Исследование методов ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи
На правах рукописи
Ситнов Николай Юрьевич
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
НОВОСИБИРСК – 2011
Работа выполнена на кафедре «Линии связи» Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Горлов Николай Ильич
Научный консультант: кандидат технических наук,
Деревяшкин Владимир Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Майстренко Василий Андреевич,
кандидат технических наук, доцент
Фокин Владимир Григорьевич
Ведущая организация: ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Защита состоится «19» декабря 2011 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01. при ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу:
630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ФГОБУ ВПО «СибГУТИ».
Автореферат разослан «___» ноября 2011 года
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 219.005.01
доктор технических наук, профессор ____________________ Г. В. Мамчев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Интенсивное развитие волоконно-оптической связи, высокая конкуренция между операторами связи и стоимость информационных ресурсов, передаваемых по сетям телекоммуникаций, выдвигают на ведущие позиции задачу централизованного контроля за сетевыми волоконно-оптическими линиями передачи (ВОЛП) с целью их документирования, своевременного обнаружения и скорейшего устранения повреждений в них. Поэтому в последнее время операторы начинают инвестировать немалые средства в развитие инфраструктуры своих волоконно-оптических сетей с акцентом на внедрение и совершенствование систем управления и автоматического мониторинга состояния линий и каналов связи.
Независимо от метода контроля оптических волокон такие системы должны обеспечивать:
- дистанционный контроль параметров волокон оптических кабелей;
- достоверное и своевременное документирование и составление отчетности;
- автоматическое обнаружение неисправностей волоконно-оптических линий и каналов связи с указанием их точного местоположения;
- контроль и управление процессом оповещения о повреждении оптических кабелей;
- проведение измерений параметров оптических волокон в автоматическом режиме;
- прогнозирование изменений параметров оптических кабелей.
Эти задачи частично могут быть решены автоматизированными системами администрирования волоконно-оптических кабелей, включающими систему удаленного контроля оптических волокон (RFTS - Remote Fiber Test System), программу привязки топологии сети к географической карте местности, а также базы данных оптических компонентов, критериев и результатов контроля. Используемый в этих системах метод обратного рэлеевского рассеяния не позволяет осуществлять локализацию дефектов на ранней стадии их развития.
Основной причиной повреждения оптического волокна является механическое напряжение. По данным исследований, если относительное удлинение волокна не превышает 0,3%, то оно может безотказно функционировать весьма продолжительное время – в течение 25 лет и более, тогда как в случае, если относительное удлинение превышает 0,6%, отказ может произойти в течение первого года эксплуатации. В этой связи наибольший интерес для ранней диагностики повреждений оптических волокон представляют тензометрические методы, позволяющие получить распределение натяжения волокна вдоль трассы кабеля. Контроль натяжения оптического волокна должен проводиться на всех этапах производства кабеля, при строительстве и эксплуатации ВОЛП. Можно утверждать, что измерение натяжения волокон необходимо проводить регулярно и повсеместно, на всех эксплуатируемых линиях.
Большой вклад в теорию измерений параметров волоконно-оптических линий передачи внесли отечественные ученые: Андреев В.А., Бурдин В.А., Бурдин А.В., Попов Б.В., Попов В.Б., Семенов А.Б., Портнов Э.Л., Дашков М.В., Кочановский Л.Н. и Глаголев С.Ф..
Одним из наиболее перспективных подходов к измерению натяжения волокон с практической точки зрения является использование принципов бриллюэновской рефлектометрии. Основная проблема для их широкого внедрения состоит в чрезвычайно высокой стоимости измерительного оборудования. Поэтому исследование возможностей использования альтернативных методов и поиск новых технических решений, позволяющих осуществить такие измерения более простыми средствами, представляют собой весьма актуальные задачи. Они обуславливают необходимость создания математических моделей и их реализаций в виде компьютерных программ, изыскания технических решений, направленных на упрощение бриллюэновских рефлектометров с целью оптимизации их технико-экономических показателей, а также создания имитационных моделей, позволяющих проводить эксперименты в данной области. Решению этих задач и посвящена данная работа.
Цель работы и задачи исследований
Целью диссертационной работы являются исследование методов ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи и научное обоснование альтернативных принципов построения оптических рефлектометров.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
- Определение перспективных направлений развития методов ранней диагностики ВОЛП в контексте существующей ситуации и технических решений, имеющихся в данной области.
- Разработка альтернативных принципов построения оптических рефлектометров, обладающих расширенными функциональными возможностями и более простых в практической реализации.
- Исследование перспективного метода рефлектометрии, основанного на использовании специальных шумоподобных сигналов, сеток частот и сигнала трафика. Разработка метода спектрографической рефлектометрии.
- Исследование функциональных возможностей метода бриллюэновской рефлектометрии применительно к диагностике ВОЛП.
- Исследование влияния основных факторов на сигнал бриллюэновского рассеяния.
- Разработка функциональных схем альтернативных вариантов бриллюэновских рефлектометров и их элементов.
- Разработка формантного метода бриллюэновской рефлектометрии и функциональных схем приборов, основанных на нем.
- Разработка методов и средств компьютерного моделирования процессов эволюции распространения сигналов в одномодовом оптическом волокне и получения рефлектограмм.
- Экспериментальная (на компьютерной модели) проверка метода спектрографической рефлектометрии с сеткой частот, описанного в работе.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались методы теории направляющих систем, теории линий передач, вычислительной математики, быстрое преобразование Фурье, компьютерная обработка табличных данных, программирование в среде СУБД, методы компьютерного и имитационного моделирования.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена корректной постановкой задач, подтверждается строгостью применяемого математического аппарата, а также данными, полученными в процессе имитационного моделирования, и положительными результатами апробации и внедрения.
Личный вклад
Автору принадлежит формулировка всех описанных в диссертации обнаруженных закономерностей и выводов. Все предлагаемые в работе научные положения, функциональные схемы приборов, алгоритмы моделирующих программ и сами эти программы, технология и средства проведения экспериментов и их результаты получены соискателем лично.
Научная новизна
В работе решены научные задачи, новизна которых заключается в следующем:
- Обнаружена и исследована корреляция между поперечным эффектом Доплера и результатами измерения частоты бриллюэновского рассеянного излучения.
- Разработана классификация рефлектометрических методов, используемых при исследовании оптических волокон.
- Предложен спектрографический метод рефлектометрии, основанный на использовании шумоподобных сигналов, сеток частот и сигнала, переносящего трафик в ВОЛП.
- Предложен формантный метод бриллюэновской рефлектометрии, являющийся разновидностью упомянутого выше спектрографического метода.
- Предложен ряд способов реализации имитационных моделей одномодового оптического волокна и процессов, происходящих при распространении в нем сигналов, а также процессов получения рефлектограмм.
Практическая ценность
- Разработаны принципы построения измерителей натяжения, основанных на формантном методе бриллюэновской рефлектометрии.
- Предложена функциональная схема рефлектометра с использованием сигнала, переносящего трафик в ВОЛП, в качестве зондирующего сигнала.
- Предложен ряд технических решений для создания программ моделирования распространения оптических сигналов в одномодовом волокне.
- Создан упрощенный комплекс программ для моделирования распространения оптических сигналов в одномодовом волокне в условиях многократных отражений света от неоднородностей, и для получения рефлектограмм.
- Разработана технология проведения экспериментов в области оптической спектрографической рефлектометрии с сеткой частот. Созданы средства для синтеза измерительных сигналов такого вида, и для визуализации результатов.
- Даны практические рекомендации по реализации спектрографических рефлектометров.
- Проведенные исследования являются составной частью хоздоговорной НИР с ОАО «Ростелеком» «Анализ методов мониторинга и ранней диагностики распределенных волоконно-оптических сетей», шифр «Мониторинг», в которой автор принимал участие.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты исследований были внедрены следующими организациями:
- ОКБ «Салют» – при проектировании измерительных комплексов. Внедрены следующие результаты диссертационной работы:
- Спектрографический метод рефлектометрии оптических волокон, использующий сумму сеток частот с различным шагом и выделение разностных частотных составляющих;
- Способ формирования зондирующего сигнала и принципы построения оптических рефлектометров.
Использование указанных результатов работы позволило улучшить метрологические характеристики проектируемых комплексов и снизить их стоимость.
- Сибирским научно-исследовательским институтом метрологии – при разработке методик государственных испытаний оптических измерительных приборов импульсно-рефлектометрического типа.
- НПП СТЭЛЛ – внедрены следующие результаты:
- Спектрографический метод рефлектометрии оптических волокон;
- Формантный метод бриллюэновской рефлектометрии;
- Предлагаемые в работе функциональные схемы измерительных приборов.
Использование результатов позволило улучшить метрологические характеристики и снизить стоимость проектируемых приборов.
- Федеральным государственным образовательным бюджетным учреждением высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ) на кафедре «Линии связи» факультета Мультисервисных телекоммуникационных систем, а именно:
- в лекционных и практических курсах по дисциплинам «Оптические направляющие системы и пассивные компоненты ВОСП», «Метрология в оптических телекоммуникационных системах» по специальности 210400 – «Физика и техника оптической связи», а также в курсе «Методы и средства измерения в телекоммуникационных сетях» по специальности 210404 – «Многоканальные телекоммуникационные системы»;
- в дипломном проектировании.
- в виде рекомендаций по созданию программного обеспечения для моделирования процесса распространения сигналов по одномодовому оптическому волокну, а также процесса получения рефлектограмм.
Имеются соответствующие подтверждающие документы о результатах внедрения.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» 2008, 2009, 2010 и 2011 годов,
- IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2008 г.,
- X Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей», 2008г.,
- V Международной заочной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий», 2008 г.,
- X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2010 г.,
- Всероссийской конференции по волоконной оптике, 2011 г.
Публикации
Основные результаты работы представлены в 22 печатных трудах, два из которых входят в перечень ведущих рецензируемых журналов, рекомендуемых ВАК. Один труд опубликован за рубежом.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (67 наименований), а также приложений. Работа изложена на 222 страницах основного текста. В состав ее входят 63 иллюстрации и 43 таблицы. Приложения представлены на 23 страницах.
Основные результаты, выносимые на защиту
На защиту диссертации выносятся следующие результаты:
- Спектрографический метод рефлектометрии, основанный на использовании шумоподобных сигналов, сеток частот и сигнала, переносящего трафик в ВОЛП;
- Формантный метод бриллюэновской рефлектометрии, являющийся разновидностью упомянутого выше спектрографического метода;
- Способы реализации имитационных моделей одномодового оптического волокна и процессов, происходящих при распространении в нем сигналов, а также процессов получения рефлектограмм.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, приведена цель работы, задачи исследования, структура и объем диссертации, а также ее краткое содержание. Кроме того, здесь имеется информация о научной новизне работы и основных положениях, выносимых на защиту.
В первой главе содержится аналитический обзор существующих в настоящее время технических достижениях в области ранней диагностики волоконно-оптических кабелей.
Основная идея, лежащая в основе ранней диагностики состоит в том, что необходимо контролировать наиболее опасный для состояния оптического волокна фактор – его механическое натяжение. Такой контроль следует производить как на этапах изготовления кабеля и строительства ВОЛП, так и в течение всей последующей его эксплуатации.
Для определения натяжения применяются различные методы, основанные, в частности, на контроле затухания и фазового набега. Указанные методы, используемые в заводских условиях, дают средние данные по контролируемому волокну, не позволяя получить распределение натяжения по его длине и локализовать участки с опасными значениями относительного удлинения.
Вместе с тем, существует еще один способ определения состояния волокон, который можно рассматривать, в некотором смысле, как расширение упомянутого выше метода контроля затухания. Это непрерывный мониторинг оптических кабелей, осуществляемый системами дистанционного тестирования волокон (RFTS) в процессе эксплуатации ВОЛП. В работе достаточно подробно излагаются все основные аспекты устройства и применения RFTS.
Метод бриллюэновской рефлектометрии является практически единственным, позволяющим измерить абсолютное натяжение оптического волокна. Кроме того, его использование дает возможность проведения измерений при доступе к волокну с одной стороны. Таким образом, этот метод наиболее удобен во всех случаях, когда необходимо получить распределение натяжения волокна вдоль его длины.
В работе содержатся данные о существующих бриллюэновских анализаторах и рефлектометрах. Рассматривается их принцип действия, приводятся блок-схемы и краткие сведения о функциональных возможностях. Дается обзор приборов для бриллюэновской рефлектометрии, к числу которых относятся рефлектометры AQ8602 и AQ8603 (Yokogawa), а также анализатор Omnisens DiTeSt STA100/200. Приводятся их технические характеристики.
Глава 2 посвящена исследованию способов увеличения предельных функциональных возможностей оптических рефлектометров и содержит анализ характерных проблем, имеющихся в данной области.
К числу наиболее важных параметров любого оптического рефлектометра относятся длина дистанции измерения и разрешающая способность. Очевидно, расстояние до наиболее дальних участков анализируемого волокна, сигналы от которых может распознавать прибор, зависит как от энергии тестирующего оптического импульса (волнового пакета), так и от параметров приемного тракта, в частности – от коэффициентов передачи входящих в него усилителей и от его собственных шумов. Энергия вводимого в оптическое волокно тестирующего импульса прямо пропорциональна его длительности и пиковой мощности. Но увеличению пиковой мощности этого импульса препятствуют нелинейные эффекты в волокне, а возрастание его длительности приводит к падению разрешающей способности прибора.
Следует заметить также, что соответствующая разрешающая способность рефлектометра может быть обеспечена лишь в случае достаточно широкой полосы пропускания его приемно-усилительного тракта. При увеличении полосы возрастает и эквивалентная мощность шума приемника. Таким образом, сокращение длительности тестирующего импульса, сопровождаемое соответствующим расширением полосы пропускания приемника, оказывает двоякое негативное действие на уменьшение отношения сигнал/шум и дистанции измерения – в результате уменьшения энергии импульса и увеличения шумов.
Существует, однако, возможность обеспечить регистрацию принимаемых сигналов даже при чрезвычайно низких отношениях сигнал-шум. Основана она на том факте, что среднее значение шумового компонента в сигнале является нулевым, что позволяет, последовательно суммируя результаты многократных измерений, устранить шум на рефлектограммах. Но при этом возрастает время измерения.
Подводя итог сказанному следует отметить, что отношение между мощностью и продолжительностью тестирующего импульса или между динамическим диапазоном и пространственным разрешением является взаимно конкурирующим и представляет фундаментальный предел традиционной OTDR. Таким образом, для этого метода рефлектометрии характерна необходимость поиска компромисса между динамическим диапазоном, определяющим длину дистанции измерений, и разрешающей способностью.
Необходимость одновременного улучшения перечисленных параметров рефлектометра, продиктованная, в частности, развитием систем RFTS, обусловливает актуальность поиска новых технических решений в области оптической рефлектометрии.
Одной из важнейших тем, рассмотренных в рамках диссертационного исследования, является низкокорреляционная оптическая рефлектометрия с применением шумоподобных сигналов радиочастотного диапазона. В работе приведены функциональные схемы приборов. Рассмотрены два способа обработки полученных рефлектометром данных, один из которых состоит в вычислении корреляционной функции от цифровых образов переданного и принятого сигналов при выполнении серии последовательных сдвигов одного из них.
Суть другого – предложенного способа – заключается в следующем. Сумма переданного и принятого шумовых (или шумоподобных) сигналов подвергается спектральному анализу, затем выделяется огибающая полученного спектра. Далее осуществляется спектральный анализ этой огибающей. Полученное изображение спектра и является рефлектограммой исследуемого волокна. Рассматриваемый метод зондирования волокон в сочетании с такой обработкой данных получил в работе название метода спектрографической рефлектометрии.
Далее производится обоснование технических решений, лежащих в основе измерительных приборов, использующих эту технологию, прообразом которой является известный метод LC-OTDR, и анализируются возможные варианты схем рефлектометров. В частности, предлагается подход, с одновременной подачей в волокно всех частотных составляющих измерительного сигнала, и анализом передаваемого и принимаемого сигналов внутри сканирующего спектрального «окна», что реализуется при помощи двух узкополосных перестраиваемых приемников.
Развитием представленных идей является способ рефлектометрического зондирования, отличающийся от рассмотренного использованием сигнала, переносящего трафик, в качестве измерительного сигнала. Приведена упрощенная схема прибора.
В работе предложена классификация непрерывноволновых рефлектометрических методов по трем признакам – одновременному/разновременному наличию всех частотных составляющих измерительного сигнала на выходе прибора, одновременному/разновременному прохождению всех частотных составляющих измерительного сигнала через приемный тракт рефлектометра, а также способу обработки данных.
Глава 3 посвящена исследованиям тензометрических методов ранней диагностики состояния волоконно-оптических линий передачи. В ней дано достаточно подробное описание явлений спонтанного и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Принцип вынужденного рассеяния демонстрируется на наглядной схеме.
В работе представлены результаты проведенного автором теоретического исследования влияния поперечного эффекта Доплера на частотный сдвиг бриллюэновского сигнала. Такое влияние имеет место при том условии, что точки расположения источника и приемника излучения имеют различную скорость перемещения при вращении Земли, располагаясь на разном расстоянии от ее оси. Понятие «источник» при этом, трактуется двояко. Во-первых, им является любой участок оптического волокна, рассматриваемый в том смысле, что в нем генерируется бриллюэновское рассеяние. Во-вторых, исследуется также случай, при котором два лазера, входящие в состав бриллюэновского анализатора, физически располагаются на разных концах волокна, что вносит дополнительный частотный сдвиг. В этом случае под источником подразумевается лазер, интенсивность излучения которого, усиленная или ослабленная (в зависимости от варианта метода) в волокне за счет ВРМБ, является информативным параметром при измерении.
Показано, что частотные сдвиги, имеющие место за счет рассматриваемого эффекта, как в первом, так и во втором случаях являются весьма малыми, даже для теоретического предела разности скоростей источника и приемника в условиях Земли. Тем не менее, выведена формула, устанавливающая связь между наблюдаемым в точке приема изменением 
бриллюэновского частотного сдвига, вызванным поперечным эффектом Доплера, и двумя параметрами, характеризующими трассу оптического волокна – длиной дуги 
, образованной проекцией трассы на меридиан Земли, и географической широтой одного из концов этой дуги 
:
, (1)
где R – радиус экваториального сечения Земли,
c – скорость света в вакууме.
В работе приведены графики зависимостей частотных сдвигов от широты для различных длин дуги.
Также исследуются резонансные явления в оптическом волокне, вызванные наличием отражений, и влияние этих явлений на параметры бриллюэновского рассеянного сигнала. Показано, что для предельного случая, когда ширина резонансных пиков 
равна половине частотного интервала между ними,
, (2)
где
– расстояние между отражающими неоднородностями,
– резонансная длина волны,
– скорость света (
),
– показатель преломления сердцевины оптического волокна.
В работе указана возможность получения точного значения ширины резонансных пиков путем аппроксимации гребенчатой АЧХ резонатора рядом Фурье, члены которого соответствуют частным АЧХ для длин, образованных последовательными приращениями длины пройденного светом пути на двукратную длину резонатора. Это позволяет учесть потери, имеющие место на каждом таком проходе, и, следовательно, амплитуды всех суммируемых сигналов.
В связи с высокой стоимостью приборов для бриллюэновской рефлектометрии, значительный практический интерес представляют более простые их варианты, построенные на основе иных технических решений. Альтернативные варианты схем таких рефлектометров описаны далее в главе.
В последней части главы излагается центральная идея диссертации – формантный метод определения бриллюэновского частотного сдвига. Метод предназначен для применения при спектрографической рефлектометрии оптических волокон. Принцип, лежащий в его основе, состоит в фиксации влияния ВРМБ на спектр широкополосного зондирующего сигнала (подобно тому, как форманты влияют на тембр звука – отсюда и название). Разработанный способ идентификации спектральных линий позволяет перенести спектр анализируемого сигнала в область достаточно низких частот (приблизительно до 43 кГц), что значительно упрощает схемотехническую реализацию измерительных приборов.
Функциональная схема такого анализатора изображена на рисунке 1.
В передающем тракте прибора формируется сигнал, обладающий широким спектром, который перекрывает частотную область гиперзвуковых колебаний, обусловленных тепловыми фононами. Модулированное этим сигналом оптическое излучение подается в исследуемое волокно и подвергается бриллюэновскому усилению за счет лазерного сигнала накачки, подаваемого с другой стороны. При этом, в результате частотно-избирательного действия эффекта ВРМБ, ослабленное излучение накачки оказывается модулированным по амплитуде теми составляющими зондирующего сигнала, которые попадают в полосу бриллюэновского усиления, что и регистрируется прибором.
Зондирующий сигнал представляет собой сумму двух сеток частот (основной и дополнительной), шаг которых отличается на некоторую достаточно малую величину. В приемном тракте происходит выделение разностных частот для каждой пары спектральных линий. При этом порядок расположения разностных составляющих на шкале частот повторяет соответствующий порядок, характерный для основных или дополнительных линий спектра. Но сами они находятся в диапазоне относительно низких частот, что существенно упрощает задачу усиления сигнала и преобразования его в цифровой вид. Обработка данных производится программно и состоит в получении серии спектрографических рефлектограмм для ряда наборов спектральных линий, каждый из которых имеет заданное смещение по оси частот. Каждый такой набор включает фиксированное число линий, образуя измерительное спектральное окно, смещение которого по частоте позволяет просканировать область бриллюэновских частотных сдвигов.
Рис. 1. Блок-схема анализатора, основанного на формантном методе бриллюэновской рефлектометрии.
В дальнейшем, при описании экспериментов, предложены следующие параметры широкополосного зондирующего сигнала, применяемого в методе обычной (не бриллюэновской) спектрографической рефлектометрии:
– верхняя частота в спектре сигнала,
– нижняя частота в спектре сигнала,
– шаг сетки частот (интервал между соседними линиями,
– количество спектральных линий сетки частот.
Следует отметить, что в случае рассматриваемого формантного метода, ширина полосы частот этого сигнала с указанными параметрами, необходимая для обеспечения достаточной разрешающей способности, равна ширине так называемого измерительного окна. Это окно в процессе измерения перемещается вдоль оси частот для определения значения бриллюэновского сдвига. Вся полоса частот измерительного сигнала, применяемого в формантном методе, существенно шире.
Частотный сдвиг первой гармоники второй сетки частот 
:
. (3)
Если значение бриллюэновского частотного сдвига 
принять равным 10840 МГц, то, с учетом приведенного ранее значения 
, 
.
Таким образом, частотный сдвиг между компонентами сеток частот, имеющими одинаковый номер гармоники, находится в интервале приблизительно от 0,67 Гц до 42,7 кГц. Ширина измерительного частотного окна 
определяется формулой:
. (4)
Для 
и 
эта величина равна приблизительно 690 Гц.
Блок-схема бриллюэновского рефлектометра, основанного на формантном методе, изображена на рис. 2 и содержит ряд узлов, описанных выше.
В смесителях 1 и 2 происходит формирование сигналов разностных частот для каждой пары спектральных линий передаваемого и принимаемого сигналов соответственно. Полосовой фильтр (ПФ) 2, выделяющий низкочастотную часть спектра и находящийся между фотодетектором и смесителем 2, играет здесь ту же роль, что и фильтрующее свойство ВРМБ в случае с анализатором. Кроме того, полосовые фильтры ПФ 1 и ПФ 2 обеспечивают также подавление мешающих сигналов, вызванных, в частности, рэлеевским рассеянием.
Рис. 2. Блок-схема рефлектометра, основанного на формантном методе бриллюэновской рефлектометрии.
В четвертой главе представлены результаты построения имитационных компьютерных моделей оптического волокна, процессов распространения нем сигналов и формирования рефлектограмм. Созданные модели послужили основой для экспериментального исследования метода спектрографической рефлектометрии. Приведены описание экспериментов и результаты моделирования.
Предложены два варианта построения моделей, один из которых предполагает создание одномерного массива элементов, имитирующего волокно, а второй – основан на полиноминальной аппроксимации. Предлагается также способ реализации каждого из указанных выше вариантов моделей в среде распределенной вычислительной системы, основной структурообразующий компонент программного обеспечения которой – так называемый датапроцессор – разработан автором до уровня спецификаций модулей, таблиц и операторов специализированного языка, а также всех основных принципов функционирования.
Поскольку датапроцессор в настоящее время не создан, а разработка даже минимального набора необходимых для него модулей является чрезвычайно трудоемкой задачей, значительный практический интерес представляют упрощенные модели. Поэтому далее в работе рассматриваются все аспекты технической реализации комплекса программ, в состав которого входят два основных компонента. Один из них предназначен для моделирования волокна и процессов, имеющих место при распространении сигналов в условиях многократных отражений от неоднородностей. Другой компонент имитирует рефлектометр. Дано достаточно подробное описание принципов действия программ, приведены их алгоритмы, а также структура таблиц. Комплекс программ реализован в среде системы управления базами данных (СУБД).
Необходимость моделировать распространение сигнала только в одномодовом волоконном световоде, рассматриваемом как одномерная среда, значительно упрощает поставленную задачу. Основную техническую проблему представляет собой реализация в модели режима многократных отражений сигнала от неоднородностей. Отраженные сигналы, существующие в произвольном количестве, должны распространяться одновременно, и при этом каждый из них должен иметь свои индивидуальные параметры – такие, например, как временная задержка и затухание.
Данная задача была решена путем организации так называемого подпроцесса для каждого распространяющегося отраженного сигнала, в рамках одного вычислительного процесса. Подпроцессы, создаваемые каждый раз, когда сигнал встречает на своем пути отражающую неоднородность, имеют свои индивидуальные идентификаторы и наборы данных, располагаемые в общей таблице параметров процесса. Таким образом, каждому элементу моделируемого волокна соответствует некоторое число записей этой таблицы, каждая из которых связана с одним из подпроцессов. С целью различия прямого и обратного направлений распространения света принято, что четное значение идентификатора подпроцесса соответствует прямому направлению, а нечетное – обратному.
Экспериментальная проверка метода спектрографической рефлектометрии выполнена с применением разработанного комплекса программ.
Как было указано выше, спектр зондирующего сигнала представляет собой сетку частот с равномерным шагом. При выборе минимальной частоты в спектре следует иметь в виду то, что временной интервал, кратный периодам всех спектральных составляющих, должен превышать удвоенное время распространения излучения в тестируемом оптическом волокне с показателем преломления сердцевины 1,4675. Это необходимо для исключения ложных пиков на спектрографической рефлектограмме. Такое условие заведомо выполняется, если упомянутое время двукратного пробега сигнала в волокне меньше периода спектральной составляющей зондирующего сигнала, которая имеет минимальную частоту 
:
, (5)
где 
– время пробега сигнала от одного конца волокна до другого,
– длина волокна,
– скорость распространения световых волн в волокне,
– показатель преломления стекла в сердцевине волокна,
– скорость света в вакууме,
– период спектральной составляющей, частота которой равна 
.
Разрешающая способность 
определяется уравнением
, (6)
где 
и 
– соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот, занимаемой измерительным сигналом,
c – скорость света в вакууме,
n – показатель преломления сердцевины волокна.
Принято, что 
. Поскольку частота 
является весьма низкой (по отношению к 
), разрешающая способность определяется в основном, верхней частотой. Из (6) следует, что для 
= 1 м, значение 
равно 104 МГц.
В работе показано, что, поскольку
, (7)
где 
– частота дискретизации, 
– максимальная частота для преобразования Фурье (центр шкалы, точка разграничения основной и зеркальной областей), и необходимо выполнение условия
, (8)
длину элемента модели, следует принять равной 0,25 м.
Частота дискретизации равна
, (9)
где 
– длина элемента. При 
и 
. То есть, один элемент передает сигнал от входа до выхода за время, равное 
.
Таким образом, с учетом (8) сделан вывод, что верхняя частота в спектре зондирующего сигнала должна находиться в интервале от 104 до 204,4 МГц. Принимая во внимание ряд факторов, указанных в работе, значение верхней частоты спектра выбрано равным 175 МГц.
Обработка данных производится при помощи Microsoft Excel. Он имеет так называемый пакет анализа, позволяющий, в частности, осуществлять быстрое преобразование Фурье. Присущие ему ограничения позволили сделать вывод, что спектрографическая рефлектограмма должна включать в себя не более чем 512 частотных отсчетов, а спектр зондирующего сигнала должен содержать 1024 линии. Это означает, что значение частотного интервала 
между спектральными линиями равно 170,9 кГц. Численно равна этому интервалу и минимальная частота 
в спектре.
Такой широкополосный сигнал фактически является суммой сигнала основной частоты 170,9 кГц и тысячи двадцати трех его высших гармоник. С целью достижения правильного формирования спектрограммы, было введено приращение начальной фазы каждой следующей (по мере увеличения частоты) спектральной составляющей, равное 
.
Таким образом, зондирующий сигнал включает в себя 1024 спектральные линии, частотный интервал между которыми равен 170,9 кГц. Это же значение присуще и нижней частоте в спектре. Определено также значение частоты дискретизации (817,7 МГц).
Подсистема синтеза зондирующего сигнала и, как указывалось ранее, подсистема анализа выходных данных комплекса моделирующих программ и визуализации результатов реализованы в среде Microsoft Excel. Для отображения результата используется так называемая «точечная диаграмма» (из набора диаграмм Microsoft Excel), представляющая собой обычный график. Номер частотного отсчета на спектрографической рефлектограмме в данном случае численно равен удвоенному расстоянию в метрах до соответствующей точки волокна.
В соответствии с постановкой задачи данной работы, предполагается произвести сравнение рефлектограмм, полученных двумя различными путями – методом OTDR и рассматриваемым спектрографическим методом рефлектометрии. Следовательно, в рамках каждого эксперимента необходимо проведение двух видов опытов, каждый из которых состоит в получении рефлектограммы одним из перечисленных методов.
Первые эксперименты состоят в проверке экспериментальной системы в целом, при получении рефлектограмм участка волокна с одной отражающей неоднородностью, с параметрами, близкими к реальным. Затем осуществляется рефлектометрическое зондирование модели волокна, содержащего две отражающих неоднородности. При этом одна из них расположена в конце первой половины волокна, а вторая – на расстоянии 400 м от его начала. Такое положение неоднородностей обусловлено стремлением к выявлению некоторых проблем обработки данных, характерных для исследуемого в работе метода спектрографической рефлектометрии.
Целью следующего эксперимента является проверка возможности получения спектрографической рефлектограммы с отображением близкорасположенных отражающих неоднородностей, группы которых находятся на различных расстояниях от начала волокна. Этот эксперимент (как и все предыдущие) проводится при условии однократного отражения сигнала от каждой такой неоднородности.
Следующий эксперимент включает в себя четыре опыта. Первые два из них состоят в получении рефлектограмм модели волокна, содержащей ряд неоднородностей, имеющих одностороннее отражение. Вторые два опыта проводятся при тех же условиях, кроме одного – для всех неоднородностей вводится режим двусторонних отражений. Эксперимент позволяет сравнить полученные рефлектограммы и выявить возможные особенности метода спектрографической рефлектометрии. Помимо этого, целью эксперимента также является демонстрация возможностей модели в части воссоздания процессов, имеющих место в случае наличия многократных отражений излучения от неоднородностей волокна.
В работе приведены описания экспериментов, исходные данные каждого опыта и его результат. Представлены многочисленные рефлектограммы, полученные методом OTDR и исследуемым спектрографическим методом.
В результате проведенных экспериментов была продемонстрирована возможность получения спектрографических рефлектограмм, а также технология синтеза зондирующего сигнала и обработки полученных последовательностей отсчетов, представляющих отклик волокна на тестовое воздействие. Было произведено получение рефлектограмм волокон рассматриваемым методом и методом OTDR, что позволяет сравнить результаты и сделать вывод об их достаточно близком подобии.
В ходе экспериментальной работы обозначились некоторые сложности, связанные со спецификой рассматриваемого метода. К их числу следует отнести, например, рефлектометрический анализ данным методом волокон большой длины. Разработан способ частичного решения этой проблемы.
В заключении диссертации подводятся итоги проведенной работы.
- В диссертационной работе дан аналитический обзор достижений в области ранней диагностики ВОЛП. Поскольку одним из основных компонентов таких систем является оптический рефлектометр, значительная часть исследования посвящена поиску путей совершенствования приборов, реализованных в соответствии с перспективными направлениями оптической рефлектометрии.
- Разработан метод спектрографической рефлектометрии.
- Предложен альтернативный вариант функциональной схемы рефлектометра, основанного на использовании для рефлектометрических исследований сигнала, переносящего трафик в ВОЛП. Такие приборы оптимальны для применения в составе RFTS.
- Особое внимание в данной работе уделено бриллюэновской рефлектометрии. Предложены новые принципы действия приборов, в которых реализован этот метод.
- Разработан формантный метод бриллюэновской рефлектометрии, позволяющий реализовать соответствующую функциональность более оптимальным образом с технико-экономической точки зрения, чем это имеет место в существующих приборах. Предложены функциональные схемы бриллюэновского анализатора и рефлектометра, основанных на этом методе.
- Проанализированы явления, оказывающие влияние на бриллюэновские измерения. При этом было количественно оценено влияние поперечного эффекта Доплера на результат измерения.
- Разработан комплекс алгоритмов и программ для моделирования процессов, происходящих при распространении оптического излучения в волоконных световодах в условиях многократных отражений света от неоднородностей, а также при получении рефлектограмм.
- Проведено экспериментальное исследование с целью проверки функциональности предложенного метода спектрографической рефлектометрии.
Публикации по теме диссертации
- Ситнов Н.Ю. Задачи и методы мониторинга ВОЛП // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 26–27 апреля 2007 г. / ред. Г.В.Катунина ; Новосибирск, 2007. – Т.2 – С. 91-92.
- Ситнов Н.Ю. Структура и функции RFTS // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 26–27 апреля 2007 г. / ред. Г.В.Катунина ; Новосибирск, 2007. – Т.2 – С. 92-93.
- Ситнов Н.Ю. Методы контроля натяжения оптических волокон // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 24–25 апреля 2008 г. / ред. Н.П.Онищенко ; Новосибирск, 2008. – Т.1 – С. 210-211.
- Ситнов Н.Ю. Техническая реализация метода бриллюэновской рефлектометрии оптических волокон // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 24–25 апреля 2008 г. / ред. Н.П.Онищенко ; Новосибирск, 2008. – Т.1 – С. 211-212.
- Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Использование ВРМБ для генерации гетеродинного сигнала в бриллюэновском рефлектометре // Проблемы функционирования информационных сетей. Материалы X международной конференции 25–30 августа 2008 г. / под ред. В.К.Попкова, А.С.Родионова ; Новосибирск, 2008. С. 155-159.
- Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Использование радиочастотных измерительных сигналов в рефлектометрических исследованиях оптических волокон // Актуальные проблемы электронного приборостроения. Материалы IX международной конференции 24–26 сентября 2008 г. / Новосибирск, 2008. –Т.3. – С. 106-112.
- Ситнов Н.Ю. Проблемы технической эксплуатации разветвленных ВОЛП // Наука на рубеже тысячелетий. Материалы 5-й Международной заочной научно-практической конференции 26–27 октября 2008 г. / Тамбов, 2008, С. 197-199.
- Ситнов Н.Ю. Использование сигнала, переносящего трафик, для рефлектометрического исследования оптических волокон // Наука на рубеже тысячелетий. Материалы 5-й Международной заочной научно-практической конференции 26–27 октября 2008 г. / Тамбов, 2008, С. 199-201.
- Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Использование радиочастотных шумоподобных сигналов и сигнала трафика в оптической рефлектометрии // Телекоммуникации. 2009. №7. С. 30-33.
- Ситнов Н.Ю. Моделирование процессов в волоконных световодах // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы российской науч.-техн. конф. 27–28 апреля 2009г. / Новосибирск 2009. – Т.1 – С. 160-161.
- Ситнов Н.Ю. Вариант модели оптического волокна и процессов в нем // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы российской науч.-техн. конф. 27–28 апреля 2009г. / Новосибирск 2009. – Т.1 – С. 161-162.
- Ситнов Н.Ю. Влияние поперечного эффекта доплера на измерения методом бриллюэновской рефлектометрии // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 22–23 апреля 2010 г. / Новосибирск, 2010. – Т.1 – С. 204.
- Ситнов Н.Ю. Вариант технической реализации системы распределенных вычислений // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 22–23 апреля 2010 г. / Новосибирск, 2010. – Т.1 – С. 205.
- Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Распределенные волоконно-оптические датчики на принципе вынужденного бриллюэновского рассеяния // Актуальные проблемы электронного приборостроения. Материалы X международной конференции 22–24 сентября 2010 г. / Новосибирск, 2010. –Т.4. – С. 174-176.
- Gorlov N. I., Sitnov S. Y. Distributed Fiber Optical Sensors on a Principle of Stimulated Brillouin Scattering // International Conference on «Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceeding», 2010, Vol. 1, P. 145-147.
- Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Анализ современного состояния техники ранней диагностики ВОЛП // Инфосфера №46, 2010 г. / Новосибирск, 2010. – С. 512, http://infosfera.sfo.ru
- Пальчун Ю.А., Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Мониторинг и методы ранней диагностики повреждений оптических волокон // Измерительная техника №5, 2010г. / Новосибирск, 2010. – С. 24-28.
- Palchun U.A., Sitnov N.U., Gorlov N.I. Monitoring and methods of early diagnostics of damage to optical fibers // Measurement Techniques. 2010. Vol. 53, Issue 5, P. 495-501, DOI: 10.1007/s11018-010-9533-7, USA.
- Ситнов Н.Ю. Формантный метод определения бриллюэновского частотного сдвига // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 21–22 апреля 2011 г. / Новосибирск, 2011. – Т.1 – С. 236-237.
- Ситнов Н.Ю. Упрощенное моделирование процесса формирования рефлектограмм волоконных световодов // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы Российской науч.-техн. конф. 21–22 апреля 2011 г. / Новосибирск, 2011. – Т.1 – С. 237-238.
- Ситнов Н.Ю., Горлов Н.И. Спектрографические методы в рефлектометрии оптических волокон // Инфосфера, 2011, №50, С. 16-22.
- Ситнов Н.Ю., Заславский К.Е., Горлов Н.И. Бриллюэновская рефлектометрия с формантным методом измерения частотного сдвига. Материалы Всероссийской конференции по волоконной оптике ВКВО-2011 12-14 октября 2011 г. / Спецвыпуск «Фотон-экспресс» – Наука 2011» №6, 2011г. – С.69-70.
Ситнов Николай Юрьевич
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
________________________________________________________________
Подписано в печать 14.11.2011 г.
Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10,
изд. л.___, заказ № ___, тираж 100 экз., ФГОБУ ВПО «СибГУТИ».
630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86.
