автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.20, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и приборов оптической рефлектометрии во временной области

На правах рукописи

,с>

ХРЫЧЕВ Вадим Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ОПТИЧЕСКОЙРЕФЛЕКТОМЕТРИИ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 05.12.20-0птические системы локации, связи и обработки информации

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете телекоммуникаций им. проф. МЛ. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель: канд идат технических нау1 старший научный сотрудник С.Ф. Глаголе

Официальные оппоненты: доктор технических нау!

профессор В.Н. Дудки кандидат технических нау! старший научный сотрудник В.Е. Кравцо

Ведущее предприятие: Государственное предприят

"Дальняя связь

Защита диссертации состоится 14 мая 1998г. В14 часов на заседании диссертационного совета Д118.01.02 в СПбГУТ им. проф. МЛ. Бонч-Бруевича по адресу: Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, дб], т. 315-23-29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУТ, наб. реки Мойки, д.65

Автореферат разослан 1998г.

Учёный секретарь диссертационного совета.

д.тл.

В.Н. Гомзин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди многих средств измерения параметров элоконных световодов (ВС), оптических кабелей (ОК) и, волоконных рактов (ВТ) особую роль играют оптические рефлектометры (ОР), зализующие метод измерения обратного рассеяния. ОР при эдключении к одному концу ВС, ОК или ВТ позволяют измерять их пину, групповое время задержки, расстояние до локальных зоднородностей, в том числе расстояние до сростков, оптических /фт и разъемов. Кроме того ОР используют для измерения возвратных этерь, коэффициентов затухания в ВС, ОК и на отдельных участках Г, потери в разъемных и неразъемных соединениях ВС. С помощью ОР эжно проводить паспортизацию кабельных участков, необходимую для зогнозирования отказов волоконно- оптических линий связи (ВОЛС) и зоевременного проведения профилактических и ремонтных работ. ОР зляются сложными и дорогими приборами, использующими последние 5стижения в оптике, электронике и компьютерной технике. К их ;хническим характеристикам по мере развития ВОЛС предъявляются :е более высокие требования.

Значительный вклад в теорию метода обратного рассеяния внесли |дающиеся иностранные ученые М.Бар,носки, С.Персоник, Д.Щикетанц и »угие, а также российские исследователи В.В.Григорьянц, К.Чаморовский. Разработке и иследованию ОР посвятили свою ¡ятельность известные иностранные ученые М.Гольд, А.Хартог, Ньютон и представители нашей научной школы С.М.Верник, М.Кузнецов, В.Б.Рудницкий, А.А.Мариенков и многие другие. Новые ,еи в метрологическое обеспечение этой области измерения внесли ,ши ученые метрологи А.Ф.Котюк, С.В.Тихомиров, В.Е.Кравцов.

В Российской Федерации в настоящее время существует большой рк ОР в основном зарубежного производства. Несмотря на отдельные зработки ОР в отечественных организациях НПО "Дальняя связь", нтральный НИИ связи, С-Пб ГУТ и других серийное производство ОР

до сих пор не налажено и сохраняется зависимость наших предприятий связи от заграничных фирм. В то же время потребность нашей странь в ОР очень велика из-за огромной протяженности наших магистралей связи, на которых все шире внедряются ВОЛС, которые невозможно строить и эксплуатировать без ОР. Причем существует потребность, как в дорогих и универсальных ОР, так и простых, полевых, экономичных и дешевых ОР. Поэтому задача разработки и серийного выпуска отечественных ОР с параметрами на уровне лучших зарубежных образцов является важной и актуальной. Решение этой задачи под силу только большим коллективам опытных специалистов. Причем разработке должна предшествовать научно- техническая

систематизация и анализ разрозненных сведений по оптической рефлектометрии из различных источников. Эта работа необходима, т.к. фирмы- изготовители ОР, широко рекламируя свою продукцию, не сообщают об используемых технических решениях, алгоритмах измерения, структурных и принципиальных схемах ОР.

Цель работы. Целью данной работы является создание адекватных математических моделей сигналов ОР от произвольных ВТ для различных зондирующих сигналов, обобщение и анализ информации о структурных схемах и алгоритмах измерения ОР, теоретическая и экспериментальная проверка новых структурных и алгоритмических способов оптимизации параметров ОР.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Систематизация сведений и анализ схем и конструкций существующих ОР, их классификация. Анализ методических особенностей рефлектометрических измерений.

2. Разработка математических моделей сигналов ОР неоднородного ВТ, состоящего из любого числа отдельных ВС, с учетом их затухания и дисперсии, потерь в разъемных и неразъемных соединениях, с учетом шумовых характеристик фотоприемного устройства (ФПУ), а

акже линейных и нелинейных искажений сигнала в ФПУ для ОР с ростым и сложным зондирующими сигналами.

3. Разработка и исследование методов и устройств для птимизации процесса накопления сигнала в ОР с простым зондирующим игналом с последовательным и параллельным накоплением сигнала ОР.

4. Сравнительное исследование свойств сложных зондирующих игналов. Разработка и исследование методов и устройств для птимальной генерации пачек псевдослучайной последовательности ПСП) и накопления сигнала в ОР со сложным зондирующим сигналом.

5. Экспериментальное исследование отдельных технических ешений, направленных на повышение качественных показателей ОР, а акже комплексная проверка теоретических положений диссертации утем разработки и исследования макета ОР с использованием ондирующей ПСП.

Научная..новизна. Впервые предложены, разработаны и исследованы птимальные методы генерации сложных зондирующих сигналов в виде 1ачек ПСП и оптимизированные методы накопления сигнала ОР при ростом и сложном зондирующих сигналах. Предложен новый метод 1сключения боковых пиков в автокорреляционной функции усеченных СП максимальной длины.

Предложены и разработаны математические модели, сигнала ОР от еоднородных ВТ с произвольным количеством участков с учетом всех ,идов потерь и дисперсий, а также с учетом шумов, линейных и елинейных искажекний ФПУ при простом и сложном зондирующих игналах.

Разработан и исследован макет ОР с зондирующей ПСП.

Практическая значимость и,реализация .результатов работы.

1. Предложенные и исследованные технические решения, аправленные на оптимизацию алгоритмов генерации зондирующих игналов и алгоритмов накопления сигнала ОР, могут быть спользованы при разработке широкого класса ОР. Некоторые решения

уже использованы при разработке и изготовлении специализированного ОР'.

2. Разработанные математические модели сигнала ОР на выходе ФП! могут использоваться при разработке ОР. Они также позволил! создать ряд обучающих программ (компьютерных лабораторных работ] по изучению метода обратного рассеяния и методик измерени? различных параметров ВТ, позволяющих получить практические навык!-в работе с современным ОР. Программы внедрены в учебные курсы СП£ ГУТ: Линии связи, Оптические кабели связи, Измерения в ВОСП, а также на факультетах повышения квалификации специалистов отраслей "связь" и "энергетика" и центре обучения "Электросвязь".

Основные положения., выносимые на защиту

1. Разработанные математические модели сигнала ОР для неоднородных волоконных трактов с учетом всех видов потерь, дисперсии и реальных параметров ФПУ для простых и сложных зондирующих сигналов.

2. Новые методы оптимальной регистрации сигналов в ОР с простым зондирующим сигналом с последовательным и параллельным накоплением.

3. Новый тип сложного зондирующего сигнала на основе усеченных ПСП максимальной длины. Оптимальные алгоритмы генерации пачек ПСП и накопления сигнала ОР.

4. Новые технические решения и устройства, обеспечивающие повышение качественных показателей оптических рефлектометров с простым и сложным зондирующим сигналами.

5. Результаты исследований отдельных технических решений, а также разработанного и изготовленного макета ОР со сложным зондирующим сигналами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

1. Международной конференции посвященной 100- лети» изобретения эадио "Современные технологии обучения", г.Санкт-Петербург, 1995 г .2. 5 Российской научно- методической конференции "Пути и методы ;овершенствования учебного процесса", г.Самара, 1996 г.

3. 49 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. 5<энч- Бруевича, г.Санкт-Петербург, 1996 г.

4. 4 научно- методической конференции вузов и факультетов :вязи, г.Геленджик, 1996 г.

5. Региональной конференции "Современные технологии обучения", -.Санкт- Петербург, 1996 г.

6. 50 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. 5онч- Бруевича, г.Санкт-Петербург, 1997 г.

7. Международной конференции "Современные технологии обучения", •.Санкт-Петербург, 1997 г.

5ХРУКХУ£а_рав.РХЬ!^ Диссертационная работа состоит из введения, тяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 245 стр., в том числе 164 стр. машинописного текста, 77 рис. на 68 :тр. и 28 табл. Список литературы содержит 149 наименований на 13 :тр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во_введе^и_и обоснована актуальность работы, сформулированы: 1ель работы, основные направления проводимых исследований, научная ювизна и практическая ценность, представлены положения, выносимые ла защиту.

В_Ш£вр.0_гла.во диссертации кратко изложены принципы оптической юкации и рефлактометрии во временной области на основе известных 13 литературы соотношений для сигнала ОР. Приведены параметры ;овременных ЛФД, применяемых в ОР, а также параметры кварцевых ■жого- и одномодовых 8С в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т 'й-651— 6-654). Эти параметры в дальнейшем использовались в работе зля математического моделирования сигнала ОР.

По многочисленным журнальным публикациям предложена подробна! классификация существующих ОР. Проведен сравнительный анали: структурных схем ОР с различными способами формирования шкаль расстояния (времени), оценены инструментальные погрешнос™ определения расстояния. Рассмотрены структурные схемы ОР с различными способами накопления сигнала ОР, которые использукл интегрирование (накопление) или усреднение с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ). Наиболее важным выводом из проведенногс анализа является вывод о целесообразности использования для накопления сигнала ОР в полевых ОР накопителей типа ФНЧ. При накоплении сигнала ОР интегратором или цифровым накопителен (сумматором) принципиально важно перед измерением обнулять накопитель сигналом "конец измерения". Если накопитель типа ФН<* также обнулять перед началом измерения, то интегратор имеет существенное преимущество перед ФНЧ. Однако обнуление ФНЧ перед измерениями не является принципиально необходимым и в случае регистрации медленно изменяющегося сигнала, когда значения сигнала в соседних точках сильно коррелирован«, можно либо уменьшить время регистрации в точке, т.к. динамическая погрешность несущественна, либо увеличить постоянную времени- ФНЧ, уменьшив уровень шума, сохраняя допустимый уровень динамической погрешности.

В работе получены выражения для оптимальной постоянной времени ФНЧ (Т ), обеспечивающей требуемое отношение сигнала к шуму

f ОР

(ЭИ ) в данной точке рефлектограммы, а также для необходимого

1 г

времени накопления (Т ), исходя из допустимой динамической

п к

погрешности с!У регистрации сигнала ОР на однородном участке

С1

рефлектограммы.

X = Ь (вЫ /ЗЫ )2ехр(4о 1 1/М) /2 , (1)

f о р 1 п> х.г о т

а V ь

в на

Т = Т 1п [1+ -] , (2)

пк 1 2 ау

а

где а - коэффициент затухания ВС, 1 , И - максимальное

т

расстояние и общее число точек по шкале ОР, 1 - номер регистрируемой точки, V -групповая скорость в ВС, Ъ -

д ¡1

длительность зондирующего импульса, ЭН - отношение сигнала

о

рэлеевского рассеяния от начала ВС к шуму.

Показано, что при выбранном таким образом времени накопления сигнала ОР динамическая погрешность регистрации скачка

(5 f

сигнала ОР ДУ^ без учета возможного насыщения ФПУ может быть значительной

=-£--

6 ' ехр(Т /% )-1

пк f

Из выражений (1-3) следует принципиальная возможность минимизации суммарного времени регистрации рефлектограммы путем управления постоянной времени ФНЧ и временем накопления сигнала ОР в одной точке. Оптимальные алгоритмы накопления и устройства для их реалйзации рассмотрены в 3 главе.

В большинстве ОР используется в качестве зондирующего сигнала периодическая последовательность коротких импульсов с мощностью о(Ъ). Для таких ОР напряжение и(Ъ) на выходе ФПУ определяется ;верткой

и(Ъ) = ри)*1ЧС)*зи) , (4)

где f(t') - импульсная реакция ВТ (зависимость сигнала ОР от

5ремени для оптического 5-импульса;

з(Ъ) - импульсная реакция ФПУ.

Свертка р(Ъ)*э(1;) представляет собой аппаратную функцию ОР. Она

эпределяет пространственное разрешение ОР.

Для уменьшения времени измерения и увеличения динамического

»иапазона ОР необходимо увеличивать энергию зондирующего сигнала

5 1 . При ограниченной максимальной мощности Р и простом Оа ¡к От

юндирующем сигнале увеличить его энергию можно, только увеличивая

)лительность зондирующего импульса Ь , что приводит к ухудшению

1 т

фостранственного разрешения.

Увеличить энергию зондирующего сигнала при сохранении высокого пространственного разрешения можно, используя сложные, шумоподобные импульсные псевдослучайные последовательности (ПСП). В ОР находит применение амплитудная модуляция мощности оптического излучения по псевдослучайному закону. Зондирующий сигнал представляет собой ПСП оптических импульсов . Для получения

зависимости сигнала ОР от времени или расстояния используют корреляционную обработку СОР в соответствии с выражением

и (Ю = и(Ъ)*ри) = [р(1:)*р<1;);|*т)*5(1;) . (5)

к

Для обеспечения высокого пространственного разрешения необходимо, чтобы автокорреляционная функция (АКФ) р(1;)*р(Ъ) зондирующего сигнала имела бы один узкий максимум. Аппаратная функция ОР, определяющая его пространственное разрешение, имеет

ВИД СР(1:)*Р(Ъ)]*5(Ъ).

В диссертации рассмотрены преимущества и недостатки использования в ОР сложных шумоподобных зондирующих сигналов. Показано, что для реализации их преимуществ требуется разработка оптимальных алгоритмов генерации сложных сигналов и накопления сигнала ОР.

Проведен теоретический анализ некоторых, наиболее важных, методических погрешностей рефлектометрических измерений. Показано, как возникает и как зависит от величины скачка сигнала ОР случайная погрешность определения расстояния до него. Рассмотрены вопросы паспортизации кабельного участка, позволяющей при обрыве 0К уточнить расстояние до него от ближайшей муфты без ее вскрытия. Определен минимальный необходимый для этого перечень паспортных данных, выявлены и теоретически исследованы методические случайная и систематическая погрешности регистрации сигнала ОР, возникающие при логарифмическом преобразовании смеси сигнала и аддитивного шума.

Во_второй главе предложена математическая . модель оптического

сигнала ОР в ВТ, состоящем из отдельных отрезков ВС с учетом дисперсии и затухания, а также потерь и отражений в стыках ВС. Получены выражения для оптической мощности на входе фотоприемного устройства (ФПУ), обусловленной 1 участком ВТ длиной 1 , который в свою очередь разделен на две области Л = О и 1. Дисперсия учитывается изменением длительности импульса Ъ , отраженного от

1 т 1

начала 1 участка. Проведен учет затуханий во всех разъемных и

неразъемных соединениях а , которые расположены между началом ВТ

эЪт

и началом 1 участка, т.е. для га < 1 , а также проведен учет суммы затуханий всех предшествующих участков.

подучасток Л = О, при Ь < Ь < Ь + t

1-1 1-1 ¡»(¡-1 )

р = р I* + р -+ р (1- г———) ;

10 Г с 1 -1'} 1-1 зт 1 . 1(1-1) 1;.

с и(»-1)

¡«(¡-1)

подучасток л = 1, при Ъ + Ь < t < t

1-1 »14(1-1 ) 1

р = р ехр[-а. V -г. . )] , (6)

11 эли1 1 д 1 1-11т(1-1;

1-2 1-1 где Р =Рл ехр(-а )ехр[-Г(2^ ЛехрГ-ТГа V (Ь-Ь )]] ;

7(1-1} От п ^ и эгш } | т дт т т-1

т»0 т»1

1-1 1-1

Р =Р ехр[-У(2а )]ехр[-уГо V (Ь -Ъ )]],

зт1 эт 1 1а эЪт I ^ т зт т т-1

т я О 1

Р =0.5 Р а <3 ехр(-а ) [1 - ехр(-а V Ь ) ] / а ,

зт От з п д1т

т О

) этом выражении 1:0; );Г( )= О

о т Ц \ дI .и

1=1 1=1

В диссертации разработана, теоретически и экспериментально

1сследована структурная и принципиальная схемы ФПУ на основе

>азового операционного усилителя, выполненного на СВЧ

ранзисторах. Все технические решения принимались с учетом

специфических требований, предъявляемых к ФПУ для ОР: малый уровень собственных шумов, высокая чувствительность для регистрации слабых сигналов ОР, оптимальная полоса пропускания для ограничения линейных искажений при регистрации скачков сигнала ОР, а также высокая перегрузочная способность и малое время выхода ФПУ из насыщения для уменьшения ширины мертвой зоны и улучшения разрешающей способности ОР. Математическое моделирование ФПУ проводилось на уровне принципиальных схем с помощью программы МгсгоСар-2. Результаты моделирования подтверждены

экспериментальными исследованиями.

На основе модели оптического сигнала ОР (6) и результатов исследования ФПУ была разработана математическая модель сигнала ОР на выходе реального ФПУ, учитывающая шумы и линейные искажения оптического сигнала ОР в ФПУ с учетом его насыщения. В автореферате полученные выражения не приводятся из-за их громоздкости. Рассмотрены основные источники шумов ФПУ, определены их вклады в результирующий шум. Показано, что для конкретных параметров ФПУ и длительности зондирующего импульса существуют оптимальные параметры ФПУ (сопротивление нагрузки УФТ, полоса пропускания и коэффициент передачи УН), конкретные значения которых определены в диссертации.

С использованием предложенной математической модели сигнала ОР разработаны компьютерные 'программы трех лабораторных работ по •изучению процессов распространения, рассеяния и отражения света в неоднородных ВТ, которые используются в лабораторном Практикуме студентами ГУТ, для подготовки и переподготовки специалистов отрасли "Связь" на ФППК, в центре "Элетросвязь", а также на ФПК-работников энергетической промышленности.

Третья глава посвящена исследованию возможности улучшения качественных показателей ОР с простым зондирующим сигналом. Предложены! методы оптимизации процедуры последовательного накопления сигнала ОР. В качестве критериев оптимизации

использованы: случайная, обусловленная шумами ФПУ, и динамическая погрешности регистрации сигнала ОР, а также общее время регистрации однородного участка рефлектограммы или участка, содержащего скачок сигнала ОР.

Проведен анализ метода оптимизации, основанный на сохранении постоянной случайной погрешности измерения сигнала ОР в различных точках рефлектограммы. Уменьшение суммарного времени регистрации рефлектограммы обеспечивается меньшим временем измерения в точках с большим уровнем сигнала ОР, т.е. в начале рефлектограммы. Проведено сравнение методов параллельного, последовательного и оптимального последовательного накопления сигнала ОР. 8 качестве критерия сравнения использовалось общее время регистрации фрагмента рефлектограммы. Было доказано, что выигрыш от оптимизации по сравнению с обычным последовательным накоплением возрастает при увеличении числа точек на рефлектограмме и с увеличением затухания между соседними точками. Проигрыш оптимального последовательного накопления по сравнению с параллельным растет с увеличением числа точек на рефлектограмме и уменьшением затухания между соседними точками. Предложен и проанализирован алгоритм последовательного цифрового накопления, минимизирующий общее время измерения участка рефлектограммы без увеличения максимальной погрешности.

В работе теоретически и экспериментально исследована схема

накопителя сигнала ОР типа ФНЧ на основе стробоскопического

преобразователя (СП). Были получены реккурентные формулы для

расчета переходной характеристики и уровня шума на выходе СП.

Эквивалентная постоянная времени этого стробпреобразователя (СП)

возрастает с увеличением среднеквадратического значения (СКЗ) шума

ФПУ Э . п

К Э

г = _!£_» (1Г/2)0-5 , (7)

т с(и Г

где К -коэффициент передачи СП, с!и - приращение выходного

зр

напряжения СП за один период измерения, Р - частота зондирования.

Т.о. СП изменяет свой основной параметр % , адаптируясь к

f

уровню шумов на его входе. При постоянном СКЗ шума такой СП не может использоваться в качестве оптимального накопителя.

В диссертации предложен принцип построения и схема оптимизированного СП (ОСП), у которого эквивалентная постоянная времени обратно пропорциональна отношению сигнала к шуму (С/Ш) на входе ОСП.

2 К Т

тт= -- (я/г)0;5 (в)

эй ехр(4а 1 1/М)

О (п

где 1 - постоянная времени интегратора ОСП.

Это позволяет оптимизировать процесс накопления в соответствии с (1). При скачкообразном увеличении сигнала ОР процесс нарастания сигнала в ОСП идет быстрее чем в СП. При постоянном уровне шума с уменьшейием сигнала ОР С/Ш в ОСП уменьшается значительно медленнее чем в СП.

Однако ОСП обладает качествами оптимального накопителя только в том случае, когда время накопления определяется величиной эквивалентной постоянной времени, определенной в соответствии с (2). В работе предложена и проанализирована функциональная схема ОСП с формирователем временных интервалов измерения в каждой точке рефлектограммы. Временной интервал формируется подачей выходного напряжения ОСП на вход интегратора, который обнуляется перед началом измерения. Его напряжение возрастает со скоростью, пропорциональной выходному напряжению ОСП. Измерение в точке заканчивается после того, как напряжение интегратора станет равным пороговому значению. Такая схема формирования временных интервалов обеспечивает малую динамическую и случайную погрешности регистрации однородных участков ВТ.

Однако при регистрации скачков сигнала ОР может возникать значительная динамическая погрешность. Для ее уменьшения до допустимой величины также предложены и проанализированы алгоритм и

функциональная схема модифицированного устройства формирования временных интервалов, которое останавливает процесс

интегрирования, когда скорость изменения сигнала ОР превышает допустимую величину. Было проведено математическое моделирование процессов накопления сигнала ОР в СП и ОСП с двумя вариантами устройств для формирования временных интервалов измерения. Показано, что использование модифицированного устройства формирования временных интервалов практически исключает погрешность регистрации скачков сигнала ОР при незначительном увеличении общего времени измерения.

В диссертации также показано, что предложенные методы регистрации сигнала ОР могут быть реализованы с помощью цифровых устройств. Также предложены и исследованы структурные схемы простых параллельных цифровых накопителей, реализующих рассмотренные выше принципы оптимизации процесса накопления сигнала ОР.

В четвертой главе рассмотрены требования к сложным зондирующим сигналам. Были разработаны программы генерации и расчета АКФ усеченных М - ПСП и комплементарных ПСП Голея. Было показано, что АКФ периодической М- ПСП и сумма АКФ двух ПСП Голея имеют форму идеальных АКФ.

Показано, что использование для зондирования периодических М-ПСП невозможно из-за очень большого френелевского сигнала, отраженного от переднего торца ВС, который вводит ФПУ в глубокое насыщение и регистрация сигнала ОР становится невозможной. Практически для зондирования должны использоваться кодовые пачки, длительность которых должна быть меньше интервала времени, соответствующего расстоянию до регистрируемых точек. В работе проведено исследование возможности использования усеченных М- ПСП для зондирования ВТ. Впервые показано, что сумма АКФ усеченных М-ПСП со всеми возможными начальными фазами соответствует идеальной АКФ. Для реализации этого алгоритма измерения требуется передача

п+1 пачек, где п- число элементов в пачке.

Наиболее общим способом зондирования ВТ является использование

пачек из п случайных посылок, например вырезанных из периодической

М- ПСП с большой базой N. значительно превышающей число элементов

в зондирующей пачке п. Такую пачку будем в дальнейшем считать

случайной и характеризовать вероятностью р^ появления 1, которая

очень близка к 0.5 . При регистрации сигнала 0Р от 1 точки

рефлектограммы каждый период измерения включает интервалы передачи

и приема из п тактов, которые сдвинуты во времени на 1 тактов и

паузу между окончанием приема и началом передачи.

В работе получены выражения для напряжения сигнала 0Р и на

л

выходе ФПУ в л такте приема с учетом мгновенных значений

напряжения шума и на выходе ФПУ и с использованием

п л

псевдослучайной величины р , а также для накопленного за один измерительный период значения сигнала 0Р и

П 1

л

и. = Г ( Р. и ) + и . , (9)

а ,£| , *.] - к эк па

к= л -п+ 1

и = = Г (2 .-1) Г (Р и ) + Г и . , (10)

Гц и и эк и

к .а* - п +1

где Р - псевдослучайная величина (ПСВ), принимающая

^а-к+1

значение 1, если в такте передачи с номером ¿-к была посылка, и 0, если посылки не было; и - напряжение сигнала 0Р, поступающее на

э к

накопитель от к участка ВТ при одиночном импульсе.

Последнее выражение представляет собой также алгоритм накопления сигнала 0Р. Для пачек, вырезанных из периодической М-ПСП с большой базой, получены выражения также для математического ожидания и дисперсии накопленного за один измерительный период

сигнала ОР без учета насыщения ФПУ.

М(и ) = и п/2 , (11)

П 1 91

1 + п-1 Л 1 + п-1

оси ) =рх (1-Р1 ) I (12)

к = Л - п + 1

Математическое ожидание сигнала ОР при использовании сложного зондирующего сигнала возрастает пропорционально числу элементов в пачке п. Дисперсия накопленного сигнала состоит из двух составляющих: шумов ФПУ и шума, обусловленного псевдослучайным характером зондирующей ПСП и наличием псевдослучайных боковых лепестков. Последняя составляющая шума уменьшается в '5 раз после т зондирований ВТ случайными пачками из п элементов. Эта составляющая может быть полностью исключена при использовании ПСП Го'лея или при использовании усечеченных М- ПСП с полным перебором начальных фаз.

В диссертации проведен анализ отношения сигнала к шуму (С/Ш) при зондировании однородного ВС случайными пачками с различной относительной длительностью. Был проведен расчет выигрыша во времени измерения от использования, сложного зондирующего сигнала с относительной длительностью пачки К = п / 1 от 1/1, при одном импульсе в пачке, до 1, когда п=1. Доказано, что выигрыш растет с увеличением расстояния до регистрируемой точки рефлектограммы. Причем существует оптимальная длительность пачки, которая зависит от расстояния до регистрируемой точки.

Наличие френелевских отражений, сигнал от которых попадает в интервал приема сигнала ОР, может приводить к серьезным проблемам из-за насыщения ФПУ и к резкому уменьшению эффективности использования пачек ПСП. Идеальность АКФ ПСП Голея и усеченных М-ПСП с перебором начальных фаз нарушается и возникает значительная систематическая погрешность регистрации сигнала ОР. Использование случайных пачек ПСП также приводит к погрешности регистрации сигнала ОР, которая однако имеет случайный характер и уменьшается

при многократных повторениях зондирующих пачек. Для исключения указанных погрешностей необходимо либо исключить насыщение ФПУ, либо управлять длительностью пачки. Первое выполнить чрезвычайно трудно. Второй метод представляется более перспективным, особенно для случайных пачек.

В работе предложен способ управления длительностью случайной зондирующей пачки, исключающий френелевские отражения в интервале приема сигнала ОР. При приближении регистрируемой точки к точке с френелевским отражением число элементов в пачке автоматически уменьшается на 1 элемент при переходе к следующей точке рефлектограммы. Анализ показывает, что при приближении к френелевским сигналам в этом случае выигрыш от использования пачек ПСП хотя и уменьшается, но значительно медленнее чем при постоянной длительности пачки.

Пятая,глава посвящена описанию макета ОР, который использовался для экспериментальной проверки основных теоретических положений диссертации, в частности, предложенных способов генерации оптимальных сложных зондирующих сигналов, алгоритмов накопления сигнала ОР и конкретных техническ-их схемных решений. Макет ОР содержит устройство управления (УУ), оптикоэлектронный блок (ОЭБ), блок обработки и накопления сигнала ОР. УУ содержит задающий генератор, 2 генератора ПСП, последовательный автомат и формирователь шкалы расстояний и длительности зондирующих пачек (временных интервалов). Последовательный автомат формирует управляющие команды У на основе анализа своего текущего состояния, которое записано в регистре состояний, и поступающих сигналов X от формирователя шкалы расстояний и временных интервалов.

Для накопления сигнала ОР используется накопитель на основе двух СП, один из которых обеспечивает накопление сигнала ОР в тех тактах, в которых задержанная ПСП принимает значение 1, а второй обеспечивает измерение сигнала ОР в тех тактах, в которых

задержанная ПСП принимает значение О. Результирующий разностный накопленный сигнал образуется на выходе дифференциального усилителя. Для увеличения динамического диапазона СП, который перегружается постоянной составляющей сигнала ОР, она подавляется на входах компараторов с помощью ФНЧ суммирующего выходные сигналы обоих СП. Выходной сигнал СП логарифмируется и измеряется стрелочным прибором.

Для исследования алгоритмов и схем накопления и обработки сигнала ОР с простыми и сложными зондирующими сигналами была предложена и реализована схема имитатора сигнала ОР. Основой схемы, имитирующей сигнал рэлеевского рассеяния является ФНЧ, выполненный на операционном усилителе, на вход которого подается зондирующий сигнал. Постоянная времени ФНЧ определяет коэффициент затухания имитируемого ВС. Для формирования френелевских отражений зондирующий сигнал подается также на регистр сдвига, который обеспечивает задержку сигнала, т.е. имитирует расстояние до отражающей неоднородности. Для имитации шумов ФПУ в схему имитатора введен генератор шума.

Исследования макета ОР с помощью имитатора сигнала ОР и на реальных ВС подтвердили возможность оптимизации зондирующего сигнала, правильность теоретических положений и предлагаемых технических решений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены и разработаны математические модели сигналов ОР неоднородного ВТ на входе и выходе ФПУ для ОР с простым импульсным и сложным зондирующим сигналом, представляющим собой пачки ПСП. Модели описывают сигнал ОР от произвольного количества ВС с различными затуханием и дисперсией (межмодовой и хроматической), которые стыкуются друг с другом с помощью разъемных или неразъемных соединений, в общем случае вызывающих френелевские отражения и вносящих потери. Модели учитывают также шумовые характеристики, линейные и нелинейные искажения сигнала в ФПУ.

2. Предложены критерии и принципы оптимизации процесса последовательного накопления сигнала СЭР с целью уменьшения общего времени регистрации участка рефлектограммы и ограничения максимальной погрешности измерения сигнала ОР в ОР с простым зондирующим сигналом. Доказана эффективность использования усредняющих накопителей типа ФНЧ по сравнению с интегрирующими для регистрации медленно изменяющегося сигнала ОР. Получены основополагающие для оптимизации выражения, связывающие постоянную времени накопителя со случайной погрешностью измерения сигнала ОР, время измерения в точке рефлектограммы с постоянной времени накопителя, динамической погрешностью измерения сигнала ОР и величиной изменения сигнала ОР между соседними точками.

3. Разработаны, теоретически и экспериментально исследованы основные технические решения, обеспечивающие оптимизацию процесса последовательного накопления сигнала ОР: два типа усредняющих накопителей и два типа адаптивных устройств формирования интервалов измерения сигнала ОР.

4. Предложены принципы построения и технические решения для устройств цифрового накопления, реализующих ранее рассмотренные оптимальные алгоритмы регистрации сигнала ОР. Кроме того предложены и исследованы структурные схемы простых параллельных цифровых накопителей, сочетающих преимущества оптимального аналогового и цифрового накопления.

5. Проведен сравнительный анализ сложных зондирующих сигналов для ОР. Впервые доказано, что сумма АКФ усечённых М-последовательностей с полным перебором начальных фаз не имеет боковых лепестков и обладает свойствами идеального зондирующего сигнала.

6. Разработаны и исследованы алгоритмы генерации различных сложных зондирующих сигналов и алгоритмы накопления сигнала ОР, вызванного этими сигналами. Получены выражения для мгновенных значений, математического ожидания и дисперсии сигнала ОР при использовании случайных зондирующих пачек.

7. Доказано, что для однородных ВС существует оптимальная длительность случайной зондирующей пачки ПСП, обеспечивающая наибольший выигрыш от использованиям сложных сигналов. Сам выигрыш сильно зависит от расстояния до регистрируемой точки. Оптимальные длительности зондирующих пачек определены для основных типов ОР. Показано, что наличие вблизи регистрируемой точки френелевских отражений часто приводит к насыщению ФПУ, резкому увеличению случайной погрешности измерения сигнала ОР при использовании случайных пачек и появлению значительной систематической погрешности измерения сигнала ОР при использовании зондирующих сигналов даже с идеальными АКФ.

8. Разработан, теоретически и экспериментально исследован адаптивный генератор случайных зондирующих пачек ПСП с оптимальной длительность» при регистрации однородных участков ВТ. Предложен алгоритм изменения длительности случайной пачки, ■ обеспечивающий исключение погрешности, обусловленной френелевскими отражениями от точек ВТ, находящихся в непосредственной близости от регистрируемой точки.

9. Для экспериментальной проверки правильности и эффективности основных технических решений были разработаны, изготовлены и исследованы: макеты: аналогового и цифрового стробоскопических накопителей, оптимизированного стробоскопического накопителя, адаптивного устройства формирования временных интервалов, ФПУ, генератора квазислучайных пачек ПСП с управляемой длительностью, имитатор сигнала ОР, а также, для комплексной проверки, макет ОР со сложным зондирующим сигналом.

Основные, материалы диссертации были опубликованы в следующих работах:

1. Глаголев С.Ф., Кочановский Л.Н., Хрычев В.Е. Компьютеризация лабораторных работ по специальным дисциплинам.-//Тез. докл. Международной конференции посвященной 100- лети» изобретения радио "Современные технологии обучения", г.Санкт-Петербург, 1995 г

2. Глаголев С.Ф. , Кочановский Л.Н. , Хрычев В.Е. Моделирование на компьютере процессов передачи информации по оптическим кабелям связи.-//Тез. докл. 5 Российской научно- методической конференции "Пути и методы совершенствования учебного процесса", г.Самара, 1996 г.

3. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Рудницкий В.Б., Хрычев В.Е. Оптимальный алгоритм генерации и обработки шумоподобных сигналов в оптической рефлектометрии .- //Тез.докл. 49 научно-технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- Бруевича, г.Санкт-Петербург, 1996 г.

4. Глаголев С.Ф., Кузнецов A.M., Рудницкий В.Б., Хрычев В.Е. Методы повышения точности измерения расстояния до места повреждения волоконных световодов //Тез.докл. 49 научно-технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- Бруевича, г.Санкт-Петербург, 1996 г.

5. Глаголева М.С., Глаголев С.Ф., Кочановский Л.Н., Рудницкий В.Б., Хрычев В.Е. Математическое моделирование процессов распространения оптических импульсов по волоконным световодам //Тез.докл. 49 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф! М.А. Бонч- Бруевича, г.Санкт-Петербург, 1996 г.

6. Васильева Т.е., Глаголев С.Ф., Кочановский Л.Н., Хрычев В.Е. Компьютерное моделирование лабораторной установки для измерения потерь в разъемных и неразъемных соединениях оптических волокон.-//Тез.докл. 49 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- Бруевича, г.Санкт-Петербург, 1996 г.

7. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Рудницкий В.Б., Хрычев В.Е. Оптический рефлектометр со сложным зондирующим сигналом.-// Тез.докл. 49 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- Бруевича, г.Санкт- Петербург, 1996 г.

8. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Рудницкий 8.Б., Хрычев В.Е. Оптимизация режима накопления сигнала обратного рассеяния в оптическом рефлектометре.-// Тез.докл. 49 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- Бруевича, г.Санкт-

Петербург, 1996 г.

}

9. Глаголев С.Ф., Рудницкий В.Б., Хрычее В.Е. Фотоприемно<-устройство оптического рефлектометра.- Тез.докл. 49 научно-технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- Бруевича. г.Санкт- Петербург, 1996 г.

10. Глаголев С.Ф., Кузнецов A.M., Рудницкий В.Б., Хрычев В.Е. Измерение локальных скачков затухания в волоконных световодам методом обратного рассеяния .- Тез.докл. 49 научно- технической конференции СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч- бруевича, г.Санкт-Петербург, 1996 г.

11. Глаголев С.Ф., Кочановский Л.Н., Хрычев В.Е. Компьютеризация лабораторных работ по курсу "Оптические кабели связи".-//Тез.докл. 4 научно- методической конференции вузов ^ факультетов связи, г.Геленджик, 1996 г.

12. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Рудницкий В.Б., ХрычеЕ В.Е. Анализ работы стробоскопического преобразователя с усреднением сигнала // Анализ сигналов и систем связи: Сб. научн. Тр. учебн. завед, связи/ СПб ГУТ.-СПб, N 161, 1996.- е.36-39.

13. Глаголев С.Ф., Кузнецов A.M., Хрычев В.Е. Особенности определения вносимого затухания в коротких многомодовых волоконных ветоводах // Анализ сигналов и систем связи: Сб. научн. тр. учебн. завед. связи/ СПб ГУТ.-СПб, N161, 1996.- с.70-74.

14. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Рудницкий В.Б., Хрычев В.Е. Оптимальный алгоритм генерации и обработки шумоподобных сигналов в оптической рефлектометрии // Обработка сигналов в системах связи : Сб. научн. тр. учебн. завед. связи/ СПб ГУТ.-СПб, N162, 1996.- С.79-86.

15. Глаголев С.Ф., Глаголева М.С., Кочановский Л.Н., Хрычев В.Е. Компьютерная лабораторная работа по исследованию процессов распространения оптических импульсов по волоконным световодам.-//Тез. докл. Региональной конференции "Современные технологии обучения", г. Санкт- Петербург, 1996 г.

16. Глаголев С.Ф., Васильева Т.е., Кочановский Л.Н., Хрычев ).Е. Моделирование на компьютере процесса измерения потерь в >азъемных и неразъемных соединениях оптических кабелей :вязи.-//Тез. докл. Международной конференции "Современные ехнологии обучения", г.Санкт-Петербург, 1997 г.

17. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Рудницкий В.Б., Хрычев !.Е: Оптимизация режима накопления сигнала обратного рассеяния. '/Сборник научных трудов вузов связи.- СПб ГУТ, N 163, СПб.