Патент на изобретение №2339929

(54) ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР

(57) Реферат:

Рефлектометр содержит формирователь импульсов, один из входов которого соединен с выходом микроконтроллера, а выход – с источником оптического излучения, Y-образный оптический разветвитель, вход/выход которого оптически связан с розеткой выходного оптического соединителя рефлектометра, а выход оптически связан с фотоприемником, выход которого соединен с входом аналогового коммутатора, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен с входом компаратора и входом расширителя импульсов, вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход – с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с входами микроконтроллера. Введен отрезок оптического волокна заданной длины в цепи положительной обратной связи, оптически связанный с выходом источника оптического излучения и вторым входом Y-образного оптического разветвителя. Выход компаратора соединен с одним из входов микроконтроллера и со вторым входом формирователя импульсов. Технический результат – повышение точности измерения расстояния до места расположения локальных неоднородностей в волоконно-оптическом тракте. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, техники связи и оптоэлектроники и может быть использовано для диагностики волоконно-оптических трактов при производстве оптических волокон и волоконно-оптических кабелей, при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических линий связи. Наиболее целесообразно использовать устройство для контроля волоконно-оптических трактов бортовых локальных волоконно-оптических сетей связи и передачи информации. Для таких сетей характерна небольшая длина соединительных линий (до 1 км) и большое количество переходов через различные отсеки. В местах переходов могут возникать локальные оптические неоднородности из-за пережатия или изгиба оптического волокна. Нахождение мест неоднородностей необходимо осуществлять с предельной точностью.

Известно устройство диагностики волоконно-оптических трактов [1]. Устройство состоит из двух микроконтроллеров, формирователя импульсов, полупроводникового источника излучения, оптического ответвителя, 2-х оптических соединителей, 2-х фотоприемников, коммутатора, программируемого аттенюатора, компаратора, расширителя импульсов, аналого-цифрового преобразователя, пульта управления, цифрового индикатора и перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства. Устройство позволяет измерять потери на отражение от неоднородностей волоконно-оптического тракта (коэффициенты отражения) и расстояния до мест неоднородностей.

Работа устройства заключается в том, что на вход контролируемого волоконно-оптического тракта подают короткий оптический импульс и измеряют параметры импульсных сигналов, преобразованных фотоприемником, установленным на выходе ответвителя таким образом, что этот фотоприемник принимает оптический сигнал обратного рассеяния. Оптические импульсы, отраженные от неоднородностей волоконно-оптического тракта, преобразуются фотоприемником в электрические импульсы, выделяются по заданному уровню компаратором и поступают на один из входов быстродействующего микроконтроллера. Микроконтроллер выделяет заданный импульс (по порядку его поступления), задает временную задержку, в течение которой заканчивается весь цуг отраженных от неоднородностей импульсов, и при помощи формирователя импульсов и полупроводникового источника оптического излучения формирует новый оптический импульс, зондирующий волоконно-оптический тракт. Расстояние до места анализируемой неоднородности определяется по частоте автоколебательного процесса, возникающего за счет повторений процесса формирования нового зондирующего импульса при поступлении заданного отраженного импульса. По амплитуде отраженного импульса измеряется коэффициент отражения (потери на отражение) от исследуемой неоднородности.

Недостатками устройства являются:

1. Невысокая разрешающая способность и точность измерения расстояния до места расположения неоднородности. Точность измерений ограничивается временем выполнения одной операции микроконтроллера, регистрирующего сигнал на выходе компаратора, для микроконтроллера, работающего с тактовой частотой 150 МГц, погрешность измерения расстояния составляет около 4 метров.

2. Устройство не обеспечивает измерение затухания оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта.

Известно устройство, представляющее собой оптический рефлектометр [2, стр.27]. Устройство содержит оптический модуль и базовый модуль. Оптический модуль состоит из импульсного генератора, лазерного диода, оптического ответвителя, фотоприемника, усилителя, оптического соединителя, усилителя фототока, аналого-цифрового преобразователя. Базовый модуль состоит из микропроцессора и дисплея. Устройство вырабатывает оптический зондирующий импульс, направляемый в волоконно-оптический тракт, и анализирует излучение обратного рассеяния на выходе ответвителя.

Устройство позволяет измерять затухание оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта и расстояние до мест неоднородностей.

Недостатками устройства являются невысокая точность измерения расстояний при увеличении длительности зондирующих оптических импульсов и невысокий динамический диапазон измерений при уменьшении их длительности.

При уменьшении длительности зондирующего импульса увеличивается точность измерения расстояния, но при этом уменьшается мощность обратного релеевского рассеяния.

Коэффициент обратного релеевского рассеяния q в дБ определяется по формуле [2, стр.41]

где t_и – длительность импульса, зондирующего волокно в нс.

При длительности импульса t_и=2 нс (разрешение по длине 0,5 м) коэффициент обратного релеевского рассеяния будет равен q=-77 дБ, при t_и=10 нс (разрешение по длине 2 м), q=-70 дБ.

Известно устройство оптического рефлектометра, наиболее близкое по своей технической сущности к изобретению [3]. Устройство позволяет измерять отраженную оптическую мощность, потери на отражение (коэффициенты отражения) и расстояние до места расположения локальных неоднородностей волоконно-оптического тракта.

Устройство содержит формирователь импульсов, полупроводниковый источник излучения, Y-образный оптический разветвитель, два оптических соединителя, два фотоприемника, аналоговый коммутатор, компаратор, программируемый аттенюатор, два микроконтроллера, программируемый счетчик-делитель частоты, два цифровых ключа, аналоговый ключ, расширитель импульсов, электронную линию задержки, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), индикатор, пульт управления и перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство.

Устройство определяет расстояние до места локальных неоднородностей путем измерения частоты автоколебаний. Причем частота автоколебаний определяется задержкой оптического сигнала в узлах устройства и задержкой, связанной с распространением оптического сигнала от входного торца оптического волокна до места расположения локальной неоднородности и обратно.

Недостатками устройства являются:

1. Устройство не обеспечивает измерение затухания оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта.

2. Невысокая точность измерения расстояния до места расположения локальной неоднородности, связанная с нестабильностью частоты автоколебаний. Нестабильность частоты обусловлена нестабильностью задержки сигнала в узлах устройства.

Сигнал проходит через следующие узлы, входящие в колебательный контур (цепь обратной связи):

– оптический соединитель;

– Y-образный оптический разветвитель;

– фотоприемник;

– коммутатор;

– компаратор;

– счетчик-делитель;

– линию задержки (сигнал в линии задержки задерживается n раз в зависимости от длины волоконно-оптического тракта);

– электронный ключ;

– формирователь импульсов;

– источник излучения.

В зависимости от длины тракта электрический импульс с выхода счетчика-делителя частоты может быть задержан в линии задержки n раз. Это необходимо для того, чтобы новый зондирующий импульс не наложился на отраженные от неоднородностей тракта импульсы, инициируемые предыдущим зондирующим импульсом. В связи со сделанным замечанием очевидно, что нестабильность задержки сигнала в этом случае также увеличится в n раз.

Для задержки электрических импульсов применяют линии задержек следующих типов [4]:

– распределенные (коаксиальные или полосковые);

– с сосредоточенными параметрами (построенные на L, С цепочках);

– ультразвуковые (волноводные проволочные, волноводные ленточные, на объемных акустических волнах, на поверхностных акустических волнах);

– электронные цифровые (кремниевые или гибридные).

Полосковые линии задержки с погонной индуктивностью L₁ и погонной емкостью С₁ отличаются высокой стабильностью и широкополосностью. Волновое сопротивление такой линии W не зависит от частоты и определяется по формуле [5]

где L₀=l·L₁, – суммарная индуктивность;

С₀=l·С₁ – суммарная емкость;

l – длина линии.

Задержка сигнала Т определяется по формуле

Непременным условием работы такой линии задержки является согласование ее сопротивлений на входе и выходе. При импульсных сигналах на входе линии задержки проблема согласования становится непростой из-за наличия на входном и выходном концах линии паразитных емкостей. Рассогласование линии ведет к паразитным переотражениям сигнала от концов линии, которые недопустимы для правильной работы устройства.

Другим недостатком такой линии задержки является трудность расчета ее параметров, так как геометрические размеры линии зависят от передаваемой длины волны электрического сигнала [6]. В случае же с импульсными сигналами имеем дело не с одной длиной волны излучения, а целым спектром длин волн.

На основании изложенного можно сделать вывод о невозможности использования таких линий задержки в рассматриваемом устройстве.

При использовании коаксиальной линии задержки также встает вопрос о согласовании волнового сопротивления коаксиального кабеля в широкой полосе передаваемых частот. Кроме того, затухание сигнала в коаксиальном кабеле зависит от частоты сигнала и имеет значение для частоты, равной 100 МГц (соответствует длительности фронта импульсов порядка 10 нс), около 0,1 дБ/м [6]. При длине волоконно-оптического тракта 1 км длина коаксиальной линии задержки должна быть равна не менее 3 км (за счет двукратного прохождения линии оптическим сигналом и разности скоростей распространения света в оптическом волокне и электромагнитной волны в коаксиальном кабеле). При длине 3 км затухание сигнала в такой линии задержки будет равно 300 дБ (в 10¹⁵ раз). Такая линия задержки в устройстве не может быть использована.

Линии задержки с сосредоточенными параметрами (на L, С или R, С цепочках) не могут быть использованы в рассматриваемом устройстве из-за следующих недостатков:

– L, С цепочки искажают форму импульсных сигналов;

– R, C цепочки приводят к быстрому затуханию сигнала и также искажают форму импульсных сигналов (затягивают фронт).

Ультразвуковые линии задержки не могут быть использованы в рассматриваемом устройстве из-за их недостаточной широкополосности. Требуется полоса пропускания не менее 300 МГц, обеспечивается полоса пропускания не более 10 МГц [7].

Электронные цифровые линии задержки могут быть выполнены на дискретных элементах (ждущих мультивибраторах), интегральных элементах (гибридных и кремниевых). Наиболее стабильными параметрами из перечисленных обладают кремниевые интегральные линии задержки. Наибольших успехов в их производстве добилась фирма Dallas Semiconductor. Фирма выпускает интегральные кремниевые линии задержки типа DS1000 – DS1045 с временем задержки от 4 до 500 нс. Коэффициент нестабильности времени задержки во всем температурном диапазоне и диапазоне питающих напряжений составляет 1% [8].

Пусть рассматриваемое устройство контролирует неоднородности в волоконно-оптическом тракте длиной l=1 км. Время задержки сигнала должно составлять не менее

где n – показатель преломления плавленого кварца (n1,5);

с – скорость света в вакууме (с=3·10⁸ м/с).

Составляющая погрешности измерения расстояния до места расположения неоднородности l, связанная с нестабильностью задержки , может быть найдена по формуле

или l=с или

где t_p – время распространения сигнала в волоконно-оптическом тракте;

l и – относительные приведенные значения погрешностей.

Так как нестабильность кремниевых задержек (джиттер) составляет 1%, то при их использовании в устройстве при контроле волоконно-оптического тракта длиной 1 км максимальная погрешность измерения расстояния до места расположения неоднородности будет равна 30 м, если не применять специальные методы статистической обработки с использованием вероятностных методов и доверительных интервалов.

Предложенное устройство решает задачу обеспечения возможности измерения затухания оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта и задачу повышения точности измерения расстояния до места расположения локальных неоднородностей в волоконно-оптическом тракте.

Сущность изобретения заключается в том, что в оптический рефлектометр, содержащий формирователь импульсов, один из входов которого соединен с выходом микроконтроллера, а выход – с полупроводниковьм источником оптического излучения, Y-образный оптический разветвитель, вход/выход которого оптически связан с розеткой выходного оптического соединителя рефлектометра, а выход оптически связан с оптическим входом фотоприемника, выход которого соединен с входом аналогового коммутатора, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен с входом компаратора и входом расширителя импульсов, вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход – с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с входами микроконтроллера, который подключен к персональному компьютеру, введен отрезок оптического волокна заданной длины, оптически связанный с выходом полупроводникового источника оптического излучения и вторым входом Y-образного оптического разветвителя, а выход компаратора соединен с одним из входов микроконтроллера и с вторым входом формирователя импульсов.

На чертежах (см. фиг.1) изображена структурная схема предлагаемого рефлектометра.

Рефлектометр состоит из:

– микроконтроллера 1;

– формирователя импульсов 2;

– полупроводникового источника оптического излучения 3;

– отрезка оптического волокна заданной длины 4;

– компаратора 5;

– аналогового коммутатора 6;

– фотоприемника 7;

– Y-образного оптического разветвителя 8;

– розетки выходного оптического соединителя 9;

– расширителя импульсов 10;

– аналого-цифрового преобразователя 11;

– персонального компьютера 12.

Рефлектометр работает следующим образом.

При включении питания рефлектометра начинается выполнение программы, записанной в резидентной памяти программ микроконтроллера 1. На одном из выходов микроконтроллер 1 вырабатывает импульс напряжения (эпюра 1, фиг.2), поступающий на первый вход формирователя импульсов 2.

Формирователь 2 по фронту сигнала на его входе вырабатывает импульс тока накачки полупроводникового источника излучения 3 с заданной длительностью (эпюра 2, фиг.2).

Полупроводниковый источник оптического излучения 3 генерирует оптический импульс. Импульс направляется в отрезок оптического волокна 4, задерживается в нем на время ₀, зависящее от его длины L

где n – показатель преломления сердцевины волокна;

с – скорость света в вакууме.

Далее, пройдя оптический Y-образный разветвитель 8 и розетку оптического соединителя 9, оптический импульс направляется на вход измеряемого волоконно-оптического тракта.

Излучение обратного рассеяния, состоящее из релеевского рассеяния и френелевских отражений от локальных неоднородностей, направляется оптическим Y-образным разветвителем 8 на оптический вход фотоприемника 7.

Следует заметить, что френелевские отражения от мест стыков или крупных локальных неоднородностей (зажимы, перегибы, трещины оптического волокна) значительно выше по уровню мощности по сравнению с сигналом релеевского рассеяния.

Например, коэффициент обратного релеевского рассеяния при длительности импульса t_и=2 нс (разрешение по длине 0,5 м) равен -77 дБ, при длительности импульса t_и=10 нс (разрешение по длине 2 м) равен -70 дБ (см. формулу (1)).

Коэффициент френелевского отражения для оптических соединителей составляет величину от -30 до -50 дБ [2, стр.41].

Выходное напряжение фотоприемника 7 подается на вход аналогового коммутатора 6 (эпюра 3, фиг.2). В исходном состоянии коммутатор 6 находится в выключенном состоянии и не пропускает сигнал. Микроконтроллер 1 через промежутки времени ₁, ₂, ₃ вырабатывает последовательно три импульса: импульс сброса расширителя импульсов 10 (эпюра 4, фиг.2), импульс включения аналогового коммутатора 6 (эпюра 5, фиг.2), импульс запуска преобразования АЦП 11 (эпюра 8, фиг.2). Время генерации импульса включения аналогового коммутатора ₂ и длительность этого импульса определяют место расположения контролируемой области волоконно-оптического тракта и ее размер

где l_i – расстояние от начала волоконно-оптического тракта до начала контролируемой области;

l – размер контролируемой области.

Значения ₁, ₂, ₃, задаются программно.

Импульс сброса расширителя импульсов готовит расширитель импульсов к приходу следующего измеряемого импульса. Обычно расширители импульсов строятся по диодноконденсаторной накопительной схеме [10]. При подаче импульса сброса открывается ключевая схема, выполненная на полевых транзисторах, разряжающая накопительный конденсатор.

Импульс включения аналогового коммутатора управляет каналом передачи коммутатора, который ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения. При подаче управляющего импульса сопротивление канала стремится к нулю. Эпюра импульса напряжения на выходе аналогового коммутатора 6 представлена на эпюре 6, см. фиг.2. Этот импульс преобразуется расширителем импульсов 10 в квазипостоянный уровень, который регистрируется АЦП 11. Значение амплитуды импульса в цифровом виде передается в микроконтроллер. Расширитель импульсов необходим для упрощения конструкции рефлектометра, так как его использование позволяет существенно удешевить устройство за счет применения низкочастотного АЦП и сравнительно низкочастотного микроконтроллера.

После окончания сигнала обратного рассеяния (время окончания этого сигнала определяется длиной волоконно-оптического тракта) микроконтроллер 1 вырабатывает новый импульс, поступающий на первый вход формирователя импульсов 2. Процесс измерения повторяется, при этом АЦП осуществляет цифровое интегрирование (накопление) сигнала с выбранной области волоконно-оптического тракта.

Программно смещая момент открытия аналогового коммутатора, рефлектометр исследует весь волоконно-оптический тракт по описанному алгоритму. По полученным данным персональный компьютер 12, соединенный с микроконтроллером 1, строит рефлектограмму тракта (зависимость уровня сигнала от расстояния). По наклону рефлектограммы измеряется затухание сигнала вдоль тракта.

Если в исследуемой области тракта находится локальная неоднородность (эпюры 1, 2, 3, 4 на фиг.3), это может быть оптический соединитель или трещина в оптическом волокне, то сигнал обратного рассеяния резко увеличится за счет френелевского отражения. Сигнал превысит уровень срабатывания компаратора и на его выходе появится импульс напряжения. Этот импульс одновременно поступает на один из входов микроконтроллера 1 и на второй вход формирователя импульсов 2 (эпюры 1 и 5, фиг.3).

Поступая на вход формирователя 2, импульс возбуждает следующий зондирующий оптический импульс.

Чтобы цуг отраженных от предыдущего зондирующего импульса сигналов обратного рассеяния не наложился на новые сигналы, необходимо, чтобы выполнялось условие

где ₀ – задержка оптического сигнала в отрезке оптического волокна 4 длиной ;

_вот – время прохождения сигнала по волоконно-оптическому тракту в одну сторону.

Поступая на вход микроконтроллера, импульс с выхода компаратора вызывает внешнее прерывание основной программы. Микроконтроллер переходит к выполнению подпрограммы обработки прерывания. Подпрограмма выполняет следующие задачи:

– запрещает новые прерывания.

– поддерживает автоколебательный процесс.

Примечание: для поддержания автоколебаний микроконтроллер открывает аналоговый коммутатор через интервал времени ₄ (см. эпюру 3 на фиг.3) от момента поступления выходного сигнала компаратора на время и пропускает импульс, преобразованный фотоприемником из отраженного от исследуемой неоднородности сигнала, возникшего от зондирующего оптического импульса, инициируемого выходным импульсом компаратора. Импульс с выхода аналогового коммутатора поступает на вход компаратора, инициирующего следующий зондирующий импульс. Возбуждаются автоколебания с периодом Т_i под управлением подпрограммы микроконтроллера.

– Измеряет период автоколебаний – Т_i.

– Передает информацию о периоде автоколебаний в персональный компьютер.

– После измерения периода автоколебаний прекращает автоколебания (не открывает аналоговый коммутатор через ₄) и осуществляет выход в основную программу.

Основная программа генерирует импульс на первом входе формирователя импульсов, тем самым возбуждая зондирующий оптический сигнал, осуществляет выбор следующей контролируемой области волоконно-оптического тракта, изменяя момент открытия аналогового коммутатора ₄ на время , и накапливает сигнал, рассеянный от выбранной области волоконно-оптического тракта. Процесс контроля участков волоконно-оптического тракта продолжается по описанному выше алгоритму.

Вся информация о волоконно-оптическом тракте передается в персональный компьютер. Программа компьютера производит расчет расстояний до мест нахождения обнаруженных неоднородностей по периоду автоколебаний и строит рефлектограмму тракта. По крутизне участков рефлектограммы можно определить затухание оптического сигнала на этих участках.

Следует отметить, что, так как нет необходимости определения расстояний до мест расположения локальных неоднородностей по рефлектограмме, то в качестве зондирующего можно использовать относительно длинный импульс оптического излучения. При этом резко увеличивается динамический диапазон измерений (по логарифмическому закону в соответствии с формулой 1).

Произведем оценку характеристик предложенного рефлектометра.

При обнаружении i-ой локальной неоднородности возбуждаются автоколебания. Период автоколебаний Т_i складывается из следующих составляющих

где ₀ – задержка оптического сигнала в отрезке оптического волокна 4 длиной ;

t_сл – задержка оптического сигнала в соединительных линиях (в отрезках оптического волокна между разветвителем и выходным оптическим соединителем, между разветвителем и фотоприемником);

_i – задержка оптического сигнала на время распространения от начала волоконно-оптического тракта до i-ой локальной неоднородности и обратно;

t_ф – задержка сигнала в фотоприемнике;

t_ком – задержка сигнала в аналоговом коммутаторе;

t_к – задержка сигнала в компараторе;

t_фи – задержка сигнала в формирователе импульсов;

t_ии – задержка сигнала в полупроводниковом источнике оптического излучения.

Расстояние от начала волоконно-оптического такта до исследуемой i-ой локальной неоднородности можно найти по формуле

где с – скорость света в вакууме;

n – показатель преломления сердцевины оптического волокна.

С учетом формул (11) и (12) расстояние до места расположения i-ой локальной неоднородности можно найти по формуле

Произведем оценку точности измерения расстояния до места расположения неоднородности. Точность измерения расстояния до места расположения оптических неоднородностей будет определяться стабильностью значения показателя преломления по длине оптического волокна, погрешностью измерения периода автоколебаний, стабильностью задержек сигналов в узлах рефлектометра. С учетом возможных погрешностей параметров формулу (13) можем представить следующим образом

В связи с тем, что нестабильность группового показателя преломления по длине оптического волокна, как правило, не превышает 0,36% [11], выражение можно с достаточной степенью точности (менее 0,05%) заменить на следующее [12]. В связи со сделанным замечанием и пренебрегая величинами второго порядка малости, формулу (14) можно представить в следующем виде

где l_i – относительная погрешность измерения расстояния до места расположения i-ой неоднородности;

n – относительное значение нестабильности группового показателя преломления по длине оптического волокна (не зависит от устройства, является параметром объекта контроля).

Учитывая, что между параметрами отсутствует корреляция, формулу (15) можно переписать

Первая часть формулы зависит от характеристик узлов рефлектометра, вторая часть отражает нестабильность группового коэффициента преломления вдоль оптического волокна контролируемого волоконно-оптического тракта (объекта контроля).

Оценим параметры, входящие в формулу (16) для конкретного примера.

Пусть длина измеряемого волоконно-оптического тракта 1 км, неоднородность расположена на расстоянии 500 м от начала тракта, тогда период автоколебаний будет равен

Погрешность измерения периода автоколебаний найдем исходя из значения стабильности кварцевого резонатора генератора тактовой частоты микроконтроллера, равной 10^-6

T_i=15·10^-6=0,015 нс.

Примечание: стабильность кварцевого резонатора без использования термостатирования составляет величину около 10^-6 [13, стр.292], при использовании термостата стабильность составит 10^-8.

Показатель преломления сердцевины оптического волокна зависит от температуры и деформаций в соответствии с формулой [14, стр.44]:

где n – показатель преломления сердцевины оптического волокна;

n – изменение показателя преломления;

– частная производная по температуре, характеризующая изменение плотности кварцевого стекла;

n – изменение показателя преломления за счет фотоупругости.

Первый член формулы (18) учитывает изменение плотности стекла, второй член – эффект фотоупругости, обусловленной деформацией волокна.

Рассмотрим более подробно первый член формулы (18), учитывающий изменение плотности кварцевого стекла в зависимости от температуры. Предполагая, что деформаций нет, перепишем (18) в следующем виде

где n – изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна за счет изменения температуры;

n – показатель преломления сердцевины оптического волокна;

T – изменение температуры.

Знак минус говорит о том, что при увеличении температуры плотность плавленого кварца уменьшается [15].

Пусть температурный диапазон эксплуатации рефлектометра составляет от -20 до +70°С, тогда

Тогда

С другой стороны, при увеличении температуры окружающей среды длина отрезка оптического волокна увеличивается за счет температурного расширения. Коэффициент температурного расширения для плавленого кварца равен 0,4·10^-6°С^-1 [16, стр.110]. При изменении температуры на 90°С задержка сигнала в отрезке оптического волокна длиной 2 км увеличится на ₀=0,36 нс.

Таким образом, общая задержка в отрезке оптического волокна длиной 2 км при изменении температуры окружающей среды на 90°С изменится на ₀=-0,25 нс.

Величиной t_сл можно пренебречь, так как длина оптических соединительных линий менее 0,01% от длины L отрезка оптического волокна.

Совместная нестабильность задержек фотоприемника (фотодиода с трансимпедансным усилителем) t_ф и полупроводникового источника оптического излучения t_ии составляет величину не более 1 нс [17].

Величиной t_ком можно пренебречь, так как коммутатор в открытом состоянии представляет короткую перемычку с омическим сопротивлением около 10 Ом (индуктивность перемычки можно не учитывать).

При использовании компаратора типа АФ011 В [18] нестабильность задержки сигнала t_к составит не более 0,05 нс.

Формирователь импульсов по фронту сигнала можно представить в виде дифференцирующей R, С цепочки и компаратора. Если использовать высокостабильные резисторы и конденсаторы, то основную нестабильность задержки сигнала составит компаратор. Нестабильность задержки компаратора была проанализирована выше. Можно полагать, что t_фи=0,05 нс.

Подставляя значения параметров в первую часть формулы 16, найдем погрешность измерения расстояния до места оптической неоднородности, обусловленную узлами рефлектометра

Примечание: как было показано выше, погрешность измерения расстояния до места расположения неоднородности за счет флуктуаций группового коэффициента преломлений материала сердцевины оптического волокна равна 3,6·10^-3.

Погрешность измерения места расположения неоднородности, обусловленная узлами рефлектометра, в рассматриваемом примере составит 0,1 м. Лучшие зарубежные рефлектометры обеспечивают точность измерений не более 1,0 м [19, стр.53].

При этом длительность зондирующего импульса может составлять несколько микросекунд, так как погрешность измерения от длительности импульса не зависит. За счет увеличения длительности зондирующих импульсов можно увеличить динамический диапазон измерений.

Таким образом, достигается цель изобретения – увеличивается точность измерения расстояния до мест расположения неоднородностей, обеспечивается возможность измерения изменения затухания оптических сигналов вдоль волоконно-оптических трактов с повышенным по сравнению с аналогами динамическим диапазоном измерений.

Источники информации

1. Яковлев М.Я., Цуканов В.Н. Устройство диагностики волоконно-отических трактов. Патент на изобретение России №2180436 от 31.10.2000 г., Бюл. №7 от 10.03.2002 г.

2. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. – М.: ЛЕСАРарт, 2005, 208 с.

3. Яковлев М.Я., Цуканов В.Н. Оптический рефлектометр. Патент на изобретение России №2214583 от 12.04.2002 г., Бюл. №29 от 20.10.2003 г.

4. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г.Колесников. – М.: Сов. энциклопедия, 1991. – 668 с.

5. Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные цифровые устройства. М., “Сов. радио”, 1973.

6. Изюмова Т.И., Свиридов В.Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. М., “Энергия”, 1975.

7. Боритко С.В. Разработка низкочастотных широкополосных линий задержки на поверхностных акустических волнах. “Электромагнитные волны и электронные системы”, 2004, т.8, №5.

9. Каток В.Б., Гончаров А.В. Оптические параметры разъемных оптических соединителей. Фотон-Экспресс 21, декабрь 2000 г.

10. Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов. М., “Энергия”, 1974.

11. Стандарт международного союза электросвязи на оптическое волокно, G.652.

12. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М., “Наука”, 1964.

13. Измерения в электронике: Справочник / В.А.Кузнецов и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

14. Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси и др., под ред. Т.Окоси: пер. с япон. – Л.: Энергоатомиздат, 1990.

15. Гулоян Ю.А. Физико-химические свойства и характеристики стекол. Окна, двери, витражи, №4, 2005.

16. Енохович А.С. Справочник по физике и технике: Учеб. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1989.

17. Информация ЗАО “Авангард-оптон” (г.Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., д.72) о ВОКС (волоконно-оптическом канале синхронизации) с сайта www.avangard.org/uploaded/voks.pdf.

19. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы измерения параметров ВОЛС. Фотон-Экспресс 4, июнь 2006 г.

Формула изобретения

Оптический рефлектометр, содержащий формирователь импульсов, один из входов которого соединен с выходом микроконтроллера, а выход – с полупроводниковым источником оптического излучения, Y-образный оптический разветвитель, вход/выход которого оптически связан с розеткой выходного оптического соединителя рефлектометра, а выход оптически связан с оптическим входом фотоприемника, выход которого соединен с входом аналогового коммутатора, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен с входом компаратора и входом расширителя импульсов, вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход – с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с входами микроконтроллера, который подключен к персональному компьютеру, отличающийся тем, что введен отрезок оптического волокна заданной длины, оптически связанный с выходом полупроводникового источника оптического излучения и вторым входом Y-образного оптического разветвителя, а выход компаратора соединен с одним из входов микроконтроллера и с вторым входом формирователя импульсов.

РИСУНКИ