Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Одномодовые волоконные световоды и методы измерения их параметров .-17
1.1. Основные параметры волоконных световодов .-17
1.2. Импульсная рефлектометрия волоконных световодов . .-21
1.3. Импульсное зондирование одномодовых волоконных световодов -25
1.4. Методы измерения параметров волоконных световодов непрерывным зондирующим излучением .- 27
1.5. Измерение временных параметров - 33
Глава 2. Метод частотно-модулированного зондирования волоконных световодов .- 35
2.1. Метод частотно-модулированного зондирования при определении длины волоконного световода - 35
2.1.1. Основы метода частотно-модулированного зондирования. Измерение частоты сигнала .-35
2.1.2. Пилообразные функции модуляции - 38
2.1.3. Гармоническая функция модуляции - 45
2.2. Спектр сигнала при частотно-модулированном зондировании - 48
2.2.1. Гармоническая функция модуляции - 49
2.2.2. Спектр сигнала биений при пилообразной функции модуляции - 55
2.3. Влияние параметров лазера со свипированием длины волны на сигнал биений - 58
2.4. Влияние нелинейности перестройки частоты источника излучения на спектр сигнала биений.. .- 67
Глава 3 Теоретическое и экспериментальное исследование разрешающей спо собности метода частотно-модулированного зондирования -70
3.1. Численное моделирование метода .- 70
3.1.1. Блок-схема программы численного моделирования ... ..- 71
3.1.2. Численное моделирование с анализом формы сигнала биений - 73
3.1.3. Численное моделирование с анализом спектра сигнала биений - 80
3.2. Экспериментальное исследование разрешающей способности метода ЧМЗ. - 85
Глава 4. Разработка измерительных установок на основе метода частотно-модулированного зондирования -100
4.1. Методика расчета и основы проектирования измерителей на основе метода ЧМЗ... ..-100
4.1.1. Основные варианты ЧМЗ - 100
4.1.2. Частотный расчет измерителей .- 103
4.1.3. Энергетический расчет измерителей с ЧМЗ .- 106
4.2. Разработка установки для измерения эффективной длины волоконных световодов.
4.3. Измеритель амплитудно-частотной характеристики фотоприемника.- 113
Глава 5. Метод частотно-модулированного зондирования в защите информации от несанкционированного съема информации в ВОСП -116
5.1. Защита информации в ВОСП.. - 116
5.2. Метод ЧМЗ в системах защиты информации - 123
5.3. Методы повышения надежности ВОСП -.127.
5.4. Фотоприемник широкодиапазонный - 130
5.5. Фотоприемное устройство - -132
Основные результаты и выводы. - 135
Литература. - 137
Приложение 1. Акт внедрения
- Импульсная рефлектометрия волоконных световодов
- Основы метода частотно-модулированного зондирования. Измерение частоты сигнала
- Блок-схема программы численного моделирования
- Энергетический расчет измерителей с ЧМЗ
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. В последнее время в технологии производства информационных систем важнейшее место заняло производство волоконных световодов (ВС), а также элементов и систем на основе ВС.
К таким системам относятся волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) и волоконно-оптические измерительные системы на основе световод-ные датчики (СД).
К технико-экономическим преимуществам систем на основе ВС относится большая чувствительность и малая инерциальность СД, высокая скорость и скрытность передачи в ВОСП, малый вес и габариты, а также технологичность и малая стоимость систем в случае массового производства.
Наиболее перспективными являются системы на основе одномодовых волоконных световодов (ОВС) и, в особенности, на основе анизотропных волоконных световодов (АОВС) - волокнах, сохраняющих состояние поляризации. Именно эти ВС позволяют исключить влияние пространственных и поляризационных мод, значительно уменьшить временную дисперсию прохождения оптических сигналов через ВС, что позволяет обеспечить максимальную чувствительность СД и высокую скорость передачи информации в ВОСП. Созданные в настоящее время АОВС сохраняют состояние поляризации распространяющегося в них оптического сигнала на расстояние порядка 1 километр и имеют при этом минимальные потери. Такие волокна позволяют обеспечить создание высокоскоростных ВОСП и СД с минимальным дрейфом нуля.
Однако, дальнейший прогресс в разработке высокочувствительных СД на основе ВС, успешная отработка технологии изготовления их элементов в значительной степени обусловлены возможностями измерения временных, энергетических и поляризационных характеристик как ВС, так и элементов СД и ВОСП на их основе.
В настоящее время для измерения вышеперечисленных параметров успешно применяется метод импульсного зондирования ВС. Однако, этот метод не обеспечивает необходимого пространственного разрешения, а в ОВС значительно уменьшает возможности по чувствительности. Малая чувствительность метода импульсного зондирования не позволяет измерять поляризационные характеристики современных АОВС.
Наиболее перспективным методом измерения параметров ВС, свободным от указанных выше недостатков и обеспечивающим измерение параметров перспективных ВС и СД, является метод зондирования ВС непрерывным оптическим излучением, и, в частности, метод частотно-модулированного зондирования (ЧМЗ).
К началу исследований по теме диссертации имелось значительное количество работ по методу импульсного зондирования ВС, а также и по методу ЧМЗ. При этом по методу ЧМЗ ВС в основном описывались результаты исследований поляризационных параметров АОВС. Имелись также примеры описания установок, реализующих метод ЧМЗ. Однако, для широкого практического использования метода ЧМЗ ВС необходима тщательная теоретическая проработка "радиотехнических" аспектов метода: основных ограничений метода, влияния параметров электронных узлов установки на параметры метода. Необходимо разработать методику расчета измерителей на основе ЧМЗ, сформулировать требования к элементам установки и обеспечить выполнение этих требований.
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки методов измерения параметров волоконно-оптического тракта, обеспечивающих диагностику современных ВОИС и ВОСП.
Основной целью диссертационной работы являлось:
- создание научно-технических основ разработки измерителей основных пара
метров ВС;
- разработка измерителя эффективной длины элементов СД на основе ВС;
6 Важнейшей задачей являлся поиск путей повышения надежности работы ВОСП.
Для решения поставленной цели в настоящей работе сформулированы и решаются следующие задачи: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ:
_ оценка влияния вида функции модуляции ЧМЗ сигнала на разрешение метода; - оценка влияния параметров функции модуляции на разрешение метода;
- оценка влияния длины когерентности и наличие режима перескока мод ЧМЗ
сигнала на спектр сигнала биений.
МЕТОДИЧЕСКИЕ:
- разработка численного моделирования методов ЧМЗ;
- разработка методики инженерного расчета измерителя параметров ВС на ос
нове метода ЧМЗ;
разработка метода повышения надежности ВОСП. АППАРАТУРНЫЕ:
разработка лабораторной установки для измерения эффективной длины ВС. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы
и приложений.
В первой главе дан обзор литературы измерения временных и поляризационных параметров ВС.
В первой части обзора определены основные параметры ВС, ограничивающие пропускную способность ВОСП (полная, модовая и хроматическая дисперсия ВС), а также параметры, определяющие энергетические соотношения в ВС.
Для обеспечения разработки СД на основе АОВС, кроме вышеперечисленных, необходимо знание поляризационных характеристик волокна. К последним относятся поляризационная дисперсия хр, модальное двулучепреломление волокна В, длина поляризационных биений 16, коэффициент экстинкции є и коэффициент межмодовой поляризационной связи h-параметр.
Из большого числа методов измерения вышеперечисленных параметров наиболее приемлемыми являются методы зондирования ВС.
К преимуществам методов зондирования ВС относятся как технические (не-разрушающий метод, необходим доступ лишь к одному концу ВС, наглядность результата), так и методические, где наиболее важным является возможность комплексного измерения всех необходимых параметров на одной установке. Важна также слабая зависимость результатов измерения от условий ввода зондирующего сигнала.
В настоящее время наиболее развит метод импульсного зондирования (оптическая рефлектометрия во временной области).
Метод достаточно разработан как теоретически, так и практически. Выпускаются серийные рефлектометры во временной области.
Однако импульсное зондирование имеет существенные ограничения. По мере совершенствования ВС, повышения требований на пространственное и энергетическое разрешение резко возрастают технические сложности в реализации электронных блоков измерителей. При переходе на использование ОВС и АОВС метод импульсного зондирования практически не обеспечивает измерение параметров ВС с необходимой точностью. При этом появляется принципиальное ограничение метода импульсного зондирования, связанное с достижением максимальной допустимой мощности оптического зондирующего излучения, весьма большой при малых длительностях зондирующего импульса.
В заключении главы обсуждены работы, посвященные методам зондирования ВС непрерывным оптическим излучением - методам оптической рефлекто-метрии в частотной области (ЧМЗ).
Показано, что методы ЧМЗ являются наиболее перспективными при исследовании современных ОВС, АОВС, СД и ВОСП.
Вторая глава диссертации посвящена теоретическому рассмотрению метода ЧМЗ, оптимизации функции модуляции зондирующего излучения.
В первой части главы рассмотрены основы метода ЧМЗ. В методе используется зондирование ВС непрерывным оптическим излучением с частотой, изменяющейся по заданной функции модуляции. Отраженный задержанный сигнал, несущий информацию о распределении зондирующей мощности в ВС, когерентно смешивается с опорным ЧМЗ сигналом. В результате формируется сигнал биений, спектр которого анализируется. Таким образом, вся информация об эволюции сигнала в исследуемом ВС извлекается не из анализа отраженного сигнала во временной области (как при импульсном зондировании), а из частотного анализа спектра сигнала биений.
Это и обеспечивает преимущества и перспективность метода ЧМЗ: при повышении требований на пространственное разрешение полоса пропускания анализирующей аппаратуры не увеличивается, а уменьшается, а средняя оптическая мощность зондирующего излучения, определяющая чувствительность метода, весьма велика, но гораздо меньше мгновенной мощности при импульсном зондировании и далека от мощности, при которой наблюдаются нелинейные эффекты в ВС.
При анализе одного рассеивающего центра (например, задний торец ВС) измеряют частоту сигнала биений при помощи частотомера. В этом случае можно использовать различные виды функции модуляции: пилообразные симметричную и несимметричную, и с мгновенным обратным ходом, а также гармоническую модуляционную функцию. Линейность перестройки частоты ЧМЗ сигнала несущественна, важно сохранять величину девиации частоты W и период (частоту) функции модуляции Тм (Fm). Во всех случаях для обеспечения линейной зависимости частоты сигнала биений от измеряемого расстояния необходимо обеспечить малое соотношение времени задержки Тз сигнала в исследуемом ВС к периоду модуляции Тм. При использовании частотомера для анализа частоты сигнала биений точность определения частоты равна частоте модуляции Fm.
Потому предельная точность определения длины ВС определяется таким параметром источника ЧМЗ, как девиация частоты W.
Во второй части главы рассматриваются особенности метода ЧМЗ при исследовании эволюции оптической мощности в ВС. Метод позволяет определять практически все параметры волокон, как энергетические, так и временные, а также поляризационные параметры АОВС. Но в этом случае недостаточно измерять частоту сигнала биений, необходимо анализировать его частотный спектр. В качестве измерительного прибора используется не осциллограф, как в импульсном зондировании, не частотомер, как при измерении эффективной длины ВС, а анализатор спектра.
При исследовании эволюции оптической мощности в ВС появляются ограничения на вид функции модуляции: необходимо использовать линейный симметричный, либо с мгновенным обратным ходом закон модуляции частоты зондирующего излучения. Что касается конкретных параметров функции модуляции, то связь между параметрами функции модуляции и пространственным разрешением метода та же, что и в первом случае, а именно: точность измерения спектральных составляющих сигнала биений ограничена величиной +/-Fm, что вызвано расплыванием спектра сигнала биений. При этом сигнал биений является сложным фазоманипулированным частотно- модулированным периодическим сигналом, в котором цуги сигнала с постоянной частотой разделены зонами обращения. Предельное пространственное разрешение и в этом случае определяется лишь величиной девиации частоты зондирующего сигнала. Для упрощения анализа необходимо обеспечить соотношение Тз«Тм.
В измерителях параметров ВС методом ЧМЗ важнейшим элементом является источник зондирующего излучения. Основным требованием к источнику ЧМЗ сигнала является значительная величина девиации частоты W при большой длине когерентности 1к. В настоящее время наиболее перспективными источниками являются лазеры с перестройкой длины волны излучения и большой длиной когерентности. При этом использование He-Ne перестраиваемых лазе-
ров позволяет получить девиацию частоты W в пределах (0,2 - 0,5) ГГц, а полупроводниковые инжекционные одночастотные лазеры позволяют обеспечить девиацию частоты больше 10 ГГц. Однако перестраиваемые лазеры имеют ограниченную длину когерентности, а при перестройке может иметь место режим "перескока мод". В последнем случае при плавной перестройке длины волны излучения появляются ее скачкообразные изменения. Наличие режима перескока мод и ограниченная длина когерентности ЧМЗ сигнала оказывают существенное влияние на форму и спектр сигнала биений. Теоретическому изучению этих процессов и посвящено дальнейшее рассмотрение во второй главе. Опираясь на предложенную модель, показано следующее:
конечная длина когерентности источника ЧМЗ сигнала приводит к появлению импульсной помехи в сигнале биений без изменения формы сигнала биений. Амплитуда импульсной помехи не выше амплитуды сигнала биений, а длительность пропорциональна времени запаздывания;
спектр импульсной помехи при конечной 1к зависит от параметров источника и его функции модуляции. Подбором этих параметров можно ограничить влияние конечной длины когерентности;
режим перескока мод источника ЧМЗ сигнала приводит к импульсной высокочастотной помехе в сигнале биений, что вызывает сбой фазы сигнала биений, искажение его формы. При этом ухудшается частотное разрешение спектрального анализа сигнала биений, что приводит к снижению пространственного разрешения.
Следующей важной характеристикой источника излучения, влияющей на параметры метода ЧМЗ, является линейность перестройки частоты зондирующего сигнала. Теоретический анализ показал, что нелинейность перестройки вызывает, в основном, уширение спектра сигнала биений и, в меньшей степени, смещает этот спектр.
Расширение спектра вследствие нелинейности перестройки пропорционально задержке зондирующего сигнала в исследуемом ВС. Показано, что для обес-
11 печения предельных возможностей метода ЧМЗ по пространственному разрешению необходимо обеспечить относительную нелинейность перестройки частоты ЧМЗ сигнала не хуже, чем (Ау /у )< ІЛУТз.
В заключении второй главы приводятся выводы, где указаны следующие преимущества метода ЧМЗ при исследовании ВС:
высокое пространственное разрешение;
возможность измерений при доступе к одному концу ВС;
увеличение чувствительности за счет высокой вводимой средней мощности зондирующего излучения и малой полосе пропускания анализирующей аппаратуры;
- дополнительное увеличение диапазона измеряемого затухания вследствие
пропорциональности информации о затухание амплитуде поля, а не мощности;
возможность проводить поляризационные измерения АОВС, исследовать эволюцию мощности в поляризационных модах ВС за счет запаса по чувствительности и хорошего пространственного разрешения;
возможность автоматизации, использование математической обработки эффективно и позволяет улучшить параметры измерителей;
метод является неразрушающим, можно исследовать не только ВС, но и изделия на основе ВС;
- отсутствие мертвой зоны.
Третья глава посвящена исследованию разрешающей способности метода ЧМЗ.
Результаты, полученные во второй главе, проверялись как путем численного моделирования, так и непосредственно в эксперименте.
Первая часть главы посвящена численному моделированию метода ЧМЗ. Современные персональные ЭВМ (ПЭВМ), благодаря возросшим объемам оперативной памяти и увеличению быстродействия, позволяют использовать методы численного моделирования для исследования методов и измерительных установок. Численное моделирование метода ЧМЗ ВС использовалось для иссле-
дования влияния таких параметров, как вид функции модуляции, длины когерентности ЧМЗ сигнала, наличие режима перескока мод на форму и спектр сигнала биений.
Предложена и реализована методика численного моделирования метода ЧМЗ, обеспечивающая формирование и исследование ЧМЗ сигнала с заданными параметрами, заданной длиной когерентности и режимом перескока мод.
При реализации метода численного моделирования сформулированы требования на разработку программного обеспечения (ПО), поддерживающего метод моделирования.
Разработанное ПО позволило реализовать предложенную методику численного моделирования метода ЧМЗ.
Результаты численного моделирования подтвердили теоретические предположения, полученные в главе 2. Было показано следующее:
Сигнал биений является сложным фазоманипулированным, частотно-модулированным, содержащим цуги с постоянной частотой,, разделенные зонами обращения.
Частота сигнала биений пропорциональна задержке и модулю скорости перестройки ЧМЗ сигнала.
Конечная длина когерентности вызывает импульсные помехи с сигнале биений без искажения его формы.
Перескок мод источника излучения приводит к импульсной высокочастотной помехе в сигнале биений, сбою его фазы, искажению формы сигнала биений.
Далее описаны экспериментальные исследования разрешающей способности метода ЧМЗ. Экспериментально получен сигнал биений и его спектр в случае линейной симметричной и с мгновенным обратным ходом и гармонической функцией модуляции.
Показана зависимость спектрального разрешения метода от частоты модуляции Fm. Экспериментально исследовано влияние нелинейности перестройки
частоты ЧМЗ сигнала, уширение спектра сигнала биений при нелинейном характере перестройки частоты.
В четвертой главе даны основы расчета и проектирования измерителей на основе метода ЧМЗ.
Во второй части главы рассмотрена установка для измерения эффективной длины волоконного световода.
Установка имеет источник ЧМЗ сигнала с модуляцией на радиочастоте. В настоящее время такие источники позволяют обеспечить необходимую длину когерентности. В состав установки входят генератор функции модуляции, свип-генератор, источник излучения, фотоприемник и смеситель, установка при девиации частоты в 100 мГц обеспечивает пространственное разрешение порядка 2,2 м.
При разработке измерителей необходимо обеспечивать заданные АЧХ элементов измерителей. В частности, необходимо измерять АЧХ фотоприемника. Метод ЧМЗ, кроме измерения параметров ВС, позволяет определить и АЧХ фотоприемников. В четвертой главе дано описание способа и устройства измерения АЧХ фотоприемников.
В последней части четвертой главы описан способ и устройство для измерения затухания в оптических волноводах. Способ также основан на методе зондирования оптических волноводов и может быть использован для измерения параметров интегрально-оптических схем при отработке технологии их изготовления.
Пятая глава диссертации посвящена рассмотрению возможностей метода ЧМЗ в защите ВОСП от несанкционированного съема информации.
В начале главы рассмотрены возможности ВОСП по защите информации. Показано, что ВОСП отличаются высоким уровнем защиты передаваемой по ним информации. Рассмотрены различные варианты проведения несанкционированного доступа и варианты защиты от него и особенности этих вариантов. Проанализированы основные соотношения в системах фиксации несанкциони-
рованного доступа и оценены параметры ВОСП, обеспечивающие устойчивую работу системы фиксации. Показано, что системе фиксации несанкционированного доступа с использованием анализа прошедшей мощности присущи следующие недостатки:
необходимость иметь передатчик с весьма малой нестабильностью излучаемой мощности, а приемник оптической мощности с малой нелинейностью, высокостабильным коэффициентом преобразования;
отсутствие информации о характере изменений в ВС, что повышает вероятность ложного срабатывания и снижает надежность системы защиты.
От указанных недостатков в значительной степени свободна ВОСП с защитой информации от несанкционированного доступа посредством метода ЧМЗ. В главе приведена структурная схема ВОСП, рассмотрена работа системы. Приведены рекомендации по выбору режимов работы ее отдельных частей, проведен оценочный расчет частотных диапазонов. Показано, что предложенный метод фиксации несанкционированного доступа имеет следующие преимущества:
- высокая совместимость с действующими ВОСП;
повышение надежности фиксации практически до любого уровня за счет возможности непрерывного контроля, в том числе и во время сеанса передачи информации;
повышение надежности ВОСП за счет диагностики и прогнозирования состояния передающего канала;
- возможность работы системы фиксации в любом режиме (периодическом
контроле, непрерывном контроле и контроле во время передачи);
- отсутствие необходимости в источнике со стабильной излучаемой мощно
стью и фотоприемнике со стабильным коэффициентом преобразования и высо
кой линейностью;
- возможность снижения вероятности ложного срабатывания и повышения надежности защиты за счет анализа характера изменений в ВС и оперативной проверки его состояния.
Далее предложены методы повышения надежности защиты информации в ВОСП, а также выводы и рекомендации по обеспечению защиты от несанкционированного съема информации в ВОСП.
Для реализации системы фиксации несанкционированного доступа разработан фотоприемник широко диапазонный с диапазоном измеряемой мощности 10 пВт -10 мВт и нелинейностью не хуже 0,2%. С целью снижения требований на долговременную стабильность источника излучения в ВОСП с системой фиксации несанкционированного доступа, разработано фотоприемное устройство, обеспечивающее измерение отношения оптических мощностей в опорном и контролируемом канале. Фотоприемник широко диапазонный и фотоприемное устройство внедрены в НИТС в работах по темам 1268703, 1268704, 1268802.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:
Созданы научно-технические основы и экспериментальная база для разработки измерителей параметров современных ВС на основе метода ЧМЗ.
Рассмотрено влияние формы и параметров функции модуляции на пространственное разрешение метода ЧМЗ. Показано, что наиболее приемлемой является линейная частотная модуляция с мгновенным обратным ходом. Показано, что предельное пространственное разрешение метода зависит лишь от девиации частоты ЧМЗ сигнала.
Получено выражение для дополнительного уширения и сдвига спектра вследствие нелинейности перестройки частоты.
3. Рассмотрено влияние конечной длины когерентности и режима "перескока
мод" источника ЧМЗ сигнала на сигнал биений и параметра метода. Показано,
что конечная длина когерентности приводит к появлению импульсной помехи в
16 сигнале биений, а режим перескока мод вызывает импульсные высокочастотные помехи, сбои фазы и искажение формы сигнала биений.
Разработан метод численного моделирования метода ЧМЗ, сформулированы требования и разработано программное обеспечение численного моделирования. Исследования метода ЧМЗ посредством численного моделирования подтвердило теоретические предположения.
Разработана лабораторная установка для измерения эффективной длины ВС. Экспериментально подтверждена зависимость пространственного разрешения от параметров функции модуляции. Установка обеспечивает разрешение до 2,2 м.
Рассмотрены возможности создания В ОСП с высокой степенью защиты от несанкционированного съема информации.
Предложен способ и устройство измерения затухания в оптических волноводах на основе метода ЧМЗ.
Предложен способ и устройство измерения АЧХ фотоприемников на основе метода ЧМЗ.
Разработана методика расчета и проектирования измерителей на основе метода ЧМЗ.
Разработаны и внедрены фотопримник широко диапазонный и фотоприемное устройство, обеспечивающее измерение оптических мощностей в 2-х каналах.
Результаты диссертации использовались в НИТС при разработке измерителей, обеспечивающих технологическую отработку ВС по темам 1268703, 1268704, 1268802, что подтверждается соответствующими актами.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах (1 -11,74-80)
Импульсная рефлектометрия волоконных световодов
Для измерения вышеперечисленных параметров разработано большое количество методов, которые можно объединить общим названием - методы зондирования волоконных световодов. Основная группа методов зондирования относится к методу волоконно-оптической рефлектометрии во временной области /15/, методам импульсного зондирования ВС. Для обнаружения обрывов или локальных неоднородностей, либо при изменении длины ВС фиксируется френелевское рассеяние, а при измерении эволюции оптической мощности вдоль волокна и определении затухания используется анализ обратного рэлеевского рассеяния вдоль ВС. В случае больших импульсных мощностей зондирующего излучения измеряется вынужденное комбинационное рассеяние и имеется запас по чувствительности, появляется возможность измерять слабые сигналы в поляризационной рефлектометрии АОВС. Основы метода изложены в /15,16/. Рассмотрим основные положения метода импульсной рефлектометрии, придерживаясь/15/.
На рис.1, приведена кривая обратного рэлеевского рассеяния от зондирующего импульса оптического излучения. Нормальный ход кривой - затухающая экспонента 1 обратного рассеяния во времени. Искажения в нормальном ходе, скачки 2 обусловлены неоднородностями ВС, либо разъемом, либо местом сварки. Скачок затухания пропорционален вносимым потерям.
Таким образом, импульсная рефлектометрия для многомодовых волоконных световодов прочно вошла в практику и успешно используется как при изготовлении ВС, так и при эксплуатации ВОСП. Важными достоинствами, определившими успех метода, является то, что он является неразрушающим, при его использовании необходим доступ лишь к одному концу ВС. Кроме того, существенно, что при измерении затухания результаты практически не зависят от условий ввода излучения в ВС. Это важнейшее преимущество метода зондирования перед методом, например, обламывания, которым обычно измеряется затухание в ВС. С помощью импульсного зондирования можно измерять пространственные внешние поля, воздействующие на ВС и влияющие на условия распространения излучения в волокне.
При переходе к исследованию ОВС, а также при использовании зондирующего излучения с длиной волны X 1 мкм в методе импульсной рефлектомет-рии появляются существенные трудности. Работа /19/ посвящена анализу проблем импульсного зондирования ОВС.
Основными причинами трудностей измерения параметров ОВС являются снижение уровня обратнорассеянного излучения как за счет уменьшения вводимой мощности, так и за счет уменьшения отраженной и захваченной назад мощности. Вводимый сигнал уменьшается вследствие снижения мощности одномодовых лазеров и за счет меньшего коэффициента ввода в ОВС. Кроме того, из-за существенно меньшей площади светонесущей жилы ОВС, порог нелинейных эффектов в ОВС значительно снижен по сравнению с многомодовыми .
Следовательно, вводимая мощность в ОВС ограничена. Использование в зондирующем излучении рабочих длин волн X = 1,3 мкм, X - 1,5 мкм приводит к значительному уменьшению рэлеевского рассеяния в ВС (зависимость X ), а также дополнительно снижает возможности измерителя за счет уменьшения чувствительности фотоприемника.
С другой стороны, использование рефлектометрии для ОВС весьма заманчиво и позволяет измерять поляризационные энергетические параметры ВС, т.е. реализовать поляризационную рефлектометрию (POTDR). При этом появляется возможность исследования эволюции мощности поляризационных мод, измерения h-параметра и длину биений, а также реализации распределенных датчиков физических полей /20/. Основными направлениями в развитии рефлектометрии ОВС при длинноволновом зондирующем излучении являются следующие /19/: - оптимизация приемника излучения; - увеличение мощности вводимого излучения; - использование усовершенствованных методов OTDR.
Оптимизация приемника оптического излучения направлена на улучшение чувствительности приемника до уровней, определяемых квантовыми шумами. Известны следующие направления в развитии приемников излучения. Разработка приемников, работающих в режиме счета фотонов. Используются охлажденные Ge фотодиоды в лавинном режиме. В настоящее время имеются приемники на длине волны X = 1,3 мкм с предельной чувствительностью Р = -80 дБм при полосе пропускания 1 мГц.
Разработка приемников с аналоговым выходом. Используются Ge pin фотодиоды с предусилителями на полевых транзисторах, либо другие фотодетекторы. В /21/ описывается приемник на основе HgCdTe фото детектора с предельной чувствительностью - 75 дБм.
Разработка приемников, использующих лазерный предусилитель. Существуют три типа лазерных предусилителей: типа бегущей волны; с интерферометром Фабри-Перо; инжекционный синхронный лазерный предусилитель. Особенности работы лазерного предусилителя описаны в /22/. Приемник оптического излучения с лазерным предусилителем имеет предельную чувствительность Р = - 57 дБм.
Усовершенствование методов импульсной рефлектометрии идет по пути разработки когерентных методов приема информации.
В когерентной импульсной рефлектометрии /23-24/ используется гомодин-ное, либо гетеродинное детектирование. Основным достоинством когерентной импульсной рефлектометрии является возможность снижения шумов детектируемого сигнала за счет оптимального выбора параметров опорного сигнала. Кроме того, информация о волокне в данном методе содержится в амплитуде отраженной волны, а не в мощности, что удваивает динамический диапазон измерений рефлектометра. В качестве источников сигнала в данном методе используются излучатели с большой длиной когерентности либо HeNe лазер, либо полупроводниковый лазер.
Увеличение вводимой в ОВС зондирующей оптической мощности. Обычно в OTDR используются одномодовые лазеры с мощностью порядка Р = 10 мквт -10 мвт. Использование более мощных лазеров обеспечивает запас по мощности, что позволяет осуществить поляризационную OTDR /25-27/.
Однако, значительное увеличение вводимой мощности в классическом методе OTDR ограничено нелинейными эффектами в ВС. Это ограничение снимается в Романовском OTDR, когда используется вынужденное комбинационное излучение. В этом случае мощность, вводимая в одномодовое оптическое волокно достигает 4 Вт /28/.
Другим методом, снимающим ограничение на вводимую в ВС мощность, является корреляционная OTDR /29/. В методе увеличивается не пиковая, а средняя мощность вводимого излучения. Специальный вид модуляции и обработки сигнала позволяет при этом не ухудшать пространственного разрешения. Преимущества метода тем выше, чем выше необходимое разрешение.
Основы метода частотно-модулированного зондирования. Измерение частоты сигнала
Рассмотрим принцип работы и основные особенности метода частотно-модулированного зондирования волоконных световодов на примере измерителя длины волоконного световода. Схема измерителя представлена на рис.2.
В волоконный световод длиной L вводится зондирующее оптическое излучение, например, от лазера со свипированием частоты. Отраженный от дальнего торца свет E2(t, ТЗ) попадает на фотоприемник ФП, где смешивается с опорным сигналом El(t).
Важнейшими параметрами метода являются точность определения расстояния Ах и максимальное измеряемое расстояние Lmax. В импульсной рефлекто-метрии точность Ах определяется длительностью зондирующего импульса At и шириной полосы пропускания измерительной аппаратуры AF (0,35/ At) /72/. При этом для обеспечения Ах = 1 м необходимо использовать At 5 не и AF 70 мГц. Такие параметры аппаратуры достаточно сложно обеспечить, большая полоса пропускания приводит к увеличению шумов фотоприемника. Последнее создает определенные сложности и в обеспечении измерения больших расстояний.
При зондировании ЧМ сигналом, точность определения расстояния Ах, как это следует из формулы (2.18), зависит от девиации частоты W, частоты его модуляции Fm, и ошибки в определении частоты AF.
На первый взгляд, последний параметр зависит лишь от времени измерения Тизм и вполне может быть обеспечен порядка (0,1 - 1) Гц при Тизм = ( 1 - 10)с и не зависит от параметров ЧМЗ сигнала W, Fm. При этом, полагая W = 1 ГГц и Fm = 1 кГц, имеем: Ах = (c/4n) (1/WFm) AF = (0,05 - 05) мм
На самом деле подобную точность при заданных W и Fm обеспечить нельзя. В /66/ показано, что ошибка измерения частоты AF = Fm. В случае использования частотомера для определения частоты биений Fx это очевидно, т.к. при измерении частоты подсчитывается число импульсов сигнала биений, и за период модуляции измеряется число импульсов N = fx/Тм +/- 1. Таким образом, измерение с точностью плюс-минус один импульс за период приводит к ошибке определения частоты Fm. Следовательно, точность измерения расстояния Ах равна: Ах = (c/4n) (1/W) = Aw/4 (2.19) где Aw = (c/n) (1/W) - модуляционная длина зондирующего излучения.
Таким образом, для рассмотренного нами примера излучателя с W = 1 ГГц точность измерения расстояния Ах = 5 см при Aw=20 см (n = 1,5). Максимальная дальность измерения места обрыва в ВС ограничена с одной стороны возможностью регистрации частоты сигнала Fmax (быстродействием частотомера, полосой пропускания аппаратуры), а с другой стороны уровнем шумов аппаратуры, который в свою очередь также зависит от полосы пропускания. При заданном W, оптимизацию измерителя можно проводить выбором Fm. Так, например, при W=10 ГГц, L = 1 км, Fm = 1 кГц, Fmax = 20 МГц, а при Fm = 100 Гц, Fmax = 2 МГц.
При этом частота биений пропорциональна длине волоконного световода. Так как предельная точность определения частоты биений определяется частотой модуляции зондирующего сигнала Fm, то в, конечном счете, точность определения расстояния зависит лишь от величины размаха модуляции частоты зондирующего излучения W. При использовании частотомера для определения частоты биений, результат измерений не зависит от вида модуляционной функции, линейность закона модуляции не существенна, при измерении больших длин ВС, когда время задержки соизмеримо с периодом модуляции, необходимо учитывать влияние зон обращения и использовать формулы, учитывающие отношение Тз/Тм. 2.2. Спектр сигнала при частотно-модулированном зондировании
Выше мы рассмотрели основы метода частотно-модулированного зондирования при использовании частотомера для анализа сигнала биений, возникающего при смешивании опорного и задержанного сигналов. При этом частота сигнала биений однозначно связана с задержкой, а следовательно, и с длиной L волоконного световода.
Частота сигнала биений пропорциональна девиации частоты W и частоте функции модуляции Fm. Однако ошибка определения частоты сигнала биений также равна Fm. Вследствие этого, для увеличения точности измерения расстояния увеличивать Fm не имеет смысла, т.к. растет ошибка определения частоты сигнала биений Fx .
Таким образом, предельное пространственное разрешение метода частотно-модулированного зондирования определяется лишь величиной девиации W.
Ниже мы рассмотрим основные ограничения метода в случае использования анализатора спектра для исследования пространственной эволюции зондирующего сигнала.
Блок-схема программы численного моделирования
Программа обеспечения (ПО) численного моделирования метода ЧМЗ разрабатывалась исходя из следующих требований: - обеспечивает моделирование ЧМЗ с анализом влияния вышеперечислен ных параметров на спектр сигнала биений; - обеспечивает возможность расширения ПО для использования в измерите лях параметров ОВС методом ЧМЗ с цифровым анализатором спектра; - обеспечивает тестирование и проверку ПО.
По разрабатывалось по модульному принципу. Блок-схема ПО численного моделирования представлена на рис.18. Разработанное ПО обеспечивает формирование всех сигналов ЧМЗ с заданными параметрами, нахождение спектра сигнала биений. Для использования ПО в измерителях с цифровым анализом необходимо использовать готовые блоки преобразования Фурье, анализа спектра и блок вывода результатов и дополнительно разработать блок управления АЦП и ввода информации. При этом значительная и наиболее сложная часть ПО используется как для численного моделирования метода ЧМЗ, так и для работы в составе измерителя параметров с цифровым анализом.
Тестирование ПО производится путем нахождения спектра тест-сигналов с известными спектрами, полученных в блоках формирования сигналов. Блочный метод разработки ПО позволяет также модернизировать программное обеспечение, использовать новые методы нахождения и анализа спектра без значительных изменений основной части ПО.
Численное моделирование с анализом формы сигнала биений На первом этапе численного моделирования проводился анализ сигнала биений во временной области. При этом ПО отличается простотой за счет отсутствия блоков формирования сигнала шума, преобразование Фурье и блока анализа спектра.
Несмотря на простоту, ПО позволяло проводить исследование влияния на форму сигнала биений таких параметров как функции модуляции, длины когерентности и наличие режима перескока мод источника частотно-модулированного зондирующего излучения. Анализ и формирование сигнала биений производился на одном периоде функции модуляции Т + = ТІ + Т- = Т2. При этом задавался линейный режим ЧМ с величиной девиации частоты W. Различные функции модуляции задавались изменением времени ТІ = Т2 для симметричной функции до ТІ » Т2 для функции модуляции с мгновенным обратным ходом.
Таким образом, формировался массив значений частоты сигнала зондирующего FF1 (I) и отраженного (задержанного) FF2(I). Значение текущей фазы сигналов формировалось как интеграл частоты, т.е. в виде суммы FF1(I) и записывалась в массив 001(1), 002 (I).
Режим перескока мод моделировался таким образом, что наряду с линейным изменением частоты зондирующего и отраженных сигналов происходил скачок частоты на +-FM. Конечная длина когерентности моделировалась заданием длины когерентности Ik в пределах которой текущая фаза зондирующего и задержанных сигналов изменялась как интеграл, а при переходе через LC фаза изменялась скачком . Величина скачка является случайной, распределенной по нормальному закону в диапазоне (0-2)п рад.
Для анализа выводились в виде графиков значения частоты зондирующего и задержанного сигнала, сами сигналы и сигнал биений.
На рис. 19-23 представлены результаты численного моделирования метода ЧМЗ. Эти результаты подтвердили предположения о влиянии на сигнал биений вида функции модуляции и параметров источника излучения.
На рис.19 представлены сигналы зондирующий и отраженный, а также сигнал биений при симметричной пилообразной функции модуляции, на рис.20 -при несимметричной, а на рис.21 - при пилообразной с мгновенным обратным ходом. Из рисунков видно, что сигнал биений является сложной периодической функцией с цугом колебаний постоянной частоты, зависящей от задержки, девиации частоты и периодов ТІ, Т2.
Цуги разделены зонами обращения, в которых частота уменьшается до 0 и затем увеличивается, а фаза в этот момент изменяется на п.
Таким образом, сигнал биений является сложным фазоманипулированным, частотно-модулированным сигналом.
Влияние режима перескоке, м-сд на сигнал биений На рис.22, 23 представлены зондирующий и сигнал биений при конечной длине когерентности и наличие режима перескока мод в источнике ЧМЗ сигнала. На рис. 22 для несимметричной функции модуляции задано время когерентности, равное 1/ЗТ при разных величинах задержки. Из рисунка видно, что в сигнале биений появляется импульсная помеха длительностью, равной времени задержки, однако сбоя фазы и искажения формы сигнала биений не происходит. На рис. 23 при несимметричной функции модуляции у источника ЧМЗ сигнала имеет место режим перескока мод. При этом в сигнале биений имеется импульсная высокочастотная помеха длительностью, равной времени задержки. Форма сигнала биений искажается вследствие сбоя фазы.
При наличии в ПО блока преобразования Фурье значительно расширяются возможности численного моделирования. Появляется возможность количественного анализа влияния таких факторов, как вид функции модуляции, длина когерентности и режима перескока мод источника зондирующего излучения. Дополнительно появляется возможность исследования таких параметров приемной части, как цуги фотоприемника, его нелинейность, разрядность АЦП на разрешение метода ЧМЗ по расстоянию и по амплитуде. Также появляется возможность исследования нелинейности частотной перестройки источника ЧМЗ на разрешение по расстоянию.
Энергетический расчет измерителей с ЧМЗ
Энергетический расчет измерителей с анализом прошедшего или отраженного сигнала существенно отличаются. Основное отличие заключается в том, что в отраженном сигнале, кроме Френелевского отражения от дальнего конца ВС и отражений от микротрещин, существенную роль играет обратное рэлеевское рассеяние. Именно по обратному рэлеевскому рассеянию и можно судить об эволюции оптической мощности в исследуемом ВС. Рэлеевское рассеяние является распределенным вдоль ВС и пропорционально длине анализируемого участка ВС. При этом энергетические возможности измерителя накладывают ограничения на пространственное разрешение установки.
Для источника зондирующего излучения, значение оптической мощности в Ро = 1 мВт вполне достижимо, а фотоприемники имеют типичную спектральную плотность шума рш = 10"10 Вт (Гц)"1 Л При использовании в качестве анализатора спектра СКЧ-58 полоса пропускания AF = 100 Гц. Таким образом, имеем значение сигнал/шум М = 10 - 100.
Следовательно, В случае анализа прошедшего сигнала в измерителях с ЧМЗ требования на энергетические параметры как источника, так и приемника не жесткие и выполняются без особого труда.
Для оценки энергетических соотношений в измерителе необходимо рассмотреть два случая: измеритель параметров многомодовых волоконных световодов и измеритель ОВС. В первом случае величину Р1 можно оценить следующим образом: К = 0,5; то = 0,1; т = 0,1; ml - 1; S = 10 3; В = Ю-2 1/М; Ро = (10"2- 10"3 )Вт; exp(-2aL) =10"4 ;Pl(t,T)=(2xlO"n -2х1012 ) dl При этом для Рш =10" ВтЛ/ Гц и AF = 3 Гц предельную чувствительность фотоприемника можно оценить в Рш = 10"11 Вт. Следовательно, для многомодового ВС приведенные выше энергетические соотношения ограничивают пространственное разрешение по обратному рэле-евскому рассеиванию величиной dl =(1 -10)м.
В случае измерения одномодовых ВС сложности с обеспечением энергетического баланса усиливаются. Уменьшаются параметры m , m, В и Ро.
Таким образом, возможности по энергетике ограничивают возможности метода ЧМЗ при анализе обратного рассеянного сигнала.
Оптимизация измерителя позволит расширить его возможности. При этом наиболее перспективны следующие направления: - повышение мощности источника излучения Ро до (10 - 300) мВт; - повышение вводимой мощности в ВС за счет увеличения m до (0,2 - 0,4); - увеличение предельной чувствительности приемной части за счет сниже ния спектральной плотности шума до Рш =1 xlО 12 Вт/VГц; по - уменьшение потерь при стыковке делителя и исследуемого волоконного световода до m = (0,3 - 0,6).
В заключении необходимо отметить, что рассмотренные выше ограничения по пространственному разрешению относятся к распределенному обратному излучению- рэлеевскому обратному рассеиванию и обусловлены они очень ма-лым уровнем обратного рассеяния (В = (10"-10" ) 1/м). Вместе с тем отраженный сигнал от локальных неоднородностей в ВС: микротрещины, изгибы, места стыковки, разрывы - на 3-4 порядка превышает сигнал обратного рэлеев-ского рассеяния. В этом случае пространственное разрешение измерителя в основном определяется частотными параметрами измерителя.
Актуальность датчиков физических величин на основе оптических волокон /13/ бесспорна. Эти датчики позволяют резко уменьшить стоимость, вес и габариты приборов, обеспечивают значительную виброустойчивость, практически безинерционны.
В настоящее время одним из перспективных вариантов световодного датчика вращения является гетеродинный двухконтурный датчик /74/. В датчике используется лазер со свипированием частоты и два встречновключенных контура. При этом разница оптических длин контуров должна составлять не более 1,5 м при длине контура (200-1000) м. Измерить оптическую длину контуров можно лишь зондированием оптическим излучением, т.к. непосредственное прямое измерение длин оптических волокон, кроме технических сложностей процесса измерений и трудностей обеспечения необходимой точности, не позволяет измерять оптическую длину, т.к. неизвестно распределение показателя преломления вдоль волокна п(х). Импульсное зондирование не позволяет обеспечить необходимую точность измерения.
Следовательно, единственным методом, позволяющим измерять длину волоконных световодов датчика, с необходимой точностью является метод ЧМЗ.
Для реализации метода и была разработана установка для измерения эффективной длины волоконного контура световодного датчика. Схема установки представлена на рис.42. Установка использует анализ прошедшего сигнала с источником зондирующего излучения со свипированием частоты модуляции на радиочастоте. Полупроводниковый инжекционный лазер с длиной волны А = 0,85 мкм обеспечивает модуляцию оптической мощности в диапазоне частот (100 - 600) мГц. Для работы лазера подается постоянный ток Io = (0-90)мА и от свип-генератора ток I модуляции.
Свип-генератор обеспечивает свипирование частоты модуляции в диапазоне частот (350-450) мГц, для чего на его вход от генератора Г6-28 подаются тре угольные импульсы частотой Fm и амплитудой И. Выходной сигнал свип генератора позволяет на нагрузке RH = 50 Ом формировать сигнал мощностью до 10 мВт, что достаточно для модуляции лазера. Второй выход свип генератора необходим для организации опорного канала смесителя - задержан ного ЧМЗ сигнала. Зондирующее оптическое излучение лазера вводится в ис следуемый ВС и после задержки на его длине вводится в фотоприемник высо кочастотный (ФП). ФП обеспечивает измерение оптического сигнала в полосе частот от 30 мГц до 800 мГц. Выходной сигнал ФП подается на смеситель, вы ходной сигнал биений которого усиливается усилителем УЗ-23. Этот сигнал фиксируется осциллографом и анализатором спектра СКЧ-59.
Как показано выше, при проектировании измерителей параметров ВС и СД, важнейшей характеристикой как измерителя, так и его составных частей является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). При проектировании измерителя необходимо обеспечить равномерную АЧХ в заданных частотных диапазонах. Если АЧХ электронных блоков можно измерять известными методами, то при измерении АЧХ источника излучения (лазера) и фотоприемника имеются определенные сложности. Основная проблема заключается в том, что необходим сигнал с амплитудой, не изменяющей своей величины при перестройке частоты. Вместе с тем, имеется способ измерения АЧХ фотоприемника/8/.
В способе модуляция оптического излучения осуществляется посредством интерференции, например, в интерферометре Фабри-Перо, либо Майкельсона, излучения свипируемого по длине волны источника с большой длиной когерентности.
На рис. 43. представлена схема измерителя АЧХ фотоприемника с использованием интерферометра Майкельсона. Измеритель состоит из перестраиваемого полупроводникового лазера, интерферометра Майкельсона с оптическими длинами LI, L2 Лазер с большой длиной когерентности обеспечивает изменение длины волны излучения (девиации частоты) на ДА, (W). Причем перестройка лазера происходит либо за счет внешего резонатора ( He-Ne, полупроводниковый лазер), либо за счет модуляции тока накачки (полупроводниковый лазер). Необходимую перестройку обеспечивает устройство управления, которое также за счет обратной связи по оптической мощности позволяет стабилизировать оптическую мощность лазера.
