Что такое OTDR?

Основные понятия

Оптический Рефлектометр (OTDR) сочетает в себе лазерный источник и детектор, которые позволяют получить информацию о состоянии волокна. Лазерный источник отправляет сигнал в волокно, а детектор принимает излучение, отраженное от различных элементов линии. В соответствии с полученным сигналом строится график и после проведения анализа создается таблица событий (дефектов, неоднородностей и т.п.), которая содержит полную информацию о каждом компоненте линии. Отправляемый сигнал представляет собой короткий импульс определенной мощности. После отправки сигнала таймер точно отсчитывает время прохождения импульса, зная свойства волокна, время затем пересчитывается в расстояние. По мере прохождения импульса в волокне небольшая часть энергии возвращается назад к детектору. Это происходит из-за отражения на соединениях и рассеяний в самом волокне. После того как импульс полностью вернулся к детектору, в волокно отправляется другой импульс и так далее до истечения установленного времени накопления данных. Таким образом, за секунды проводится множество измерений, которые затем усредняются и позволяют получить ясное представлению о составе линии. После завершения процесса накопления данных также происходит обработка сигнала для расчета расстояния, общих потерь в линии, оптических возвратных потерь (ORL) и затухания в волокне. Главным преимуществом использования рефлектометра является проведение измерения с одной стороны линии, что требует наличия только одного оператора и одного прибора для оценки состояния линии или нахождения неисправности в сети. На рисунке 1 показана блок-схема рефлектометра.

Рисунок 1. Блок-схема OTDR

Ключевой параметр - Отражение

Как это было описано в предыдущем разделе, рефлектометр позволяет получить графическое представление линии, измеряя уровень излучения, которое вернулось после отправления импульса. Заметьте, что излучение имеет два типа: постоянный низкий уровень, возникающий в волокне, который называется Рэллеевским рассеянием и пиковое отражение высокой мощности в точках соединения, которое называется Френелевским отражением. Рэлеевское рассеяние используется для расчета уровня затухания в волокне в виде функции от расстояния (выражается в дБ/км). Это затухание показано прямой наклонной линией на рефлектограмме. Это явление возникает по причине естественного отражения и поглощения излучения на неоднородностях волокна. При попадании в неоднородность происходит перенаправление излучения в различных направлениях, что создает затухание сигнала и обратное рассеяние. Короткие длины волн затухают больше чем длинные, которые могут распространяться на большие расстояния в стандартном волокне. На рисунке 2 показано Рэлеевское рассеяние.

Рисунок 2. Релеевское рассеяние

Второй тип отражения, используемый в измерениях рефлектометра — это Френелевское отражение, которое позволяет обнаружить физические дефекты в линии. Когда свет наталкивается на резкое изменение показателя преломления (например: переход стекло - воздух), большое количество излучения отражается обратно, создавая Френелевское отражение, которое может быть в тысячи раз больше Рэлеевского рассеяния. Такое отражение отображается пиковым изменением уровня мощности на рефлектограмме линии. Примерами подобных отражений могут послужить коннекторы, механические соединители, оптические розетки, обрывы волокон или открытые коннекторы. На рисунке 3 показаны различные соединения, которые создают Френелевские отражения.

Рисунок 3. Френелевские отражения, созданные (1) механическим соединителем (2) оптической розеткой (3) открытым коннектором

Что такое мертвые зоны?

Значение Френелевских отражений в полной степени раскрывается в важной характеристике рефлектометра, называемой мертвой зоной. Существует два типа мертвых зон: по отражениям (event) и по затуханиям (attenuation). Обе зоны проистекают из явления Френелевского отражения и выражаются в единицах расстояния (метрах). Эти зоны меняются в зависимости от мощности отражений. Мертвая зона определяется как время на протяжении, которого детектор временно ослеплен большим уровнем отраженного излучения, до момента восстановления возможности измерять излучение. В качестве примера можно привести ситуацию, когда вы ведете машину ночью, и навстречу вам едет другая машина – ваши глаза ослепляются на короткий период времени. В рефлектометрии время преобразуется в расстояние, поэтому большой уровень отражений приводит к более длительному времени восстановления и в свою очередь к более протяженной мертвой зоне. Большинство производителей указывают мертвые зоны для самого короткого доступного импульса и для отражения -45 дБ в случае одномодового волокна или -35 дБ для многомодового волокна. По этой причине при чтении технических характеристик важно ознакомится и со сносками, поскольку производители могут использовать разные условия тестирования для измерения мертвых зон, обратите особенное внимание на длительность импульса (ширину) и значение отражения. Например, отражение -55 дБ для одномодовых волокон обеспечивает более оптимистичные значения (более короткую мертвую зону), чем при использовании отражения -45 дБ. Объяснение этому очень простое, т.к. отражение -55 дБ меньше чем -45 дБ, то детектор восстанавливается быстрее. Также использование различных методик для расчета расстояния может также повлиять на получение еще более короткой мертвой зоны, чем на самом деле.

Мертвая зона для отражений

Мертвая зона для отражений представляет собой минимальное расстояние после Френелевского отражения, на котором рефлектометр сможет обнаружить другое отражение (событие). Другими словами – это минимальное расстояние между двумя отражающими событиями в волокне. Продолжая автомобильную аналогию, использованную выше, когда ваши глаза ослеплены, после нескольких секунд вы сможете заметить объект на дороге, но не сможете правильно его идентифицировать. В случае рефлектометра, последующее событие будет обнаружено, но потери не будут измерены (показано на Рисунке 4). Рефлектометр объединяет рядом стоящие события и отображает общее отражение и общие потери для всех слившихся событий. Для определения характеристик наиболее часто используемым в отрасли методом является измерение расстояние на -1.5 дБ с каждой стороны пика отражения (см. рисунок 5). Также используется другой метод, который измеряет расстояние от начала события до того момента пока уровень отражений не упадет на -1.5 дБ от этого пика. Мертвые зоны, получаемые с помощью этого метода, более протяженные и поэтому этот метод не часто используется производителями.

Рисунок 4. Слившиеся события для длинной мертвой зоны

Рисунок 5. Измерение мертвой зоны для отражений

Важность наличия наименьшей возможной мертвой зоны для отражений заключается в возможности рефлектометра обнаруживать близко расположенные события в волокне. Например, тестирование внутриобъектовых сетей требует применения рефлектометра с самыми короткими мертвыми зонами, поскольку патч-корды, которые соединяют различные передающие системы очень короткие. Если мертвые зоны слишком протяженные, некоторые коннекторы могут быть пропущены и не будут обнаружены техническим персоналом, что только усложняет нахождение потенциальных проблем.

Мертвые зоны для затуханий

Мертвая зона для затуханий представляет собой минимальное расстояние после Френелевского отражения, где рефлектометр сможет точно измерить потери следующего за отражением события. Продолжая использовать автомобильный пример ситуация выглядит примерно так: после истечения некоторого времени после ослепления, ваши глаза восстановятся достаточно для того, чтобы идентифицировать и проанализировать природу этого объекта на дороге. Как показано на рисунке 6 детектор будет иметь достаточно времени для восстановления и таким образом сможет обнаружить и измерить потери на данном событии. Минимальное необходимое расстояние измеряется от начала отражающего события до момента падения уровня отражения до 0,5 дБ выше уровня обратного рассеяния (см. к рисунку 7).

Рисунок 6. Мертвая зона по затуханию

Рисунок 7. Измерение мертвой зоны для затуханий

Важность мертвых зон

Короткие мертвые зоны позволяют рефлектометру не только обнаруживать событие, следующее за отражением, но и также получать информацию о потерях близко расположенных событий. Например, потери короткого патч-корда в сети теперь могут быть измерены, что позволит техническому персоналу иметь более ясное представление о том, что происходит внутри.

Мертвые зоны также подвержены влиянию другого фактора, а именно зависят от ширины импульса. В технических спецификациях используется наименьшая ширина импульса, что позволяет указать наименьшую мертвую зону. Однако, мертвые зоны не всегда имеют одинаковое значение, они увеличиваются вместе с увеличением длины импульса. Использование наиболее длинного импульса приводит к получению очень длинных мертвых зон, однако у таких импульсов есть свое предназначение, которое будет рассмотрено далее.

Динамический диапазон

Одним из наиболее важных параметров рефлектометра является динамический диапазон. Этот параметр показывает, какой максимальный уровень потерь рефлектометр может проанализировать на своем порте от уровня обратного рассеяния до указанного уровня шумов. Другими словами динамический диапазон представляет собой максимальную длину волокна, которую можно измерить с максимальным импульсом. Следовательно, чем больше динамический диапазон (в дБ), тем большее расстояние может быть измерено. Очевидно, что максимальное расстояние зависит от конкретного применения, поскольку потери в тестируемой линии отличаются. Коннекторы, соединения волокон (сварки) и разветвители являются теми основными факторами, которые уменьшают максимальную длину в рефлектометрических измерениях. Поэтому проведение более длительного усреднения и использование правильно выбранного диапазона расстояний являются ключевыми параметрами для увеличения максимального измеряемого расстояния. Большинство технических характеристик динамического диапазона приводятся для наиболее длительного импульса с трехминутным периодом усреднения и соотношением сигнал/шум (SNR)=1 (усредненный уровень среднеквадратичного значения шума). Опять необходимо отметить, что важно прочитать все примечания в технических спецификациях для получения подробной информации об условиях измерения.

Хорошим правилом является выбор рефлектометра, который имеет динамический диапазон на 5-8 дБ выше, чем максимальные ожидаемые потери. Например, одномодовый рефлектометр с динамическим диапазоном 35 дБ имеет полезный динамический диапазон около 30 дБ. Предполагая, что типичное затухание в волокне равно 0,20 дБ/км на длине волны 1550 нм, а соединения волокон располагаются каждые 2 км (с потерями 0,1 дБ на соединение), то такой прибор сможет точно измерить расстояние до 120 км. Максимальное расстояние может быть приблизительно рассчитано разделив динамический диапазон рефлектометра на затухание в волокне. Это поможет определить какой динамический диапазон позволит прибору достичь конца волокна. Обратите внимание, что чем больший уровень потерь присутствует в линии, тем больший динамический диапазон потребуется для успешного измерения. Также необходимо отметить, что большой динамический диапазон, указываемый для импульса 20 мкс не гарантирует большого динамического диапазона при коротких импульсах. Чрезмерная фильтрация рефлектограммы помогает искусственно увеличить динамический диапазон для всех импульсов, но за это придется заплатить в виде ухудшения разрешения и ухудшения возможности обнаружения дефектов (подробное объяснение этого явления будет рассмотрено ниже).

Ширина импульса

Что такое ширина импульса?

Ширина импульса представляет собой время, на протяжении которого, лазерный источник излучает (включен). Как мы знаем, время пересчитывается в расстояние и, таким образом, импульс имеет длину. В рефлектометрии импульс переносит энергию необходимую для создания в линии обратного рассеяния, по которому проводится оценка параметров линии. Чем короче импульс, тем меньше энергии он переносит и, тем на меньшее расстояние он распространяется из-за потерь, присутствующих в тестируемом волокне (т.е. затухания, коннекторов, сварок и т.п.). Длительный импульс позволяет переносить больше энергии и используется для измерений волокон большой протяженности. На рисунке 8 показана ширина импульса как функция времени.

Рисунок 8. Короткий и длинный импульсы

Если импульс слишком короткий он, теряет свою энергию не достигнув конца волокна, приводя к тому, что уровень обратного рассеяния становится слишком низким и информация теряется на фоне шума. Это приводит к невозможности измерения всей длины волокна. В связи с этим полностью линию измерить невозможно, поскольку измеренное расстояние до конца волокна будет намного короче, чем реальная длина волокна. Рефлектометр не может далее обрабатывать полученный сигнал, и результат измерения может быть некорректным.

Практическое использование импульсов различной длительности

В случаях, когда рефлектограмма становится чрезмерно зашумленной имеется два легких способа, позволяющих получить более чистую рефлектограмму. В первом случае возможно увеличить время измерения, что приведет к значительному улучшению (увеличению) SNR, и при этом будет сохранено хорошее разрешение, т.к. импульс по-прежнему остался коротким. Однако, увеличение времени измерения имеет свои ограничения и не позволяет до бесконечности увеличивать соотношение сигнал/шум. Если рефлектограмма все еще остается зашумленной, тогда можно переходить ко второму методу, при котором используется следующий доступный больший по длительности импульс (больше энергии). Однако необходимо заметить, что мертвые зоны также увеличиваются вместе с увеличением импульса. К счастью большинство рефлектометров на рынке оснащены автоматическим режимом работы, который выбирает подходящую длительность импульса для тестируемого волокна. Эта функция может быть очень удобна, когда потери в линии или длина линии не известны.

При оценке сети или волокна обязательным условием является выбор правильной длительности (ширины) импульса для тестируемой линии. Короткие импульсы, короткие мертвые зоны и низкая мощность используются для тестирования коротких линий, где события расположены близко. Длинные импульсы, длинные мертвые зоны и высокая мощность используются для тестирования протяженных линий или при высоком уровне потерь в сети.

Разрешение и точки выборки

Способность рефлектометра правильно определять расстояние до неоднородности зависит от комбинации различных параметров, среди которых разрешение и точки выборки. Разрешение может быть описано как «минимальное расстояние между двумя последовательно расположенными точками выборки, которые были измерены прибором». Этот параметр имеет критически важное значение, поскольку от него зависит точность определения расстояния и способность рефлектометра указывать положение неоднородностей. В зависимости от выбранной ширины импульса и диапазона расстояний это значение может меняться от 4 см до нескольких метров. Следовательно, для поддержания наилучшего возможного разрешения необходимо взять большое количество точек. На рисунках 9а и 9б проиллюстрирована роль, которую играет высокое разрешение для нахождения дефектов.

Рисунок 9: Разрешение и эффективность нахождения дефектов: (a) разрешение 5 метров (более высокое разрешение). (б) разрешение 15 метров (низкое разрешение)

Как было рассмотрено выше, наличие большого количества точек выборки позволяет получить более высокое разрешение (расстояние между точками короче), что является наилучшим условием для обнаружения неоднородностей в линии.

Заключение

В настоящее время на рынке доступно множество моделей рефлектометров, которые позволяют решать различные задачи по тестированию и измерениям – от простых локаторов обрывов до профессиональных, насыщенных функциями инструментов. Для того чтобы сделать осознанный выбор при покупке рефлектометра, необходимо принимать во внимание фундаментальные параметры, поскольку выбор оборудования основанный только на обобщенных параметрах и стоимости приведет к проблемам в случае если выбранная модель не будет соответствовать применению для которого она предназначалась. Рефлектометр имеет ряд сложных характеристик, и большинство их предполагает принятие компромиссных решений. Понимание этих параметров и знание, каким образом их можно проверить поможет покупателям сделать правильный выбор, удовлетворяющий предъявляемым требованиям и позволяющий увеличить производительность и сохранить средства.

Источник: http://www.exforussia.ru