмотренных примерах она не превышала 1%. Рисунок 2.10 - Зависимость от отношения радиуса зеркальной зоны к радиусу сердцевины световода (гх/а) составляющей двулучепреломления, обусловленной асимметрией механических напряжений в ОВ, для стандартного ступенчатого ОВ с микротрещиной в оболочке.
На рис. 2.12 приведен график зависимости результирующей длины биений стандартного ступенчатого ОВ с микротрещиной в оболочке световода от радиуса зеркальной зоны.
Как следует из расчетов, результирующая величина двулучепреломле-ния и, соответственно, длина биений ступенчатого ОВ, обусловленного ростом микротрещины в оболочке световода, полностью определяются «геометрической» составляющей. При уменьшении радиуса зеркальной зоны длина биений возрастает и при (гх/а) -» 0 стремится к бесконечности, что соответствует идеально круглому световоду. Однако, с увеличением радиуса зеркальной зоны при значениях более полутора радиусов сердцевины световода значения длины биений снижаются примерно на порядок и более по сравнению с типичными значениями для промышленных образцов ОВ в кабелях связи. Это позволяет сделать вывод о высокой чувствительности поляризационных характеристик ОВ к появлению новых локальных дефектов в оболочке световода волокна даже на ранней стадии их развития.
В используемой модели [93-95] квазирегулярные участки ОВ описываются в виде последовательного соединения элементарных сегментов с линейным двулучепреломлением и сегментов, описывающих случайных характер поворота главных оптических осей вдоль ОВ [96]. Участки ОВ, подверженные воздействию, характеризовались повышенным двулучепреломлением, расчеты которых приведены выше, и, как правило, поворотом оптических осей. На рис. 2.13 приведена схема POTDR, в соответствии с которыми проводилось моделирование.
Физические модели участка ВОЛП
Схемы построения всех СМОК подобны и включают в себя аппаратную часть, систему управления, а также интегрированные элементы: геоинформационную систему (ГИС) привязки топологии сети к карте местности, базы данных ОК, оборудования сети, критериев и результатов тестирования ОК ВОЛП и сети в целом, а также другие внешние базы данных [103,104].
Аппаратная часть состоит из блоков дистанционного тестирования волокон RTU (Remote Test Unit), в которые могу устанавливаться модули OTDR, модули доступа для тестирования волокон OTAU (Optical Test Access Unit), оптические коммутаторы и другие модули, центральный блок управления TSC (Test System Control) системой RFTS — центральный сервер, станции контроля сети ONT (Optical Network Terminal). В качестве примера на рис 4.1 приведена обобщенная структурная схема СМОК ORION/QUESTFiber компании Syrus Systems [108].
Оптический рефлектометр периодически снимает данные по затуханию с подключаемых к нему ОВ. Каждая полученная рефлектограмма сравнивается с эталонной, отражающей обычно исходное состояние волокна. Если отклонение от нормы превышает определенные, заранее установленные пороги (предупреждающий или аварийный), то соответствующий блок RTU автоматически посылает на центральный сервер системы предупреждение или сообщение о неисправности.
Важнейшая функция СМОК - постоянный автоматический сбор и статистический анализ результатов тестирования ОВ. Статистический анализ с использованием корреляционных, многофакторных, а также современных неиросетевых методов дает возможность обнаруживать и прогнозировать неполадки в волокне.
Однако, как уже было указано выше, диагностика состояния ОВ на контролируемых участках ВОЛП осуществляется с помощью типовых OTDR, в которых используется метод, основанный на измерении мощности оптического излучения, распространяющегося в сердцевине тестируемого ОВ, и локализуют дефекты в ОВ только при достижении ими границы сердцевина/оболочка. При этом разрушение ОВ может принять катастрофический характер.
Предлагаемый метод обнаружения и определения местоположения новых локальных событий на основе мониторинга поляризационных характеристик позволяет выявить дефекты в ОВ, практически не оказывающие влияние на распространяющееся в сердцевине излучение [109]. Алгоритм работы данного метода представлен на рис. 4.2.
Разработанный метод определения места повреждения ОВ отличается от известных решений тем, что оптическое волокно подключают к рефлектометру через контроллер поляризации, при измерении текущих поляризационных характеристик обратного рассеяния с помощью контроллера поляризации изменяют состояние поляризации оптического излучения на входе оптического волокна, рассчитывают коэффициенты корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик обратного рассеяния на участках оптического волокна, запоминают характеристики изменения коэффициента корреляции вдоль длины оптического волокна при максимальном значении коэффициента корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик обратного рассеяния на ближнем конце и при максимальном значении коэффициента корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик обратного рассеяния на дальнем конце, определяют на этих характеристиках участок, на котором имеет место повреждение, как участок, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую пороговое значение, и определяют расстояние от ближнего конца до места повреждения как расстояние до точки пересечения характеристик изменения коэффициента корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик обратного рассеяния вдоль длины оптического волокна при максимальном значении коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно.
Это позволяет провести модернизацию инсталлированных на сети систем мониторинга ОК без демонтажа удаленного комплекта RFTS путем включения оптического модуля на выходе типового OTDR и установки дополнительного соответствующего программного обеспечения (рис. 4.3).
Оптический модуль в данном случае состоит из последовательно соединенных контроллера поляризации, линейного поляризатора и второго контроллера поляризации, который служит для согласования поляризации источника оптического излучения с линейным поляризатором [ПО]. Вносимое затухание подобного модуля составляет не более 2 дБ.
Как и в случае с рефлектограммами OTDR, в процессе мониторинга ОВ текущие ПХОР сравниваются с контрольной. При изменении коэффициента корреляции на величину, превышающую установленное пороговое значение, линию переводят в режим «Предупреждение» и изменяют период опроса оптических волокон в данном кабеле так, чтобы их характеристики измерялись не реже одного раза в сутки. При возврате ПХОР к состоянию, близкому к начальному, т.е. при установлении значения коэффициента корреляции ближе к 1, линию переводят в режим «Норма». В противном случае, если коэффициент корреляции будет продолжать уменьшаться, то устанавливают режим «Повреждение» и планируют проведение ремонтно-восстановительных работы на линии в удобное время. При этом до выполнения данных работ периодичность опроса ОВ кабеля связи, на волокне (или волокнах) которого было выявлено повреждение, выполняется не реже одного раза в сутки.
Оценка эффективности мониторинга оптических волокон по поляризационным характеристикам обратного рассеяния
Очевидно, что, в общем случае, изменение состояния поляризации на локальном участке ОВ, содержащем событие, можно компенсировать путем включения контроллера поляризации на входе POTDR. Однако это предположение требует проведения соответствующих дополнительных исследований. При этом необходимы дальнейшие исследования оценки потенциальных возможностей использования разработанного метода для выявления иных отдельных событий на линии и возможности обнаружения и локализации отдельно для каждого фактора, приводящего к локальному изменению состояния поляризации: например, локальной радиальной нагрузки на ОВ, изгиба волокна, механического сростка, сварного соединения.
Построена математическая модель ПХОР с локальными событиями, основанная на известном кусочно-регулярном представлении ВОЛП с учетом статистического характера вариации длины биений и длины корреляции. При этом моделировались следующие наиболее часто встречающиеся типа событий: изгиб ОВ, локальная радиальная нагрузка на ОВ и микротрещина. Для описания последней использовался подход, основанный на оценивании радиуса зеркальной зоны, а двулучепреломление представлено в виде суммы двух составляющих Bg— компонента, обусловленная нарушением осевой симметрии профиля показателя преломления световода, и Bs - компонента, обусловленная асимметрией распределений механических напряжений в сечении световода.
Это позволило разработать методику расчета двулучепреломления ОВ в зависимости от параметров микротрещины. Проведенные на ее основании расчеты показали, что результирующая величина двулучепреломления и, соответственно, длина биений ступенчатого ОВ, обусловленные ростом микротрещины в оболочке световода, полностью определяются составляющей Вг. В частности, при уменьшении радиуса зеркальной зоны длина биений возрастает и при (гх/а) -» 0 стремится к бесконечности, что соответствует идеально круглому световоду. Однако с увеличением радиуса зеркальной зоны уже при значениях более полутора радиусов сердцевины световода значения длины биений снижаются примерно на порядок и более по сравнению с типичными значениями для промышленных образцов ОВ в кабелях связи. Все это указывает на высокую чувствительность ПХОР ОВ к появлению новых локальных дефектов в оболочке световода волокна даже на ранней стадии их развития в процессе технической эксплуатации ВОЛП.
На основании разработанной модели проведены теоретические расчеты ПХОР ОВ без и с внесенным локальным событием с последующим сопоставлением контрольной и текущей ПХОР, согласно предложенному в гл. 1 методу. Здесь участок, на котором имеет место повреждение ОВ, соответствует участку ПХОР, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую некоторое пороговое значение.
Анализ полученных результатов сравнения корреляционных характеристик модельных ПХОР ОВ без событий и с новым локальным событием показал возможность его выявления с погрешностью не более 10 м. Установлено, что локальное механическое воздействие на ОВ существенно изменяет ПХОР на участке от положения события до конца линии.
Проведено моделирование ПХОР ОВ с подключением контроллера поляризации на выходе POTDR к тестируемой ВОЛП. Анализ полученных результатов подтвердил возможность компенсации изменения состояния поляризации на локальном участке ОВ, содержащем новое событие, с помощью контроллера поляризации. Благодаря включению данного устройства обеспечивается получение текущих ПХОР с максимальным коэффициентом корреляции на ближнем и дальнем конце линии относительно положения событий.
В результате участок линии, на котором имеет место повреждение ОВ, идентифицируется как участок, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую некоторое пороговое значение, а расстояние до места повреждения определяется как расстояние до точки пересечения корреляционных характеристик контрольной и текущих ПХОР, полученных при максимальных значениях коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно.
Проведено моделирование ПХОР кусочно-регулярной ВОЛП с несколькими последовательно расположенными новыми локальными событиями и подключенным на выходе POTDR контроллером поляризации. Полученные результаты продемонстрировали возможность выявления последовательно расположенных локальных событий.
Все это позволило разработать метод обнаружения последовательно расположенных локальных событий, который, в отличие от известных решений, заключается в сравнении контрольной и текущих ПХОР, полученных при максимальных значениях коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно.
Для исследования потенциальных возможностей использования разработанного метода поляризационной рефлектометрии для выявления и локализации событий разного типа проведены серии экспериментальных исследований на физических моделях ВОЛП.
На основании предварительно сформулированных критериев были разработаны физические модели следующих видов событий на промышленных образцах ОВ, уложенных в бухты, длиной по 600...700 м каждая: изгиб ОВ, локальная радиальная нагрузка на ОВ, микротрещина в оболочке световода волокна. Также дополнительно исследовались типовые механические сростки и сварные соединения волоконных световодов, реализованные с помощью типовых комплектов оборудования для монтажа ОВ.
