Волоконно-оптические кабели и оборудование

Метрологическое обеспечение оптических рефлектометров

1. Метрологические и функциональные возможности оптического рефлектометра

Наиболее распространённым типом оптических рефлектометров является рефлектометр, использующий последовательность единичных зондирующих импульсов. В иностранных источниках такие рефлектометры определяются как "optical time-domain reflectometer (OTDR)".

При прохождении оптического импульса по тестируемому волокну в каждый момент времени происходит Рэлеевское рассеяние на его локальных неоднородностях. Сигнал этого рассеяния в обратную от движения светового импульса сторону регистрируется приёмным фотодиодом рефлектометра. Сигнал обратного рассеяния составляет порядка 0,0001% мощности зондирующего импульса. Измерение временного интервала между зондирующим импульсом и сигналом обратного рассеяния даёт возможность определить физическую длину между двумя точками волокна:

0,5 - коэффициент, учитывающий двойное прохождение сигнала по волокну;
- время прохождения зондирующего сигнала и сигнала обратного рассеяния;
N - показатель преломления оптического волокна;
с - скорость света в вакууме.

Таким образом, измерение длины (расстояния до неоднородности) оптического волокна заключается в измерении временных интервалов участков рефлектограммы.

При прохождении оптического импульса по тестируемому волокну его мощность (амплитуда) уменьшаются за счёт рассеивания и потерь на локальных неоднородностях волокна. Очевидно, что и сигнал обратного рассеяния (его амплитуда) будут снижаться. Мощность сигнала обратного рассеяния зависит от амплитуды и длительности посылаемого импульса. Анализ зависимости изменения амплитуды сигнала обратного рассеяния на участках волокна позволяет оценить затухание рассматриваемых участков:

A=10log(Pвх/Pвых), где

Pвх - мощность (Вт) в начале участка волокна;
Pвых - мощность (Вт) в конце участка волокна.

Рефлектометр за один цикл измерений оптического волокна (кабеля) позволяет определить:

  • длину всего кабеля и расстояния до любого его участка;
  • затухание всего кабеля и его отдельных участков;
  • коэффициент затухания на единицу длины кабеля (например, на километр);
  • затухание в неоднородностях кабеля;
  • коэффициент отражения от разъёмного соединения двух оптических волокон или от конца оптического волокна (Pотр/Pвх);
  • отношение мощности, вводимой в оптическое волокно, к мощности, вернувшейся к началу волокна от заданного участка или всей линии (optical return loss, ORL).

Возможности рефлектометра (его качество) по измерению указанных выше параметров определяются следующими его характеристиками:

  • длина волны излучения;
  • длительность импульсов;
  • мертвая зона;
  • динамический диапазон измерения затухания;
  • разрешающая способность.

2. Поверка оптических рефлектометров

Обычно поверка определяется как совокупность операций, выполненных органами метрологической службы по определению пригодности средств измерений к применению, клеймению и (или) выдаче документа о поверке, подтверждающих, что средство измерений удовлетворяет узаконенным требованиям [1]. Различают поверку первичную (при производстве или ремонте) и периодическую (в процессе эксплуатации).

По определению, данному в [2], поверка - проведение в оговоренных условиях действий, которые устанавливают соотношение между величинами, индицируемыми измерительным прибором, и заранее известными их значениями.

С точки зрения подтверждения метрологических характеристик оптического рефлектометра, основными физическими величинами, подлежащими нормированию, являются расстояние и погрешность её измерения, а так же затухание и погрешность его измерения. В рекомендациях МЭК [2] для оптических рефлектометров именно эти два параметра определены в качестве минимального набора для их поверки и разработаны методы её проведения.

Нормативным документом Российской федерации [3] количество нормированных параметров увеличено. При проведении периодической поверки дополнительно проверяются динамический диапазон и минимальная дискретность отсчёта при измерениях расстояний и затухания. Для первичной поверки перечень параметров по сравнению с периодической расширен проверкой длины волны, мёртвой зоны и длительности импульсов.

Вопрос о необходимом количестве параметров оптического рефлектометра, подлежащих поверке, является на сегодняшний день дискуссионным. Очевидно, что расстояние и погрешность его измерения, а так же затухание и погрешность его измерения подлежат обязательной поверке. Коэффициент затухания, коэффициент отражения, затухание в неоднородности, ORL участка оптического волокна рассчитываются математически по результатам измерения первых двух параметров. При условии подтверждения точности измерения этих двух величин и корректности заложенного программного обеспечения в приборе, указанные выше параметры будут индицироваться корректно и могут не подвергаться периодической поверке. С другой стороны, такие параметры самого рефлектометра как динамический диапазон и мёртвая зона косвенно влияют на основные метрологические характеристики прибора. Например, уменьшение мощности лазера приводит к росту влияния шумов на результаты измерения и изменяет их погрешность. Изменение мёртвой зоны (например, износ оптического разъёма рефлектометра) приводит к увеличению начального участка оптического волокна, с которого можно производить оценку его состояния. Оставшиеся параметры - длина волны излучения, длительность зондирующих импульсов, разрешающая способность - менее подвержены изменениям с течением времени, так как они определены физическими данными комплектующих изделий (лазерный диод, кварцевый резонатор, процессор).

Таким образом, к параметрам оптического рефлектометра, периодическая поверка которых обязательна, можно отнести:

  1. определение погрешности измерения расстояний;
  2. определение погрешности измерения затухания;
  3. измерение величины мёртвой зоны при заданном коэффициенте отражения;
  4. определение динамического диапазона.

Для обеспечения уверенности покупателя (пользователя) в том, что оставшиеся параметры, характеризующие оптический рефлектометр соответствуют техническим условиям и/или рекламным материалам, производителю (продавцу) необходимо провести Государственные сертификационные испытания приборов, где проверяются все заявляемые параметры без исключения. Сертификация измерительного оборудования государственными органами позволяет производителю документально подтвердить характеристики выпускаемого прибора, не контролируемые при периодической поверке. Покупатель (пользователь) имеет возможность ознакомиться с этими данными в Реестре средств измерений, допущенных к применению. Кроме этого, покупка сертифицированного измерительного оборудования гарантирует пользователю наличие официально утверждённой методики его поверки.

3. Выбор метода поверки оптического рефлектометра

При проведении измерений оптического волокна и в процессе поверки рефлектометра существуют погрешности самого прибора (инструментальная погрешность) и погрешности, обусловленные характеристиками оптического волокна (методическая погрешность). К инструментальной погрешности относятся погрешности за счёт нелинейности аналого-цифрового преобразователя, недостаточного быстродействия фотоприёмника, начальной задержки зондирующего импульса и т.д. К методической погрешности относятся погрешности за счёт не точности оценки показателя преломления, длины волны излучения, дисперсии, старения волокна и т.д. [4].

Документами МЭК [2] рекомендовано три альтернативных метода определения погрешности временной шкалы расстояний и четыре метода определения погрешности измерения затухания. Один из предлагаемых методов - метод внешнего источника - в обоих случаях позволяет свести к минимуму методическую погрешность при проведении поверки оптического рефлектометра. Другие методы используют наборы оптических волокон и имеют ряд недостатков:

  • невысокая долговременная стабильность параметров оптических волокон;
  • ограниченное количество точек, где поверяется шкала расстояний;
  • сложность создания эталонных значений затухания на определённом временном участке;
  • большие материальные затраты для обеспечения большого диапазона измерений.

В [4] отмечается, что активный метод с внешним источником утверждён в нормативном документе Российской Федерации [3] и имеет следующие преимущества по сравнению с остальными методами:

  • может быть применён при автоматизации процесса калибровки в производстве;
  • даёт возможность оценить инструментальную погрешность рефлектометра;
  • позволяет оценивать шкалу затуханий на любом её участке;
  • нет погрешностей за счёт факторов, связанных с оптическим волокном (дисперсия, старение, изменение длины волны);
  • не требует контроля поляризации;
  • нет принципиальных ограничений по диапазону нормируемых величин и дискретности;
  • универсальность (может быть применён для поверки рефлектометра по обеим шкалам).

На базе оптического генератора ОГ-2-1 реализуется рабочее место поверителя при использовании метода внешнего источника, которое включает в себя два элемента: оптический генератор и катушка оптического волокна без конкретных метрологических требований к параметрам с длиной не менее 5 км.

Принцип работы оптического генератора основан на формировании оптических импульсов заданной длительности и с заданной задержкой по отношению к импульсу, генерируемому оптическим рефлектометром. При этом амплитуда импульсов генератора может регулироваться с помощью встроенных аттенюаторов, а её изменение - измеряться с высокой точностью с помощью измерительного оптического приёмника с высокой линейностью. Поверка рефлектометра осуществляется путём сравнения временного положения и амплитуды оптических импульсов на экране рефлектометра со значениями, заданными генератором. Расстояние до измерительных импульсов задаётся с очень высокой точностью.

Оптический генератор ОГ-2-1 является уникальным эталонным прибором, позволяющим производить поверку оптических рефлектометров. Институт информационных технологий, на сегодняшний день, является единственным предприятием в мире, производящим оборудование такого типа.

ОГ-2-1 позволяет осуществить поверку:

  • погрешности шкалы расстояний оптического рефлектометра;
  • погрешности шкалы затухания оптического рефлектометра;
  • мертвой зоны оптического рефлектометра.

В 1999г. оптический генератор ОГ-2-1, в соответствии с Рекомендациями МИ 1907-99, рекомендован в качестве эталонного прибора для поверки оптических рефлектометров в Российской Федерации и используется в аккредитованных лабораториях ОАО "Ростелеком" и в Госстандарте России.

4. Выводы

Вопросы закупки рефлектометров и их поверки должны решаться совместно. Институт информационных технологий, например, предлагает для корпоративных клиентов комплексную поставку оптических рефлектометров ОР-2-2, включающую в себя:

  • обеспечение качества поставляемых ОР-2-2 через сертифицированную систему качества производства на соответствие требованиям стандартов ISO 9001;
  • сертификацию ОР-2-2 и внесение прибора в Реестр средств измерений страны пользователя;
  • утверждённую методику поверки, входящую в комплект поставки прибора;
  • обучение персонала потребителя на предприятии-изготовителе;
  • гарантийное и послегарантийное обслуживание приборов;
  • поставку рабочего места поверителя, включающее оптический генератор ОГ-2-1 со скидками до 90% при согласованном количестве закупок рефлектометров ОР-2-2;
  • первичную поверку каждого ОР-2-2;
  • свидетельство о метрологической аттестации эталонного оптического генератора ОГ-2-1.

Литература

  1. СТБ 8003-96 Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения. - Мн.,1996.
  2. International standard IEC 61746 "Calibration of optical time-domain reflectometers (OTDRs). - Geneva, 2001.
  3. МИ 1907-99 Рефлектометры оптические. Методика поверки. - М., 1999.
  4. Кравцов В.Е., Лукъянов А.М., Подюкова Л.В., Тихомиров С.В. Современные оптические рефлектометры. Вопросы метрологического обеспечения. Метрология и измерительная техника в связи, 1999, № 2, с.38-48.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно