WO1990015978A1 - Einrichtung und verfahren zum untersuchen des dämpfungsverlaufs eines lichtwellenleiters - Google Patents

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WO1990015978A1
WO1990015978A1 PCT/DE1990/000356 DE9000356W WO9015978A1 WO 1990015978 A1 WO1990015978 A1 WO 1990015978A1 DE 9000356 W DE9000356 W DE 9000356W WO 9015978 A1 WO9015978 A1 WO 9015978A1
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optical
optical waveguide
examined
output signal
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PCT/DE1990/000356
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Inventor
Dieter Filbert
Rainer Klatte
Andreas Wolf
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/3109—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR

Definitions

  • the invention relates to a device for examining the attenuation curve of an optical waveguide with an optical transmitter with a signal input, to which test pulses from a pulse generator can be applied, with an optical branching device via which one end of the optical waveguide to be examined is connected to the optical transmitter , with an optical receiver, which is connected via the optical splitter to one end of the optical waveguide, and with a filter unit downstream of the optical receiver, at the output of which an analog output signal can be tapped.
  • an optical transmitter is excited by test pulses from a pulse generator to emit light pulses.
  • the light pulses are coupled into an optical waveguide to be examined via an optical splitter. Because of the attenuation (Rayleigh backscattering) in the optical waveguide and at light fiber interference points (Fresnel reflections), reflected light signals pass through the optical splitter to an optical receiver formed by a photodiode.
  • a signal processing branch downstream of the optical receiver contains, in addition to amplifier elements, an integrating element which acts as a filter unit designed as a low-pass filter.
  • an analog output signal can be tapped, which depicts the attenuation curve of the optical waveguide to be examined.
  • this output signal can be described by a summation of time-limited e-functions as a result of the Rayleigh backscattering, at whose joints Dirac-I pulses may be due to Fresnel reflections.
  • the mapping of the attenuation curve can be signal-theoretically taking into account the spectral noise power density of the optical receiver as the convolution product of the impulse response of a low-pass filter. filters with a sum formed from the spectral noise power density of the optical receiver and the convolution product of the test pulse with the attenuation profile of the optical waveguide to be examined (cf. Eq. 1).
  • n R ⁇ (t) spectral noise power density of the optical receiver h.
  • p - r (t) impulse response of the low-pass filter
  • imaging errors occur, the duration of which is determined by the duration of the convolution product of the test pulse with the impulse response of the low-pass filter.
  • the impulse response of a system is understood to mean the system reaction (ie the output signal) of a system when a Dirac impulse is applied to the input (see, for example, Otto Mildenberger "Fundamentals of System Theory for Telecommunications Engineers", Hänser Verlag, 1981, p. 48-50).
  • the following contradictory requirements are therefore placed on the low-pass filter: on the one hand, the low-pass filter should have a low cut-off frequency in order to achieve the highest possible signal-to-noise ratio.
  • a high cut-off frequency of the low-pass filter is desired.
  • the measurement error resulting from the low-pass filtering is particularly large where the backscatter signal - at jump points at which the attenuation curve of the optical waveguide to be examined changes suddenly, or at impurities causing Fresnel reflections - experiences large changes in value. This can be done in the familiar direction used low-pass filter represent only a compromise of the above requirements.
  • the invention has for its object to provide a device for examining the attenuation curve of optical fibers of the type mentioned, whose output signal has the best possible signal-to-noise ratio with a small measurement error and with which statements about the attenuation curve also in the area of large changes in value of the backscatter signal of the optical fiber to be examined can be made.
  • the filter unit is a signal-matched filter.
  • a signal-adapted filter is to be understood as a filter whose impulse response is a time-inverse image of the signal to be filtered.
  • An advantage of the device according to the Invention is that the imaging error determined by the signal-matched filter is exactly limited to a certain period of time. Since the duration of the imaging error is determined by the duration of the convolution product of the test pulse and the impulse response of the signal-adapted filter, the image is also due to the time limitation of the impulse response of a signal-matched filter to twice the pulse duration of the test pulse The duration of the application error is limited to twice the pulse duration.
  • the temporal extent of the imaging error of the device according to the invention therefore does not depend on the course of the signal as a result of a fault or jump point of the optical fiber to be examined.
  • the device according to the invention is also advantageously characterized by an extraordinarily favorable signal-to-noise ratio of the output signal. This leads to a considerable reduction in the required measuring times.
  • the signal-adapted filter is a convolver which has a first input connected to the optical receiver and a further input which can be acted upon by the time-inverse test pulses of the pulse generator.
  • a so-called surface wave convolver can be used, for example, which has two signal inputs, each of which is formed by an input of an interdigital transducer.
  • Each interdigital transducer converts the input signals into surface waves which move along a track defined by an integration electrode.
  • An output signal which can be tapped at the integration electrode corresponds to the convolution product of the input signals and is therefore a measure of the correlation of the input signals.
  • Such a convolver is characterized by a simple and robust construction.
  • the impulse response of the convolver used as a matched filter is determined by the input signal present at its further signal input.
  • the convolver thus lends the device according to the invention to
  • a device for examining optical waveguides is known (F. Sischka, Electronics 3 / 05.02.88, pages 76 ff), in which a correlator is used to evaluate the signals scattered back from the optical waveguide to be examined. is applied;
  • pulse trains formed from complementary codes are coupled into the optical waveguide to be examined and the signals scattered back from the optical waveguide to be examined are amplified and fed to an A / D converter. Only after this A / D conversion is there a correlation with the original codes.
  • the correlation technique used in the known device cannot be used in the area of interference points causing Fresnel reflections, because the relatively high backscatter signal that occurs in this case leads to an overflow of the A / D converter.
  • the imaging error in the device according to the invention is limited to twice the pulse duration of the test pulse.
  • the optical receiver of the device according to the invention is only operated in a narrow area of its characteristic curve, no optical receiver with a highly linear characteristic curve is required in a wide area;
  • an inexpensive and powerful AP diode which has no highly linear characteristic curve, can advantageously be used as the optical receiver.
  • the device according to the invention also has the advantage in terms of circuit complexity that it allows the examination of the entire optical waveguide to be examined in a single operating mode and thus with a single circuit arrangement. Since the impulse response of the signal-matched filter is determined by the signal present at the further input of the convolver, temperature fluctuations of the signal-matched filter have no influence on its impulse response and the output signal of the device according to the invention.
  • a method for examining an optical waveguide with the device provides that an auxiliary variable is formed by logarithmization and time derivation of the output signal of the signal-matched filter, that it is checked whether a time interval exists in which the auxiliary variable is not constant and that when such a time interval corresponding to twice the pulse duration of the test pulses is found, based on knowledge of the attenuation curve of the optical waveguide to be examined, following the time interval, the attenuation curve in the section of the light waveguide to be examined corresponding to the time interval by extra polation is determined.
  • the imaging error of the device according to the invention which occurs as a result of a fault or jump point in the optical waveguide to be examined is limited exactly to twice the pulse duration of the test pulses, the presence of a jump point or a Fresnel can be derived from the progression of the logarithmic output signal over time -Reflection causing reflections are closed if this course is not constant in a time interval corresponding to twice the pulse duration of the test pulse. Since the determined attenuation curve of the optical waveguide no longer has any imaging errors in the signal-adapted filter after the time span, extrapolation can be used to draw a largely error-free conclusion on the course within the section corresponding to the time interval.
  • An advantageous further development of the method according to the invention consists in that when a time interval exceeding twice the pulse duration of the test pulses is found, the pulse duration of the test pulses is reduced. If the time interval exceeds twice the pulse duration of the test pulses, then this is a reliable indication of the presence of at least one further defect, the at least two defects not being resolvable with the local resolution predetermined by the pulse duration of the test pulses.
  • This finding can be used in an advantageous manner to reduce the pulse duration of the test pulses to such an extent that a spatial resolution is achieved with which the defects can be distinguished.
  • the method according to the invention can be automated in a simple manner in such a way that starting from a predetermined one
  • the pulse duration of the test pulses is initially reduced until all the time intervals during which the auxiliary variable is not constant correspond in their interval duration to the double pulse duration of the test pulses that is then set, and then the extrapolation to the jump and / or Impurities occur.
  • FIG. 2 shows a schematic sequence of the method according to the invention and FIG. 3 shows the output signal and the time derivative of the logarithmic output signal of the device according to the invention, with a given attenuation profile of an optical waveguide to be examined.
  • 1 contains a device 1 for examining the attenuation profile of an optical waveguide 10 with a
  • Damping profile d e ⁇ (t) and a disturbance point 12 causing Fresnel reflections an optical transmitter 15, the input 16 of which can be acted upon by rectangular test pulses p (t) with a pulse duration T of a pulse generator 17.
  • Light pulses emitted by the optical transmitter 15, which correspond in time to the test pulses p (t), are coupled into an end 20 of the optical waveguide 10 to be examined via an optical splitter 18.
  • the attenuation profile -. (T) Rayleigh backscattering
  • due to the impurity 12 Fresnel reflection
  • the output signal of the optical receiver 22 is sent to an input 25 a surface wave convolver 26 out.
  • Another input 27 of the surface wave convolver 26 is connected to another output 28 of the pulse generator 17, at which time-inverse test pulses p (-t).
  • An output signal g Mp (t) can be tapped at the surface wave convolver 26 on the output side.
  • the surface wave convolver 26 represents a signal-adapted filter, the impulse response of which is determined by the input signal applied to its input 27, which is formed by the test pulses p (t) of the pulse generator 17, with which the trigger input 16 of the optical transmitter 15 is applied. If the test pulses used are symmetrical I pulse shapes, the time-inverse test pulses p (-t) correspond to the test pulses p (t). When a test pulse p (t) occurs, the optical transmitter 15 emits a corresponding light pulse, which is coupled into the optical waveguide 10 to be examined via the optical splitter 18.
  • the imaging error that occurs in signals as a result of jumps or interferences is twice the length of the Pulse duration T of the test pulses p (t) exactly limited. It can be shown that the imaging error of the attenuation profile of the optical waveguide to be examined after a period of twice the pulse duration T of a test pulse p (t) from the time of occurrence of the Fresnel reflection is only a constant amplification error which is the square of the Pulse duration T is approximately proportional.
  • a so-called timing condition When using the surface wave convolver 26 as a signal-adapted filter, a so-called timing condition must be taken into account. sight.
  • the physical condition of the convolution is reflected in the surface wave convolver 26 in the timing condition; the electrical signals present at its inputs 25 and 27 are converted into surface waves by interdigital transducers which move towards one another on a track predetermined by an integration electrode.
  • the physical length of the integration electrode determines the integration time T. of the folding process.
  • the input signals to be processed In order to obtain an output signal g MF (t) proportional to the convolution product of the input signals, the input signals to be processed must be completely converted as surface waves under the integration electrode. This results in a time limitation of the duration T BE of the output signal of the optical receiver 22 to be processed, which is present at the signal input 25 of the surface wave convolver, according to the formula:
  • T R F Duration of the backscatter signal
  • T. duration of integration of the surface wave convolver 26
  • T pulse duration of the test pulse p (t).
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method for examining the attenuation curve of an optical waveguide 10 with a device 1 as described in FIG. 1.
  • a light pulse is injected into the optical waveguide 10 to be examined and the output signal g MF (t) corresponding to its attenuation profile d j (t) is tapped at the output of the device 1.
  • an auxiliary variable D MF (t) is then formed - if necessary after averaging over several measurements - by logarithmizing the amount of the output signal g- v) p (t) and then deriving it over time.
  • the auxiliary variable D MF (t) is then examined in a discrimination stage 33 to determine whether it is not constant during a (or more) time interval T F that is greater than or equal to twice the pulse duration T of the test pulse p (t).
  • auxiliary variable D MF (t) is constant, this is indicated by a display device 40. This is indicated in FIG. 2 by an examination result N of the discrimination level 33, which is fed to the display device 40 according to arrow 35. If the time interval T is exactly twice the pulse duration T, the damping curve up to the jump point or the fault point causing the Fresnel reflection is determined by extrapolation in an extrapolation device 38 and the result is fed to the display device 40.
  • FIG. 3 an (ideal) course of the attenuation profile d -. (T) of the optical waveguide to be examined is shown in the upper diagram in FIG. 3 (cf. FIG. 1).
  • a pronounced peak can be seen at a time t as a result of a Fresnel reflection at an impurity. Since the transit times of the backscattered signals and the regions of the optical waveguide to be examined which cause their backscattering are directly related, in connection with the explanation of FIG. 3 details of specific locations of the optical waveguide to be examined are given by specifying the corresponding times of origin of the backscattered Signals.
  • the temporal course of the damping profile d, (t) represents areas between a point in time and a point
  • Time t "e represents an e-function.
  • the lower diagram in FIG. 3 shows the real output signal g MF (t) of the device 1 according to FIG. 1.
  • the amount of the auxiliary variable D MF (t) formed by the time derivative of the logarithm 1 of the amount of the output signal g MF (t) ) dash-dotted in its qualitative course.
  • a jump in the output signal g MF (t) can be seen in the range between the time t and a time t 1, which is caused by the coupling of the light pulse into the optical waveguide to be examined.
  • the output signal g MF (t) drops continuously from a maximum value g 3 .M, r r m m a x at the time t 1 to the time t.
  • the auxiliary variable D fMF (t) is constant in the interval t- to t.
  • time t eg at an impurity 12 (see FIG. 1)
  • a Fresnel reflection occurs, which leads to a discontinuity in the output signal g MF (t).
  • Tp 2T
  • the output signal g MF (t) continues its course at a time t 2 .
  • the auxiliary quantity D Mp (t) is not constant.
  • the time interval T F is limited exactly to twice the pulse duration T. It can thus be seen that in the area of the instant t the influence of only one fault point (causing Fresnel reflections) comes into play.

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Abstract

Zur Untersuchung eines Lichtwellenleiters (10) wird dieser mit einem Lichtimpuls beaufschlagt; infolge seines Dämpfungsprofils (Rayleigh-Reflexion) und von Störstellen (12) (Fresnel-Reflexion) zurückgestreute Signale werden über einen optischen Verzweiger (18) einem optischen Empfänger (22) zugeführt. Dessen elektrisches Ausgangssignal wird verstärkt und über einen Tiefpaßfilter der weiteren Signalverarbeitung zugeführt. Der große Dynamikbereich der rückgestreuten Signale und die Tatsache, daß infolge der Rayleigh-Reflexion rückgestreute Signal unterhalb des Eigenrauschens des optischen Empfängers (22) liegt, stellen widersprüchliche Anforderungen an die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters, so daß dieses nur einen unbefriedigenden Kompromiß darstellen kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung weist ein signalangepaßtes Filter (26) auf, das vorzugsweise von einem Oberflächenwellen-Convolver (26) gebildet ist; sie weist dadurch einen erheblich verbesserten Signalrauschabstand und bei auftretenden Fresnel-Reflexionen einen zeitlich exakt begrenzten Abbildungsfehler auf. Untersuchung von Lichtwellenleitern.

Description

Einrichtung und Verfahren zum Untersuchen des Dämpfungsver¬ laufs eines Lichtwellenleiters
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen des Dämpfungsverlaufs eines Lichtwellenleiters mit einem optischen Sender mit einem Signaleingang, der mit Testimpulsen eines Im¬ pulsgenerators beaufschlagbar ist, mit einem optischen Verzwei¬ ger, über den ein Ende des zu untersuchenden Lichtwellenleiters an den optischen Sender angeschlossen ist, mit einem optischen Empfänger, der über den optischen Verzweiger an das eine Ende des Lichtwellenleiters angeschlossen ist und mit einer dem op¬ tischen Empfänger ausgangsseitig nachgeordneten Filtereinheit, an deren Ausgang ein analoges Ausgangssignal abgreifbar ist.
Bei einer derartigen bekannten (GB-20 92 743 A) Einrichtung wird ein optischer Sender durch Testimpulse eines Impulsgenera¬ tors zur Aussendung von Lichtimpulsen angeregt. Die Lichtimpul¬ se werden über einen optischen Verzweiger in einen zu untersu¬ chenden Lichtwellenleiter eingekoppelt. Aufgrund der Dämpfung (Rayleigh-Rückstreuung) im Lichtwellenleiter und an Störstellen des Lichtwellenleiters (Fresnel-Ref lexionen) reflektierte Lichtsignale gelangen über den optischen Verzweiger auf einen von einer Fotodiode gebildeten optischen Empfänger. Ein dem optischen Empfänger nachgeordneter Signalverarbeitungszweig enthält neben Verstärkerelementen ein Integrierglied, das als eine als Tiefpaßfilter ausgestaltete Filtereinheit wirkt. Am Ausgang des Tiefpaßfilters der bekannten Einrichtung ist ein analoges Ausgangssignal abgreifbar, das den Dämpfungsverlauf des zu untersuchenden Lichtwellenleiters abbildet. Dieses Ausgangssignal ist signaltheoretisch durch eine Summation zeitbegrenzter e-Funktionen infolge der Rayleigh-Rückstreuung beschreibbar, an deren Stoßstellen sich Dirac-I pulse infolge von Fresnel-Ref lexionen befinden können. Die Abbildung des Dämpfungsverlaufs läßt sich signaltheoretisch unter Berücksich- tigung der spektralen Rauschleistuπgsdichte des optischen Em¬ pfängers als Faltungsprodukt der Impulsantwort eines Tiefpaß- filters mit einer aus der spektralen Rauschleistungsdichte des optischen Empfängers und dem Faltungsprodukt des Testimpulses mit dem Dämpfungsprofil des zu untersuchenden Lichtwellen¬ leiters gebildeten Summe (vgl. Gl-1) deuten.
gLPF(t) = 1 p(t) * del(t) + nRχ(t) 1 * hLPF(t) Gl-1
mit: g,pp(t) : Ausgangssignal des Tiefpaßfilters p(t) : Testimpuls d -ι(t) : Dämpfungsprofil des zu untersuchenden
Licht Wellenleiters nRχ(t) : spektrale Rauschleistungsdichte des optischen Empfän¬ gers h. p-r(t) : Impulsantwort des Tiefpaßfilters
Damit ist ersichtlich, daß Abbildungsfehler auftreten, deren zeitliche Dauer durch die Dauer des Faltungsproduktes des Testimpulses mit der Impulsantwort des des Tiefpaßfilters bestimmt ist. Unter der Impulsantwort eines Systems wird die Systemreaktion (d.h. das Ausgangssignal) eines Systems bei eingangsseitiger Beaufschlagung mit einem Dirac-Impuls verstan¬ den (vgl. z. B. Otto Mildenberger "Grundlagen der Systemtheorie für Nachrichtentechniker", Hänser Verlag, 1981, S. 48 - 50). An das Tiefpaßfilter werden daher die folgenden widersprüchlichen Forderungen gestellt: Das Tiefpaßfilter soll, um einen mög¬ lichst hohen Signalrauschabstand zu erzielen, einerseits eine niedrige Grenzfrequenz aufweisen. Um durch die Filterung einen möglichst geringen Meßfehler zu verursachen, ist andererseits eine hohe Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters gewünscht. Besonders groß ist der durch die Tiefpaßfilterung entstehende Meßfehler dort, wo das Rückstreu¬ signal - an Sprungstellen, an denen sich der Dämpfungsverlauf des zu untersuchenden Lichtwellenleiters sprunghaft ändert, oder an Fresnel-Reflexionen verursachenden Störstellen - große Wertänderungen erfährt. Damit kann das in der bekannten Ein- richtung verwendete Tiefpaßfilter nur einen Kompromiß der obengenannten Forderungen darstellen.
Es ist zwar aus einem Aufsatz v oπ F . Sischka ("Gut codiert ist schnell gemessen" in "Elektronik", 3/05.02.1988, Seiten 76 ff.) bekannt, eine Rauschunterdrückung durch Mittelung über eine große Anzahl von Meßwerten vorzunehmen, dies führt jedoch zu sehr langen Meßzeiten. Bei einer digitalen Mittelung sind außerdem infolge der Amplitudendiskretisierung und der begrenzten Dynamik bei der A/D-Wandlung nicht beliebig große Signalrauschabstandsgewinne zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Untersuchung des Dämpfungsverlaufs von Lichtwellenleitern der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Ausgangssignal einen möglichst günstigen Signalrauschabstand bei geringem Me߬ fehler aufweist und mit der auch im Bereich großer Wertänderun¬ gen des Rückstreusignals Aussagen über den Dämpfungsverlauf des zu untersuchenden Lichtwellenleiters gemacht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fil¬ tereinheit ein signalangepaßtes Filter ist. Unter einem signal¬ angepaßten Filter ist ein Filter zu verstehen, dessen Impuls¬ antwort ein zeitinverses Abbild des zu filternden Signals ist. Ein Vorteil der erfindungs äßen Einrichtung besteht darin, daß der durch das signalangepaßte Filter bestimmte Abbildungsfehler auf eine bestimmte Zeitspanne exakt begrenzt ist. Da die zeit¬ liche Dauer des Abbildungsfehlers durch die Dauer des Faltungs¬ produktes aus dem Testimpuls und der Impulsantwort des signal- angepaßten Filters bestimmt ist, ist aufgrund der Zeitbegren¬ zung der Impulsantwort eines signalangepaßten Filters auf die doppelte Impulsdauer des Testimpulses nämlich auch der Abbil¬ dungsfehler in seiner zeitlichen Dauer auf die doppelte Im¬ pulsdauer begrenzt. Der Abbildungsfehler der erfindungsgemäßen Einrichtung hängt in seiner zeitlichen Ausdehnung also nicht vom Verlauf des Signals infolge einer Stör- oder Sprungstelle des zu untersuchenden Lichtwellenleiters ab. Die erfindungsge¬ mäße Einrichtung zeichnet sich in vorteilhafter Weise auch durch einen außerordentlich günstigen Signalrauschabstand des Ausgangssignals aus. Dies führt zu einer erheblichen Vermin- derung der erforderlichen Meßzeiten.
Eine vorteilhafte Fortbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß das signalangepaßte Filter ein Convolver ist, der einen ersten mit dem optischen Empfänger verbundenen Ein- gang und einen weiteren mit den zeitinversen Testimpulsen des Impulsgenerators beaufschlagbaren Eingang aufweist. Dazu kann beispielsweise ein sogenannter Oberflächenwellen-Convolver ver¬ wendet werden, der zwei Signaleingänge aufweist, die jeweils von einem Eingang eines Interdigital -Wandlers gebildet sind. Jeder Interdigital-Wandler wandelt die anliegenden Eingangs¬ signale in Ober flächenwellen um, die sich längs einer durch eine Integrationselektrode vorgegebenen Spur au feinanderzube- wegen. Ein an der Integrationselektrode abgreifbares Ausgangs¬ signal entspricht dem Faltungsprodukt der Eingangssignale und ist damit ein Maß für die Korrelation der Eingangssignale. Ein derartiger Convolver zeichnet sich durch einen einfachen und robusten Aufbau aus. Die Impulsantwort des als signalangepaßtes Filter verwendeten Convolvers ist durch das an seinem weiteren Signaleingang anliegende Eingangssignal bestimmt. Damit ver- leiht der Convolver der erfindungsgemäßen Einrichtung den
Vorteil, außerordentlich schnell - praktisch in Echtzeit - an die veränderbaren Testimpulse des Impulsgenerators anpaßbar zu sein. Als Oberflächenwellen-Convolver kommt beispielsweise ein in einem Aufsatz von Dr. techn. H.-P. Graßi in "Elektronik", 6/22.03.1985, Seiten 61 ff. beschriebenes Ober flächenwellen- Bauele ent in Betracht.
Es ist zwar eine Einrichtung zur Untersuchung von Lichtwel¬ lenleitern bekannt (F. Sischka, Elektronik 3/05.02.88, Seiten 76 ff), bei der zur Auswertung der aus dem zu untersuchenden Lichtwellenleiter zurückgestreuten Signale ein Korrelator ver- wendet wird; bei dieser bekannten Einrichtung werden aus kom¬ plementären Codes (Golay -Codes ) gebildete Impulszüge in den zu untersuchenden Lichtwellenleiter eingekoppelt und die aus dem zu untersuchenden Lichtwellenleiter zurückgestreuten Signale verstärkt und einem A/D-Wandler zugeführt. Erst nach dieser A/D-Wandlung erfolgt eine Korrelation mit den ursprünglichen Codes. Im Bereich von Fresnel-Reflexionen hervorrufenden Stör¬ stellen ist die bei der bekannten Einrichtung verwendete Korre¬ lationstechnik nicht anwendbar, weil das in diesem Fall auftre- tende relativ hohe Rückstreusignal zu einem Überlauf des A/D- Wandlers führt. In diesem Fall erfolgt eine Umschaltung in einen besonderen Betriebsmodus, in dem die Codelänge auf Eins reduziert wird und die bekannte Einrichtung damit in dem ein¬ gangs erläuterten konventionellen Betrieb mit Einzelimpulsen arbeitet. Da die A/D-Wandlung bei der bekannten Einrichtung vor der Korrelation erfolgt, haben die Amplitudendiskretisierung und die begrenzte Dynamik des A/D-Waπdlers eine erhebliche Ver¬ schlechterung des Signalrauschabstandes in diesem besonderen Betriebsmodus zur Folge. Die Untersuchung des zu untersuchenden Lichtwellenleiters ist im Bereich von Fresnel-Reflexionen her¬ vorrufenden Störstellen daher mit einem Fehler behaftet, der in diesem Bereich zeitlich nicht begrenzt ist, sondern von dem zeitlichen Verlauf des von der Fresnel-Reflexion verursachten Rückstreusignals abhängig ist.
Im normalen Betriebsmodus der bekannten Einrichtung ist eine relativ hohe konstante Leistung des optischen Senders erforder¬ lich, so daß eine Erwärmung des optischen Senders unvermeidlich ist. Schon eine geringfügige Erwärmung des optischen Senders führt bei der Korrelation der rückgestreuten Signale zu erheb¬ lichen Verfälschungen des Meßergebnisses durch ausgeprägte Ne- ben axima. Um dies zu vermeiden, ist eine aufwendige Regelung der ausgesandten Lichtenergiemenge erforderlich. Das bei der Verwendung der Impulszüge (Golay -Codes ) entstehende relativ breite Gesamtsignal bedeutet außerdem, daß von der Kennlinie des optischen Empfängers ein relativ weiter Bereich als Ar- beitsbereich herangezogen werden muß. Das erfordert, daß der optische Empfänger in einem relativ weiten Bereich linear sein und eine große Dynamik aufweisen muß. Außerdem führen Über¬ steuerungen des optischen Empfängers zu einer Verbreiterung des Abbildungsfehlers.
Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Abbil¬ dungsfehler auf die zweifache Impulsdauer des Testimpulses be¬ schränkt. Weil der optische Empfänger der erfindungsgemäßen Ein- richtung nur in einem schmalen Bereich seiner Kennlinie betrie¬ ben wird, ist kein optischer Empfänger mit einer hochlinearen Kennlinie in einem weiten Bereich erforderlich; damit ist in vor¬ teilhafter Weise als optischer Empfänger beispielsweise eine preisgünstige und leistungsstarke AP-Diode (Avalanche-Diode) ver- wendbar, die über keine hochlineare Kennlinie verfügt. Die erfin¬ dungsgemäße Einrichtung weist darüber hinaus hinsichtlich des schaltungstechnischen Aufwandes den Vorteil auf, daß sie die Un¬ tersuchung des gesamten zu untersuchenden Lichtwellenleiters in einem einzigen Betriebsmodus und damit mit einer einzigen Schal- tungsanordnung erlaubt. Da die Impulsantwort des signalangepa߬ ten Filters durch das an dem weiteren Eingang des Convolvers an¬ liegende Signal bestimmt ist, bleiben Temperaturschwankungen des signalangepaßten Filters ohne Einfluß auf dessen Impulsantwort und das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Ein Verfahren zur Untersuchung eines Lichtwellenleiters mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß durch Logarithmie- rung und zeitliche Ableitung des Ausgangssignals des signalan¬ gepaßten Filters eine Hilfsgröße gebildet wird, daß geprüft wird, ob ein Zeitintervall existiert, in dem die Hilfsgröße nicht konstant ist und daß beim Auffinden eines solchen, gerade der doppelten Impulsdauer der Testimpulse entsprechenden Zeitintervalls aus Kenntnis des Dämpfungsverlaufs des zu unter¬ suchenden Lichtwellenleiters im Anschluß an das Zeitinvall der Dämpfungsverlauf in dem dem Zeitintervall entsprechenden Ab¬ schnitt des zu untersuchenden Licht Wellenleiters durch Extra- polation bestimmt wird. Weil der infolge einer Störstelle oder Sprungstelle des zu untersuchenden Lichtwellenleiters auftre¬ tende Abbildungsfehler der erfindungsgemäßen Einrichtung exakt auf die doppelte Impulsdauer der Testimpulse begrenzt ist, kann aus dem Verlauf der zeitlichen Ableitung des logarithmierten Aus¬ gangssignals auf das Vorliegen einer Sprungstelle oder einer Fres¬ nel-Reflexionen verursachenden Störstelle geschlossen werden, wenn dieser Verlauf in einem der doppelten Impulsdauer des Test¬ impulses entsprechenden Zeitintervall nicht konstant ist. Da der ermittelte Dämpfungsverlauf des Lichtwellenleiters nach der Zeitspanne mit keinem Abbildungsfehler des signalangepaßten Fil¬ ters mehr behaftet ist, kann aus diesem Verlauf durch Extrapo¬ lation weitgehend fehlerfrei auf den Verlauf innerhalb des dem Zeitintervall entsprechenden Abschnitts geschlossen werden.
Eine vorteilhafte Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens besteht darin, daß beim Auffinden eines die doppelte Im¬ pulsdauer der Testimpulse übersteigenden Zeitintervalls die Impulsdauer der Testimpulse vermindert wird. Überschreitet das Zeitintervall den doppelten Wert der Impulsdauer der Testim¬ pulse, so ist dies ein zuverlässiges Indiz für das Vorhanden¬ sein mindestens einer weiteren Störstelle, wobei die mindestens zwei Störstellen mit der durch die Impulsdauer der Testimpulse vorgegebenen örtlichen Auflösung nicht auflösbar sind. Diese Erkenntnis kann in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden, die Impulsdauer der Testimpulse soweit zu vermindern, daß eine Ortsauflösung erreicht wird, mit der die Störstellen unter scheidbar sind.
Im Hinblick auf den zur Signalverarbeitung zu treibenden schaltungstechnischen Aufwand ist es besonders günstig, wenn die Extrapolation mit dem logarithmierten Ausgangssignal des signalangepaßten Filters durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfacher Weise derart automatisiert werden, daß ausgehend von einer vorgegebenen Impulsdauer der Testimpulse zunächst soweit eine Verminde¬ rung der Impulsdauer erfolgt, bis sämtliche Zeitintervalle, während der die Hilfsgröße nicht konstant ist, in ihrer Inter¬ valldauer gerade der dann eingestellten doppelten Impulsdauer der Testimpulse entsprechen und dann die Extrapolation an den Sprung- und/oder Störstellen erfolgt.
Die Erfindung wird im weiteren anhand der Zeichnung erläutert; es zeigen Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 3 das Ausgangssignal und die zeitliche Ableitung des logarithmierten Ausgangssigπals der erfindungsgemäßen Ein¬ richtung, bei einem gegebenen Dämpfungsprofil eines zu unter¬ suchenden Lichtwellenleiters.
Nach Fig. 1 enthält eine Einrichtung 1 zur Untersuchung des Dämpfungsverlaufs eines Lichtwellenleiters 10 mit einem
Dämpfungsprofil deτ(t) und einer Fresnel-Reflexionen verur¬ sachenden Störstelle 12 einen optischen Sender 15, dessen Eingang 16 mit rechteckförmigen Testimpulsen p(t) mit einer Impulsdauer T eines Impulsgenerators 17 beaufschlagbar ist. Von dem optischen Sender 15 ausgesendete Lichtimpulse, die in ihrem zeitlichen Verlauf den Testimpulsen p(t) entsprechen, werden über einen optischen Verzweiger 18 in ein Ende 20 des zu untersuchenden Lichtwellenleiters 10 eingekoppelt. Gemäß dem Dämpfungsprofil -.(t) (Rayleigh-Rückstreuung) und infolge der Störstelle 12 (Fresnel-Reflexion) rückgestreutes Licht gelangt über den optischen Verzweiger 18 auf einen Eingang eines optischen Empfängers 22. Das Ausgangssignal des optischen Empfängers 22 ist auf einen Eingang 25 eines Oberflächenwellen- Convolvers 26 geführt. Ein weiterer Eingang 27 des Oberflä- chenwellen-Convolvers 26 ist mit einem weiteren Ausgang 28 des I pulsgenrators 17 verbunden, an dem zeitinverse Testimpulse p(-t) anliegen. Ausgangsseitig ist an dem Oberflächenwellen- Convolver 26 ein Ausgangssignal gMp(t) abgreifbar.
Der Oberflächenwellen-Convolver 26 stellt ein signalangepaßtes Filter dar, dessen Impulsantwort durch das an seinem Eingang 27 angelegte Eingangssigπal bestimmt ist, das durch zeitliche In¬ vertierung der Testimpulse p(t) des Impulsgenerators 17 gebil¬ det ist, mit denen der Triggereingang 16 des optischen Senders 15 beaufschlagt wird. Sofern es sich bei den verwendeten Test- impulsen um symmetrische I pulsformeπ handelt, entsprechen die zeitinversen Testimpulse p(-t) den Testimpulsen p(t). Beim Auf¬ treten eines Testimpulses p(t) sendet der optische Sender 15 einen entsprechenden Lichtimpuls aus, der über den optischen Verzweiger 18 in den zu untersuchenden Lichtwellenleiter 10 eingekoppelt wird. Trifft dieser Lichtimpuls auf die Störstelle 12, wird ein Signal zurückgestreut (Fresnel-Reflexion ) , dessen Pegel mehrere Größenordnungen über dem Pegel des infolge der Dämpfung gemäß dem Dämpfungsprofil d -.(t) (Rayleigh-Rückstreu¬ ung) rückgestreuten Nutzsignals liegt. Die Dynamik des gesamten rückgestreuteπ Signals ist somit außerordentlich groß, wogegen der Pegel des rückgestreuten Nutzsignals (Rayleigh-Rückstreu¬ ung) unter dem Rauschpegel des optischen Empfängers 22 liegt. Mit Hilfe des als signalangepaßtes Filter eingesetzten Ober- flächenwellen-Convolvers 26 läßt sich einerseits ein hoher Signalrauschabstand realisieren und andererseits ist der Ab¬ bildungsfehler, der bei Signalen infolge Sprung- oder Stör¬ stellen (Fresnel-Reflexionen) auftritt, auf die doppelte Länge der Impulsdauer T der Testimpulse p(t) exakt begrenzt. Es läßt sich zeigen, daß der auftretende Abbildungsfehler des Dämpfungs- profils des zu untersuchenden Lichtwellenleiters nach einer Zeitspanne von der doppelten Impulsdauer T eines Testimpulses p(t) vom Zeitpunkt des Auftretens der Fresnel-Reflexion an lediglich ein konstanter Verstärkungsfehler ist, der dem Quadrat der Impulsdauer T annähernd proportional ist. Bei Ver- wendung des Oberflächenwellen-Convolvers 26 als signalange¬ paßtes Filter ist eine sogenannte Timing-Bedinguπg zu berück- sichtigen. In der Timing-Bedingung spiegelt sich der physika¬ lische Prozeß der Faltung in dem Oberflächenwellen-Convolver 26 wieder; die an seinen Eingängen 25 und 27 anliegenden elektri¬ schen Signale werden durch Interdigital-Wandler in Oberflächen- wellen gewandelt, die sich auf einer durch eine Integrations¬ elektrode vorgegebenen Spur aufeinanderzubewegen. Die physi¬ kalische Länge der Integrationselektrode bestimmt die Integra¬ tionsdauer T. des Faltungsvorganges. Um ein dem Faltungsprodukt der Eingangssignale proportionales Ausgangssignal gMF(t) zu erhalten, müssen sich die zu verarbeitenden Eingangssignale vollständig gewandelt als Oberflächenwellen unter der Integra¬ tionselektrode befinden. Daraus ergibt sich eine zeitliche Begrenzung der Dauer TBE des zu verarbeitenden, am Signal¬ eingang 25 des Oberflächenwellen-Convolvers anliegenden Ausgangssignals des optischen Empfängers 22 nach der Formel:
TßE kleiner = 2. (Tj-Σ.T ); Gl-2
mit: TRF : Dauer des Rückstreusignals
T. : Integrationsdauer des Oberflächenwellen-Convolvers 26 T : Impulsdauer des Testimpulses p(t).
Periodisiert man das am Signaleingang 27 anliegende Eingangs¬ signal - nämlich die zeitinversen Testimpulse p(-t) - des Ober¬ flächenwellen-Convolvers 26 mit einer Periode von T. , so ist die Verarbeitung beliebig langer Rückstreusignale möglich. Das auf -diese Weise erhaltene Ausgangssignal gMF(t) des Oberflächen- wellen-Convolvers 26 weist dann redundante Anteile aus sequen¬ tiellen Blöcken auf, wobei die Länge der Blöcke durch den Ter (T.- 2.T ) gegeben ist. Durch eine entsprechende Abtastung können die redundanten sequentiellen Blöcke ausgeblendet werden, so daß nur das Nutzsignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung steht. Fig. 2 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Untersuchung des Dämpfungsverlaufs eines Lichtwellenleiters 10 mit einer Einrichtung 1, wie sie in der Fig. 1 beschrieben ist. Wie be¬ reits beschrieben, wird in den zu untersuchenden Lichtwellen- leiter 10 ein Lichtimpuls eingekoppelt und das seinem Däm¬ pfungsprofil d j(t) entsprechende Ausgangssignal gMF(t) am Ausgang der Einrichtung 1 abgegriffen. In einer Signalverarbei- tuπgsstufe 32 wird anschließend - gegebenenfalls nach Mittelung über mehrere Messungen - durch Logarithmierung des Betrages des Ausgangssignals g-v)p(t) und anschließende Ableitung nach der Zeit eine Hilfsgröße DMF(t) gebildet. Die Hilfsgröße DMF(t) wird anschließend in einer Diskriminierungsstufe 33 darauf hin untersucht, ob sie während eines (oder mehrerer) Zeitintervalls TF, das größer oder gleich der doppelten Impulsdauer T des Testimpulses p(t) ist, nicht konstant ist. Ist die Hilfsgröße DMF(t) konstant, wird dies durch eine Anzeigeeinrichtung 40 angezeigt. Dies ist in der Fig. 2 durch ein Untersuchungsergeb¬ nis N der Diskriminierungsstufe 33 angedeutet, das gemäß Pfeil 35 der Anzeigeeinrichtung 40 zugeführt wird. Beträgt das Zeit- intervall T- exakt die doppelte Impulsdauer T , wird durch Ex¬ trapolation in einer Extrapolationsvorrichtung 38 der Dämpfungs¬ verlauf bis zu der Sprungstelle bzw. der die Fresnel-Reflexion verursachenden Störstelle ermittelt und das Ergebnis der Aπzeigeeinrichtung 40 zugeführt.
Zur Erläuterung des Extrapolationsverfahrens ist im oberen Diagramm der Fig. 3 ein (idealer) Verlauf des Dämpfungsprofils d -.(t) des zu untersuchenden Lichtwellenleiters (vgl. Fig. 1) dargestellt. Man erkennt zu einem Zeitpunkt t eine ausgeprägte Spitze infolge einer Fresnel-Reflexion an einer Störstelle. Da die Laufzeiten der rückgestreuten Signale und die ihre Rück¬ streuung verursachenden Bereiche des zu untersuchenden Licht¬ wellenleiters in direktem Zusammenhang stehen, erfolgen im Zusammenhang mit der Erläuterung der Fig. 3 Angaben bestimm- ter Orte des zu untersuchenden Lichtwellenleiters durch Angabe der entsprechenden Eπtstehungszeitpunkte der rückgestreuten Signale . Der z eitliche Verlau f des Dämpf ungspro fils d , ( t ) stellt in Bereichen zwi schen e inem Zeitpunkt to un d einem
Zeitpunkt t sowie nach einem Zeitpunkt t bis zu einem
Zeitpunkt t„e eine e-Funktion dar.
Das untere Diagramm der Fig. 3 zeigt das reale Ausgangssignal gMF(t) der Einrichtung 1 nach Fig. 1. Außerdem ist der Betrag der durch zeitliche Ableitung des Logarithmus1 des Betrages des Ausgangssignals gMF(t) gebildeten Hilfsgröße DMF(t) (vgl. Fig. 2) strichpunktiert in seinem qualitativen Verlauf eingetragen. Man erkennt einen Sprung des Ausgangssignals gMF(t) im Bereich zwischen dem Zeitpunkt t und einem Zeitpunkt t-,, der durch das Einkoppeln des Lichtimpulses in den zu untersuchenden Lichtwel¬ lenleiter bedingt ist. Das Ausgangssignal gMF(t) fällt von einem Maximalwert g 3.M,rrmm„a„x zum Zeitpunkt t1-, kontinuierlich bis zum Zeitpunkt t ab. Im Intervall t-, bis t ist die Hilfsgröße DfMF(t) konstant. Zum Zeitpunkt t tritt (z.. B. an einer Stör¬ stelle 12 (s. Fig. 1)) eine Fresnel-Reflexion auf, die zu einer Unstetigkeit des Ausgangssignals gMF(t) führt. Nach einem Zeit- intervall Tp = 2T setzt das Ausgangssignal gMF(t) zu einem Zeitpunkt t2 seinen kontinuierlichen Verlauf fort. Im Zeitin¬ tervall Tp = 2 - t = 2 T ist die Hilfsgröße DMp (t) nicht konstant. Das Zeitintervall TF ist exakt auf die doppelte Impulsdauer T begrenzt. Damit ist erkennbar, daß im Bereich des Zeitpunkts t der Einfluß nur einer (Fresnel-Reflexionen verursachenden) Störstelle zum Tragen kommt. Daher kann durch rückwärtige Extrapolation des Verlaufs des Ausgangssignals gMF(t) nach dem Zeitpunkt t2 auf den Dämpfungsverlauf im Be¬ reich der Störstelle geschlossen werden; diese Extrapolation ist in Fig. 3 durch Punkte P angedeutet. Der Endbereich des zu untersuchenden Lichtwellenleiters stellt zum Zeitp runkt te eine weitere Störstelle dar, die für die Untersuchung des Lichwel- lenleiters aber außer Betracht bleiben kann. In gleicher Weise kann ein Dämpfungssprung im Dämpfungsprofil des zu untersuchen- den Lichtwellenleiters bestimmt werden, indem der durch Extra¬ polation gebildete Wert des Ausgangssignals gMF(t) unmittelbar nach der Sprungstelle von dem Wert des Ausgangssignals gMF(t ) an der Sprungstelle subtrahiert wird.
Würde das Zeitintervall TF nach Fig. 3 die Dauer von 2.T über- steigen, wird eine weitere Untersuchung des Lichtwellenleiters zumindest in dem entsprechenden Abschnitt mit einer verkürzten Impulsdauer T vorgenommen, um im Bereich des Zeitpunkts t eine erhöhte Auflösung zu ermöglichen; dies ist in der Figur 2 durch einen Pfeil 42 angedeutet, der eine Einflußnahme auf die Impulsdauer T symbolisiert, sofern die Bedingung TF größer 2T erfüllt ist. Wird als signalangepaßtes Filter ein Oberflächen¬ wellen-Convolver in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung verwen¬ det, erfolgt bei Veränderung der Impulsdauer T in vorteil¬ hafter Weise automatisch eine Anpassung der Impulsantwort des signalangepaßten Filters.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zum Untersuchen des Dämpfungsverlaufs eines Lichtwellenleiters (10) - mit einem optischen Sender (15) mit einem Signaleingang
(16), der mit Testimpulsen (p(t)) eines Impulsgenerators (17) beaufschlagbar ist,
- mit einem optischen Verzweiger (18), über den ein Ende (20) des zu untersuchenden Lichtwellenleiters (10) an den optischen Sender (15) angeschlossen ist,
- mit einem optischen Empfänger (22), der über den optischen Verzweiger (18) an das eine Ende (20) des Lichtwellenleiters (10) angeschlossen ist und
- mit einer dem optischen Empfänger (22) ausgangsseitig nachgeordneten Filtereinheit, an deren Ausgang (30) ein analoges Ausgangssignal (gMF(t)) abgreifbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Filtereinheit ein signalangepaßtes Filter (26) ist. (Fig. 1)
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das signalangepaßte Filter (26) ein Convolver ist, der einen ersten mit dem optischen Empfänger (22) verbundenen Eingang (25) und einen weiteren mit zeitinvertierten Testimpulsen (p(-t)) dsr Impulsgenerators beaufschlagbaren Eingang (27) aufweist. (Fig. 1)
3. Verfahren zum Untersucnen eines Lichtwellenleiters mit einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß durch Logarithmierung und zeitliche Ableitung des Ausgangssignals (gMF(t)) des signalangepaßten Filters (26) eine Hilfsgröße (DMF(t)) gebildet wird, - daß geprüft wird, ob ein Zeitintervall (Tp) existiert, in dem die Hilfsgröße (D.,p(t)) nicht konstant ist, und - daß beim Auffinden eines solchen, gerade der doppelten Im¬ pulsdauer (T ) der Testimpulse entsprechenden Zeitintervalls (Tp) aus Kenntnis des Dämpfungsverlaufs des zu untersuchenden Lichtwellenleiters (10) im Anschluß an das Zeitintervall (TF) der Dämpfungsverlauf in dem dem Zeitintervall (TF) entspre¬ chenden Abschnitt des zu untersuchenden Lichtwellenleiters (10) durch Extrapolation bestimmt wird. (Fig. 2, Fig. 3)
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Auffinden eines die doppelte Impulsdauer (T ) der Test¬ impulse übersteigenden Zeitintervalls (Tp) die Impulsdauer (T ) der Testimpulse vermindert wird. (Fig. 2)
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Extrapolation mit dem logarithmierten Ausgangssignal des signalangepaßten Filters durchgeführt wird.
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