Содержание к диссертации
РАСЧЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МАТРИЦЫ ДЖОНСА ДЛЯ
ОДНОМОДОВОГО ОВ 23
РАСЧЕТ СИГНАЛА ОР 24
ВЫЧИСЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И 02(2). 26
ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗНАКА Щг) В СЛУЧАЕ ЛИНЕЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
ВХОДНОГО СИГНАЛА 27
РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ
РЕФЛЕКТОМЕТРИИ 28
РАСЧЕТ ПМД ПО ДАННЫМ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ .... 29
МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МАТРИЦЫ ДЖОНСА 30
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НА ДВУХ БЛИЗКИХ ДЛИНАХ ВОЛН 31
АНАЛИЗ МЕТОДИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
отсутствует адаптированность к Российским условиям,
инструкциям и стандартам;высокая стоимость;
закрытость и отсутствие возможности модернизации
программного обеспечения;отсутствие русифицированного интерфейса;
отсутствие служб технической поддержки в России.
Разработка программного обеспечения и алгоритмов
автоматического поиска неоднородностей в одномодовых ОВ по
результатам рефлектометрических измерений обратного рэлеевского
рассеяния света в волокне.Разработка интерфейса пользователя для графического
представления результатов обработки и исследования
рефлектограмм ОВ.Разработка и создание аппаратно-программного комплекса
(АПК) для измерения характеристик ОВ на входном и выходном
контроле при производстве ВОК, создание базы данных.Впервые созданы и реализованы алгоритмы расчета
поляризационной модовой дисперсии (НМД) в одномодовых
оптических волокнах по данным рефлектометрических измерений:С помощью этих алгоритмов выполнен расчет
распределения НМД по длине одномодового ОВ. Получено хорошее
соответствие результатов расчетов между собой и средними
статистическими данными.Предложен и испытан новый алгоритм автоматического
поиска неоднородностей в одномодовых оптических волокнах по
результатам рефлектометрических измерений рэлеевского рассеяния
света в волокне, позволяющий с высокой степенью точности
находить положение оптических неоднородностей в волокне,
находить положение оптических неоднородностеи в волокне,
определять их тип и вычислять основные параметры в зависимости
от типа.Разработан и создан аппаратно-программный комплекс
(АПК) для измерения характеристик ОВ на входном и выходном
контроле при производстве оптического кабеля, не имеющий
аналогов в России и превосходящий по ряду характеристик
ближайший по области применения зарубежный аналог
ОА881000.Разработанный АПК внедрен на заводе АО "НФ
Электропровод" на операциях входного и выходного контроля
качества волоконно-оптического кабеля, что зафиксировано
соответствующим актом о внедрении.Разработанные в работе программные компоненты в
настоящее время используются для разработки систем мониторинга
технологического процесса изготовления волоконно-оптического
кабеля, систем мониторинга волоконно-оптических линий связи, а
также при исследованиях свойств оптических волокон.Результаты расчета распределения ПМД по длине
оптического волокна, полученные с помощью данных алгоритмов.Алгоритм автоматического поиска неоднородностей в
оптических волокнах, позволяющий с высокой степенью точности
по данным рефлектометрических измерений находить положение
оптических неоднородностей в волокне, определять их тип и
вычислять основные параметры.Графический интерфейс пользователя и база данных для
графического представления результатов, обработки и исследования
рефлектограмм оптических волокон.
ПМД 34
ПОГРЕШНОСТЬ ВСЛЕДСТВИЕ КОНЕЧНОЙ ШИРИНЫ ИМПУЛЬСА
РЕФЛЕКТОМЕТРА 38
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРЕНИЙ 40
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 42
2.3.4.1 ОЦЕНКА ПМД ПО ДЛИНЕ КОРРЕЛЯЦИИ И СРЕДНЕЙ ВЕЛИЧИНЕ
ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТОВОДА 42
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Общей тенденцией развития современных волоконно-
оптических линий связи (ВОЛС) в мире является рост скорости
передачи информации и расстояний между ретрансляторами. В
настоящее время проектируются ВОЛС, обеспечивающие скорости
передачи информации в несколько Тбит/сек на расстояния в тысячи
км [1-3]. Известно, что скорость передачи по оптическому волокну
(ОВ) определяется его дисперсией, а расстояние - затуханием. Эти
характеристики, в свою очередь, зависят от типа волокна,
технологии изготовления волокна и кабеля, условий прокладки и
эксплуатации ВОЛС. Поэтому для производства качественного
волоконно-оптического кабеля (ВОК) и строительства современных
ВОЛС необходим контроль параметров ОВ на всех этапах
производства и прокладки ВОЛС.
В современных скоростных ВОЛС, где используется ОВ с
компенсированной хроматической дисперсией [4,5], главной
причиной, ограничивающей скорость передачи информации,
является межмодовая дисперсия, обусловленная различием
групповых скоростей двух поляризационных мод, называемая
поляризационной модовой дисперсией (НМД) [6,7]. НМД возникает
при вытяжке ОВ, нанесении защитного покрытия, изготовлении
ВОК и монтаже ВОЛС из-за несовершенств технологий,
приводящих к отклонениям геометрии ОВ от заданной, а также
вследствие напряжений в ОВ [8,9], возникающих при изготовлении
ВОК и прокладке ВОЛС. Величина НМД в телекоммуникационных
ОВ лежит в пределах (0,1-1) пс/кмМАЛ. Она становится
преобладающим фактором, ограничивающим скорость передачи
информации выше 40 Гб/с.
В России потребность в волоконно-оптическом кабеле
составляет примерно 100 тыс. километров в год. Эта цифра
постоянно возрастает. В эксплуатации находятся ВОК самых разных
типов: ВОК, закладываемый в фунт, подвесной, самонесущий
кабель, кабель, закладываемый в трубку "Dura Line" и т.д. Общее
число конструкций кабеля превышает тысячу. Также имеется
тенденция к увеличению числа оптических волокон в ВОК: в мире
внедрены ВОК, содержащие до трех тысяч OB, 32-х и 64-х
волоконный кабель все чаще применяется на российских линиях.
Сегодня в России проложены десятки тысяч километров
волоконно-оптических кабелей (ВОК), волоконно-оптические линии
связи (ВОЛС) развернуты практически во всех регионах страны.
Ежегодная потребность в ВОК для поддержания старых ВОЛС и
строительства новых составляет примерно 100 тыс. километров в
год, В эксплуатации находятся самые разные типы ВОК: ВОК,
закладываемый в грунт, подвесной, самонесущий кабель, кабель,
закладываемый в трубку «Dura Line» и т.д. В мире внедрены ВОК,
содержащие до трех тысяч оптических волокон (OB), 32-х и 64-х
волоконный кабель все чаще применяется на российских линиях.
Тенденция к увеличению числа OB в ВОК сохраняется и в
настоящее время. ВОК в России производят более десяти заводов,
при этом общее число конструкций кабеля превышает тысячу. Для
производства качественного ВОК необходим контроль параметров
OB на всех этапах производства. Аналогичный контроль необходим
также при прокладке ВОЛС.
в этих условиях количество контрольных измерений,
проводимых при производстве и прокладке ВОК огромно.
Большинство измерений проводятся методом рефлектометрии с
помош;ью приборов, называемых оптическими рефлектометрами
(ОР). При измерении с помош;ью ОР получают так называемую
рефлектограмму - измеренный по длине волокна уровень сигнала
обратного рассеяния, выраженный в децибелах. ОР имеют
программное обеспечение, позволяюш;ее показывать
рефлектограммы на экране, вычислять по ним значения основных
параметров волокна, сохранять рЛефлектограммы на дискете и
распечатывать их. Однако производители ВОК и прокладчики
воле нуждаются в паспортизации результатов измерений для
составления необходимой документации. Сегодня паспортизация
результатов измерений параметров ОВ производится вручную,
путем переписывания результатов с экрана ОР в паспорт ВОК или
воле. При этом не исключена возможность субъективных ошибок.
Рефлектограммы не сохраняются в электронном виде, не ведется
архив рефлектограмм, необходимый для анализа возможных
претензий по качеству изготовленного ВОК или проведенных работ.
В такой ситуации особенную актуальность приобретает
создание единой системы записи рефлектограмм на всех этапах
производства ВОК, строительства и эксплуатации ВОЛС. Кроме
того, необходима система автоматической паспортизации
результатов измерений, а так как возможности ОР в этом смысле
крайне ограничены, встает проблема связи ОР с персональным
компьютером (ПК), который должен производить основную работу
по обработке данных. Надо также отметить, что передача данных
между ПК и ОР должна происходить если не в реальном масштабе
времени, то, по крайней мере, близко к нему, так как сейчас, имея
высокопроизводительные компьютеры и системы передачи данных,
пользователи не хотят тратить свое время на ожидание получения
результатов.
В настоящее время существует несколько западных образцов
подобных систем. К таковым относятся системы мониторинга ВОЛС
ORION фирмы GN-Nettest [1] и ATLAS фирмы Wavetek
Wandel&Goltermann [2], автоматизированная система измерений на
производстве OASYS 1000 фирмы РК Technology [3] и система
учета материалов при производстве ВОК MES2000 фирмы SwissCab
4]. Однако эти системы имеют ряд ограничений, препятствующих
их широкому распространению в России, а именно:
Необходимо отметить также, что, волоконно-оптические
линии связи используются в самых различных отраслях страны, в
том числе и для военных применений. Это также является одной из
причин необходимости создания отечественных разработок в
области систем контроля и мониторинга ВОЛС.
В экспериментальных исследованиях в области физики
оптических световодов, проводимых с помощью
рефлектометрических методов, необходимо иметь возможность
обрабатывать результаты измерений на персональном компьютере,
так как возможности программного обеспечения рефлектометров в
этом смысле крайне ограничены. Например, исследования эффектов
поляризационной модовой дисперсии (НМД) в одномодовых ОВ
требует вычислений по двум или трем рефлектограммам с
применением методов матричного и дискретного анализа. Это
делает актуальным создание измерительных комплексов на основе
связи ОР с компьютером.
В связи с изложенным задача измерения НМД и исследования
ее распределения по длине ОВ становится весьма актуальной.
Другой не менее важной задачей является контроль затухания,
целостности, однородности ОВ при изготовлении ВОК и прокладке
ВОЛС.
ЦЕЖ И ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ
Целью данной диссертационной работы является разработка
математических алгоритмов и универсального программного
обеспечения для обработки сигналов обратного рэлеевского
рассеяния в ОВ (рефлектограмм), создание универсального ядра
программного обеспечения, пригодного как для обработки данных
экспериментальных исследований ОВ и создания новых приборных
приложений, так и для обработки результатов измерений при
контроле параметров ВОК в процессе его изготовления и прокладки
ВОЛС.
В соответствии с целью работы были сформулированы
следующие задачи исследований:
1. Разработка и создание алгоритмов расчета НМД в
одномодовом ОВ по данным рефлектометрических измерений
обратного рэлеевского рассеяния в ОВ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
а) по измерениям на одной длине волны с использованием
матрицы Джонса;
б) по результатам рефлектометрических измерений
рэлеевского рассеяния на 2-х частотах (длинах волн).
4. Разработан и создан графический интерфейс пользователя и
база данных для графического представления результатов обработки
и исследования рефлектограмм оптических волокон.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
1. Метод и алгоритм расчета поляризационной модовой
дисперсии в одномодовых оптических волокнах по данным
рефлектометрических измерений обратного рэлеевского рассеяния:
а) по измерениям на одной длине волны с помощью
дифференциальной матрицы Джонса;
б) по результатам измерения обратного рэлеевского рассеяния
на двух частотах
СОСТАВ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе проведен анализ программного обеспечения,
установленного на рефлектометрах РК 6500 и ANDO AQ7210, а
также рассмотрена программа OASYS 1000 фирмы PK-Technology,
являющаяся ближайшим по области применения зарубежным
аналогом разработанного АПК. Детально рассмотрены возможности
указанных программ по получению, представлению и обработке
данных рефлектометрических измерений.
В конце главы делается вывод о необходимости создания
программного обеспечения, которое бы развивало и дополняло
возможности рассмотренных программных продуктов.
Вторая глава диссертации посвящена исследованиям и
разработке методов измерения поляризационной модовой дисперсии
в оптических волокнах. В ней объясняются причины возникновения
ПМД в одномодовых ОВ и обосновываются возможности ее
определения по результатам рефлектометрических измерений.
В третьей главе приводится описание алгоритма
автоматического поиска неоднородностей в волоконо-оптической
трассе по данным рефлектометрических измерений, реализованного
в программе и сравнение результатов его применения к реальным
трассам с результатами применения функции автопоиска программы
эмуляции AQ7931 фирмы ANDO. Завершается глава краткими
выводами.
Четвертая глава посвящена графическому интерфейсу
пользователя. Дано краткое описание основных функций,
предоставляемых пользователю. Особое внимание уделено новым,
по отношению к традиционным рефлектометрическим программам,
возможностям.
т-ч и о
В пятой главе описано взаимодействие программы с
оборудованием, то есть с ОР, и с источниками данных. Показано,
что для обеспечения возможности быстрой адаптации программы к
использованию с различными типами рефлектометров, а также
независимости от источников данных необходимо строить
взаимодействие с оборудованием и источниками данных через Слои
Абстрагирования. Слой Абстрагирования - это набор программных
компонент, обеспечивающий взаимодействие с однородными
объектами (оборудованием, источниками данных и т.д.) через набор
стандартных функций (API Application Program Interface или
Программный Интерфейс Приложения). Для непосредственного
управления конкретным объектом Слой Абстрагирования
использует соответствующий драйвер, свой для каждого объекта.
В заключении перечислены основные результаты работы и
приведены требования разработанного АПК к аппаратному
обеспечению, в первую очередь к конфигурации используемого
персонального компьютера, а так же состав необходимого
программного обеспечения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Материалы, включенные в диссертацию, по мере их
разработки докладывались на научно-технической конференции
МГУЛ «Экология, Мониторинг и Рациональное
Природопользование» 2000г., научной сессии общества Попова
2000г., 13 международной научной конференции «Математические
Методы в Технике и Технологиях» в Санкт-Петербурге 2000г., 4
международном семинаре «Российские Технологии для Индустрии»
в Санкт-Петербурге 2000г. и на 5th European Conference on
Networks&Optical Communications, Stuttgart, Germany, 6-9 June, 2000.
ПУБЛИКАЦИИ
Основные положения диссертации опубликованы в 12
печатных работах. Разработанное программное обеспечение
официально зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ
Российским Агентством по Патентам и Товарным Знакам
(Роспатент) [33\
