Разработка и исследование рефлектометрических методов контроля волоконно-оптических направляющих систем связи в процессе их строительства и эксплуатации

Развитие глобальных и локальных сетей электросвязи на современном этапе связано с широким внедрением высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи. Причем потребность в увеличении пропускной способности магистральных волоконно-оптических сетей связи носит взрывной характер. Она удваивается каждый год.

Для обеспечения высокого качества строительства и эффективной эксплуатации волоконно-оптических линий связи необходимо метрологическое обеспечение измерений параметров волоконных трактов и их составляющих, включая оптические волокна, оптические кабели, пассивные и активные компоненты. Метрологическое обеспечение данной области измерений подразумевает создание рабочих и образцовых средств измерения, разработку методик измерения, метрологической аттестации и поверки.

Среди многих средств измерения параметров волоконных трактов особую роль играют оптические рефлектометры, реализующие метод измерения обратного рассеяния. Оптические рефлектометры позволяют определять длину оптических волокон, оптических кабелей и волоконных трактов, групповое время задержки, расстояние до локальных неоднородностей, в том числе расстояние до сростков, оптических муфт и разъемов. Кроме того, оптические рефлектометры используют для измерения возвратных потерь, коэффициентов затухания в оптических волокнах, оптических кабелях и на отдельных участках волоконных трактов, потерь в разъемных и неразъемных соединениях оптических волокон. С помощью оптических рефлектометров можно проводить паспортизацию кабельных участков, сохраняя тем или иным способом рефлектограммы, зарегистрированные при проведении приемно — сдаточных испытаний вновь построенных волоконно-оптических направляющих систем связи и осуществлять их периодический контроль в процессе эксплуатации.

Значительный вклад в теорию метода обратного рассеяния внесли выдающиеся иностранные ученые М. Барноски, С. Персоник, Д. Щикетанц и другие, а также российские исследователи В. В. Григорьянц, Ю. К. Чаморовский. Разработке и исследованию ОР посвятили свою деятельность известные иностранные ученые М. Гольд, А. Хартог, С. Ньютон и представители нашей научной школы С. М. Верник, A.M. Кузнецов, В. Б. Рудницкий, Свинцов А. Г., Мари-енков, M. JL Гринштейн и многие другие. Новые идеи в метрологическое обеспечение этой области измерения внесли наши ученые метрологи А. Ф. Котюк, С. В. Тихомиров, В. Е. Кравцов.

В настоящее время в стране эксплуатируется значительное количество оптических рефлектометров производства иностранных фирм дальнего и ближнего зарубежья Shlumberger (Франция), Anritsu (Япония), GN Nettest, Wavetek и Hewlet Packard (США), Ando, Института информационных технологий (Беларусь). Параметры оптических рефлектометров, выпускаемых этими предприятиями, приведены в приложении 1.

Потребность нашей страны в оптических рефлектометрах очень велика из-за огромной протяженности наших магистралей связи, на которых все шире внедряются волоконно-оптические линии связи, которые невозможно строить и эксплуатировать без оптических рефлектометров. Причем существует потребность, как в дорогих и универсальных ОР, так и простых, полевых, экономичных и дешевых ОР. Поэтому задача разработки и серийного выпуска отечественных ОР с параметрами на уровне лучших зарубежных образцов является важной и актуальной. Решение этой задачи под силу только большим коллективам опытных специалистов. Причем разработке должна предшествовать научнотехническая систематизация и анализ сведений по оптической рефлектометрии из различных источников. Эта работа необходима, т.к. фирмыизготовители ОР, широко рекламируя свою продукцию, не сообщают об используемых технических решениях, алгоритмах измерения, структурных и принципиальных схемах ОР.

Автор ставил перед собой следующие основные задачи: Теоретический анализ метода обратного рассеяния при зондировании оптического линейного тракта простым периодическим зондирующим сигналом, получение математических выражений для сигнала обратного рассеяния от однородных участков волоконного тракта, отражающих и не отражающих стыков оптических волокон.

Определение предельных возможностей метода обратного рассеяния по динамическому диапазону, разрешающей способности, мертвой зоне и т. п.

Разработка алгоритмов формирования сложных зондирующих сигналов, корреляционных методов обработки сигналов обратного рассеяния.

Выявление методических и инструментальных погрешностей измерений с помощью оптических рефлектометров, а также методики их исключения или оценки.

Актуальность проблемы.

В настоящее время оптическая рефлектометрия с простым зондирующим сигналом подошла вплотную к своим предельным возможностям. В то же время протяженность оптических магистралей и длины регенерационных участков продолжают расти. Требования к точности локации неоднородностей линейного волоконно-оптического тракта также постоянно возрастают. Известно, что применение сложных зондирующих сигналов позволяет достичь более выгодного соотношения между динамическим диапазоном и разрешающей способностью оптического рефлектометра. Однако при практической реализации оптического рефлектометра с таким сигналом возникает много проблем. Анализ этих проблем и их решение являются актуальными и необходимыми для развития отечественной оптической рефлектометрии во временной области.

Предмет исследования. Исследуются рефлектометрические способы измерения параметров волоконно-оптических направляющих систем связи во временной области с простыми и сложными зондирующими сигналами.

Цель и задачи исследований. Разработка и исследование новых способов измерения параметров волоконно-оптических направляющих систем связи. Достижение этой цели позволит создать оптические рефлектометры с наивысшими техническими характеристиками и обеспечить надежный контроль за состоянием линейных трактов оптических систем связи в процессе их строительства и эксплуатации.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач.

• использовались методы математического моделирования, теории вероятности, математической статистики и цифровой обработки сигналов.

Научная новизна. Теоретическое исследование впервые предложенных способов формирования сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния позволило обосновать возможность их применения для контроля параметров оптических направляющих систем связи. На основе теоретического исследования предложены оптимальные наборы сложных зондирующих сигналов, сформулированы условия измерения сигналов обратного рассеяния с высокой точностью и условия неискаженной регистрации рефлектограмм оптических трактов. Исследования выявленных источников погрешности позволило разработать методики их компенсации и р исключения для обеспечения минимальных искажений при регистрации рефлектограмм.

Практическая ценность. Проведен анализ схем и конструкций рефлектометров и методических особенностей рефлектометрических измерений. Получены математические модели сигналов обратного рассеяния. На основании теоретических исследований разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов корреляционного оптического рефлектометра. Сформулированы рекомендации по конкретной реализации оптического рефлектометра и способам повышения точности регистрации рефлектограмм существующими рефлектометрами.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты теоретических исследований и математического моделирования будут использованы разработчиками оптических рефлектометров в следующих организациях:

Институт информационных технологий (г. Минск, республика Беларусь),.

JIO НИИР (г. Санкт-Петербург),.

Измерительная техника связи (г. Санкт-Петербург).

Теоретические результаты будут также использованы разработчиками метрологического обеспечения оптической рефлектометрии во Всероссийском НИИ оптико-физических измерений.

Предложенные математические модели сигналов обратного рассеяния используются в учебном процессе в виртуальных лабораторных установках, программы для которых разработаны на кафедре Линий связи СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Апробация работы.

Основные положения диссертации обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ в 2004 году (три доклада) и на 14 Международной научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» во Всесоюзном НИИ оптико-физических измерений в 2004 году.

Публикации.

1. А. П. Вронец, А. В. Семин Проектирование современных технологий связи. Тезисы докладов 24 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1997 г., с. 115.

2. А. П. Вронец, А. В. Семин Направления развития отечественных систем безопасности связи и телекоммуникаций. Тезисы докладов 25 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1998 г., с. 230.

3. А. В. Семин Защита информации на подводных волоконно-оптических линиях связи. Тезисы докладов Международного форума информатизации международного конгресса «Коммуникационные технологии и сети», 1998 г., М., с. 266.

4. А. В. Семин Проектирование морских кабельных магистралей связи на базе новых технологий. Вестник связи, № 9, 2002 г., с. 125.

5. В. Б. Архангельский, С. Ф. Глаголев, А. В. Семин Методические особенности регистрации и обработки сигналов обратного рассеяния. Тезисы докладов 14 научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», М, 2004 г., с. 53.

6. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке 2 003 137 925/20 от 16.01.2004 «Оптический корреляционный рефлектометр». Дата подачи заявки 18.12.2003 г.

7. С. Ф. Глаголев, А. В. Семин Основные параметры современных оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

8. А. В. Семин Уменьшение погрешности регистрации рефлектограммы из-за нелинейности характеристик измерительного тракта. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

9. В. Б. Архангельский, А. В. Семин Способы формирования сложных зондирующих сигналов для оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 100 страницах текста, содержит 5 таблиц, иллюстрирована 30 рисунками, список литературы содержит 50 наименований.

Выводы.

1. Предлагаемая структура построения ОР позволяет: -реализовать все предлагаемые способы формирования зондирующих сигналов, с использованием полного набора комплиментарных кодовых последовательностей, составленных многократным использованием правила присоединения,.

— формировать прямые, обратные последовательности, их инверсные аналоги и в широких пределах изменять частоту и длительность следования пачек зондирующих сигналов и одиночных импульсов в этих пачках,.

— модулировать оптическое излучение кодовыми последовательностями зондирующего сигнала, выделять рассеянное и отраженное волоконно-оптическим трактом излучение и преобразовывать его в электрический сигнал,.

— масштабировать сигнал обратного рассеяния, преобразовывать его мгновенные значения в цифровую форму, накапливать их в цифровом накопителе и передавать в ПК.

2. Предлагаемый алгоритм управления ОР и обработки накопленного сигнала позволяет:

— реализовать все предлагаемые способы обработки сигнала обратного рассеяния, с использованием полного набора опорных сигналов,.

— осуществлять коррекцию зарегистрированных рефлектограмм с помощью корректирующих кодов,.

— отображать рефлектограммы на дисплее и хранить ранее зарегистрированные рефлектограммы в архивной памяти ПК,.

— обеспечивать условия для удобного измерения основных параметров волоконно-оптических трактов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Предложены два новых способа формирования наборов сложных зондирующих сигналов для модуляции оптического излучения рефлектометров, обеспечивающих контроль за состоянием волоконно-оптических направляющих систем связи в процессе их строительства и эксплуатации. Способы используют комбинированные комплиментарные последовательности Голея и комбинации прямых и обратных комплиментарных последовательностей и позволяют сформировать зондирующие сигналы, автокорреляционные функции которых имеют основной лепесток максимальной амплитуды и не имеют боковых лепестков.

2. Сформулированы условия неискаженной регистрации рефлектограмм волоконно-оптических линейных трактов и доказана возможность расширения протяженности исследуемых участков кабеля благодаря использованию фрагментов кодовых последовательностей зондирующих сигналов при корреляционной обработке зарегистрированных сигналов обратного рассеяния.

3. Предложен способ корректировки искаженных фрагментов зарегистрированной рефлектограммы, позволяющий проводить исследования волоконно-оптических кабелей с использованием минимального набора сложных зондирующих сигналов. Это позволяет существенно упростить алгоритм работы и конструкцию оптического рефлектометра.

4. Выявлены основные источники погрешности измерения сигнала обратного рассеяния, оценены величины различных составляющих этой погрешности, и разработаны методы их уменьшения с целью получения минимальной результирующей погрешности.

5. Обоснована необходимость использования обоих предложенных взаимно дополняющих способов формирования наборов сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния, так как оба способа легко реализуются в одном приборе и отличаются лишь кодовыми последовательностями зондирующих и опорных сигналов задаваемыми программными средствами. Поочередное исследование волоконно-оптических трактов двумя независимыми способами и последующее сравнение результатов позволяет повысить достоверность полученных результатов и надежность контроля за состоянием направляющих систем связи.

6. Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра, проведено компьютерное моделирование измерительного тракта рефлектометра, которое подтвердило достоверность теоретических исследований.