DE2533217B2 - Verfahren und Einrichtung zur Ortung eines Risses auf mindestens einer Faser eines optischen Kabels - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Ortung eines Risses auf mindestens einer Faser eines optischen KabelsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Es ist bekannt, daß die Entwicklung dielektrischer Elemente mit sehr niedriger Dämpfung im Bereich
optischer Wellenlängen die Verwendung dieser Elemente in Systemen zur Lichtübertragung über mehr
oder weniger große Entfernungen ermöglicht hat. In solchen Systemen erfordern die Anwendungsbedingungen
dieser dielektrischen Elemente einen Schutz oder Mantel wie bei Kabeln.
Ein oder mehrere dielektrische Elemente oder optische Fasern, die dieses Kabel bilden, können bei
einer schädigenden Behandlung oder durch irgendeinen anderen Grund brechen, ohne daß es dem äußerlichen
Ansehen des Kabels nach möglich ist, die Bruchstelle zu entdecken.
Es besteht daher das Bedürfnis, den Ort einer Bruchstelle in einer optischen Faser durch eine Messung
aufzufinden, ohne das Kabel demontieren zu müssen.
Das zii messende Kabel kann aus einer einzigen
optischen Faser bestehen, d. h. aus einem Element, bestehend aus einem oder mehreren Dielektrika, wie
Glas, Silizium, Flüssigkeit, Kunststoff usw., auf jeden Fall
aus einem Werkstoff, der eine Lichtübertragung ermöglicht. Diese optische Faser kann zu einem Leiter
gehören, welcher aus einer oder mehreren Fasern besteht, die dasselbe Signal parallel übertragen,
insbesondere zu einem aus einem oder mehreren Leitern bestehenden Kabelstück, oder zu einem aus
einem oder mehreren Kabelstücken bestehenden kompletten Kabel.
Bei einem aus der DE-OS 23 18 424 bekannten Verfahren zur Bestimmung des Fehlerortes auf einem
fehlerhaften elektrischen Kabel werden elektrische Impulse an einem Kabelende eingespeist und an der
Fehlerstelle zu diesem Ende reflektiert; die Laufzeit wird gemessen und daraus mit der bekannten
Fortpflanzungsgeschwindigkeit die Kabellänge bis zum Fehlerort berechnet.
Die für diese Messung verwendete Impulsfolge hat eine feste Folgefrequenz. Zur Bestimmung der Laufzeit
wird in einer Vorrichtung ein Impuls aus der vom Generator gelieferten Folge mit dem nach einer
gewissen Laufzeit reflektierten Impuls zur Koinzidenz gebracht; dazu werden impulszähler benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtung der eingangs genannten Art so
weiterzubilden, daß sich der Vergleich zwischen eingespeisten und reflektierten Impulsen ohne Impulszähler
und digitale Koinzidenzgeräte ausführen läßt.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
Die Laufzeit wird also unmittelbar aus einer in ihrer Frequenz regelbaren Impulsfolge bestimmt und kann
unmittelbar an dem Betrachtungsgerät abgelesen werden; Impulsgeneratoren mit einstellbarer Folgefrequenz
sind Stand der Technik und im Vergleich zu Impulszählern und digitalen Koinzidenzgeräten preiswert
und ohne Vorkenntnisse zu handhaben und zu warten.
IO
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit dem bei der Erfindung angewendeten Koinzidenzverfahren ist es möglich, die Laufzeit (U - ίο) eines
Lichtimpulses hin und zurück über die Länge L zwischen einem erreichbaren Kabelende und dem Riß mit großer
Genauigkeit zu messen. Der Fehler bezüglich der gesuchten Länge L, die sich aus der Laufzeitmessung
nach der Formel
L= c(U -to)l2 cn
ergibt, hängt nur von der Genauigkeit des Brechungsindexes λ des Fasermediums (gemessen oder gegeben) ab.
Der Erfindung wird im folgenden anhand einer Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen in
schematischen Darstellungen
Fig. IA und IB jeweils eine ungebrochene optische
Faser und eine gebrochene optische Faser,
Fig.2A, 2B, 2C drei Arten der Meßeinrichtung im 2u
Blockschaltbild,
F i g. 3 ein Blockschaltbild einer besonderen Ausführung der Meßeinrichtung,
Fig.4 Zeitdiagramme zur Darstellung der Meßmethode.
In ein heiles optisches Kabel (F i g. 1 A) wird am Ende
1 einer Faser ein Lichtimpuls eingestrahlt und zum Ende
2 übertragen.
Auf derselben, jedoch gebrochenen optischen Faser (Fig. IB) entsteht an der Bruchstelle ein Sprung
zwischen dem Medium mit dem Brechungsindex η (der optischen Faser und dem äußeren Medium (meistens
Luft). Ein bestimmter Teil des am Ende 1 der Faser eingestrahlten Lichtimpulses wird daher reflektiert und
zum Ende 1 zurückgestrahlt. Wenn also ein Lichtimpuls J5
am Ende 1 der Faser beim Zeitpunkt i0 ankommt, wird
an demselben Ende ein Rückimpuls beim Zeitpunkt U erhalten derart, daß
fi-ίο=2/7 L/c,
40
wobei L der Abstand zwischen der Bruchstelle und dem Ende 1 und cdie Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Daraus folgt: L= c(t\ - fo)/2 π für den Ort der
Bruchstelle.
Um die Laufzeit (U — fo) zu messen, wird eine der drei
im folgenden beschriebenen Einrichtungen benutzt. Ihnen gemeinsam sind eine Lichtimpulsquelle 101, ein
optisches Element 103, eine optischer Verteilervorrichtung, ein Halter 107, zwei Detektoren 111, 112 und ein
Betrachtungsgerät 113.
Die Lichtimpulsquelle 101 emittiert Lichtimpulse 5 von einer Dauer die viel kleiner ist als der zu messende
Wert (U — ίο). Die Wiederholungsfrequenz dieser Impulse
kann beliebig gewählt werden. Die Quelle 101 ist nach Belieben entweder ein Gas- oder Festkörperlaser oder
eine Elektrolumineszenz-Diode oder eine Elektrolumineszenz-Diode
mit Laserwirkung (Laserdiode). Es ist natürlich ratsam, die Wellenlänge der Quelle in einem
Bereich zu wählen, in dem das zu messende Kabel ein Dämpfungsminimum besitzt. bo
Das optische Element 103 ermöglicht die Fokussierung des Lichtes am Eingang des zu messenden Kabels
C. Es kann nach Belieben eine einfache Linse, ein Linsensystem wie ein Mikroskopobjektiv, eine Linse mit
einem Brechungsgradienten oder ein anderes System b5
sein, mit dem man die Lichtimpulse in das Kabel einstrahlen kann.
Der Halter !07 gestattet die Befestigung des zu messenden Kabels C im Brennpunkt des optischen
Elementes 103. Dieser Halter ist so gebaut, daß er sich leicht an jede öffnung optischer Kabel anpassen läßt.
Die beiden Detektoren 111,112 (die auch ein einziges
Bauteil bilden können) verwandeln die ankommenden Lichtsignale Si, £2 in elektrische Signale 5Γ bzw. 5?'.
Diese Detektoren können jeder eine Diode, ein Fotomultiplier oder irgendein anderes Detektorelement
sein. Die beiden Detektoren sind nicht unbedingt gleichartig, aber natürlich mit der Bedingung, daß sie
gleichartige Zeitcharakteristiken (beispielsweise Übergangs- und Anstiegszeit) besitzen, um die Genauigkeit
der Messung nicht zu stören.
Das Betrachtungsgerät 113 gestattet für die Messung
die Beobachtung der Signale 52', S2' auf ein und
demselben Bildschirm.
Die Bauteile 103, 105, 107 und 111 können einen einzigen versiegelten und mechanisch standfesten Block
bilden.
Bei einer ersten Einrichtung (F i g. 2A) ist die optische Verteilervorrichtung 105 zwischen dem optischen
Element 103 und dem Halter 107 angeordnet, dessen Achse auf den Strahlengang der Lichtimpulse S
ausgerichtet ist. Die optische Verteilervorrichtung 105 ermöglicht die Teilung des von dem Element 103
ausgehenden Lichtsignals S in zwei Signale Si, S2, die
nachzuweisen sind, und zwar S] direkt, Sj nach einem
Hin- und Rücklauf durch das zu messende Kabel C Teil 105 ist auf einigen Seiten zweckmäßig mit antireflektierenden
Schichten belegt, um Nebenreflexionen zu vermeiden.
Eine zweite Einrichtung (Fig.2B) unterscheidet sich
von der vorigen dadurch, daß das zu messende Kabel C selbst als Verteilervorrichtung dient, indem es derart auf
dem Halter 107 angeordnet ist, daß seine Achse einen Winkel α mit der durch die Lichtimpulsquelle 10 und das
Strahlungselement 103 bestimmten optischen Achse bildet. Infolgedessen erfahren die eingestrahlten Lichtimpulse
an dem Ende 1 des zu messenden Kabels eine erste (Spiegel-)Reflexion mit der Folge eines ersten,
unverzögerten reflektierten Signals, das mit dem einfallenden Signal einen Winkel 2 « einschließt, und an
der Bruchstelle des Kabels eine zweite Reflexion mit der Folge eines über einen zweiten Weg verzögerten
zweiten reflektierten Signals, das einen Winkel α mit dem einfallenden Signal einschließt. Die Detektoren
111, 112 befinden sich jeweils auf diesen beiden Reflexionswegen.
Eine dritte Einrichtung (F i g. 2C) unterscheidet sich
von den beiden vorigen dadurch, daß sich an das optische Element 103 zwei optische Fasern 104i und
1042 kleinen Durchmessers anschließen, die zwei Wege
für das aus dem optischen Element 103 austretende Lichtsignal bilden: In der ersten optischen Faser 104i
wird ein erstes Signal Si ohne Verzögerung zu einem ersten Detektor 111 übertragen, und in der zweiten
optischen Faser 1042, die der ersten gleich ist, wird ein
zweites Signal S2 zum Kabel C und von diesem wegen
der Reflexion an der Bruchstelle mit Verzögerung zu einem zweiten Detektor übertragen. Auch hier befinden
sich die Detektoren 111,112 auf diesen Strecken.
Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel gegeben (F ig. 3).
Es wird angenommen, daß die zu messenden Kabel ein Dämpfungsminimum zwischen 8000 und 9000 Ä
Wellenlänge haben; infolgedessen wird als Lichtimpulsquelle eine in diesen Wellenlängenbereich emittierende
Laserdiode gewählt.
Die ausgewählte Einrichtung ist diejenige der zweiten Art (F i g. 2B). Die Einrichtungsteile sind folgende:
Die Quelle der Lichtimpulse ist eine Laserdiode 101, die Lichtimpulse mit einer Dauer von 5 Nanosekunden
bei einer Leistungsspitze von einigen hundert Milliwatt > emittiert.
Vor der Laserdiode 101 befinden sich ein Generator 97 elektrischer Impulse von 0 bis 5 Volt mit in einem
breiten Bereich (von einigen Hertz bis zu einigen hundert MHz) verstellbarer und einstellbarer Frequenz i<
> und ein Stromverstärker 99, welcher einen einstellbaren Strom von mehreren Ampere erzeugt, mit dem man
jede Art von Laserdioden anregen kann.
Das optische Element 103 ist ein Mikroskopobjektiv mit einer Vergrößerung 1 :10. i->
Der Halter 107 gestattet die Einstellung des zu messenden Kabels derart, daß seine Achse mit der
gemeinsamen optischen Achse der vorerwähnten Bauteile einen Winkel λ von ca. 5° bildet.
Die Detektoren 111, 112 sind zwei gleichartige 2» Dioden und haben infolgedessen gleiche Übergangszeiten
und Geschwindigkeiten. Sie sind beide mit 50 Ohm belastet. Vor diesen Detektoren befinden sich jeweils
zwei Mikroskopobjektive 110i, HO2, die die reflektierten
Strahlen auf die Detektoren fokussieren.
Das Betrachtungsgerät 113 ist ein Leuchtschirm.
Bei dem Meßverfahren (F i g. 4) wird eine Lichtim pulsquelle mit verstellbarer und einstellbarer Impulsfol
gefrequenz / benutzt, und diese Frequenz wird derar eingestellt, daß auf dem Bildschirm der vom Detekto
112 angezeigte, verzögerte Impuls Nr. 1 mit dem von Detektor 111 angezeigten und nicht verzögerten Impul
Nr. 2 zeitlich koinzidiert; der Kehrwert der Meßfre quenz gibt dann die gesuchte Verzögerung (U — to).
Es ist möglich, η zu eliminieren, wenn man ein Kabe mit demselben Brechungsindex wie das zu messend«
Kabel benutzt (Länge L). Eine erste Messung mit einen dieses Kabel ganz durchlaufenden Signal ergibt:
n = c(t]'-tu')/L'
Die zweite Messung wird an dem zu untersuchender Kabel durchgeführt und ergibt:
L=c(t\-to)l2n\
man erhält sodann
man erhält sodann
L'/2.
Dabei liegt die absolute Genauigkeit in dei Größenordnung von einem Meter.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Ortung eines Risses auf > mindestens einer Faser eines optischen Kabels
mittels von einer Impulsquelle ausgesandten Impulsen einer gegebenen Impulsfolgefrequenz, die in ein
zugängliches Kabelende eingespeist werden und deren Laufzeit hin und zurück über die Länge ι ο
zwischen diesem Kabelende und dem Riß unter Benutzung eines vom Riß reflektierten verzögerten
Impulses und eines von der Impulsquelle ausgesandten unverzögerten Impulses gemessen und daraus
die Länge dieser Strecke ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse Lichtimpulse
sind und daß die Impulsfolgefrequenz einstellbar iüt und die Laufzeit mittels des Wertes derjenigen
Impulsfolgefrequenz gemessen wird, die eine zeitliche Koinzidenz zwischen dem verzögerten impuls
und demjenigen unverzögerten Impuls, der dem verzögerten unmittelbar folgt, ergibt.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Generator elektrischer
Impulse einer gegebenen Impulsfolgefrequenz und mit einem zu einer Meßeinrichtung gehörenden
Betrachtungsgerät zur Sichtbarmachung der verzögerten und unverzögerten Impulse, dadurch gekennzeichnet,
daß an den Impulsgenerator (97) eine Lichtimpulsquelle (101) angeschlossen ist und durch jo
eine in dem Strahlengang der Lichtimpulse (S) angeordnete optische Verteilervorrichtung (104,
105,107) aus zwei optischen Wegen, von denen der erste Weg entweder von der Lichtimpulsquelle (101)
durch Aufspaltung unmittelbar nach der Lichtimpulsquelle (101) zu einem Detektor (111) in Form
eines fotoelektrischen Wandlers führt oder von der Lichtimpulsquelle (101) durch Spiegelreflexion am
zugänglichen Kabelende zum Detektor (111) führt und von denen der zweite Weg von der Lichtimpulsquelle
(101) durch Reflexion am Riß zu einem zweiten Detektor (112) in Form eines zweiten
fotoelektrischen Wandlers führt, dessen Ausgangssignale zusammen mit denjenigen des ersten
Detektors (111) dem Betrachtungsgerät (113) zügeführt
werden, sowie dadurch, daß der Impulsgenerator (97) so ausgebildet ist, daß seine Impulsfolgefrequenz
einstellbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilervorrichtung aus dem zu
messenden Kabel (C) selbst besteht, dessen Achse gegenüber dem Strahlengang der Lichtimpulse (S)
geneigt ist(Fig. 2B).
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilervorrichtung aus optischen
Fasern (1O4|, 1O42) kleinen Durchmessers besteht,
von denen eine den ersten Weg bildet und zwei andere den zweiten Weg jeweils vor und nach dem
Hin- und Rückweg des zweiten optischen Signals (S2) durch das zu messende Kabel (C) bilden feo
(F ig. 2C).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulsquelle
(101) entweder eine Laser- oder eine Elektrolumineszenzdiode ist, daß zur Fokussierung der Lichtim- b5
pulse auf das zugängliche Kabelende ein Mikroskopobjektiv (103) oder eine Linse (103) mit einem
Brechungsgradienten vorgesehen ist, daß die Detektoren (111, 112) Fotodioden sind und daß das
Betrachtungsgerät (113) ein Oszilloskop ist.
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