Метод обратного рассеяния

Наиболее универсальным и информативным методом измерений пара­метров ОВ и ОК является метод обратного рассеяния (МОР). Приборы, осно­ванные на МОР, называются оптическими рефлектометрами (ОР).

Впервые идею использования обратного рэлеевского рассеяния в кварце­вых ОВ при их зондировании короткими оптическими импульсами для иссле­дования ОВ предложили американские ученые Барноски и Персоник. Для им­пульсных ОР в зарубежной литературе принята аббревиатура OTDR (Optical Time Domain Reflectometer- оптический рефлектометр во временной области).

Риc 4.4. Упрощенная структурная схема оптического рефлектометра: ИИ - источник излучения, НО - направленный ответвитель, ОВ - исследуемое волокно, ГИ - генератор импульсов, ФПУ - фотоприемное устройство, УОС - устройство обработки сигнала, Д – дисплей

Короткий оптический импульс мощного лазера (рис. 4.4) через одно пле­чо направленного ответвителя (НО) поступает в исследуемое ОВ. Обратно на вход ОР приходят оптические импульсы, отраженные от локальных неоднородностей исследуемого ОВ. Их называют френелевскими отражениями. Через НО они поступают на вход ФПУ. В НО происходят потери при вводе излучения от ИИ в ВТ и при выводе излучения из ВТ на ФПУ. Коэффициент оптических потерь обычно К_оп≤0,25.

Если в ОВ вводится мощность Р₀, коэффициент отражения от неоднород­ности равен R, то мощность отраженного импульса, приходящего на вход ОР, с учетом коэффициента затухания ОВ а и расстояния до неоднородности l:

, (4.6)

причем длительность отраженных импульсов без учета дисперсии будет равна длительности зондирующего импульса t_и.

Временной интервал t между зондирующим и отраженным импульсами определяется эквивалентным показателем преломления n, сердцевины ОВ и расстоянием l до неоднородности:

, (4.7)

Проходящий по ОВ зондирующий импульс рассеивается в любом сече­нии ОВ, а рассеянное излучение распространяется равномерно во все стороны. Это рассеяние называют рэлеевским и его невозможно устранить технологиче­скими приемами при изготовлении ОВ. Это рассеяние является линейным и его доля (коэффициент рассеяния α_s)не зависит от мощности зондирующего им­пульса при обычно используемых мощностях излучения.

Проходящий по ОВ оптический импульс длительностью t_иодновременно вызывает рассеяние с участка ОВ протяженностью

, (4.8)

где с - скорость света в вакууме.

Часть рассеянного излучения возвращается обратно к ОР. Она определя­ется фактором обратного рассеяния G, который зависит от апертурных свойств ОВ.

Факторы обратного рассеяния для MOB и для ООВ со ступенчатым про­филем показателя преломления следующие:

; . (4.9)

Для мощности излучения, рассеянного с участка ∆l, расположенного на расстоянии l от ОР и пришедшего к его входу, можно записать

. (4.10)

Совокупность рассеянного и отраженного излучений из исследуемого ОВ, приходящего на вход ОР, называют сигналом обратного рассеяния (СОР). СОР через второе плечо НО поступает (рис. 4.4) на ФПУ. После усиления в ФПУ и логарифмирования в УОС преобразованный СОР отображается в виде рефлектограммы на экране дисплея.

В табл. 4.1 приведены типичные значения относительного уровня СОР в ближней зоне ОВ при длительности зондирующего импульса 1 нc.

Таблица 4.1

Значение относительного уровня СОР

Типичная рефлектограмма СОР для ОВ приведена на рис. 4.5, где можно выделить однородные участки 2 (без неоднородностей) с постоянным коэффи­циентом затухания а, на которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания. Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала (участок 1) вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ОВ. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него опреде­ляет важный параметр ОР - мертвая зона, т. е. расстояние ∆l_м, на котором не­возможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания.

Выброс сигнала с перепадом затухания (участок 4) возникает при нали­чии в тракте разъемного соединителя и маленьких включений инородных при­месей или пузырьков воздуха, которые характеризуются возвратными потерями

α_в = -10 lgR , (4.11)

где R - коэффициент отражения.

Рис. 4.5. Сигнал обратного рассеяния

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки во­локон), в которых обычно отсутствуют отражения, показаны на рис. 4.5 сту­пенькой 3. Конец ОВ или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу (участок 5) и участку 6 с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.

Метод обратного рассеяния позволяет:

- определять по одной рефлектограмме одновременно целый ряд основ­ных параметров ОВ;

- проводить измерения при одностороннем доступе к ОВ;

- измерять не только общее затухание, но и распределение потерь вдоль ОВ;

- выявлять дефектные, например, замокшие участки, характеризующиеся скачкообразным изменением сигнала обратного рассеяния;

-диагностировать текущее состояние ОВ и прогнозировать аварийные ситуации путем сравнения только что зарегистрированной и паспортной рефлектограмм ОВ.