Разработка системы мониторинга температурного распределения в волоконно-оптической линии связи

      Оглавление

     Введение	4
      1 Техническое предложение	4
      1.1 Анализ видов повреждений ВОК, проложенных в грунте, вызванных влиянием температурных изменений	5
      1.2 Анализ видов повреждений ВОК воздушных ВОЛС, вызванных влиянием температурных изменений	5
      1.3 Обзор существующих систем мониторинга распределения температуры в ВОЛС	5
      1.4 Предложение по разработке новой системы мониторинга распределения температуры в ВОЛС	5
      2 Исследование оптических явлений, происходящих в ОВ и методов их измерений	5
      2.1 Релеевское рассеяние	5
      2.2 Рассеяние Рамана	5
      2.3 Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна	5
      2.4 Методы рефлектометрии ОВ	5
      2.4.1 Рефлектометр OTDR	5
      2.4.2 BOTDR	5
      2.4.3 Установка для распределенного измерения температуры	5
      3. Разработка системы мониторинга распределения температуры в ВОК	5
      3.1 Техническое решение	5
      3.2 Моделирование в программной среде Optisystem 13	5
      3.3 Экспериментальное исследование	5
      4. Схема включения оборудования в реальной ЛС и алгоритм функционирования	6
      Заключение	6
      Список источников	6
      Приложение А	6
      Приложение Б	6
      Приложение В	6
      Приложение Г	6
      Приложение Д	6
     
    
















    Введение

     Оптоволоконные сети, безусловно, являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с гораздо меньшими потерями, также они обеспечивают высокую информационную безопасность передаваемых по волокну данных.
     Оптическое волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, это позволяет оптоволокну быть невосприимчивым к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы, характерных например, для медных систем связи.
     Однако, это накладывает некоторые сложности на этапы производства оптического кабеля, а также сказывается на дальнейшей эксплуатации и соблюдении норм производства, прокладки, технического обслуживания. 
     Стеклянные волокна, в силу своих микроскопических размеров, могут быть подвержены сгибанию, также они довольно прочны на растяжение. Основная же причина, которая обуславливает хрупкость оптических волокон – наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. Микроскопические трещины на волокне могут разрастаться как на этапе производства кабеля, так и при его прокладке и дальнейшей эксплуатации.
     

    1 Техническое предложение
     1.1 Анализ видов повреждений ВОК, проложенных в грунте, вызванных влиянием температурных изменений

     Оптический кабель связи, проложенный в грунте, имеет защиту от внешних негативных факторов благодаря достаточно толстому слою грунта, окружающего его. Однако, бывают случаи, когда кабель лишается своей грунтовой защиты.
     На протяженных трассах оптических линий связи возможны такие явления, как:
      Оползни
      Карстовые провалы
      Выдавливание грунта
      Человеческий фактор
     В случае оползня, который происходит в непосредственной близости от ВОЛС, часть верхнего грунта может сместиться, тем самым уменьшится расстояние от поверхности земли то глубины прокладки оптического кабеля.
     При возникновении карстового провала, кабель также может оказаться без достаточного для защиты слоя грунта. Также стоить отметить, что кабель может не пострадать от провала земли, следовательно не подать предпосылок для визуальной проверки состояния ВОЛС.
     При выдавливании грунта, волоконно-оптический кабель, аналогично ранее рассмотренным случаям, оказывается ближе к поверхности земли, либо полностью выходит из нее. В этом случае, на кабель воздействует как чрезмерный нагрев, так и влияние низких температур, в зависимости от сезонности. Такое воздействие, со временем, негативно сказывается на характеристиках оптического волокна, приводя к его деградации. Вследствие протяженности во времени оказываемого влияния, своевременно выявить неисправность довольно сложно. 
       Особенно опасным случаем является его выдавливание, либо вымывание, в местах мелководных рек и болотистой местности, где использовался метод прокладки кабелеукладчиком. В зимний период, кабель может сковать льдом, что приводит к излишней нагрузке на него. В данных обстоятельствах, влияние низких температур сказывается особенно сильно на состоянии оптического кабеля, со временем приводя к выходу его из строя. 
     Также нередки случаи, когда рабочие, либо местные жители, не обнаружив, либо проигнорировав предупреждающие знаки о прохождении в данном месте ВОЛС, начинают  земляные работы. В результате они могут снять значительную часть грунта над кабелем, но обнаружив его, прекратить работы и уйти, не устранив причиненный вред. В этом случае, ВОК может не получить повреждений и данная ситуация останется без ведома владеющего предприятия. Но, по истечении некоторого времени, на этот кабель начнут влиять внешние негативные факторы. Повышение температуры может способствовать деградации полимерного покрытия, что может привести к повышенному затухания в ВОК. Также раскопанную область может затопить водой, при наличии подземных источников, в следствие чего, в зимний период, кабель может сковать льдом. 
     Все рассмотренные выше процессы приводят к постепенному ухудшению характеристик оптического кабеля, что сложно заметить при диагностике кабеля обычными средствами. Но так как главным влияющем фактором является изменение температуры на локальном участке ВОЛС, то при помощи средства мониторинга температурного распределения, возможно достаточно легко определить пораженный  участок и предпринять меры, к предотвращению серьезной …
     Следует отметить, что заблаговременно выявить вышеперечисленные влияния обычными системами мониторинга довольно сложно. Однако, при помощи мониторинга температурного распределения, еще на начальном этапе можно обнаружить … и предпринять меры для …
     
     1.2 Анализ видов повреждений ВОК воздушных ВОЛС, вызванных влиянием температурных изменений

     Помимо кабелей, проложенных в грунте, существует достаточное количество воздушных ВОЛС. Они гораздо больше подвержены влиянию внешних факторов и, вследствие этого, их установленный срок службы меньше. 
     Наибольшее влияние на ВОЛС-ВЛ ветер. Кабель, подвешенный на воздушных линиях электропередач, испытывает на себе сильное воздействие ветра, которое приводит к вибрации оптических волокон и, как следствие, появлению и разрастанию микротрещин на них.
     Также на него оказывает прямое воздействие температура окружающей среды и связанные с ней явления. В зимний период происходит обледенение кабеля. Для борьбы с этим явлением  оптический кабель в грозозащитном тросе нагревают электрическим током - таким образом происходит удаление обледенения.
     В виду того, что ВОЛС-ВЛ имеют большую протяженность, образование льда происходит неравномерно, из-за различия погодных условий. Также следует учесть неравномерность расположения оптического волокна в кабеле к оболочке, от которой передается тепло к ОВ. Ввиду этого контроль состояния ОВ возможен только при измерении распределения температуры вдоль оптического кабеля.
     Одним из уязвимых мест ВОЛС является оптическая муфта с входящими в нее кабелями. При воздействии высоких температур, некачественный гидрофобный заполнитель начинает терять свои первоначальные свойства и происходит его выдавливание в муфту вместе с оптическими волокнами. Вследствие этого, волокна испытывают излишние сгибание, что может привести к возрастанию затухания, либо к их перелому. 
     Мониторинг температурного распределения позволяет своевременно среагировать на излишний нагрев оптического кабеля в местах его соединения и предотвратить поломку.
     
     1.3 Обзор существующих систем мониторинга распределения температуры в ВОЛС

Система термометрии волоконно-оптическая распределенного типа «Створ»


Описание
Система термометрии волоконно-оптическая распределенного типа измеряет температуру в реальном времени вдоль оптоволоконного кабеля. Для мониторинга используется только один чувствительный элемент, не требующий дополнительного питания на всем своем протяжении.
Применение
Пожарное извещение на протяженных объектах (многоуровневые парковки, туннели, цеха).Мониторинг температуры кабельных линий. Контроль состояния конвейеров и трубопроводов. Измерение температуры шахтовых выработок, обнаружение скрытых пожаров.
Технические характеристики устройства
Наименование параметра/характеристики
Значение параметра
Диапазоны измерений температуры, ? С
от –55 до +300
Пределы допускаемой погрешности измерения температуры, °С
Во всём диапазоне измерений и при времени измерений 60 с
1
Пространственное разрешение, м,
1 (для СТВОР-1-х)

2 (для СТВОР-2-х)

4 (для СТВОР-4-х)
Количество оптических каналов, шт.
от 1 до 8
Диапазон длин оптоволоконного кабеля чувствительного элемента, м
от 10 до 10000
Средняя мощность лазерного излучения, не более, мВт
10
Длина волны излучения, нм (тип волокна)
1550 (ММ50/125 G.651)
Тип оптического соединителя
FC/UPC
Электропитание осуществляется от сети переменного тока напряжением, В,
220 ± 22
частотой, Гц
50 ± 1
Номинальная потребляемая мощность блока обработки (БО), Вт
200
Габаритные размеры блока обработки (высота ? ширина ? глубина), мм, не более
500х450х130
Температура окружающего воздуха в месте размещения блока обработки, ? С
От +5 до +50
Относительная влажность воздуха в месте размещения блока обработки, % (при температуре плюс 25 °С, без конденсации)
От 10 до 80
Относительная влажность воздуха в месте размещения чувствительного элемента, %
В соответствии с технической документацией на волоконно-оптический кабель
Масса блока обработки, не более, кг
12



 Система распределенной термометрии Е52Х, Е54Х, Е56Х

       Измеряет температуру в реальном времени вдоль оптоволоконного кабеля. Для мониторинга используется только один чувствительный элемент, не требующий дополнительного питания на всем своем протяжении.
     Применение:  
 Пожарное извещение на протяженных объектах (туннели, цеха, многоуровневые парковки). 
 Мониторинг температуры кабельных линий. 
 Контроль состояния конвейеров и трубопроводов. 
 Измерение температуры шахтовых выработок, обнаружение скрытых пожаров.





     АТР-111 (АТР-211) - Анализатор температуры рефлектометрический. Предназначен для измерения распределения температуры одномодового (многомодового) оптического волокна по его длине. 
     
     
      
     В качестве оптического рефлектометра АТР-111 (АТР-211) может использоваться для измерения затухания ОВ и их соединениях, длины ОВ и расстояния до неоднородностей.
      
     Принцип действия приборов основан на регистрации компонент обратного рамановского рассеяния сигнала оптического рефлектометра. 
      
     Специальное программное обеспечение позволяет проводить непрерывный контроль температуры, сообщать о превышении предустановленных порогов температуры ОВ, сохранять данные измерений для дальнейшей обработки. 
      
     Управление работой приборов, обработка, отображение и хранение результатов измерения осуществляется с помощью персонального компьютера.



     1.4 Предложение по разработке новой системы мониторинга распределения температуры в ВОЛС

     Предлагаемая система мониторинга….
    2 Исследование оптических явлений, происходящих в ОВ и методов их измерений
     2.1 Релеевское рассеяние

     Распространяясь по оптическому волокну сигнал сталкивается с различными неоднородностями, приводящими к его затуханию а также отражению части сигнала в обратном направлении. Неоднородности в сердцевине ОВ вызваны внесением в ее состав примесей на этапе производства. 
     Причины собственного затухания оптического волокна можно расделить на две группы
 Затухания из-за поглощения энергии в материале ОВ
 Затухания из-за релеевского рассеяния

     Потери энергии сигнала в следствии поглощения происходят из-за собственного поглощения ОВ и из-за наличия примесей в ОВ, которыми являются металлы переходной группы Fe2+, Cu2+, Cr3+ и ионы гидроксильной группы ОН. Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией).
     Следует отметить, что уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое Рэлеевское рассеяние света.
     Рэлеевское рассеяние возникает в результате флуктуация показателя преломдения, которые в свою очередь возникают вследствие тепловых флуктуаций в жидкой фазе и оставшихся при затвердевании ОВ. 
     Показатель затухания Рэлеевского рассеяния описывается выражением
      
     
     Рассеяние Рэлея обратно четвертой степени длины волны и характерно для неоднородностей, чьи размеры меньше длины волны падающего излучения, и которые отстоят на достаточном расстоянии друг от друга для исключения эффектов взаимодействия.
     Суммарные потери на Рэлеевское рассеяние зависят от длины волны волны по закону ?-4 и количественно могут быть оценены по формуле
     
     де Кр – коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 [(мкм4? дБ)/км];
     ? – длина волны, мкм.
     Рэлеевское рассеяние ?рограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение ?ик – в правой.
     Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие Рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.
      
     2.2 Рассеяние Рамана

     С повышением интенсивности вводимого в оптическое волокно  светового сигнала, возникают нелинейные эффекты, заключающиеся в том, что световая волна (или импульс), вызывает изменение характеристик волокна, в котором происходит распространение сигнала. Это, в свою очередь, приводит к весьма существенному изменению распространений самого сигнала
     Таким образом, возникает воздействие светового сигнала на самого себя через изменение характеристик волокна. Очевидно, возможны и перекрестные взаимодействия, если в волокне одновременно распространяются два или более сигналов. 
     В оптическом волокне легко наблюдаемые нелинейные 
эффекты возникают уже при небольших мощностях порядка 
?w/?t=1…100Вт. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, интенсивность света оказывается очень большой из-за малой площади сечения внутренней жилы волокна, по которой в основном и распространяется свет, а для нелинейных эффектов важна именно интенсивность. Во-вторых, свет распространяется практически без расфокусировки на сколь угодно большие расстояния. Так, при умеренной мощности порядка ?w/?t=1…10 Вт и характерной площади поперечного сечения внутренней жилы S = 50 мкм2 = 5·10-11 м2 интенсивность света составляет  I=2??10?^11 Вт/м2.
     Результаты исследований показали, что спектр рассеянного света, содержит кроме спектральных линий, которые характеризуют падающий на среду свет, дополнительные линии спектра, которые лежат в низкочастотной и высокочастотной  области, симметрично спектральным линиям первичного света. Эти линии являются стоксовыми и антистоксовыми компонентами.
     Это явление, обнаруженное в 1928 г В. Раманом и К. Кришнаном в Индии  называется рамановским, или комбинационным рассеянием света.
      Комбинационное рассеяние – это неупругое рассеяние света, при котором в спектральном составе помимо частоты падающей волны    присутствуют линии, отличающиеся от нее на величину, равную или кратную частоте внутримолекулярных колебания. 
     Все частоты ?i характерны для данной оптической среды (например, кристалла) и не зависят от частоты ?р падающего света. Линии в спектре комбинационного рассеяния с частотами ?р – m?i, m = 1, 2, …, меньшими частоты падающего света, называются красными (или стоксовыми) компонентами, а линии с частотами ?р + m?i, большими, чем ?р, – фиолетовыми (или антистоксовыми) компонентами.

     Причиной  сдвига спектра рассеяния антистоксовой и стоксовой компонент в низкочастотную и высокочастотную области является комбинированный процесс, в результате которого вместо падающего кванта появляется  другой световой квант и одновременно в среде происходит поглощение или освобождение определенной порции энергии.
     В результате комбинационного процесса появляются дополнительные комбинационные линий, которые соответствуют изменениям во вращательном и колебательном движении атомов в молекуле или кристаллической решетке, т.е. в случаях появления антистоксовой и стоксовой компонент  уничтожается фотон с энергией ??р и происходит испускание фотона с другой энергией за счет перехода между колебательными энергетическими уровнями молекулы.
     Таким образом, если на среду падает электромагнитная волна c частотой ?0 и электрическим вектором Е, который описывается выражением
,
то под  действием этой волны в системе индуцируется дипольный момент 
где ? - тензор поляризуемости системы.
     Стоить отметить, что поляризуемость молекулы (кристалла) периодически меняется во времени с частотами собственных колебаний. Это происходит из-за того, что поляризуемость молекулы или атома зависит от соответствующего этому моменту расположения атомов друг относительно друга.

     Интенсивность рассеяния растет пропорционально 4-й стпени частоты света. Это дает соотношение интенсивностей между антистоксовой и стоксовой компонентами, пропорциональное величине  
     Далее мы рассмотрим температурную зависимость соотношения интенсивностей компонент Iас и Iс. Антистоксова компонента рассеяния присутствует в том случае, если молекула находится в возбужденном состоянии. Число молекул, находящихся в возбужденном состоянии с энергией Е, рассчитывается по формуле

     Таким образом,  при высоких температурах показатель экспоненты близок к нулю, и интенсивности AS- и S- компонент становятся близкими. При низкой температуре отношение интенсивностей компонент стремится к нулю: абсолютная интенсивность AS-компоненты, для которой начальным является возбужденное состояние молекулы, при понижении температуры стремится к нулю, а интенсивность S-компоненты – к некоторому конечному значению.
     Антистоксов процесс возможен только, если фононы уже присутствуют в материале, и его вероятность возрастает с повышением температуры. С другой стороны испускание фонона может быть спонтанным, следовательно, вероятность стоксова процесса остается всегда.
     При не очень высоких температурах населенность первого колебательного уровня невелика, при комнатной температуре при колебательной частоте 1000 см-1 на первом колебательном уровне находится всего 0,7 % молекул, поэтому интенсивность антистоксова рассеяния мала. С повышением температуры населенность возбужденного колебательного уровня возрастает и интенсивность антистоксова рассеяния растет.
     Вынужденное комбинационное рассеяние приводит к генерации стоксовой волны, частота которой определяется пиком комбинационного усиления. Соответствующее смещение частоты называют стоксовым (или рамановским) частотным сдвигом.
     Особенностями ВКР являются:
     1) Порог возникновения явления 600 мВт - 1 Вт
     НАДО НАПИСАТЬ ЧТО ВЫНУЖДЕННОЕ НАС НЕ ИНТЕРЕСУЕТ
     Так как рамановский эффект наблюдается в рассеянном свете от образца, а не в спектре поглощения образцом света. Поэтому рамановская спектроскопия  не требует специальной подготовки образца и нечувствительна к полосам поглощения.
     
      
     2.3 Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна

     Следующий нелинейный эффект, связанный с появлением стоксовой и антистоксовой компонент в высокочастотной и низкочастотной областях, носит название вынужденного неупругого рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Оно возникает в диапазоне мощности от 10 до 100 мВт (в зависимости от диаметра волокна) и основано на рассеянии на акустических фононах.
     Явление вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна аналогично комбинационному рассеянию, только в качестве молекулярных колебаний при этом выступает волна избыточного давления среды, т.е. акустическая волна.
     С точки зрения квантовой механики ВРМБ представляет собой процесс уничтожения фотона накачки с одновременным появлением стоксова фотона и акустического фонона.

     В волоконном световоде смещение частоты стоксовой волны максимально для обратного направления и исчезает для прямого направления.
     Таким образом, Бриллюэновское рассеяние в световодах возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами (движущимися волнами распределения плотности вещества) гигагерцового диапазона, которые существуют в твердых телах за счет тепловой энергии.
     Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. И, следовательно, возникают процессы рассеяния падающего света на акустических фононах, приводящие как к поглощению, так и испусканию квазичастиц – фононов. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения. В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и напряжении в точке рассеяния.
     При спонтанном и вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна частоты обеих рассеянных волн (стоксовой и антистоксовой) отличаются от частоты волны накачки на величину частоты акустической волны na . В обоих случаях частота акустической волны является функцией температуры или механического напряжения в волокне. Также вероятность рассеяния пропорциональна числу соответствующих фононов, а их число зависит от температур. Однако описанный эффект при обычных условиях является довольно слабым, поэтому следует увеличивать интенсивность падающего света. Начиная с некоторого значения, из–за совместного воздействия падающей и стоксовой волн, начнут возникать новые волны неоднородностей плотности вещества, т.е к появлению новых фононов, на которых рассеивается падающая волна. Таким образом, рассеяние становится вынужденным, и стоксова компонента начинает играть активную роль.
     Физический механизм вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна:
 Взаимодействие и обмен энергией между волнами: накачки, стоксовой и акустической;
 Возникновение за счет электрострикции в твердом теле периодической структуры- бегущей пространственной дифракционной решетки;
 Модуляция показателя преломления оптической среды по закону бегущей волны;
 Рассеяние излучение накачки в результате брэгговской дифракции с доплеровским сдвигом в длинноволновую область;
 Превышение рассеяния над затуханием; резкое нарастание стоксовой волны;
 Вынужденный (активный) характер рассеяния, приводящий к появления новых фононов  и усилению процесса.
     Можно отметить следующие важные различия между эффектами вынужденного комбинационного рассеяния и ВРМБ: 
     • волна рассеянного излучения (стоксова волна) в оптическом волокне при ВРМБ распространяется навстречу волне накачки, а при вынужденном комбинационном рассеянии – в обоих направлениях; 
     • стоксово смещение по частоте при ВРМБ почти на три по- рядка меньше, чем при вынужденном комбинационном рассеянии; 
     • пороговая мощность накачки при ВРМБ зависит от ширины ее спектра, тогда как при вынужденном комбинационном рассеянии такая зависимость отсутствует; порог мощности при вынужденном комбинационном рассеянии имеет по- рядок 1 Вт, а при ВРМБ – 10 мВт; 128 
     • при накачке непрерывным излучением пороговая мощность при ВРМБ ниже, чем при вынужденном комбинационном рассеянии, поэтому последнее подавляется ВРМБ.
     • в отличие от вынужденного комбинационного рассеяния, спектральная ширина ВРМБ-усиления очень мала (~ 10 МГц против ~ 5 ТГц).
     Все эти различия обусловлены одним обстоятельством: при вынужденном комбинационном рассеянии действуют оптические фононы, возбуждаемые при переходах между колебательными состояниями молекул, а при ВРМБ – акустические фононы.
     К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Время получения сигнала составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки.
     Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.
      
     2.4 Методы рефлектометрии ОВ
     2.4.1 Рефлектометр OTDR

     Зная скорость и измерив время между передачей импульса в волокно и приёмом отажённого сигнала, можно однозначно вычислить расстояние до точки отражения.
     В качестве измерительного сигнала используются импульсы заданной длины (от 3 наносекунд до 20 микросекунд). На коротких трассах измерения производятся при помощи коротких импульсов, на длинных, соответственно, длинными. Чем длиннее импульс, тем больше его мощность и тем дальше можно будет видеть его отражение от неоднородностей кабеля и тем более длинную трассу можно "прострелить".
     (Длина импульса — это время, в течение которого светит лазерный светодиод. Период — время между импульсами, когда светодиод выключен.
     
     Принцип работы таких рефлектометров основан на посылке в кабель прямоугольного зондирующего импульса и наблюдении задержанного эхо-сигнала, отраженного от неоднородности волнового сопротивления.
     По величине задержки можно найти расстояние до дефекта. Сама задержка определяется как время от начала зондирующего импульса до начала эхо-сигнала. Вот здесь то и кроется основная проблема. В идеальных условиях, когда кабель хороший (лучше магистральный) или короткий, все просто. Надо поставить один курсор на начало импульса, второй - в начало эхо-сигнала и считать показания.
     В обычном OTDR-методе короткий лазерный импульс света на рабочей длине волны (0) вводится в один конец оптического волокна, и измеряется релеевское оптическое излучение, рассеянное обратно от каждой точки вдоль волокна. В распределенном во времени считывании, используется осциллограмма рассеянного обратно излучения. По ней измеряют оптические потери и дефекты в различных местах волокна. В типовых OTD рефлектометрах, используемых для определения характеристик оптического волокна или кабеля, сигналом обратного релеевского рассеяния пользуются, например, чтобы установить расположение дефектов (разрывов, неисправностей) в волокне или измерить характеристики затухания волокна и длину волокна.
     Рассеянные обратно сигналы могут быть результатом процессов упругого или неупругого рассеяния. Рэлеевское рассеяние производит беспорядочные (стохастические) сигналы от упругого рассеяния в основном с той же самой длиной волны, как и введенный сигнал (0). Сигналы бриллуэновского и комбинационного (рамановского) рассеяния возникают в результате процессов неупругого рассеяния, каждый из которых производит пары полос спектра. Каждая пара полос первого порядка включает одну полосу (стоксову компоненту), с центром около более длинной длины волны (+1), чем у введенного сигнала (0) и другую полосу (антистоксову компоненту), центрируемую на более короткой длине волны (-1), чем у введенного сигнала. Таким образом, пара компонент располагается симметрично около введенной сигнальной длины волны. Спектр сигналов бриллуэновского и рамановского рассеяния обычно содержит несколько поочередных порядков (на длинах волн ±n, где n=1,2,3 ), являющихся результатом частных процессов рассеивания, причем интенсивность полос уменьшается с увеличением порядка.
      
     2.4.2 BOTDR


В настоящее время метод бриллюэновской рефлектометрии применяется в бриллюэновском оптическом импульсном анализаторе (BOTDA – Brillouin Optical Time Domain Analyizer) и в бриллюэновском оптическом импульсном рефлектометре (BOTDR – Brillouin Optical Time Domain Reflectometer). В BOTDA используется явление вынужденного бриллюэновского рассеяния (SBS – Stimulated Brillouin Scattering), а в BOTDR – явление спонтанного бриллюэновского рассеяния (SPBS – Spontaneous Brillouin Scattering).
    В BOTDR наблюдается SPBS эффект (а не SBS эффект) потому, что мощность импульсов, вводимая в волокно, не превышает (при длительности импульса ? < 100 нс) порогового значения мощности для SBS эффекта (~23 дБм). Как известно, SBS эффект является самым низкопороговым нелинейным оптическим эффектом в волокне. Пороговое значение мощности при непрерывном излучении составляет для него всего лишь несколько дБм. Для импульсного излучения этот порог увеличивается примерно до 23 дБм за счет малой длины взаимодействия, равной половине ширины импульса (5 м при ? ~ 100 нс). Пороговое значение мощности для вынужденного рамановского рассеяния больше 23 дБм и не зависит от длительности импульса.
    Излучение накачки в BOTDR формируется также как и в BOTDA. Источником излучения служит DFB лазер, частотная модуляция излучения осуществляется акустооптической ячейкой (АОМ), импульсная модуляция – электроабсорбционным модулятором (ЕОМ), а поляризационная модуляция – фарадевским вращателем (FC). Излучение накачки вводится в волокно, а рассеянная назад мощность передается с помощью волоконного ответвителя на вход фотоприемника (рис. 4.17).
 
Рис. 4.17. Оптическая схема бриллюэновского рефлектометра (BOTDR)
    Спектр обратной волны, рассеянной в волокне, содержит релеевскую компоненту (частота которой равна частоте накачки (fн + ?f)) и две бриллюэновские (стоксову и антистоксову). Стоксова компонента смещена по частоте вниз (fн + ?f – fБ), а антистоксова вверх (fн + ?f + fБ) (рис. 4.11). Для выделения нужной компоненты (обычно стоксовой как более мощной) используется когерентный прием излучения. Для этого часть мощности излучения DFB лазера ответвляется непосредственно на вход фотоприемника, где оно смешивается с излучением рассеянным в волокне.
    Когерентный прием позволяет не только выделить стоксову компоненту в спектре обратной волны, но и увеличить чувствительность фотоприемника до величины, близкой к квантовому пределу. В BOTDR необходимы более чувствительные фотоприемники, чем в OTDR, так как коэффициент спонтанного бриллюэновского рассеяния (?Б ? 0.03/?4, где ? – длина волны излучения в [мкм]) примерно на 14 дБ меньше коэффициента спонтанного релеевского рассеяния (?р = 0.75/?4). На практике выигрыш по сравнению со схемой прямого детектирования, применяемой в традиционных OTDR, составляет 10…20 дБ.
    Смещение частоты рассеянного света fБ, также как и в BOTDA, находится путем сканирования частоты акустооптической ячейки ?f. Также как и в BODTA, для каждой частоты накачки fн + ?f снимается рефлектограмма, находится трехмерное распределение спектра спонтанного бриллюэновского рассеяния вдоль волокна и рассчитывается распределение натяжения в волокне. Максимальный сигнал в спектре бриллюэновского рассеяния достигается, когда частота акустооптической ячейки ?f смещена на величину, равную fБ. Если же ?f = 0, то BOTDR. работает как когерентный импульсный рефлектометр (СО OTDR), выделяя в спектре обратной волны компоненту, обусловленную релеевским рассеянием света в волокне (в последних моделях BOTDR этой опции нет).
    Рефлектограмма линии с напряженным участком волокна, полученная при ?f = fБ, приведена на рис. 4.18. Удлинение волокна на 0.1 % приводит к смещению частоты основного пика на 490 МГц/% · 0.1 % ? 50 МГц. Полная ширина линии в эффекте SPBS (по половинному уровню) для волокна AllWave составляет 86 МГц. Поэтому смещение частоты основного пика бриллюэновского рассеяния в напряженном участке волокна на 50 МГц приводит к заметному уменьшению уровня отраженной мощности и появлению провала в рефлектограмме. Заметим, что изгиб в рефлекгограмме может возникнуть не только из-за натяжения, но и из-за скачка потерь в волокне. Для того, чтобы разделить эти два эффекта, недостаточно измерить рефлектограмму на одной разностной частоте, как на рис. 4.18, а необходимо найти распределение спектра бриллюэновского рассеяния света вдоль волокна.
  
Рис. 4.18. Рефлектограмма волокна AllWave с напряженным участком
    Рефлектограммы, полученные с помощью BOTDR, обладают двумя характерными особенностями. Во-первых, в них отсутствуют выбросы сигнала, вызванные отражением импульсов света от оптических разъемов и торца волокна. В традиционных OTDR эти отраженные импульсы приводят к насыщению фотоприемника и появлению мертвых зон (зон нечувствительности). В BOTDR эти импульсы не регистрируются, так как при отражении от оптических разъемов и торца волокна частота света не меняется. В BOTDR регистрируются только те отраженные импульсы света, несущая частота которых смещена на величину fБ.
    Во-вторых, не смотря на то, что в BOTDR осуществляется когерентный прием излучения, рефлектограмма не зашумлена, как это должно наблюдаться при когерентном приеме рассеянного излучения. Происходит это потому, что в BOTDR регистрируется свет, рассеянный не на релеевских центрах (замороженных в волокне флуктуациях показателя преломления), а на тепловых флуктуациях показателя преломления (акустических фононах). А так как время жизни акустического фонона (ta = 1/?f = 10-8 сек) мало по сравнению со временем измерений, то амплитуда и фаза волн рассеянных на этих неоднородностях эффективно усредняется.


     2.4.3 Установка для распределенного измерения температуры

    3. Разработка системы мониторинга распределения температуры в ВОК
     3.1 Техническое решение


     3.2 Моделирование в программной среде Optisystem 13

    Эксперимент 1
     В программной среде Optisystem 13 собираем схему устройства для моделирования эффекта комбинационного рассеяния в оптическом волокне (рис ).
     Для этого используем лазер (ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР???), EDFA усилитель, циркулятор, одномодовое оптическое волокно, брэгговскую решетку и измерительные приборы, такие как измеритель мощности, оптический визуализатор во временной области и спектроанализатор. 
     Лазер имеет мощность 7 дБм и генерирует излучение на длине волны 1550 нм. 
     EDFA усилитель имеет протяженность легированного волокна 5 м и обеспечивает накачку мощности на 13 дБм.
     
     
     
     Оптическое волокно разделено на 5 участков длиной 0,1 км. Таким образом возможно изменять характеристики каждого отдельного участка и имитировать сва.......................