RU2339929C1 - Optical reflectometer - Google Patents

Optical reflectometer Download PDF

Info

Publication number
RU2339929C1
RU2339929C1 RU2007103119/28A RU2007103119A RU2339929C1 RU 2339929 C1 RU2339929 C1 RU 2339929C1 RU 2007103119/28 A RU2007103119/28 A RU 2007103119/28A RU 2007103119 A RU2007103119 A RU 2007103119A RU 2339929 C1 RU2339929 C1 RU 2339929C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
optical
pulse
microcontroller
Prior art date
Application number
RU2007103119/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007103119A (en
Inventor
Михаил Яковлевич Яковлев (RU)
Михаил Яковлевич Яковлев
Владимир Николаевич Цуканов (RU)
Владимир Николаевич Цуканов
Виталий Анатольевич Кузнецов (RU)
Виталий Анатольевич Кузнецов
Original Assignee
Открытое акционерное общество ЦНИТИ "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество ЦНИТИ "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш") filed Critical Открытое акционерное общество ЦНИТИ "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш")
Priority to RU2007103119/28A priority Critical patent/RU2339929C1/en
Publication of RU2007103119A publication Critical patent/RU2007103119A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2339929C1 publication Critical patent/RU2339929C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: reflectometer consists of a pulse former, one of the inputs of which is connected to the output of a microcontroller, and the output of which is connected to a source of optical radiation, Y-shaped optical splitter, the input/output of which is optically connected to the socket of the output optical connector of the reflectometer, and the output of which is optically connected a photodetector, the output of which is connected to the input of an analogue commutator, the control input of which is connected to one of the outputs of the microcontroller, and the output of which is connected to the input of a comparator and the input of a pulse stretcher, the input of which is connected to one of the outputs of the microcontroller, and the output of which is connected to the analogue input of an analogue-to-digital converter, the digital outputs of which are connected to the inputs of the microcontroller. A piece of optical fibre with given length is inserted into the positive feedback circuit, optically connected to the output of the source of optical radiation and the second input of the Y-shaped optical splitter. The output of the comparator is connected to one of the inputs of the microcontroller and to the second input of the pulse former.
EFFECT: increased accuracy of measuring the distance to the position of local irregularities in a fibre-optic tract.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, техники связи и оптоэлектроники и может быть использовано для диагностики волоконно-оптических трактов при производстве оптических волокон и волоконно-оптических кабелей, при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических линий связи. Наиболее целесообразно использовать устройство для контроля волоконно-оптических трактов бортовых локальных волоконно-оптических сетей связи и передачи информации. Для таких сетей характерна небольшая длина соединительных линий (до 1 км) и большое количество переходов через различные отсеки. В местах переходов могут возникать локальные оптические неоднородности из-за пережатия или изгиба оптического волокна. Нахождение мест неоднородностей необходимо осуществлять с предельной точностью.The invention relates to the field of measuring technology, communication technology and optoelectronics and can be used to diagnose fiber optic paths in the production of optical fibers and fiber optic cables, when laying and operating fiber-optic communication lines. It is most advisable to use a device for monitoring fiber-optic paths of onboard local fiber-optic communication networks and information transfer. Such networks are characterized by a short length of connecting lines (up to 1 km) and a large number of crossings through various compartments. At the transition points, local optical inhomogeneities can occur due to the clamping or bending of the optical fiber. Finding places of heterogeneity must be carried out with extreme accuracy.

Известно устройство диагностики волоконно-оптических трактов [1]. Устройство состоит из двух микроконтроллеров, формирователя импульсов, полупроводникового источника излучения, оптического ответвителя, 2-х оптических соединителей, 2-х фотоприемников, коммутатора, программируемого аттенюатора, компаратора, расширителя импульсов, аналого-цифрового преобразователя, пульта управления, цифрового индикатора и перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства. Устройство позволяет измерять потери на отражение от неоднородностей волоконно-оптического тракта (коэффициенты отражения) и расстояния до мест неоднородностей.A known device for the diagnosis of fiber optic paths [1]. The device consists of two microcontrollers, a pulse shaper, a semiconductor radiation source, an optical coupler, 2 optical connectors, 2 photodetectors, a switch, a programmable attenuator, a comparator, a pulse expander, an analog-to-digital converter, a control panel, a digital indicator and a reprogrammable constant constant storage device. The device allows you to measure the reflection loss from the inhomogeneities of the fiber optic path (reflection coefficients) and the distance to the places of inhomogeneities.

Работа устройства заключается в том, что на вход контролируемого волоконно-оптического тракта подают короткий оптический импульс и измеряют параметры импульсных сигналов, преобразованных фотоприемником, установленным на выходе ответвителя таким образом, что этот фотоприемник принимает оптический сигнал обратного рассеяния. Оптические импульсы, отраженные от неоднородностей волоконно-оптического тракта, преобразуются фотоприемником в электрические импульсы, выделяются по заданному уровню компаратором и поступают на один из входов быстродействующего микроконтроллера. Микроконтроллер выделяет заданный импульс (по порядку его поступления), задает временную задержку, в течение которой заканчивается весь цуг отраженных от неоднородностей импульсов, и при помощи формирователя импульсов и полупроводникового источника оптического излучения формирует новый оптический импульс, зондирующий волоконно-оптический тракт. Расстояние до места анализируемой неоднородности определяется по частоте автоколебательного процесса, возникающего за счет повторений процесса формирования нового зондирующего импульса при поступлении заданного отраженного импульса. По амплитуде отраженного импульса измеряется коэффициент отражения (потери на отражение) от исследуемой неоднородности.The operation of the device lies in the fact that a short optical pulse is applied to the input of the controlled fiber optic path and the parameters of the pulse signals converted by a photodetector installed at the output of the coupler are measured so that this photodetector receives an optical backscattering signal. The optical pulses reflected from the inhomogeneities of the fiber optic path are converted by the photodetector into electrical pulses, are extracted at a predetermined level by the comparator and fed to one of the inputs of the high-speed microcontroller. The microcontroller selects a given pulse (in the order of its arrival), sets the time delay during which the entire train of pulses reflected from inhomogeneities ends, and with the help of a pulse shaper and a semiconductor optical radiation source forms a new optical pulse probing the fiber optic path. The distance to the place of the analyzed heterogeneity is determined by the frequency of the self-oscillating process that occurs due to repetitions of the process of formation of a new probe pulse upon receipt of a given reflected pulse. By the amplitude of the reflected pulse, the reflection coefficient (reflection loss) from the investigated inhomogeneity is measured.

Недостатками устройства являются:The disadvantages of the device are:

1. Невысокая разрешающая способность и точность измерения расстояния до места расположения неоднородности. Точность измерений ограничивается временем выполнения одной операции микроконтроллера, регистрирующего сигнал на выходе компаратора, для микроконтроллера, работающего с тактовой частотой 150 МГц, погрешность измерения расстояния составляет около 4 метров.1. Low resolution and accuracy of measuring the distance to the location of the heterogeneity. The measurement accuracy is limited by the time it takes to perform one operation of the microcontroller that registers the signal at the output of the comparator, for a microcontroller operating at a clock frequency of 150 MHz, the error in measuring distance is about 4 meters.

2. Устройство не обеспечивает измерение затухания оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта.2. The device does not provide measurement of the attenuation of the optical signal along the fiber optic path.

Известно устройство, представляющее собой оптический рефлектометр [2, стр.27]. Устройство содержит оптический модуль и базовый модуль. Оптический модуль состоит из импульсного генератора, лазерного диода, оптического ответвителя, фотоприемника, усилителя, оптического соединителя, усилителя фототока, аналого-цифрового преобразователя. Базовый модуль состоит из микропроцессора и дисплея. Устройство вырабатывает оптический зондирующий импульс, направляемый в волоконно-оптический тракт, и анализирует излучение обратного рассеяния на выходе ответвителя.A device is known, which is an optical reflectometer [2, p.27]. The device contains an optical module and a base module. The optical module consists of a pulse generator, a laser diode, an optical coupler, a photodetector, an amplifier, an optical connector, a photocurrent amplifier, and an analog-to-digital converter. The base module consists of a microprocessor and a display. The device generates an optical probe pulse directed to the fiber optic path and analyzes the backscattering radiation at the output of the coupler.

Устройство позволяет измерять затухание оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта и расстояние до мест неоднородностей.The device allows you to measure the attenuation of the optical signal along the fiber optic path and the distance to the places of heterogeneity.

Недостатками устройства являются невысокая точность измерения расстояний при увеличении длительности зондирующих оптических импульсов и невысокий динамический диапазон измерений при уменьшении их длительности.The disadvantages of the device are the low accuracy of measuring distances with increasing duration of the probe optical pulses and the low dynamic range of measurements with decreasing their duration.

При уменьшении длительности зондирующего импульса увеличивается точность измерения расстояния, но при этом уменьшается мощность обратного релеевского рассеяния.With a decrease in the duration of the probe pulse, the accuracy of distance measurement increases, but the power of the reverse Rayleigh scattering decreases.

Коэффициент обратного релеевского рассеяния q в дБ определяется по формуле [2, стр.41]The Rayleigh backscattering coefficient q in dB is determined by the formula [2, p. 41]

Figure 00000002
Figure 00000002

где tи - длительность импульса, зондирующего волокно в нс.where t and is the duration of the pulse probing the fiber in ns.

При длительности импульса tи=2 нс (разрешение по длине 0,5 м) коэффициент обратного релеевского рассеяния будет равен q=-77 дБ, при tи=10 нс (разрешение по длине 2 м), q=-70 дБ.At a pulse duration of t and = 2 ns (resolution over a length of 0.5 m), the coefficient of reverse Rayleigh scattering will be q = -77 dB, at t and = 10 ns (resolution over a length of 2 m), q = -70 dB.

Известно устройство оптического рефлектометра, наиболее близкое по своей технической сущности к изобретению [3]. Устройство позволяет измерять отраженную оптическую мощность, потери на отражение (коэффициенты отражения) и расстояние до места расположения локальных неоднородностей волоконно-оптического тракта.A device for an optical reflectometer is known which is closest in its technical essence to the invention [3]. The device allows you to measure the reflected optical power, reflection loss (reflection coefficients) and the distance to the location of the local heterogeneities of the fiber optic path.

Устройство содержит формирователь импульсов, полупроводниковый источник излучения, Y-образный оптический разветвитель, два оптических соединителя, два фотоприемника, аналоговый коммутатор, компаратор, программируемый аттенюатор, два микроконтроллера, программируемый счетчик-делитель частоты, два цифровых ключа, аналоговый ключ, расширитель импульсов, электронную линию задержки, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), индикатор, пульт управления и перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство.The device includes a pulse shaper, a semiconductor radiation source, a Y-shaped optical splitter, two optical connectors, two photodetectors, an analog switch, a comparator, a programmable attenuator, two microcontrollers, a programmable frequency counter-divider, two digital keys, an analog key, a pulse expander, electronic delay line, analog-to-digital converter (ADC), indicator, control panel and reprogrammable read-only memory.

Устройство определяет расстояние до места локальных неоднородностей путем измерения частоты автоколебаний. Причем частота автоколебаний определяется задержкой оптического сигнала в узлах устройства и задержкой, связанной с распространением оптического сигнала от входного торца оптического волокна до места расположения локальной неоднородности и обратно.The device determines the distance to the place of local heterogeneities by measuring the frequency of self-oscillations. Moreover, the frequency of self-oscillations is determined by the delay of the optical signal in the nodes of the device and the delay associated with the propagation of the optical signal from the input end of the optical fiber to the location of the local inhomogeneity and vice versa.

Недостатками устройства являются:The disadvantages of the device are:

1. Устройство не обеспечивает измерение затухания оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта.1. The device does not provide a measurement of the attenuation of the optical signal along the fiber optic path.

2. Невысокая точность измерения расстояния до места расположения локальной неоднородности, связанная с нестабильностью частоты автоколебаний. Нестабильность частоты обусловлена нестабильностью задержки сигнала в узлах устройства.2. The low accuracy of measuring the distance to the location of local heterogeneity associated with the instability of the frequency of self-oscillations. The frequency instability is due to the instability of the signal delay in the nodes of the device.

Сигнал проходит через следующие узлы, входящие в колебательный контур (цепь обратной связи):The signal passes through the following nodes included in the oscillatory circuit (feedback circuit):

- оптический соединитель;- optical connector;

- Y-образный оптический разветвитель;- Y-shaped optical splitter;

- фотоприемник;- photodetector;

- коммутатор;- switch;

- компаратор;- comparator;

- счетчик-делитель;- counter divider;

- линию задержки (сигнал в линии задержки задерживается n раз в зависимости от длины волоконно-оптического тракта);- delay line (the signal in the delay line is delayed n times depending on the length of the fiber optic path);

- электронный ключ;- electronic key;

- формирователь импульсов;- pulse shaper;

- источник излучения.- radiation source.

В зависимости от длины тракта электрический импульс с выхода счетчика-делителя частоты может быть задержан в линии задержки n раз. Это необходимо для того, чтобы новый зондирующий импульс не наложился на отраженные от неоднородностей тракта импульсы, инициируемые предыдущим зондирующим импульсом. В связи со сделанным замечанием очевидно, что нестабильность задержки сигнала в этом случае также увеличится в n раз.Depending on the length of the path, the electrical pulse from the output of the counter-divider frequency can be delayed in the delay line n times. This is necessary so that the new probe pulse does not overlap the pulses reflected from the path inhomogeneities initiated by the previous probe pulse. In connection with the remark made, it is obvious that the instability of the signal delay in this case will also increase n times.

Для задержки электрических импульсов применяют линии задержек следующих типов [4]:To delay electrical pulses, delay lines of the following types are used [4]:

- распределенные (коаксиальные или полосковые);- distributed (coaxial or strip);

- с сосредоточенными параметрами (построенные на L, С цепочках);- with lumped parameters (built on L, C chains);

- ультразвуковые (волноводные проволочные, волноводные ленточные, на объемных акустических волнах, на поверхностных акустических волнах);- ultrasonic (waveguide wire, waveguide tape, on volumetric acoustic waves, on surface acoustic waves);

- электронные цифровые (кремниевые или гибридные).- electronic digital (silicon or hybrid).

Полосковые линии задержки с погонной индуктивностью L1 и погонной емкостью С1 отличаются высокой стабильностью и широкополосностью. Волновое сопротивление такой линии W не зависит от частоты и определяется по формуле [5]Strip delay lines with linear inductance L 1 and linear capacitance C 1 are characterized by high stability and broadband. The wave impedance of such a line W is independent of frequency and is determined by the formula [5]

Figure 00000003
Figure 00000003

где L0=l·L1, - суммарная индуктивность;where L 0 = l·L 1 , is the total inductance;

С0=l·С1 - суммарная емкость;С 0 = l · С 1 - total capacity;

l - длина линии.l is the length of the line.

Задержка сигнала Т определяется по формулеThe signal delay T is determined by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

Непременным условием работы такой линии задержки является согласование ее сопротивлений на входе и выходе. При импульсных сигналах на входе линии задержки проблема согласования становится непростой из-за наличия на входном и выходном концах линии паразитных емкостей. Рассогласование линии ведет к паразитным переотражениям сигнала от концов линии, которые недопустимы для правильной работы устройства.An indispensable condition for the operation of such a delay line is the coordination of its resistances at the input and output. With pulsed signals at the input of the delay line, the matching problem becomes difficult due to the presence of stray capacitances at the input and output ends of the line. Mismatch of the line leads to spurious re-reflections of the signal from the ends of the line, which are unacceptable for the correct operation of the device.

Другим недостатком такой линии задержки является трудность расчета ее параметров, так как геометрические размеры линии зависят от передаваемой длины волны электрического сигнала [6]. В случае же с импульсными сигналами имеем дело не с одной длиной волны излучения, а целым спектром длин волн.Another disadvantage of such a delay line is the difficulty in calculating its parameters, since the geometric dimensions of the line depend on the transmitted wavelength of the electric signal [6]. In the case of pulsed signals, we are dealing not with a single radiation wavelength, but with a whole spectrum of wavelengths.

На основании изложенного можно сделать вывод о невозможности использования таких линий задержки в рассматриваемом устройстве.Based on the foregoing, we can conclude that it is impossible to use such delay lines in the device in question.

При использовании коаксиальной линии задержки также встает вопрос о согласовании волнового сопротивления коаксиального кабеля в широкой полосе передаваемых частот. Кроме того, затухание сигнала в коаксиальном кабеле зависит от частоты сигнала и имеет значение для частоты, равной 100 МГц (соответствует длительности фронта импульсов порядка 10 нс), около 0,1 дБ/м [6]. При длине волоконно-оптического тракта 1 км длина коаксиальной линии задержки должна быть равна не менее 3 км (за счет двукратного прохождения линии оптическим сигналом и разности скоростей распространения света в оптическом волокне и электромагнитной волны в коаксиальном кабеле). При длине 3 км затухание сигнала в такой линии задержки будет равно 300 дБ (в 1015 раз). Такая линия задержки в устройстве не может быть использована.When using a coaxial delay line, the question also arises of matching the wave impedance of a coaxial cable in a wide band of transmitted frequencies. In addition, the attenuation of a signal in a coaxial cable depends on the signal frequency and has a value of about 0.1 dB / m for a frequency of 100 MHz (corresponding to a pulse front duration of the order of 10 ns) [6]. With a fiber optic path length of 1 km, the length of the coaxial delay line should be at least 3 km (due to the double passage of the line with an optical signal and the difference in the speed of light propagation in the optical fiber and the electromagnetic wave in the coaxial cable). With a length of 3 km, the signal attenuation in such a delay line will be 300 dB ( 10-15 times). Such a delay line in the device cannot be used.

Линии задержки с сосредоточенными параметрами (на L, С или R, С цепочках) не могут быть использованы в рассматриваемом устройстве из-за следующих недостатков:Delay lines with lumped parameters (on L, C or R, C chains) cannot be used in the device in question due to the following disadvantages:

- L, С цепочки искажают форму импульсных сигналов;- L, C chains distort the shape of the pulse signals;

- R, C цепочки приводят к быстрому затуханию сигнала и также искажают форму импульсных сигналов (затягивают фронт).- R, C chains lead to fast attenuation of the signal and also distort the shape of the pulse signals (tighten the front).

Ультразвуковые линии задержки не могут быть использованы в рассматриваемом устройстве из-за их недостаточной широкополосности. Требуется полоса пропускания не менее 300 МГц, обеспечивается полоса пропускания не более 10 МГц [7].Ultrasonic delay lines cannot be used in the device in question because of their insufficient broadband. A bandwidth of at least 300 MHz is required; a bandwidth of not more than 10 MHz is provided [7].

Электронные цифровые линии задержки могут быть выполнены на дискретных элементах (ждущих мультивибраторах), интегральных элементах (гибридных и кремниевых). Наиболее стабильными параметрами из перечисленных обладают кремниевые интегральные линии задержки. Наибольших успехов в их производстве добилась фирма Dallas Semiconductor. Фирма выпускает интегральные кремниевые линии задержки типа DS1000 - DS1045 с временем задержки от 4 до 500 нс. Коэффициент нестабильности времени задержки во всем температурном диапазоне и диапазоне питающих напряжений составляет 1% [8].Electronic digital delay lines can be performed on discrete elements (standby multivibrators), integrated elements (hybrid and silicon). The most stable parameters of the above have silicon integrated delay lines. The greatest success in their production was achieved by Dallas Semiconductor. The company produces integrated silicon delay lines of the DS1000 - DS1045 type with a delay time of 4 to 500 ns. The coefficient of instability of the delay time in the entire temperature range and the range of supply voltages is 1% [8].

Пусть рассматриваемое устройство контролирует неоднородности в волоконно-оптическом тракте длиной l=1 км. Время задержки сигнала должно составлять не менееLet the device in question control the inhomogeneities in the fiber optic path with a length l = 1 km. The signal delay time must be at least

Figure 00000005
Figure 00000005

где n - показатель преломления плавленого кварца (n≈1,5);where n is the refractive index of fused silica (n≈1.5);

с - скорость света в вакууме (с=3·108 м/с).s is the speed of light in vacuum (s = 3 · 10 8 m / s).

Составляющая погрешности измерения расстояния до места расположения неоднородности Δl, связанная с нестабильностью задержки Δτ, может быть найдена по формулеThe component of the error in measuring the distance to the location of the inhomogeneity Δl associated with the instability of the delay Δτ can be found by the formula

Figure 00000006
Figure 00000006

или Δl=сΔτ или

Figure 00000007
or Δl = cΔτ or
Figure 00000007

где tp - время распространения сигнала в волоконно-оптическом тракте;where t p is the propagation time of the signal in the fiber optic path;

δl и δτ - относительные приведенные значения погрешностей.δl and δτ are the relative reduced values of the errors.

Так как нестабильность кремниевых задержек (джиттер) составляет 1%, то при их использовании в устройстве при контроле волоконно-оптического тракта длиной 1 км максимальная погрешность измерения расстояния до места расположения неоднородности будет равна 30 м, если не применять специальные методы статистической обработки с использованием вероятностных методов и доверительных интервалов.Since the instability of silicon delays (jitter) is 1%, when they are used in the device for monitoring a fiber optic path 1 km long, the maximum error in measuring the distance to the location of the inhomogeneity will be 30 m, unless special statistical processing methods using probabilistic methods and confidence intervals.

Предложенное устройство решает задачу обеспечения возможности измерения затухания оптического сигнала вдоль волоконно-оптического тракта и задачу повышения точности измерения расстояния до места расположения локальных неоднородностей в волоконно-оптическом тракте.The proposed device solves the problem of providing the possibility of measuring the attenuation of the optical signal along the fiber optic path and the task of increasing the accuracy of measuring the distance to the location of local inhomogeneities in the fiber optic path.

Сущность изобретения заключается в том, что в оптический рефлектометр, содержащий формирователь импульсов, один из входов которого соединен с выходом микроконтроллера, а выход - с полупроводниковьм источником оптического излучения, Y-образный оптический разветвитель, вход/выход которого оптически связан с розеткой выходного оптического соединителя рефлектометра, а выход оптически связан с оптическим входом фотоприемника, выход которого соединен с входом аналогового коммутатора, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен с входом компаратора и входом расширителя импульсов, вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход - с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с входами микроконтроллера, который подключен к персональному компьютеру, введен отрезок оптического волокна заданной длины, оптически связанный с выходом полупроводникового источника оптического излучения и вторым входом Y-образного оптического разветвителя, а выход компаратора соединен с одним из входов микроконтроллера и с вторым входом формирователя импульсов.The essence of the invention lies in the fact that in an optical reflectometer containing a pulse shaper, one of the inputs of which is connected to the output of the microcontroller, and the output is connected to a semiconductor source of optical radiation, a Y-shaped optical splitter, the input / output of which is optically connected to the outlet of the output optical connector OTDR, and the output is optically connected to the optical input of the photodetector, the output of which is connected to the input of an analog switch, the control input of which is connected to one of the outputs m of the microcontroller, and the output is connected to the input of the comparator and the input of the pulse expander, the input of which is connected to one of the outputs of the microcontroller, and the output is connected to the analog input of the analog-to-digital converter, the digital outputs of which are connected to the inputs of the microcontroller, which is connected to a personal computer, an optical segment is introduced fiber of a given length, optically coupled to the output of a semiconductor optical radiation source and a second input of a Y-shaped optical splitter, and the output of the comparator is connected to ne of the inputs of the microcontroller and to a second input of the pulse shaper.

На чертежах (см. фиг.1) изображена структурная схема предлагаемого рефлектометра.In the drawings (see figure 1) shows a structural diagram of the proposed reflectometer.

Рефлектометр состоит из:The reflectometer consists of:

- микроконтроллера 1;- microcontroller 1;

- формирователя импульсов 2;- pulse shaper 2;

- полупроводникового источника оптического излучения 3;- semiconductor optical radiation source 3;

- отрезка оптического волокна заданной длины 4;- a piece of optical fiber of a given length 4;

- компаратора 5;- comparator 5;

- аналогового коммутатора 6;- analog switch 6;

- фотоприемника 7;- photodetector 7;

- Y-образного оптического разветвителя 8;- Y-shaped optical splitter 8;

- розетки выходного оптического соединителя 9;- sockets of the output optical connector 9;

- расширителя импульсов 10;- pulse expander 10;

- аналого-цифрового преобразователя 11;- analog-to-digital Converter 11;

- персонального компьютера 12.- personal computer 12.

Рефлектометр работает следующим образом.OTDR operates as follows.

При включении питания рефлектометра начинается выполнение программы, записанной в резидентной памяти программ микроконтроллера 1. На одном из выходов микроконтроллер 1 вырабатывает импульс напряжения (эпюра 1, фиг.2), поступающий на первый вход формирователя импульсов 2.When the OTDR power is turned on, execution of the program recorded in the resident program memory of the microcontroller 1 begins. At one of the outputs, the microcontroller 1 generates a voltage pulse (plot 1, figure 2), which is fed to the first input of the pulse shaper 2.

Формирователь 2 по фронту сигнала на его входе вырабатывает импульс тока накачки полупроводникового источника излучения 3 с заданной длительностью (эпюра 2, фиг.2).Shaper 2 on the front of the signal at its input generates a pulse of the pump current of the semiconductor radiation source 3 with a given duration (plot 2, figure 2).

Полупроводниковый источник оптического излучения 3 генерирует оптический импульс. Импульс направляется в отрезок оптического волокна 4, задерживается в нем на время τ0, зависящее от его длины LThe semiconductor optical radiation source 3 generates an optical pulse. The pulse is directed into the segment of the optical fiber 4, is delayed in it for a time τ 0 , depending on its length L

Figure 00000008
Figure 00000008

где n - показатель преломления сердцевины волокна;where n is the refractive index of the fiber core;

с - скорость света в вакууме.c is the speed of light in vacuum.

Далее, пройдя оптический Y-образный разветвитель 8 и розетку оптического соединителя 9, оптический импульс направляется на вход измеряемого волоконно-оптического тракта.Further, having passed the optical Y-shaped splitter 8 and the socket of the optical connector 9, the optical pulse is directed to the input of the measured fiber optic path.

Излучение обратного рассеяния, состоящее из релеевского рассеяния и френелевских отражений от локальных неоднородностей, направляется оптическим Y-образным разветвителем 8 на оптический вход фотоприемника 7.Backscattering radiation, consisting of Rayleigh scattering and Fresnel reflections from local inhomogeneities, is directed by an optical Y-shaped splitter 8 to the optical input of the photodetector 7.

Следует заметить, что френелевские отражения от мест стыков или крупных локальных неоднородностей (зажимы, перегибы, трещины оптического волокна) значительно выше по уровню мощности по сравнению с сигналом релеевского рассеяния.It should be noted that Fresnel reflections from junctions or large local inhomogeneities (clamps, kinks, cracks in the optical fiber) are significantly higher in power level compared to the Rayleigh scattering signal.

Например, коэффициент обратного релеевского рассеяния при длительности импульса tи=2 нс (разрешение по длине 0,5 м) равен -77 дБ, при длительности импульса tи=10 нс (разрешение по длине 2 м) равен -70 дБ (см. формулу (1)).For example, the coefficient of reverse Rayleigh scattering at a pulse duration of t and = 2 ns (resolution over a length of 0.5 m) is -77 dB, with a pulse duration of t and = 10 ns (resolution over a length of 2 m) is -70 dB (see formula (1)).

Коэффициент френелевского отражения для оптических соединителей составляет величину от -30 до -50 дБ [2, стр.41].The Fresnel reflection coefficient for optical connectors is from -30 to -50 dB [2, p. 41].

Выходное напряжение фотоприемника 7 подается на вход аналогового коммутатора 6 (эпюра 3, фиг.2). В исходном состоянии коммутатор 6 находится в выключенном состоянии и не пропускает сигнал. Микроконтроллер 1 через промежутки времени τ1, τ2, τ3 вырабатывает последовательно три импульса: импульс сброса расширителя импульсов 10 (эпюра 4, фиг.2), импульс включения аналогового коммутатора 6 (эпюра 5, фиг.2), импульс запуска преобразования АЦП 11 (эпюра 8, фиг.2). Время генерации импульса включения аналогового коммутатора τ2 и длительность этого импульса Δτ определяют место расположения контролируемой области волоконно-оптического тракта и ее размерThe output voltage of the photodetector 7 is fed to the input of the analog switch 6 (plot 3, figure 2). In the initial state, the switch 6 is in the off state and does not pass the signal. The microcontroller 1 at three time intervals τ 1 , τ 2 , τ 3 generates three pulses in succession: a reset pulse of the pulse expander 10 (plot 4, figure 2), an analog switch on pulse 6 (plot 5, figure 2), an ADC conversion trigger 11 (plot 8, figure 2). The time of generation of the switching pulse of the analog switch τ 2 and the duration of this pulse Δτ determine the location of the controlled area of the fiber optic path and its size

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

где li - расстояние от начала волоконно-оптического тракта до начала контролируемой области;where l i is the distance from the beginning of the fiber optic path to the beginning of the controlled area;

Δl - размер контролируемой области.Δl is the size of the controlled area.

Значения τ1, τ2, τ3, Δτ задаются программно.The values of τ 1 , τ 2 , τ 3 , Δτ are set programmatically.

Импульс сброса расширителя импульсов готовит расширитель импульсов к приходу следующего измеряемого импульса. Обычно расширители импульсов строятся по диодноконденсаторной накопительной схеме [10]. При подаче импульса сброса открывается ключевая схема, выполненная на полевых транзисторах, разряжающая накопительный конденсатор.The reset pulse of the pulse expander prepares the pulse expander for the arrival of the next measured pulse. Typically, pulse expanders are constructed according to a diode-capacitor storage circuit [10]. When a reset pulse is applied, a key circuit, made on field-effect transistors, discharges the storage capacitor.

Импульс включения аналогового коммутатора управляет каналом передачи коммутатора, который ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения. При подаче управляющего импульса сопротивление канала стремится к нулю. Эпюра импульса напряжения на выходе аналогового коммутатора 6 представлена на эпюре 6, см. фиг.2. Этот импульс преобразуется расширителем импульсов 10 в квазипостоянный уровень, который регистрируется АЦП 11. Значение амплитуды импульса в цифровом виде передается в микроконтроллер. Расширитель импульсов необходим для упрощения конструкции рефлектометра, так как его использование позволяет существенно удешевить устройство за счет применения низкочастотного АЦП и сравнительно низкочастотного микроконтроллера.The switching pulse of the analog switch controls the transmission channel of the switch, which behaves like a resistor, the resistance of which can change many times when the control voltage changes. When a control pulse is applied, the channel resistance tends to zero. The plot of the voltage pulse at the output of the analog switch 6 is presented on the plot 6, see figure 2. This pulse is converted by a pulse expander 10 into a quasi-constant level, which is recorded by the ADC 11. The value of the pulse amplitude is digitally transmitted to the microcontroller. A pulse expander is necessary to simplify the design of the OTDR, since its use allows you to significantly reduce the cost of the device due to the use of a low-frequency ADC and a relatively low-frequency microcontroller.

После окончания сигнала обратного рассеяния (время окончания этого сигнала определяется длиной волоконно-оптического тракта) микроконтроллер 1 вырабатывает новый импульс, поступающий на первый вход формирователя импульсов 2. Процесс измерения повторяется, при этом АЦП осуществляет цифровое интегрирование (накопление) сигнала с выбранной области волоконно-оптического тракта.After the backscattering signal ends (the end time of this signal is determined by the length of the fiber optic path), the microcontroller 1 generates a new pulse arriving at the first input of the pulse former 2. The measurement process is repeated, while the ADC digitally integrates (accumulates) the signal from the selected fiber optical path.

Программно смещая момент открытия аналогового коммутатора, рефлектометр исследует весь волоконно-оптический тракт по описанному алгоритму. По полученным данным персональный компьютер 12, соединенный с микроконтроллером 1, строит рефлектограмму тракта (зависимость уровня сигнала от расстояния). По наклону рефлектограммы измеряется затухание сигнала вдоль тракта.By programmatically shifting the opening moment of the analog switch, the OTDR examines the entire fiber optic path according to the described algorithm. According to the data obtained, a personal computer 12, connected to the microcontroller 1, builds a reflectogram of the path (the dependence of the signal level on distance). The slope of the reflectogram measures the attenuation of the signal along the path.

Если в исследуемой области тракта находится локальная неоднородность (эпюры 1, 2, 3, 4 на фиг.3), это может быть оптический соединитель или трещина в оптическом волокне, то сигнал обратного рассеяния резко увеличится за счет френелевского отражения. Сигнал превысит уровень срабатывания компаратора и на его выходе появится импульс напряжения. Этот импульс одновременно поступает на один из входов микроконтроллера 1 и на второй вход формирователя импульсов 2 (эпюры 1 и 5, фиг.3).If there is a local heterogeneity in the studied area of the tract (plots 1, 2, 3, 4 in Fig. 3), it can be an optical connector or a crack in the optical fiber, then the backscattering signal will increase sharply due to Fresnel reflection. The signal will exceed the trip level of the comparator and a voltage pulse will appear at its output. This pulse is simultaneously fed to one of the inputs of the microcontroller 1 and to the second input of the pulse shaper 2 (diagrams 1 and 5, figure 3).

Поступая на вход формирователя 2, импульс возбуждает следующий зондирующий оптический импульс.Entering the input of the shaper 2, the pulse excites the next probing optical pulse.

Чтобы цуг отраженных от предыдущего зондирующего импульса сигналов обратного рассеяния не наложился на новые сигналы, необходимо, чтобы выполнялось условиеSo that the train of backscattering signals reflected from the previous probe pulse does not overlap with the new signals, it is necessary that the condition

Figure 00000011
Figure 00000011

где τ0 - задержка оптического сигнала в отрезке оптического волокна 4 длиной

Figure 00000012
;where τ 0 is the delay of the optical signal in the length of the optical fiber 4
Figure 00000012
;

τвот - время прохождения сигнала по волоконно-оптическому тракту в одну сторону.τ here is the signal transit time along the fiber optic path in one direction.

Поступая на вход микроконтроллера, импульс с выхода компаратора вызывает внешнее прерывание основной программы. Микроконтроллер переходит к выполнению подпрограммы обработки прерывания. Подпрограмма выполняет следующие задачи:Coming to the input of the microcontroller, the pulse from the output of the comparator causes an external interruption of the main program. The microcontroller proceeds to execute the interrupt processing routine. The routine performs the following tasks:

- запрещает новые прерывания.- prohibits new interrupts.

- поддерживает автоколебательный процесс.- supports auto-oscillation process.

Примечание: для поддержания автоколебаний микроконтроллер открывает аналоговый коммутатор через интервал времени τ4 (см. эпюру 3 на фиг.3) от момента поступления выходного сигнала компаратора на время Δτ и пропускает импульс, преобразованный фотоприемником из отраженного от исследуемой неоднородности сигнала, возникшего от зондирующего оптического импульса, инициируемого выходным импульсом компаратора. Импульс с выхода аналогового коммутатора поступает на вход компаратора, инициирующего следующий зондирующий импульс. Возбуждаются автоколебания с периодом Тi под управлением подпрограммы микроконтроллера.Note: to maintain self-oscillations, the microcontroller opens the analog switch after a time interval τ 4 (see diagram 3 in Fig. 3) from the moment the comparator output signal arrives at the time Δτ and passes the pulse converted by the photodetector from the signal reflected from the investigated inhomogeneity that arose from the probe optical pulse initiated by the output pulse of the comparator. The pulse from the output of the analog switch is fed to the input of the comparator, initiating the next probing pulse. Self-oscillations with a period T i are excited under the control of a microcontroller subroutine.

- Измеряет период автоколебаний - Тi.- Measures the period of self-oscillations - T i .

- Передает информацию о периоде автоколебаний в персональный компьютер.- Transmits information about the period of self-oscillations to a personal computer.

- После измерения периода автоколебаний прекращает автоколебания (не открывает аналоговый коммутатор через τ4) и осуществляет выход в основную программу.- After measuring the period of auto-oscillations, it stops auto-oscillations (does not open the analog switch through τ 4 ) and exits to the main program.

Основная программа генерирует импульс на первом входе формирователя импульсов, тем самым возбуждая зондирующий оптический сигнал, осуществляет выбор следующей контролируемой области волоконно-оптического тракта, изменяя момент открытия аналогового коммутатора τ4 на время Δτ, и накапливает сигнал, рассеянный от выбранной области волоконно-оптического тракта. Процесс контроля участков волоконно-оптического тракта продолжается по описанному выше алгоритму.The main program generates a pulse at the first input of the pulse shaper, thereby exciting a probing optical signal, selects the next controlled area of the fiber optic path, changing the opening moment of the analog switch τ 4 by the time Δτ, and accumulates the signal scattered from the selected region of the fiber optic path . The process of monitoring sections of the fiber optic path continues according to the algorithm described above.

Вся информация о волоконно-оптическом тракте передается в персональный компьютер. Программа компьютера производит расчет расстояний до мест нахождения обнаруженных неоднородностей по периоду автоколебаний и строит рефлектограмму тракта. По крутизне участков рефлектограммы можно определить затухание оптического сигнала на этих участках.All information about the fiber optic path is transmitted to a personal computer. The computer program calculates the distances to the locations of the detected inhomogeneities according to the period of self-oscillations and builds a trace trace. The steepness of the traces of the trace can be used to determine the attenuation of the optical signal in these areas.

Следует отметить, что, так как нет необходимости определения расстояний до мест расположения локальных неоднородностей по рефлектограмме, то в качестве зондирующего можно использовать относительно длинный импульс оптического излучения. При этом резко увеличивается динамический диапазон измерений (по логарифмическому закону в соответствии с формулой 1).It should be noted that, since there is no need to determine the distances to the locations of local inhomogeneities from the trace, a relatively long pulse of optical radiation can be used as a probe. In this case, the dynamic range of measurements sharply increases (according to the logarithmic law in accordance with formula 1).

Произведем оценку характеристик предложенного рефлектометра.Let us evaluate the characteristics of the proposed reflectometer.

При обнаружении i-ой локальной неоднородности возбуждаются автоколебания. Период автоколебаний Тi складывается из следующих составляющихWhen the i-th local heterogeneity is detected, self-oscillations are excited. The self-oscillation period T i consists of the following components

Figure 00000013
Figure 00000013

где τ0 - задержка оптического сигнала в отрезке оптического волокна 4 длиной

Figure 00000014
;where τ 0 is the delay of the optical signal in the length of the optical fiber 4
Figure 00000014
;

tсл - задержка оптического сигнала в соединительных линиях (в отрезках оптического волокна между разветвителем и выходным оптическим соединителем, между разветвителем и фотоприемником);t SL is the delay of the optical signal in the connecting lines (in the segments of the optical fiber between the splitter and the output optical connector, between the splitter and the photodetector);

τi - задержка оптического сигнала на время распространения от начала волоконно-оптического тракта до i-ой локальной неоднородности и обратно;τ i is the delay of the optical signal during the propagation time from the beginning of the fiber optic path to the i-th local inhomogeneity and vice versa;

tф - задержка сигнала в фотоприемнике;t f - signal delay in the photodetector;

tком - задержка сигнала в аналоговом коммутаторе;t com - signal delay in the analog switch;

tк - задержка сигнала в компараторе;t to - signal delay in the comparator;

tфи - задержка сигнала в формирователе импульсов;t fi - signal delay in the pulse shaper;

tии - задержка сигнала в полупроводниковом источнике оптического излучения. uu t - signal delay in a semiconductor source of optical radiation.

Расстояние от начала волоконно-оптического такта до исследуемой i-ой локальной неоднородности можно найти по формулеThe distance from the beginning of the fiber optic clock to the studied i-th local inhomogeneity can be found by the formula

Figure 00000015
Figure 00000015

где с - скорость света в вакууме;where c is the speed of light in vacuum;

n - показатель преломления сердцевины оптического волокна.n is the refractive index of the core of the optical fiber.

С учетом формул (11) и (12) расстояние до места расположения i-ой локальной неоднородности можно найти по формулеTaking into account formulas (11) and (12), the distance to the location of the i-th local heterogeneity can be found by the formula

Figure 00000016
Figure 00000016

Произведем оценку точности измерения расстояния до места расположения неоднородности. Точность измерения расстояния до места расположения оптических неоднородностей будет определяться стабильностью значения показателя преломления по длине оптического волокна, погрешностью измерения периода автоколебаний, стабильностью задержек сигналов в узлах рефлектометра. С учетом возможных погрешностей параметров формулу (13) можем представить следующим образомLet us evaluate the accuracy of measuring the distance to the location of the heterogeneity. The accuracy of measuring the distance to the location of optical inhomogeneities will be determined by the stability of the refractive index along the length of the optical fiber, the error in measuring the period of self-oscillations, and the stability of signal delays at the nodes of the reflectometer. Taking into account possible parameter errors, formula (13) can be represented as follows

Figure 00000017
Figure 00000017

В связи с тем, что нестабильность группового показателя преломления по длине оптического волокна, как правило, не превышает 0,36% [11], выражение

Figure 00000018
можно с достаточной степенью точности (менее 0,05%) заменить на следующее
Figure 00000019
[12]. В связи со сделанным замечанием и пренебрегая величинами второго порядка малости, формулу (14) можно представить в следующем видеDue to the fact that the instability of the group refractive index along the length of the optical fiber, as a rule, does not exceed 0.36% [11], the expression
Figure 00000018
with a sufficient degree of accuracy (less than 0.05%) can be replaced by the following
Figure 00000019
[12]. In connection with the remark made and neglecting the values of the second order of smallness, formula (14) can be represented in the following form

Figure 00000020
Figure 00000020

где δli - относительная погрешность измерения расстояния до места расположения i-ой неоднородности;where δl i is the relative error of measuring the distance to the location of the i-th heterogeneity;

δn - относительное значение нестабильности группового показателя преломления по длине оптического волокна (не зависит от устройства, является параметром объекта контроля).δn is the relative value of the instability of the group refractive index along the length of the optical fiber (it does not depend on the device, it is a parameter of the control object).

Учитывая, что между параметрами отсутствует корреляция, формулу (15) можно переписатьGiven that there is no correlation between the parameters, formula (15) can be rewritten

Figure 00000021
Figure 00000021

Первая часть формулы зависит от характеристик узлов рефлектометра, вторая часть отражает нестабильность группового коэффициента преломления вдоль оптического волокна контролируемого волоконно-оптического тракта (объекта контроля).The first part of the formula depends on the characteristics of the reflectometer nodes, the second part reflects the instability of the group refractive index along the optical fiber of the controlled fiber-optic path (object of control).

Оценим параметры, входящие в формулу (16) для конкретного примера.We estimate the parameters included in formula (16) for a specific example.

Пусть длина измеряемого волоконно-оптического тракта 1 км, неоднородность расположена на расстоянии 500 м от начала тракта, тогда период автоколебаний будет равенLet the length of the measured fiber optic path be 1 km, the heterogeneity is located at a distance of 500 m from the beginning of the path, then the period of self-oscillations will be equal to

Figure 00000022
Figure 00000022

Погрешность измерения периода автоколебаний найдем исходя из значения стабильности кварцевого резонатора генератора тактовой частоты микроконтроллера, равной 10-6 The error in measuring the period of self-oscillations will be found based on the stability value of the quartz resonator of the clock generator of the microcontroller, equal to 10 -6

ΔTi=15·10-6=0,015 нс.ΔT i = 15 · 10 -6 = 0.015 ns.

Примечание: стабильность кварцевого резонатора без использования термостатирования составляет величину около 10-6 [13, стр.292], при использовании термостата стабильность составит 10-8.Note: the stability of a quartz resonator without the use of temperature control is about 10 -6 [13, p. 292], when using a thermostat, the stability is 10 -8 .

Показатель преломления сердцевины оптического волокна зависит от температуры и деформаций в соответствии с формулой [14, стр.44]:The refractive index of the core of the optical fiber depends on temperature and deformation in accordance with the formula [14, p. 44]:

Figure 00000023
Figure 00000023

где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна;where n is the refractive index of the core of the optical fiber;

Δn - изменение показателя преломления;Δn is the change in the refractive index;

Figure 00000024
- частная производная по температуре, характеризующая изменение плотности кварцевого стекла;
Figure 00000024
- the partial derivative with respect to temperature, characterizing the change in the density of quartz glass;

δn - изменение показателя преломления за счет фотоупругости.δn is the change in the refractive index due to photoelasticity.

Первый член формулы (18) учитывает изменение плотности стекла, второй член - эффект фотоупругости, обусловленной деформацией волокна.The first term of formula (18) takes into account a change in the density of glass, the second term takes into account the effect of photoelasticity due to fiber deformation.

Рассмотрим более подробно первый член формулы (18), учитывающий изменение плотности кварцевого стекла в зависимости от температуры. Предполагая, что деформаций нет, перепишем (18) в следующем видеLet us consider in more detail the first term of formula (18), which takes into account the change in the density of quartz glass depending on temperature. Assuming that there are no deformations, we rewrite (18) as follows

Figure 00000025
Figure 00000025

где Δn - изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна за счет изменения температуры;where Δn is the change in the refractive index of the core of the optical fiber due to temperature changes;

n - показатель преломления сердцевины оптического волокна;n is the refractive index of the core of the optical fiber;

ΔT - изменение температуры.ΔT is the change in temperature.

Знак минус говорит о том, что при увеличении температуры плотность плавленого кварца уменьшается [15].The minus sign indicates that with increasing temperature, the density of fused silica decreases [15].

Пусть температурный диапазон эксплуатации рефлектометра составляет от -20 до +70°С, тогдаLet the temperature range of the OTDR operation be from -20 to + 70 ° С, then

Figure 00000026
Figure 00000026

ТогдаThen

Figure 00000027
Figure 00000027

С другой стороны, при увеличении температуры окружающей среды длина отрезка оптического волокна увеличивается за счет температурного расширения. Коэффициент температурного расширения для плавленого кварца равен 0,4·10-6°С-1 [16, стр.110]. При изменении температуры на 90°С задержка сигнала в отрезке оптического волокна длиной 2 км увеличится на Δτ0=0,36 нс.On the other hand, with increasing ambient temperature, the length of the optical fiber segment increases due to thermal expansion. The coefficient of thermal expansion for fused silica is 0.4 · 10 -6 ° C -1 [16, p. 110]. When the temperature changes by 90 ° C, the signal delay in the optical fiber segment 2 km long will increase by Δτ 0 = 0.36 ns.

Таким образом, общая задержка в отрезке оптического волокна длиной 2 км при изменении температуры окружающей среды на 90°С изменится на Δτ0=-0,25 нс.Thus, the total delay in a 2-km-long optical fiber segment, when the ambient temperature changes by 90 ° С, will change by Δτ 0 = -0.25 ns.

Величиной Δtсл можно пренебречь, так как длина оптических соединительных линий менее 0,01% от длины L отрезка оптического волокна.The value of Δt SL can be neglected, since the length of the optical connecting lines is less than 0.01% of the length L of the length of the optical fiber.

Совместная нестабильность задержек фотоприемника (фотодиода с трансимпедансным усилителем) Δtф и полупроводникового источника оптического излучения Δtии составляет величину не более 1 нс [17].The joint instability of the delays of the photodetector (photodiode with a transimpedance amplifier) Δt f and the semiconductor source of optical radiation Δt u is no more than 1 ns [17].

Величиной Δtком можно пренебречь, так как коммутатор в открытом состоянии представляет короткую перемычку с омическим сопротивлением около 10 Ом (индуктивность перемычки можно не учитывать).The value of Δt com can be neglected, since the switch in the open state represents a short jumper with an ohmic resistance of about 10 Ohms (the inductance of the jumper can be ignored).

При использовании компаратора типа АФ011 В [18] нестабильность задержки сигнала tк составит не более 0,05 нс.When using a comparator type AF011 B [18], the instability of the signal delay t k will be no more than 0.05 ns.

Формирователь импульсов по фронту сигнала можно представить в виде дифференцирующей R, С цепочки и компаратора. Если использовать высокостабильные резисторы и конденсаторы, то основную нестабильность задержки сигнала составит компаратор. Нестабильность задержки компаратора была проанализирована выше. Можно полагать, что tфи=0,05 нс.The pulse shaper along the signal front can be represented in the form of a differentiating R, C chain and a comparator. If you use highly stable resistors and capacitors, then the main instability of the signal delay will be the comparator. The comparator delay instability was analyzed above. It can be assumed that t phi = 0.05 ns.

Подставляя значения параметров в первую часть формулы 16, найдем погрешность измерения расстояния до места оптической неоднородности, обусловленную узлами рефлектометраSubstituting the parameter values in the first part of formula 16, we find the error in measuring the distance to the place of optical inhomogeneity due to the nodes of the reflectometer

Figure 00000028
Figure 00000028

Примечание: как было показано выше, погрешность измерения расстояния до места расположения неоднородности за счет флуктуаций группового коэффициента преломлений материала сердцевины оптического волокна равна 3,6·10-3.Note: as shown above, the error in measuring the distance to the location of the inhomogeneity due to fluctuations in the group refractive index of the material of the core of the optical fiber is 3.6 · 10 -3 .

Погрешность измерения места расположения неоднородности, обусловленная узлами рефлектометра, в рассматриваемом примере составит 0,1 м. Лучшие зарубежные рефлектометры обеспечивают точность измерений не более 1,0 м [19, стр.53].The error in measuring the location of the inhomogeneity due to the nodes of the reflectometer in the example under consideration will be 0.1 m. The best foreign reflectometers provide a measurement accuracy of not more than 1.0 m [19, p. 53].

При этом длительность зондирующего импульса может составлять несколько микросекунд, так как погрешность измерения от длительности импульса не зависит. За счет увеличения длительности зондирующих импульсов можно увеличить динамический диапазон измерений.In this case, the duration of the probe pulse can be several microseconds, since the measurement error does not depend on the pulse duration. By increasing the duration of the probe pulses, the dynamic range of measurements can be increased.

Таким образом, достигается цель изобретения - увеличивается точность измерения расстояния до мест расположения неоднородностей, обеспечивается возможность измерения изменения затухания оптических сигналов вдоль волоконно-оптических трактов с повышенным по сравнению с аналогами динамическим диапазоном измерений.Thus, the objective of the invention is achieved - the accuracy of measuring the distance to the locations of inhomogeneities is increased, it is possible to measure changes in the attenuation of optical signals along the fiber optic paths with an increased dynamic range of measurements compared to analogs.

Источники информацииInformation sources

1. Яковлев М.Я., Цуканов В.Н. Устройство диагностики волоконно-отических трактов. Патент на изобретение России №2180436 от 31.10.2000 г., Бюл. №7 от 10.03.2002 г.1. Yakovlev M.Ya., Tsukanov V.N. Diagnostic device for fiber-otic tracts. Patent for the invention of Russia No. 2180436 dated 10.31.2000, Bull. No 7 on March 10, 2002

2. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. - М.: ЛЕСАРарт, 2005, 208 с.2. Listvin A.V., Listvin V.N. Reflectometry of optical fibers. - M.: LESARart, 2005, 208 p.

3. Яковлев М.Я., Цуканов В.Н. Оптический рефлектометр. Патент на изобретение России №2214583 от 12.04.2002 г., Бюл. №29 от 20.10.2003 г.3. Yakovlev M.Ya., Tsukanov V.N. Optical time domain reflectometer. Patent for the invention of Russia No. 2214583 dated April 12, 2002, Bull. No. 29 dated 10/20/2003

4. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г.Колесников. - М.: Сов. энциклопедия, 1991. - 668 с.4. Electronics: Encyclopedic Dictionary / Ch. ed. V.G. Kolesnikov. - M .: Owls. Encyclopedia, 1991 .-- 668 p.

5. Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные цифровые устройства. М., "Сов. радио", 1973.5. Yitzhoki Ya.S., Ovchinnikov N.I. Pulse digital devices. M., "Sov. Radio", 1973.

6. Изюмова Т.И., Свиридов В.Т. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. М., "Энергия", 1975.6. Izyumova T.I., Sviridov V.T. Waveguides, coaxial and strip lines. M., "Energy", 1975.

7. Боритко С.В. Разработка низкочастотных широкополосных линий задержки на поверхностных акустических волнах. "Электромагнитные волны и электронные системы", 2004, т.8, №5.7. Boritko S.V. Development of low-frequency broadband delay lines for surface acoustic waves. "Electromagnetic waves and electronic systems", 2004, v. 8, No. 5.

8. Материалы сайта http://www.itis.spb.ru/DALLAS/delay.htm.8. Materials of the site http://www.itis.spb.ru/DALLAS/delay.htm.

9. Каток В.Б., Гончаров А.В. Оптические параметры разъемных оптических соединителей. Фотон-Экспресс 21, декабрь 2000 г.9. Skating rink VB, Goncharov A.V. Optical parameters of detachable optical connectors. Photon Express 21, December 2000

10. Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов. М., "Энергия", 1974.10. Magrachev Z.V. Single-ended analog transmitters. M., "Energy", 1974.

11. Стандарт международного союза электросвязи на оптическое волокно, G.652.11. International Telecommunication Optical Fiber Union Standard, G.652.

12. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М., "Наука", 1964.12. Bronstein I.N., Semendyaev K.A. Math reference. M., "Science", 1964.

13. Измерения в электронике: Справочник / В.А.Кузнецов и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987.13. Measurements in electronics: Reference book / V.A. Kuznetsov et al .; Ed. V.A. Kuznetsova. - M .: Energoatomizdat, 1987.

14. Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси и др., под ред. Т.Окоси: пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.14. Fiber Optic Sensors / T. Okosi et al., Ed. T. Okosi: Per. with japan. - L .: Energoatomizdat, 1990.

15. Гулоян Ю.А. Физико-химические свойства и характеристики стекол. Окна, двери, витражи, №4, 2005.15. Guloyan Yu.A. Physico-chemical properties and characteristics of glasses. Windows, doors, stained-glass windows, No. 4, 2005.

16. Енохович А.С. Справочник по физике и технике: Учеб. Пособие для учащихся. - М.: Просвещение, 1989.16. Enokhovich A.S. Handbook of Physics and Technology: Textbook. The manual for students. - M .: Education, 1989.

17. Информация ЗАО "Авангард-оптон" (г.Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., д.72) о ВОКС (волоконно-оптическом канале синхронизации) с сайта www.avangard.org/uploaded/voks.pdf.17. Information of Avangard-opton CJSC (St. Petersburg, Kondratyevsky pr., 72) about VOKS (fiber-optic synchronization channel) from www.avangard.org/uploaded/voks.pdf.

18. Дворников О. и др. Микросхема АФ011 В для высокоточных временных измерений // Chip News, 2003, №7. (Электронная версия по адресу: www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200307/5.html).18. Dvornikov O. et al. Microcircuit AF011 B for high-precision time measurements // Chip News, 2003, No. 7. (Electronic version at: www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200307/5.html).

19. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы измерения параметров ВОЛС. Фотон-Экспресс 4, июнь 2006 г.19. Svintsov A.G. Reflectometric methods for measuring the parameters of the fiber optic link. Photon Express 4, June 2006

Claims (1)

Оптический рефлектометр, содержащий формирователь импульсов, один из входов которого соединен с выходом микроконтроллера, а выход - с полупроводниковым источником оптического излучения, Y-образный оптический разветвитель, вход/выход которого оптически связан с розеткой выходного оптического соединителя рефлектометра, а выход оптически связан с оптическим входом фотоприемника, выход которого соединен с входом аналогового коммутатора, управляющий вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен с входом компаратора и входом расширителя импульсов, вход которого соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход - с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого соединены с входами микроконтроллера, который подключен к персональному компьютеру, отличающийся тем, что введен отрезок оптического волокна заданной длины, оптически связанный с выходом полупроводникового источника оптического излучения и вторым входом Y-образного оптического разветвителя, а выход компаратора соединен с одним из входов микроконтроллера и с вторым входом формирователя импульсов.An optical reflectometer containing a pulse shaper, one of the inputs of which is connected to the output of the microcontroller, and the output is connected to a semiconductor source of optical radiation, a Y-shaped optical splitter, the input / output of which is optically connected to the socket of the output optical connector of the reflectometer, and the output is optically connected to the optical the input of the photodetector, the output of which is connected to the input of the analog switch, the control input of which is connected to one of the outputs of the microcontroller, and the output is connected to the input of the com of the parator and the input of the pulse expander, the input of which is connected to one of the outputs of the microcontroller, and the output is connected to the analog input of the analog-to-digital converter, the digital outputs of which are connected to the inputs of the microcontroller, which is connected to a personal computer, characterized in that a piece of optical fiber of a given length is introduced optically connected to the output of the semiconductor optical radiation source and the second input of the Y-shaped optical splitter, and the output of the comparator is connected to one of the inputs of the microcon troller and with the second input of the pulse shaper.
RU2007103119/28A 2007-01-26 2007-01-26 Optical reflectometer RU2339929C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007103119/28A RU2339929C1 (en) 2007-01-26 2007-01-26 Optical reflectometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007103119/28A RU2339929C1 (en) 2007-01-26 2007-01-26 Optical reflectometer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007103119A RU2007103119A (en) 2008-08-10
RU2339929C1 true RU2339929C1 (en) 2008-11-27

Family

ID=39745768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007103119/28A RU2339929C1 (en) 2007-01-26 2007-01-26 Optical reflectometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2339929C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2591205C2 (en) * 2014-12-15 2016-07-20 Михаил Евсеевич Белкин Laid in the ground fibre-optic telecommunication system subscriber access and fibre-optic security system of household object (versions) using laid in the ground fibre-optic telecommunication system subscriber access
RU2628740C1 (en) * 2016-11-22 2017-08-21 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for detecting local additional losses in optical fiber by background method
RU2655046C1 (en) * 2017-06-26 2018-05-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") Optical reflectometer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2591205C2 (en) * 2014-12-15 2016-07-20 Михаил Евсеевич Белкин Laid in the ground fibre-optic telecommunication system subscriber access and fibre-optic security system of household object (versions) using laid in the ground fibre-optic telecommunication system subscriber access
RU2628740C1 (en) * 2016-11-22 2017-08-21 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for detecting local additional losses in optical fiber by background method
RU2655046C1 (en) * 2017-06-26 2018-05-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") Optical reflectometer

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007103119A (en) 2008-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103292928B (en) High-resolution distributed optical fiber temperature sensor and temperature measuring equipment and using method
WO2011123687A1 (en) Integrated optical time domain reflectometer
Kapron et al. Fiber-optic reflection measurements using OCWR and OTDR techniques
US5357333A (en) Apparatus for measuring the effective refractive index in optical fibers
RU2339929C1 (en) Optical reflectometer
Peczek et al. Comparison of cut-back method and optical backscatter reflectometry for wafer level waveguide characterization
CN114389681A (en) Testing fiber link continuity using OTDR backscattering patterns
CN103644991B (en) Based on the method for measuring stress of the double optical fiber grating of Distributed Feedback Laser demodulation
US4861979A (en) Optical fiber multipoint measuring device with time multiplexing
US6912046B2 (en) Instrument measuring chromatic dispersion in optical fibers
EP3647757B1 (en) Reflected light measurement device
RU2655046C1 (en) Optical reflectometer
RU138620U1 (en) Brillouin Optical Reflectometer
RU2357220C2 (en) Optical reflectometre
RU2775380C1 (en) Device for measuring the optical signal propagation delay in the medium
Azendorf et al. Fiber as a temperature sensor with portable Correlation-OTDR as interrogator
WO2002016901A2 (en) Instrument measuring chromatic dispersion in optical fibers
RU44389U1 (en) OPTICAL INTEGRATING REFLECTOMETER
RU2797693C1 (en) Method for measuring parameters of refractive index inhomogeneities along the length of an optical fibre and an optical frequency domain reflectometer
RU2069335C1 (en) Method of measuring distance to damaged area of fibre-optic light guide
SU1620818A1 (en) Multifunctional interferometric fiber optics converter
RU2214583C1 (en) Optical reflectometer
RU2548383C2 (en) Method of selecting multimode optical fibres of fibre-optic transmission line for operation with single-mode optical radiation source
JPS5837496B2 (en) Optical fiber length measurement method
JPS586431A (en) Temperature measuring method using optical fiber

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20101208

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20110829

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130127