POMIARY REFLEKTOMETRYCZNE PARAMETRÓW TORU ŚWIATŁOWODOWEGO
OTDR - Optical Time Domain Reflectometer wysyła do światłowodu krótkie impulsy światła i mierzy w funkcji czasu wracający do niego sygnał odbity. Ponieważ wracający sygnał jest wielokrotnie słabszy od szumu dla zwiększenia dokładności pomiaru stosuje się metodę uśredniania z wielu takich pomiarów (średnia szumu jest bliska zero, pozostaje sygnał użyteczny). Opóźnienie i natężenie sygnału odbitego docierającego do detektora, opisuje parametry łącza optycznego.
W trakcie propagacji impulsu wysłanego z OTDR wzdłuż światłowodu obserwuje się dwa zjawiska: rozpraszanie Raileigha i odbicia Fresnela.Rozpraszanie Rayleigha polega na odbijaniu światła przez cząsteczki materiału z którego zrobiony jest światłowód. Niewielkie ilości światła odbijają się wstecz w kierunku nadajnika z każdego miejsca światłowodu.
Odbicia Fresnela występują, gdy światło propagujące wzdłuż światłowodu napotyka na nagłą zmianę gęstości materiału. Takie zmiany występują na złączach, spawach, pęknięciach, tam gdzie mogą powstać szczeliny powietrzne. Odbijana jest wówczas znaczna część światła. Intensywność odbicia zależy od różnic współczynników załamania sąsiadujących obszarów.
Powracający sygnał składa się łącznie z sygnału powstałego w wyniku rozpraszania Rayleigha i odbić Fresnela. W przyrzadzie OTDR sprzęgacz optyczny kieruje odbity sygnał do półprzewodnikowego detektora gdzie zamieniany jest on na sygnał elektryczny. Następnie sygnał podlega konwersji analogowo cyfrowej i jest podawany do mikroprocesora do analizy i prezentacji. Procesor uśrednia dane w celu poprawienia stosunku sygnału do szumu i wyświetla wykres powracającej fali w światłowodzie. Światło odbite od określonego miejsca w światłowodzie pojawia się w detektorze po czasie potrzebnym na przebycie drogi od nadajnika do tego punktu i z powrotem. Znając czas powracania rozproszonego w różnych punktach impulsu oraz prędkość światła w danym ośrodku (równą v=c/n) jesteśmy w stanie narysować wykres energii wracającego światła w funkcji odległości od początku włókna. Wykres jest zbiorem dziesiątków tysięcy punktów próbkowania.
OTDR posiada kilka kluczowych parametrów (cześć z nich może być zmieniana) które decydują o jakości wykonanego pomiaru.
Zakres dynamiczny mierzony w dB jest różnicą pomiędzy poziomem sygnału na początku światłowodu oraz poziomem szumu na końcu światłowodu. Długość impulsu testującego (możemy ją ustawiać w szerokim zakresie) i jego moc (zwykle stała) określają jak wiele energii optycznej jest wstrzyknięte do światłowodu. Większa szerokość i większa moc odpowiadają większemu zakresowi dynamicznemu przyrządu.
Zakres pomiaru jest zdefiniowany, przez Bellcore, jako maksymalne tłumienie które może być umieszczone pomiędzy OTDR a zdarzeniem mierzonym w światłowodzie, aby zapewnione były akceptowalne limity dokładności. OTDR musi widzieć i mierzyć straty każdego zdarzenia wewnątrz specyfikowanego zakresu pomiaru. Aby zauważyć zdarzenie o tłumieniu 0.02 dB (na tle szumów) pomiędzy nim a reflektometrem tłumienie toru nie może być większe niż Zakres Dynamiczny minus 10 dB.
Rozdzielczość próbkowania znana też pod nazwą rozdzielczości pomiaru jest separacją pomiędzy dwoma kolejnymi punktami akwizycji danych pomiarowych.
Dokładność reprezentuje różnicę pomiędzy wartością mierzoną i wartością rzeczywistą. W pomiarze OTDR wchodzą w grę dwie dokładności: pomiaru strat i pomiaru odległości. Procedury linearyzacji śladu są używane do oceny dokładności pomiaru strat, ponieważ wielkość mierzona nie jest wartością bezwzględną. Liniowość jest określana jako decybelowa odchyłka na decybel w odniesieniu do zakresu dynamicznego. Procedura określenia dokładności pomiaru odległości zawiera trzy czynniki: kalibrację, stabilność zegara, niedokładność określenia współczynnika załamania rdzenia światłowodu. Dokładność określenia odległości jest również determinowana przez rozdzielczość próbkowania. Większa rozdzielczość próbkowania poprawia prawdopodobieństwo, że punkty próbkujące będą koincydować z wydarzeniami w badanym światłowodzie.
Pomiar OTDR rozpoczyna się testami układu pomiarowego i mierzonego obiektu. Następuje weryfikacja i dopasowanie parametrów pracy. Wstępne ustawienia zawierają: typ światłowodu (wielomodowy czy jednomodowy), długość fali, współczynnik załamania światłowodu (tzw. zintegrowany współczynnik załamania podawany przez producenta kabla dla celów OTDR). Trzy główne, dobierane przez operatora, parametry pomiaru to: zakres odległości, szerokość impulsu, czas akwizycji danych.
Zakres odległości pokazuje jaka długość wykresu jest prezentowana na ekranie. Zazwyczaj jest ustawiany nieco większy niż rzeczywista długość światłowodu.
Szerokość impulsu jest czasem trwania impulsu pobudzającego włókno optyczne, a także jego fizyczną długością rozciągnięcia wzdłuż światłowodu w czasie propagacji. Szerokość impulsu jest wstępnie ustawiana dla określonych zakresów odległości, tzn. mniejsze szerokości dla krótszych odległości. W celu uzyskania maksymalnej rozdzielczości należy wybrać najmniejszą szerokość impulsu, jednak taką która dotrze do końca światłowodu. Zbyt krótki impuls o zbyt małej energii może nie dotrzeć do końca światłowodu poprzez wcześniejsze wyczerpanie swojej energii na rozproszenie wsteczne i wydarzenia odbiciowe. Krótsze impulsy pozwalają odróżniać dwa blisko siebie połorzone zdarzenia bliższe wejściowego końca światłowodu. Dłuższe impulsy wstrzykują większą energię do światłowodu i propagują na większe odległości ale generują większe strefy martwe.
Czas akwizycji określa jakość śladu OTDR. Tysiące impulsów są wprowadzane do mierzonego światłowodu w celu dokonania pojedynczej akwizycji i w celu uśrednienia wartości pomiarowej dla każdego próbkowanego punktu. Obróbka sygnałowa w OTDR usuwa szum z danych poprzez proces uśredniania. Im dłuższy jest czas uśredniania, tym mniej zaszumiony jest wynikowy ślad pomiarowy. Parametry pomiaru operator powinien dobrać tak aby zapewnić maksymalną dokładność pomiaru odległości (małe strefy martwe czyli krótki impuls), i dostatecznie dużą dynamikę - zakres pomiaru - aby obserwować małe zdarzenia na końcu światłowodu (duża dynamika czyli długi impuls, duża moc światła i długi czas uśredniania). Zwiększanie czasu uśredniania do kilku minut nie przynosi efektu w postaci zwiększenia stosunku sygnał szum. Aby strefy martwe nie były zbyt długie nie należy używać do pomiaru impulsów dłuższych niż 300-500 ns. Jeśli mierzymy długie odcinki światłowodów (80-200km) należy zaopatrzyć się w lepszej klasy reflektometr (z wkładką emitującą impulsy większej mocy).
Podstawowymi elementami w reflektometrycznym profilu światłowodu są wydarzenia (artefakty) odbiciowe i nie odbiciowe, lokalne spadki i podwyższenia poziomu sygnału rozproszonego i odbitego wstecz. Wszystkie wydarzenia i sekcje światłowodu zlokalizowane przez przyrząd OTDR są wymienione w standaryzowanej tabeli wyników. Tabela pokazuje sklasyfikowany rodzaj wydarzenia, odległość, straty, reflektancję i tłumienie.
Elementy odbiciowe na śladzie OTDR dotyczą złączy rozłączalnych, trwałych złączy mechanicznych, pęknięć, złamań, oraz odległego zakończenia światłowodu badanego i są rozpoznawane przez znaczne piki na śladzie rozproszeniowym. Im wyższy jest pik względem poziomu rozproszenia, tym większa reflektancja. Elementy nie odbiciowe są powodowane przez spawy odcinków światłowodów, nadmierne zakrzywienia włókna powodujące naprężenia i ucieczkę części mocy optycznej na zewnątrz. Dyskretny spadek sygnału rozproszonego wstecz na śladzie jest manifestacją i lokalizacją tych zjawisk.
Pierwsze spojżenie na reflektogram pozwala nam zorientować się w budowie traktu.
W miejscu spawu może wystąpić na śladzie OTDR zjawisko wirtualnego wzmocnienia mocy optycznej, zamiast strat. Nie jest to jednak prawdziwy wzrost mocy optycznej. Istnieją dwa powody lego zjawiska. Wirtualne wzmocnienie optyczne jest widoczne, gdy poziom sygnału rozproszonego wstecz wzrasta pomiędzy pierwszą i drugą sekcją światłowodu, co jest spowodowane różnicami współczynnika załamania światła. Podobnie, różnice w średnicy łączonych światłowodów powodują zjawisko pozornego wzmocnienia przy przechodzeniu sygnału rozproszonego od mniejszego rdzenia do większego rdzenia. Prawdziwe dane dotyczące strat wydarzeń wykazujących pozorne wzmocnienie są obliczane poprzez analizę śladu OTDR mierzonych z obu kierunków w światłowodzie. Ślad wydarzenia jest uśredniany dla obu kierunków propagacji impulsu pobudzającego w światłowodzie badanym. Na ogół w drugim kierunku pozorne wzmocnienie ujawnia straty.
Zakończenie światłowodu badanego może być obserwowane jako wydarzenia odbiciowe i nie odbiciowe. Miejsce zakończenia światłowodu charakteryzuje się przez występowanie szumów po końcu włókna. W innym przypadku, poziom rozproszenia wstecznego wskazuje na złamanie włókna a nie rzeczywisty koniec światłowodu. Zakończenie światłowodu, lub jego złamanie, nie koniecznie musi być wydarzeniem odbiciowym z powodu natury i budowy końcowego konektora lub charaktery złamania czy pęknięcia włókna. Na przykład, koniec światłowodu może być reprezentowany przez spadek wartości sygnału spowodowany obecnością żelu immersyjnego lub wody.
Wiele wydarzeń odbiciowych w światłowodzie powoduje zwielokrotnienie odbicia lub echo. Dodatkowo do światłowodowych elementów odbiciowych, sam przyrząd OTDR może odbijać światło do włókna. Światło odbija się w tą i z powrotem wewnątrz światłowodu powodując pojawianie się fałszywych refleksów w wielokrotnych odległościach od prawdziwego miejsca dobicia. Refleksy mogą pojawić się wewnątrz samego odcinka światłowodu lub poza długością światłowodu. Echa nie wykazują strat. Oprogramowanie OTDR może rozróżnić pomiędzy rzeczywistymi wydarzeniami i możliwymi echami.
Zjawisko nasycenia W przypadku występowania dużego odbicia (np. na złączce lub przy przerwaniu włókna) może dojść do nasycenia odbiornika - dzieje się tak, gdy moc powracającego impulsu jest zbyt duża dla detektora. Efekt nasycenia wprowadza dwie niedogodności: po pierwsze - nie można określić wartości szczytowej, a więc i reflektancji, i po drugie - duże przesterowanie odbiornika powoduje wydłużenie strefy martwej za złączką. Aby zapobiec temu zjawisku, należy przeprowadzić pomiar zmniejszając moc impulsu.
OTDR jest zarówno metodą pomiarową jak i diagnostyczną. Możliwości pomiarowe zawierają: pomiar strat pomiędzy dwoma punktami linii transmisyjnej, pomiary strat od końca do końca, straty złączy trwałych, tłumienie sekcji, pomiary odległości.
Dwupunktowe pomiary strat związane są z obliczeniem różnicy pomiędzy poziomami mocy dla każdych dwóch punktów wzdłuż światłowodu. Straty od końca do końca są także mierzone analogiczną metodą dwupunktową. Należy zauważyć, że pomiar strat od końca do końca nie jest tak dokładny jak w przypadku pomiaru strat optycznych wykonanych specjalistycznym sprzętem do takiego pomiaru, ponieważ pomiar OTDR bazuje na mocy odbitej wstecz a nie na rzeczywistej mocy transmitowanej. Dokładność pomiaru strat metodą OTDR można znacznie zwiększyć mierząc badany odcinek światłowodu w obydwu kierunkach i odpowiednio analizujący wyniki. Przybliżone pomiary strat tłumieniowych i straty spawów oraz mechanicznych połączeń trwałych mogą być także wykonane przy pomocy metody dwupunktowej.
Pomiary strat i reflektancji spawów światłowodowych są wykonywane najdokładniej specjalizowaną metodą pomiaru strat spawów bazującą na określeniu zdefiniowanych czterech punktów granicznych - metoda czteropunktowa. Główne markery są umieszczone przed i po wydarzeniu. Sub-markery są umieszczone poza głównymi markerami i nie zawierają innych dodatkowych wydarzeń. Odległość pomiędzy głównymi znacznikami i pod-znacznikami jest obliczana za pomocą aproksymacji najmniejszych kwadratów.
W trakcie pomiarów tłumienia obliczana jest stratność (straty na jednostkę długości światłowodu) na podstawie przybliżenia sekcji śladu odcinka światłowodu metodą najmniejszych kwadratów. Sekcja światłowodu nie powinna zawierać żadnych wydarzeń wewnątrz granicy znaczników, tak aby nie przesuwać sztucznie linii interpolacyjnej.
Odległość może być mierzona przy pomocy umieszczenia kursora w dowolnym miejscu śladu. Podczas interpretacji wyników pomiaru odległości należy pamiętać, że mierzona odległość jest wzdłuż światłowodu, co niekoniecznie dokładnie zgadza się z długością kabla światłowodowego. Światłowód może być dłuższy niż kabel, jeśli jest umieszczony w kablu w postaci helikoidy. Rekompensata tej różnicy może być uwzględniona w pomiarach przy pomocy ustalenia nieco innej, dobranej eksperymentalnie - a skalującej odległość, wartości współczynnika załamania lub wprowadzenie parametrów krzywej śrubowej jako elementu obliczeniowego długości kabla optycznego ze zmierzonej długości światłowodu. Znajomość długości kabla optycznego jest istotna ze względu na problem dokładnej lokalizacji jego uszkodzenia, np. w przypadku gdy kabel jest umieszczony w kanalizacji podziemnej.
Reflektancja może być szacowana w trakcie tzw. pomiaru trzypunktowego. Należy zadbać aby pik odpowiadający złączce której reflektancję mierzymy nie znajdował się w nasyceniu (ścięty czubek) poprzez odpowiednie zmniejszenie długości impulsu lub wstawienie pomiędzy OTDR i tor tłumika.
