автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование рефлектометрических методов контроля волоконно-оптических направляющих систем связи в процессе их строительства и эксплуатации

На правах рукописи

СЕМИН Алексей Витальевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ СВЯЗИ В ПРОЦЕССЕ ИХ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича на кафедре линий связи.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Глаголев Сергей Федорович

Официальные оппоненты: - д. физ.-мат. н., проф. В.И. Дудкин

- к.т.н., А.Г. Свинцов

Ведущая организация: ФГУП Центральный НИИ связи

Защита диссертации состоится «01» июля 2004 г. в 14.00 на заседании диссертационного Совета К.219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан С?/» (1^ыЛЛ004

г.

Ученый секретарь диссертации кандидат технических наук,

.X. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время оптическая рефлектометрия с простым зондирующим сигналом подошла вплотную к своим предельным возможностям. В то же время протяженность оптических магистралей и длины регенерационных участков продолжают расти. Требования к точности локации неоднородностей линейного волоконно-оптического тракта также постоянно возрастают. Известно, что применение сложных зондирующих сигналов позволяет достичь более выгодного соотношения между динамическим диапазоном и разрешающей способностью оптического рефлектометра. Однако при практической реализации оптического рефлектометра с таким сигналом возникает много проблем. Анализ этих проблем и их решение являются актуальными и необходимыми для развития оптической рефлектометрии во временной области.

Предмет исследования. Исследуются рефлектометрические способы измерения параметров волоконно-оптических направляющих систем связи во временной области.

Цель и задачи исследований. Разработка и исследование новых способов измерения параметров волоконно-оптических направляющих систем связи. Достижение этой цели позволит создать оптические рефлектометры с наивысшими техническими характеристиками и обеспечить надежный контроль за состоянием систем связи в процессе их строительства и эксплуатации.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались методы теории вероятности, математической статистики и цифровой обработки сигналов.

Научная новизна. Теоретическое исследование впервые предложенных способов формирования сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния позволило обосновать возможность их применения для контроля параметров направляющих систем связи. На основе теоретического исследования предложены оптимальные наборы сложных зондирующих сигналов, сформулированы условия измерения сигналов обратного рассеяния с высокой точностью и условия неискаженной регистрации рефлектограмм оптических трактов. Исследования выявленных источников погрешности позволило разработать методики их компенсации и исключения для обеспечения минимальных искажений при регистрации рефлектограмм.

Практическая ценность. Проведен анализ схем и конструкций рефлектометров и методических особенностей рефлектометрических измерений. На основании теоретических исследований разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра. Сформулированы рекомендации по конкретной реализации оптического рефлектометра и способам повышения точности регистрации рефлектограмм существующими рефлектометрами.

Реализация и внедрение результатов—исследований. Результаты теоретических исследований и математичс (будут

С.П»терв)г»г ОЭ 530

шй

использованы разработчиками оптических рефлектометров в следующих организациях:

-Институт информационных технологий (г. Минск, республика Беларусь),

-ЛО НИИР (г. Санкт-Петербург),

-Измерительная техника связи (г. Санкт-Петербург).

Теоретические результаты будут также использованы разработчиками метрологического обеспечения оптической рефлектометрии во Всероссийском НИИ оптико-физических измерений.

Предложенные математические модели сигналов обратного рассеяния используются в учебном процессе в виртуальных лабораторных установках, программы для которых разработаны на кафедре Линий связи СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ в 2004 году (три доклада) и на международной конференции во ВНИИОФИ в 2004 году.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах, среди которых имеется изобретение.

Структура и объем-диссертации: Диссертационная работа состоит, из введения, пяти глав и заключения, изложена на 128 страницах текста, содержит 5 таблиц, иллюстрирована 40 рисунками, список литературы содержит 57 наименований.

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Предложены два новых способа формирования наборов сложных зондирующих сигналов для модуляции оптического излучения рефлектометров, обеспечивающих контроль за состоянием волоконно-оптических направляющих систем связи в процессе их строительства и эксплуатации. Способы используют комбинированные комплиментарные последовательности Голея и комбинации прямых и - обратных комплиментарных последовательностей и позволяют сформировать зондирующие сигналы, автокорреляционные функции которых имеют основной лепесток максимальной амплитуды и не имеют боковых лепестков.

2. Сформулированы условия неискаженной регистрации рефлектограмм волоконно-оптических кабелей и доказана возможность расширения протяженности исследуемых участков кабеля благодаря использованию фрагментов кодовых последовательностей зондирующих сигналов при корреляционной обработке зарегистрированных сигналов обратного рассеяния.

3. Предложен способ корректировки искаженных фрагментов зарегистрированной рефлектограммы, позволяющий проводить исследования волоконно-оптических кабелей с использованием минимального набора сложных зондирующих сигналов. Это позволяет существенно упростить алгоритм работы и конструкцию оптического рефлектометра.

4. Выявлены основные источники погрешности измерения сигнала обратного рассеяния, оценены величины различных составляющих этой погрешности, и разработаны, методы их уменьшения с целью получения минимальной результирующей погрешности.

5. Необходимость использования обоих предложенных взаимно дополняющих способов формирования наборов сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния обусловлена тем, что оба способа легко реализуются в одном приборе, так как они отличаются лишь кодовыми последовательностями зондирующих и опорных сигналов задаваемыми программными средствами. Поочередное исследование волоконно-оптических кабелей двумя независимыми способами и последующее сравнение результатов позволяет повысить достоверность полученных результатов и надежность контроля за состоянием волоконно-оптических направляющих систем связи.

6. Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра, проведено компьютерное моделирование измерительного тракта рефлектометра, которое подтвердило достоверность теоретических исследований.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Два впервые предложенных и исследованных способа формирования сложных зондирующих сигналов, использующих комбинацию комплиментарных последовательностей Голея и комбинацию прямых и обратных последовательностей Голея.

2. Сформулированные в результате исследования предложенных способов алгоритмы обработки сигналов обратного рассеяния и условия неискаженной регистрации рефлектограмм направляющих систем связи.

3. Методики компенсации и исключения влияния искажающих источников на результат регистрации рефлектограмм с целью получения минимальной результирующей погрешности измерения параметров направляющих систем связи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, перечислены ее основные научные результаты, приведены сведения об апробации этих результатов и представлены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены принципы оптической рефлектометрии, показаны формы проявления различных неоднородностей на зарегистрированных рефлектограммах и описаны способы определения основных характеристик волоконно-оптических трактов по этим рефлектограммам. Определены и количественно оценены параметры современных оптических рефлектометров и показаны пути их совершенствования.

Рассмотрены ограничения, возникающие при использовании рефлектометров с простым зондирующим сигналом, и обоснована необходимость использования сложных зондирующих сигналов для

существенного улучшения характеристик вновь проектируемых оптических рефлектометров.

Во второй главе рассмотрены способы формирования сложных зондирующих сигналов и их корреляционные функции.

В корреляционных рефлектометрах со сложным зондирующим сигналом для регистрации рефлектограммы выполняются следующие операции:

генерируется и вводится в волоконно-оптический тракт сложный зондирующий оптический сигнал,

принимается отраженное от неоднородностей и рассеянное излучение, вычисляется взаимно корреляционная функция принятого и опорного сигналов с помощью коррелятора.

Эта функция описывает отклик коррелятора на принятый сигнал, поэтому взаимно корреляционная функция зондирующего и опорного сигналов является важной характеристикой метода измерения. При измерении сигналов обратного рассеяния волоконно-оптических кабелей зондирующие сигналы в измерительном тракте рефлектометра и исследуемом кабеле искажаются, поэтому результат измерения зависит как от выбранной кодовой последовательности зондирующего сигнала, так и от формы его одиночных импульсов.

Получено выражение для взаимно корреляционной функции зондирующего и опорного сигналов:

W(T)= J }р(Об(* + г-Ди)АЕв(*Ж* + и)= |Хо<Г-Л10-»«Ъ(и).

где Т - сдвиг между зондирующим и опорным сигналами, К и N показывают число импульсов в пачках зондирующего и опорного сигналов, P(t) и (2(0-функции, описывающие форму одиночных импульсов зондирующего и опорного сигналов, а(к) и ¿(л)- коэффициенты, принимающие значения ±1, согласно кодовым последовательностям зондирующего и опорного сигналов, взаимно корреляционная функция одиночных импульсов

зондирующего и опорного сигналов в точке тактовый интервал

следования импульсов, и -фазовый сдвиг между зондирующим и опорным сигналами, а элемент последовательности, которая описывает

дискретную взаимно корреляционную функцию кодовых последовательностей зондирующего и опорного сигналов:

Wab ={w„(h)}=jgfl(*)b(* + «)J, u = (l-K),(2-K),-(N-\).

Если форма импульсов зондирующего и опорного сигналов идеальна и представляет собой -функцию, то взаимно корреляционная функция зондирующего и опорного сигналов будет иметь вид последовательности

значений элементов следующих через интервал повторения

импульсов. При использовании различных способов формирования сложных зондирующих сигналов получаются различные взаимно корреляционные

функции, поэтому последовательность WAB является важной характеристикой реализуемого метода измерения.

Если кодовые последовательности зондирующего и опорного сигналов совпадают, то метод измерения характеризуется дискретной автокорреляционной функцией этих сигналов:

у А = К(и)}=+ «)}. и = (1 - ЮЛ2 - К),-(К -1).

На основе теоретического анализа известных кодовых последовательностей для формирования сложных зондирующих сигналов получены следующие результаты:

-использование кодовых последовательностей Баркера для модуляции зондирующего сигнала не целесообразно, из-за невозможности формирования последовательностей с большим числом элементов и, следовательно, невозможности существенно увеличить отношение сигнал-шум;

-использование кодовых последовательностей, автокорреляционные функции которых имеют большие боковые лепестки, приводит к практически неустранимым искажениям рефлектограммы исследуемого волоконно-оптического кабеля;

-использование комплиментарных последовательностей Голея имеет неоспоримые преимущества, так как эти последовательности могут иметь неограниченное число элементов, а их суммарные автокорреляционные функции имеют основной лепесток максимальной амплитуды и не имеют боковых лепестков.

Комплиментарные последовательности Голея представляют собой пару кодовых последовательностей одинаковой длины:

Ас = {а(^)}> к = \,2,-К, ВК={Ь(к)}, к = \Х-К.

Автокорреляционные функции последовательностей:

к.=К(«)}=!!><*)«(*+«)}.и=и- - -*>• у, = К(")}={£И*)** + «)}. " = (1 - К)Л2- Ю,-(К -1),

имеют основной лепесток максимальной амплитуды и значительные боковые лепестки. Расположенные аналогично друг другу боковые лепестки последовательностей имеют одинаковую амплитуду, но противоположный знак, поэтому суммарная автокорреляционная функция имеет удвоенный основной лепесток и не имеет боковых лепестков.

Ула = К (") + V« (")} = {£ а(к)а(к + и) + Ь(кЩк + и) и = (1-/0,(2-/0,-1).

Известны правила «присоединения» и «чередования», которые позволяют из пары комплиментарных последовательностей сформировать новую пару двойной длины. Повторное использование этих правил позволяет каждый раз

удваивать длину последовательностей до достижения необходимой длины. В таблице приведен полный, набор комплиментарных последовательностей составленных троекратным применением правила присоединения.

Ак ак\вк\ак\-вк аквк\-ак\вк

Л, В К Аг|-Вдг

АК\-ВК\АК\ВК . Ак ~Вк ~Ак\~Вц

вк\ак\вк\-аквк\ак\-вк\ак

я* К К и*

вк\-ак\вк\ак Вк-Ак\-Вк\-Ак

В к-Ак [5* к

вк ак\Вк\Ак\-Вк-Ак

-Ас К МЛ-5*

Вк\-А* -вк Ак В к Ак

Вк\Ак\-Вк\Ак-Вк ~Ак\-Вк\Ак

Вк\гАк\-Вк\-Ак

-Вк А^В^А!

Характеристики комплиментарных последовательностей Голея идеально подходят для ОР со сложным зондирующим сигналом, однако протяженность исследуемых- участков волоконно-оптических трактов ограничена из-за искажений рефлектограммы в окрестностях его элементов, дающих большие отраженные сигналы.

Для увеличения протяженности исследуемых участков предлагается новый способ формирования - зондирующего сигнала и обработки сигнала обратного рассеяния, использование которого позволяет исключить указанные искажения. Этот способ реализуется при выполнении следующих операций:

-из пары исходных комплиментарных последовательностей Голея с помощью однократного или многократного использования правил присоединения или чередования формируется полный набор возможных кодовых последовательностей,

-формируется набор зондирующих сигналов, каждый из которых изменяется согласно одной из сформированных кодовых последовательностей, -регистрируется набор сигналов обратного рассеяния от каждого зондирующего сигнала,

-вычисляется сумма взаимно корреляционных функций каждого зарегистрированного сигнала и фрагмента соответствующей кодовой последовательности.

При М-кратном использовании правила присоединения полный набор содержит 2м+1 кодовых последовательностей, а суммарная взаимно корреляционная функция каждой последовательности и ее первого или последнего элемента имеет вид:

^ = 2м К (и) + уя Си)}. « = (1 - Л0,(2 - АО, - • - (ЛГ -1).

где и элементы последовательностей, которые описывают

дискретные автокорреляционные функции исходных последовательностей, а N = 2'м К показывает число импульсов в пачке опорного сигнала.

Для увеличения протяженности исследуемого участка волоконно-оптического тракта и уменьшения погрешности регистрации рефлектограммы предлагается еще один способ формирования комплиментарных последовательностей Голея. Этот способ заключается в комбинированном использовании прямых и обратных комплиментарных последовательностей при генерации зондирующего сигнала.

Для этого из полного набора, содержащего 2ми прямых кодовых последовательностей, выбирается 2""1 последовательностей, а из полного набора, содержащего 2М+1 обратных кодовых последовательностей выбирается последовательностей обратных комплиментарным последовательностям выбранным ранее.

Прямые последовательности выбираются по следующему правилу: -при (М - 2) -кратном использовании правила присоединения выбирается полный набор, содержащий последовательностей,

-при (М -1) и М -кратном использовании этого правила из вновь сформированных последовательностей, выбираются последовательности, имеющие противоположный ход следования фрагментов, из которых они сформированы.

Суммарная взаимно корреляционная функция каждой последовательности и ее первого или последнего фрагмента может быть представлена выражением:

И^ =2м-'{ул (и) + у,(н)}, и = <1-А0,(2-Л0,-(ЛГ-1).

Видно, что полученная суммарная взаимно корреляционная функция аналогична рассмотренной выше, но для ее получения необходимо использовать в два раза меньшее число зондирующих сигналов, чем это требовалось при использовании комбинированных комплиментарных последовательностей Голея.

В третьей главе рассмотрены сигналы обратного рассеяния при использовании сложных зондирующих сигналов и показаны способы регистрации и обработки этих сигналов, позволяющие существенно улучшить параметры рефлектометров.

При классическом рассмотрении сложных зондирующих сигналов предполагается, что они содержат импульсы с положительной и отрицательной амплитудами. Так как лазерный источник излучения не может формировать импульсы с положительной и отрицательной интенсивностью, то сначала формируется пачка импульсов, амплитуда которых пропорциональна амплитуде положительных импульсов зондирующего сигнала, а затем формируется инверсная пачка импульсов, амплитуда которых пропорциональна амплитуде отрицательных импульсов зондирующего сигнала, но имеет обратный знак. Зарегистрированные сигналы обратного рассеяния суммируются с разными знаками, это обеспечивает получения результирующего сигнала совпадающего с сигналом, полученным при классическом рассмотрении.

При регистрации сигналов обратного рассеяния его мгновенные значения заносятся в ячейки памяти, но для исключения регистрации искаженных значений сигналов обратного рассеяния, обусловленных насыщением фото приемного устройства и усилителей фототока, во время генерации зондирующих сигналов и некоторого промежутка, когда сигнал обратного рассеяния слишком велик, регистрация не производится. Если от некоторого элемента оптического кабеля, например его конца, отраженный сигнал велик и это приводит к искажениям сигнала, то регистрация тоже не производится.

Истинная рефлектограмма волоконно-оптического тракта по своей форме близка экспоненте и может быть представлена в дискретной форме в виде последовательности ХЯ из Я значений коэффициентов х(г) обратного рассеяния г-ных элементов кабеля:

Х^Ыг)}. '• = 0,1,-Л, где Л = 2-/ли,-л,/Д-с.

При использовании комплиментарных последовательностей Голея выражение зарегистрированной рефлектограммы принимает вид:

IV, =2ЛГ{*(н)}, и = (К + 1),(К+Ь+1).—Л,

где Ь интервал ожидания, выраженный в единицах Д, когда сигнал обратного рассеяния слишком велик и регистрация не производится.

Если от некоторого 8-ного элемента волоконного тракта сигнал обратного рассеяния велик, то регистрация заканчивается после занесения мгновенного значения в ячейку памяти с номером ] = (8—1), а выражение зарегистрированной рефлектограммы преобразуется к виду: = 2К{х(и)}, и = (К + Ц,(К + 1. + 1),-(8-К-1).

Видно, что интервал изменений фазового сдвига, которым определяется • протяженность исследуемого участка оптического тракта, лежит в пределах (К+Ь)<и<(5-К-1).

При использовании комбинированных комплиментарных последовательностей Голея выражение зарегистрированной рефлектограммы имеет вид:

= 2а'+1Лг{дг(Ы)}, и = (Я+Ц, (Дг + Ь+1),■ ■■ • (5 - N -1).

Видно, что интервал изменений фазового сдвига расширился. Однако, если для обработки сигналов обратного рассеяния используются опорные сигналы в виде фрагментов кодовых последовательностей соответствующих зондирующих сигналов, то достигается меньшее отношение сигнал-шум, чем при использовании полных кодовых последовательностей. Из этого следует, что рассматриваемый способ обработки целесообразно использовать только для исследования участков волоконно-оптического тракта, которые невозможно исследовать способом обработки, рассмотренным ранее, а интервалы изменения фазового сдвига лежат в пределах и

При использовании комбинации прямых и обратных последовательностей Голея интервалы изменения фазового сдвига лежат в тех же пределах, и выражение зарегистрированной рефлектограммы имеет аналогичный вид:

МГ„ =2мИ{х{и)}, u = (N + L),(.N+L+l),^^■(S-N-l).

При комбинированном использовании прямых и обратных комплиментарных последовательностей Голея число зондирующих сигналов может быть сокращено до двух, если провести регистрацию и обработку сигналов обратного рассеяния, применяя опорные сигналы в виде фрагментов соответствующих зондирующих сигналов, а затем осуществить коррекцию зарегистрированных фрагментов рефлектограммы с помощью корректирующих кодов.

Зарегистрированный фрагмент рефлектограммы записанный с помощью корректирующего кода может быть представлен выражением: 1Ч

WIV = 2'"м К^с(т)х[и ± К(т - 1)/2м ],

где с(т) элемент последовательности, описывающей корректирующий код:

Корректирующий код может быть получен последовательным сравнением последовательности опорного сигнала с фрагментами той же длительности соответствующей кодовой последовательности зондирующего сигнала. Если фрагмент последовательности зондирующего сигнала совпадает с опорным сигналом, записывается (+1), если не совпадает, записывается (0), а если все элементы фрагмента последовательности зондирующего и опорного сигнала имеют противоположный знак, то записывается (-1). Для сравнения может использоваться любая из комплиментарных кодовых последовательностей зондирующего сигнала, но порядок сравнения зависит от выбранного опорного сигнала. Если опорный сигнал является первым фрагментом последовательности зондирующего сигнала, то сравнение

проводится слева на право, а если является последним фрагментом, то наоборот справа налево.

Если при регистрации сигналов обратного рассеяния используется большее число зондирующих сигналов, например четыре, то для коррекции рефлектограммы необходимо использовать корректирующий код, полученный суммированием корректирующих кодов каждой пары комплиментарных последовательностей.

Регистрация и обработка сигналов обратного рассеяния при комбинированном использовании прямых и обратных комплиментарных последовательностей Голея и коррекции рефлектограммы позволяет применять простые зондирующие сигналы и при этом максимально расширить протяженность исследуемого участка волоконного тракта.

В четвертой главе рассмотрены основные источники погрешности при регистрации рефлектограмм волоконно-оптических трактов.

Измерительный тракт ОР содержит ряд преобразовательных устройств, передаточные характеристики которых не остаются линейными во всем рабочем диапазоне. Это приводит к нелинейным искажениям сигнала обратного рассеяния и, следовательно, к появлению погрешности регистрации рефлектограммы. Наибольшие нелинейные искажения вносят источник излучения, фото приемное устройство и аналого-цифровой преобразователь блока регистрации и обработки сигнала обратного рассеяния.

Источник излучения предназначен для преобразования пачки электрических импульсов равной амплитуды в аналогичную пачку оптических импульсов равной интенсивности. Однако из-за нелинейности физических процессов при генерации оптического излучения интенсивность импульсов в пачке не остается постоянной, а уменьшается по закону близкому экспоненциальному до некоторого значения зависящего от номинальной средней мощности излучения выбранного лазера, длительности пачки импульсов и ее периода повторения. Для оценки этой погрешности полагаем, что изменения амплитуды импульсов в разных пачках зондирующих сигналов, аналогичны друг другу и описываются последовательностью, элементы которой могут быть представлены экспонентой:

={£(*)}, к = 1,2,—К, <?(*) = ехр[-Д(*-1)/т],

где г- постоянная времени, которая характеризует изменения амплитуды импульсов во времени. Рефлектограмма оптического кабеля тоже близка экспоненте, поэтому ее элементы могут быть представлены выражением:

х (г) = хй ехр(-2а • сД • г).

При таких допущениях мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности из-за нелинейностей в измерительном тракте принимают вид:

где Е„- максимальное отклонение амплитуды импульсов в начале пачки от своего установившегося значения, а Е0- среднее значение элементов последовательности, описывающей изменения амплитуды импульсов зондирующих сигналов. На рисунках представлены зависимости мультипликативной и аддитивной составляющих погрешности от числа импульсов в пачке зондирующего сигнала.

При использовании комбинированных комплиментарных последовательностей Голея, если опорными сигналами служат последние фрагменты кодовых последовательностей зондирующего сигнала, эти погрешности имеют вид:

а если первые фрагменты последовательностей, то вид:

Погрешность регистрации рефлектограммы из-за нелинейностей в измерительном тракте может быть уменьшена при комбинированном использовании прямых, и обратных последовательностей Голея. Для этого формируются набор кодовых последовательностей, обеспечивающий реализацию одного из рассмотренных выше методов измерения, и аналогичный набор обратных кодовых последовательностей. Погрешности в этом случае имеют вид:

На тех же рисунках представлены зависимость мультипликативной и аддитивной составляющих погрешности от числа К импульсов в пачке зондирующего сигнала.

Из рисунков видно, что мультипликативные составляющие погрешности при использовании обоих методов измерения одинаковы и их величина уменьшается с увеличением длительности пачки зондирующего сигнала. Аддитивная погрешность уменьшилась, особенно при коротких пачках зондирующего сигнала, это достигается за счет ее компенсации при использовании прямых и обратных комплиментарных последовательностей Голея.

Если при формировании зондирующего сигнала используется правило присоединения, а в качестве опорных сигналов служат последние фрагменты кодовых последовательностей, то погрешности имеют вид:

а если пеотые фрагменты последовательностей, то вид:

7 N у 2М+2 {ехр[- А(К -к)!г] - Е0}ехр[-2а- сА(к - л)

Из выражений видно, что при использовании обоих способов измерения если опорными сигналами служат последние фрагменты кодовых последовательностей, то мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности существенно меньше, чем, если опорными сигналами служат полные кодовые последовательности или их первые фрагменты. Кроме того, аддитивная составляющая погрешности существенно уменьшается при использовании большого набора кодовых последовательностей сформированных многократным применением правила присоединения.

При регистрации сигнала обратного рассеяния для более эффективного использования параметров аналогово-цифрового преобразователя коэффициент передачи масштабного усилителя выбирается таким, чтобы динамический диапазон рефлектометра в каждом режиме измерения определялся динамическим диапазон преобразователя, поэтому основной вклад в погрешность регистрации ближней и дальней зоны оптического кабеля вносит аналогово-цифровой преобразователь.

Анализ показывает, что существуют мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности:

8=-

1

А#(у)

ТРЮу.+н^ПУ,)

-1,

7= ХВД*,.

где М(у)- математическое ожидание измеряемого сигнала, Р(у,)~ вероятность появления мгновенного значения сигнала в пределах интервала

, обусловленная шумами фото приемника и усилителя

фото тока, динамический диапазон или возможное число

положительных и отрицательных цифровых значений на выходе ^разрядного АЦП, £,- погрешность преобразования /-того значения сигнала, а Д- единица младшего разряда АЦП.

Для нормального закона распределения шумов мультипликативная погрешность определяется выражением:

где у1 - Д/, а<Г- среднее квадратичное значение шумов.

На рисунке представлена зависимость этой погрешности от математического ожидания и среднего квадратичного значения шумов. Видно, что для получения удовлетворительных результатов математическое ожидание не должно превышать половины, а шумы четверти динамического диапазона АЦП.

Аддитивная погрешность определяется выражением: У=£у]2м К А/<т*/х.

Для сравнения различных способов измерения удобно пользоваться относительной погрешностью, которая имеет вид:

Видно, что погрешность резко уменьшается при использовании большого набора кодовых последовательностей с большим числом элементов, что позволяет существенно расширить динамический диапазон рефлектометра в область малых сигналов отраженных дальней зоной оптического кабеля.

Отношение сигнал-шум при регистрации рефлектограммы с использованием различных способов формирования зондирующего сигнала зависит от мощности источника излучения, длительности и формы одиночных импульсов зондирующего сигнала, потерь в оптических элементах ОР, коэффициента преобразования, шумов и полосы пропускания фото приемного устройства, числа накоплений мгновенных значений сигнала обратного рассеяния и способа обработки зарегистрированного сигнала. В таблице приведены основные характеристики способов регистрации рефлектограммы при различных наборах зондирующих и опорных сигналов.

Для выбора оптимального зондирующего сигнала и способа регистрации и обработки сигнала обратного рассеяния необходимо задаться требуемым пространственным разрешением, максимально допустимыми временем регистрации и шириной мертвой зоны. Кроме этого желательно иметь предварительную информацию об исследуемом оптическом кабеле.

Если исследуется короткий оптический кабель, имеющий малое затухание, то при регистрации сигнала обратного рассеяния отношение сигнал-шум превышает или соизмеримо с единицей, поэтому не требуется большого числа накоплений, большого времени регистрации и легко обеспечивается высокое пространственное разрешение. При таких измерениях используются минимальные наборы кодовых последовательностей зондирующих сигналов малой длительности (№ 1-3, 10-14). Для уменьшения погрешности регистрации из-за нелинейностей в измерительном тракте достаточно пользоваться ее компенсацией, применяя прямые и обратные комплиментарные последовательности Голея. Если необходимо сократить мертвую зону

рефлектометра, то можно воспользоваться коррекцией рефлектограммы (№ 22-

33)

Кратн. Полный Использ. Опорный Отноше-

Способ формирования присое- набор набор сигнал, ние

зондирующего сигна- динения зондиру- зондиру- отноше- сигнала

ла М ющих ющих ние к шуму

сигналов сигналов NIK

1 0 2 2 1 1

2 1 4 4 1 1

3 1/2 0,7

4 Комбинированные 1 1

5 последовательности 2 8 8 1/2 0,7

6 1/4 0,5

7 Голея 1 1

8 М 2И+1 2м*1 1/2 0,7

,. . ...

9 7й 2'ми

10 0 4 2 1 1

11 1/2 0,7

12 1 1

13 Комбинация 1 8 4 1/2 0,7

14 1/4 0,5

15 прямых и обратных 1 1

16 последовательностей 2 16 8 1/2 0,7

17 1/4 0,5

18 Голея 1/8 0,35

19 1 1

20 М 2м*2 2м 1/2 0,7

... ...

21 Xм 2ми

22 0 4 2 1 1

23 1/2 0,7

24 1 1

25 Комбинация 1 8 2 1/2 0,7

26 прямых и обратных 1/4 0,5

27 1 1

28 последовательностей 2 16 2 1/2 0,7

29 Голея и коррекция рефлектограммы 1/4 0,5

30 1/8 0,35

31 1 1

32 М 2м*2 2 1/2 0,7

... ...

33 2м

Если исследуется оптический кабель большой протяженности, имеющий большое затухание, то при регистрации сигнала обратного рассеяния отношение сигнал-шум в дальней зоне кабеля значительно меньше единицы, и для обеспечения высокого пространственного разрешения требуется большое число накоплений и большое время регистрации. При таких измерениях используются кодовые последовательностей зондирующих сигналов большой длительности, поэтому погрешность регистрации из-за нелинейностей в измерительном тракте становится доминирующей. Для уменьшения этой погрешности необходимо использовать максимальные, желательно полные, наборы кодовых последовательностей зондирующих сигналов (№ 7-9, 19-21). Применение полных наборов последовательностей с большим числом элементов позволяет до минимума сократить мертвую зону рефлектометра, но резко увеличивает объем накопленной информации и сложность ее обработки. Если из-за этого применение полных наборов оказывается невозможным, то можно дополнительно воспользоваться коррекцией рефлектограммы (№31-33).

Если исследуется оптический кабель еще большей протяженности, то для регистрации сигнала обратного рассеяния приходится в ущерб пространственному разрешению увеличивать длительность импульсов в пачках зондирующего сигнала. Это ведет к уменьшению числа элементов в кодовых последовательностях и числа последовательностей в полных наборах, уменьшает объем накопленной информации и упрощает ее обработку, поэтому при таких измерениях используются полные наборы кодовых последовательностей зондирующих сигналов большой длительности (№ 7-9,1921).

В пятой главе рассмотрены конкретные варианты построения и структурные схемы основных узлов рефлектометра, определено их назначение и описана работа, сформулированы требования, предъявляемые к этим узлам и отдельным блокам, и даны рекомендации по конкретной реализации рефлектометра, обладающего наивысшими техническими характеристиками.

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Предложены два новых способа формирования наборов сложных зондирующих сигналов для модуляции оптического излучения рефлектометров, обеспечивающих контроль за состоянием волоконно-оптических направляющих систем связи в процессе их строительства и эксплуатации. Способы используют комбинированные комплиментарные последовательности Голея и комбинации прямых и обратных комплиментарных последовательностей и позволяют сформировать зондирующие сигналы, автокорреляционные функции которых имеют основной лепесток максимальной амплитуды и не имеют боковых лепестков.

2. Сформулированы условия неискаженной регистрации рефлектограмм волоконно-оптических кабелей и доказана возможность расширения протяженности исследуемых участков кабеля благодаря использованию фрагментов кодовых последовательностей зондирующих сигналов при корреляционной обработке зарегистрированных сигналов обратного рассеяния.

3. Предложен способ корректировки искаженных фрагментов зарегистрированной рефлектограммы, позволяющий проводить исследования волоконно-оптических кабелей с использованием минимального набора сложных зондирующих сигналов. Это позволяет существенно упростить алгоритм работы и конструкцию оптического рефлектометра.

4. Выявлены основные источники погрешности измерения сигнала обратного рассеяния, оценены величины различных составляющих этой погрешности, и разработаны методы их уменьшения с целью получения минимальной результирующей погрешности.

5. Необходимость использования обоих предложенных взаимно дополняющих способов формирования наборов сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния обусловлена тем, что оба способа легко реализуются в одном приборе, так как они отличаются лишь кодовыми последовательностями зондирующих и опорных сигналов задаваемыми программными средствами. Поочередное исследование волоконно-оптических кабелей двумя независимыми способами и последующее сравнение результатов позволяет повысить достоверность полученных результатов и надежность контроля за состоянием волоконно-оптических направляющих систем связи.

6. Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра, проведено компьютерное моделирование измерительного тракта рефлектометра, которое подтвердило достоверность теоретических исследований.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.П. Вронец, А.В. Семин Проектирование современных технологий связи. Тезисы докладов 24 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1997 г., с. 115

2. А.П. Вронец, А.В. Семин Направления развития отечественных систем безопасности связи и телекоммуникаций. Тезисы докладов 25 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1998 г., с.230

3. А.В. Семин Защита информации на подводных волоконно-оптических линиях связи. Тезисы докладов Международного форума информатизации международного конгресса «Коммуникационные технологии и сети», 1998 г., М., с. 266

4. А.В. Семин Проектирование морских кабельных магистралей связи на базе новых технологий. Вестник связи, № 9,2002 г., с. 125

5. В.Б. Архангельский, С.Ф. Глаголев, А.В. Семин Методические особенности регистрации и обработки сигналов обратного рассеяния. Тезисы докладов 14 научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», М, 2004 г., с. 53

6. Семин А.В., Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф. Патент на полезную модель № 37209 «Оптический корреляционный рефлектометр» от 10.04.2004 г. бюл. №10 по заявке 2003137925/20 от 18.12.2003.

7. С.Ф. Глаголев, А.В. Семин Основные параметры современных оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

8. А.В. Семин Уменьшение погрешности регистрации рефлектограммы из-за нелинейности характеристик измерительного тракта. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

9. В.Б. Архангельский, А.В. Семин Способы формирования сложных зондирующих сигналов для оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

10. А.В. Семин, В.Б. Архангельский Способы формирования сложных зондирующих сигналов для оптических рефлектометров. Труды учебных заведений связи/СПб ГУТ. СПб, 2003. № 169, с. 200-213

»12379

Отпечатано в ОАО «ГИПРОСВЯЗЬ» Москва ,3-я Хорошевская ул., 11

Тел. 197-10-84 Подписано в печать 12.05.04г. Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕТОД ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

1.1. Основы оптической рефлектометрии

1.2. Основные погрешности регистрации рефлектограммы

1.3. Погрешность определения коэффициента затухания

1.4. Теоретическое описание фрагментов рефлектограмм в месте соединения оптических волокон

1.5. Методика обнаружения малых неоднородностей

1.6. Пространственное разрешение оптических рефлектометров

1.7. Зондирующие сигналы 39 Выводы

2. СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ

2.1. Корреляционные функции сложных сигналов

2.2. Регистрация и обработка сигнала обратного рассеяния

2.3. Корреляционные функции кодовых последовательностей

Баркера и М-последовательностей

2.4. Корреляционные функции комплиментарных последовательностей Голея

2.5. Корреляционные функции комбинированных комплиментарных последовательностей Голея

2.6. Корреляционные функции обратных комплиментарных последовательностей Голея 69 Выводы

3. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

3.1. Сигналы обратного рассеяния при использовании сложных зондирующих сигналов

3.2. Обработка сигналов обратного рассеяния при использовании комплиментарных последовательностей Голея

3.3. Обработка сигналов обратного рассеяния при использовании комбинированных комплиментарных последовательностей Голея

3.4. Обработка сигналов обратного рассеяния при использовании обратных комплиментарных последовательностей Голея

3.5. Обработка сигналов обратного рассеяния при использовании обратных комплиментарных последовательностей Голея и коррекции рефлекгограммы

3.6. Универсальный набор кодовых последовательностей зондирующего сигнала 92 Выводы

4. ПОГРЕШНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ РЕФЛЕКТОГРАММ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СЛОЖНЫХ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ

4.1. Погрешность регистрации из-за нелинейностей в измерительном тракте при использовании последовательностей Голея

4.2. Погрешность регистрации из-за нелинейностей в измерительном тракте при использовании комбинированных последовательностей Голея

4.3. Погрешность регистрации из-за нелинейностей в измерительном тракте при использовании прямых и обратных последовательностей Голея

4.4. Погрешность регистрации из-за ограниченного динамического диапазона и дискретности аналогово-цифрового преобразователя

4.5. Погрешность регистрации рефлекгограммы, обусловленная формой одиночных импульсов зондирующего сигнала

4.6. Отношение сигнал-шум и формирование оптимального зондирующего сигнала 116 Выводы

5. СТРУКТУРА РЕФЛЕКТОМЕТРА И ОСОБЕННОСТИ

КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ

5.1. Формирователь сложных зондирующих сигналов

• 5.2. Оптический тракт рефлектометра

5.3. Цифровой накопитель сигнала обратного рассеяния

5.4. Управление рефлектометром, регистрация и обработка сигналов обратного рассеяния

Выводы

Развитие глобальных и локальных сетей электросвязи на современном этапе связано с широким внедрением высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи. Причем потребность в увеличении пропускной способности магистральных волоконно-оптических сетей связи носит взрывной характер. Она удваивается каждый год.

Для обеспечения высокого качества строительства и эффективной эксплуатации волоконно-оптических линий связи необходимо метрологическое обеспечение измерений параметров волоконных трактов и их составляющих, включая оптические волокна, оптические кабели, пассивные и активные компоненты. Метрологическое обеспечение данной области измерений подразумевает создание рабочих и образцовых средств измерения, разработку методик измерения, метрологической аттестации и поверки.

Среди многих средств измерения параметров волоконных трактов особую роль играют оптические рефлектометры, реализующие метод измерения обратного рассеяния. Оптические рефлектометры позволяют определять длину оптических волокон, оптических кабелей и волоконных трактов, групповое время задержки, расстояние до локальных неоднородностей, в том числе расстояние до сростков, оптических муфт и разъемов. Кроме того, оптические рефлектометры используют для измерения возвратных потерь, коэффициентов затухания в оптических волокнах, оптических кабелях и на отдельных участках волоконных трактов, потерь в разъемных и неразъемных соединениях оптических волокон. С помощью оптических рефлектометров можно проводить паспортизацию кабельных участков, сохраняя тем или иным способом рефлектограммы, зарегистрированные при проведении приемно - сдаточных испытаний вновь построенных волоконно-оптических направляющих систем связи и осуществлять их периодический контроль в процессе эксплуатации.

Значительный вклад в теорию метода обратного рассеяния внесли выдающиеся иностранные ученые М. Барноски, С. Персоник, Д. Щикетанц и другие, а также российские исследователи В.В. Григорьянц, Ю.К. Чаморовский. Разработке и исследованию ОР посвятили свою деятельность известные иностранные ученые М. Гольд, А. Хартог, С. Ньютон и представители нашей научной школы С.М. Верник, A.M. Кузнецов, В.Б. Рудницкий, Свинцов А.Г., Мари-енков, M.JL Гринштейн и многие другие. Новые идеи в метрологическое обеспечение этой области измерения внесли наши ученые метрологи А.Ф. Котюк, С.В. Тихомиров, В.Е. Кравцов.

В настоящее время в стране эксплуатируется значительное количество оптических рефлектометров производства иностранных фирм дальнего и ближнего зарубежья Shlumberger (Франция), Anritsu (Япония), GN Nettest, Wavetek и Hewlet Packard (США), Ando, Института информационных технологий (Беларусь). Параметры оптических рефлектометров, выпускаемых этими предприятиями, приведены в приложении 1.

Потребность нашей страны в оптических рефлектометрах очень велика из-за огромной протяженности наших магистралей связи, на которых все шире внедряются волоконно-оптические линии связи, которые невозможно строить и эксплуатировать без оптических рефлектометров. 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 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.

Автор ставил перед собой следующие основные задачи: Теоретический анализ метода обратного рассеяния при зондировании оптического линейного тракта простым периодическим зондирующим сигналом, получение математических выражений для сигнала обратного рассеяния от однородных участков волоконного тракта, отражающих и не отражающих стыков оптических волокон.

Определение предельных возможностей метода обратного рассеяния по динамическому диапазону, разрешающей способности, мертвой зоне и т.п.

Разработка алгоритмов формирования сложных зондирующих сигналов, корреляционных методов обработки сигналов обратного рассеяния.

Выявление методических и инструментальных погрешностей измерений с помощью оптических рефлектометров, а также методики их исключения или оценки.

Актуальность проблемы.

В настоящее время оптическая рефлектометрия с простым зондирующим сигналом подошла вплотную к своим предельным возможностям. В то же время протяженность оптических магистралей и длины регенерационных участков продолжают расти. Требования к точности локации неоднородностей линейного волоконно-оптического тракта также постоянно возрастают. Известно, что применение сложных зондирующих сигналов позволяет достичь более выгодного соотношения между динамическим диапазоном и разрешающей способностью оптического рефлектометра. Однако при практической реализации оптического рефлектометра с таким сигналом возникает много проблем. Анализ этих проблем и их решение являются актуальными и необходимыми для развития отечественной оптической рефлектометрии во временной области.

Предмет исследования. Исследуются рефлектометрические способы измерения параметров волоконно-оптических направляющих систем связи во временной области с простыми и сложными зондирующими сигналами.

Цель и задачи исследований. Разработка и исследование новых способов измерения параметров волоконно-оптических направляющих систем связи. Достижение этой цели позволит создать оптические рефлектометры с наивысшими техническими характеристиками и обеспечить надежный контроль за состоянием линейных трактов оптических систем связи в процессе их строительства и эксплуатации.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач

• использовались методы математического моделирования, теории вероятности, математической статистики и цифровой обработки сигналов.

Научная новизна. Теоретическое исследование впервые предложенных способов формирования сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния позволило обосновать возможность их применения для контроля параметров оптических направляющих систем связи. На основе теоретического исследования предложены оптимальные наборы сложных зондирующих сигналов, сформулированы условия измерения сигналов обратного рассеяния с высокой точностью и условия неискаженной регистрации рефлектограмм оптических трактов. Исследования выявленных источников погрешности позволило разработать методики их компенсации и р исключения для обеспечения минимальных искажений при регистрации рефлектограмм.

Практическая ценность. Проведен анализ схем и конструкций рефлектометров и методических особенностей рефлектометрических измерений. Получены математические модели сигналов обратного рассеяния. На основании теоретических исследований разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов корреляционного оптического рефлектометра. Сформулированы рекомендации по конкретной реализации оптического рефлектометра и способам повышения точности регистрации рефлектограмм существующими рефлектометрами.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты теоретических исследований и математического моделирования будут использованы разработчиками оптических рефлектометров в следующих организациях:

Институт информационных технологий (г. Минск, республика Беларусь),

JIO НИИР (г. Санкт-Петербург),

Измерительная техника связи (г. Санкт-Петербург).

Теоретические результаты будут также использованы разработчиками метрологического обеспечения оптической рефлектометрии во Всероссийском НИИ оптико-физических измерений.

Предложенные математические модели сигналов обратного рассеяния используются в учебном процессе в виртуальных лабораторных установках, программы для которых разработаны на кафедре Линий связи СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Апробация работы.

Основные положения диссертации обсуждались на конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ в 2004 году (три доклада) и на 14 Международной научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» во Всесоюзном НИИ оптико-физических измерений в 2004 году.

Публикации.

1. А.П. Вронец, А.В. Семин Проектирование современных технологий связи. Тезисы докладов 24 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1997 г., с.115

2. А.П. Вронец, А.В. Семин Направления развития отечественных систем безопасности связи и телекоммуникаций. Тезисы докладов 25 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1998 г., с.230

3. А.В. Семин Защита информации на подводных волоконно-оптических линиях связи. Тезисы докладов Международного форума информатизации международного конгресса «Коммуникационные технологии и сети», 1998 г., М., с. 266

4. А.В. Семин Проектирование морских кабельных магистралей связи на базе новых технологий. Вестник связи, № 9, 2002 г., с. 125

5. В.Б. Архангельский, С.Ф. Глаголев, А.В. Семин Методические особенности регистрации и обработки сигналов обратного рассеяния. Тезисы докладов 14 научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», М, 2004 г., с. 53

6. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке 2003137925/20 от 16.01.2004 «Оптический корреляционный рефлектометр». Дата подачи заявки 18.12.2003 г.

7. С.Ф. Глаголев, А.В. Семин Основные параметры современных оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

8. А.В. Семин Уменьшение погрешности регистрации рефлектограммы из-за нелинейности характеристик измерительного тракта. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

9. В.Б. Архангельский, А.В. Семин Способы формирования сложных зондирующих сигналов для оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 100 страницах текста, содержит 5 таблиц, иллюстрирована 30 рисунками, список литературы содержит 50 наименований.

Выводы

1. Предлагаемая структура построения ОР позволяет: -реализовать все предлагаемые способы формирования зондирующих сигналов, с использованием полного набора комплиментарных кодовых последовательностей, составленных многократным использованием правила присоединения,

-формировать прямые, обратные последовательности, их инверсные аналоги и в широких пределах изменять частоту и длительность следования пачек зондирующих сигналов и одиночных импульсов в этих пачках,

-модулировать оптическое излучение кодовыми последовательностями зондирующего сигнала, выделять рассеянное и отраженное волоконно-оптическим трактом излучение и преобразовывать его в электрический сигнал,

-масштабировать сигнал обратного рассеяния, преобразовывать его мгновенные значения в цифровую форму, накапливать их в цифровом накопителе и передавать в ПК.

2. Предлагаемый алгоритм управления ОР и обработки накопленного сигнала позволяет:

-реализовать все предлагаемые способы обработки сигнала обратного рассеяния, с использованием полного набора опорных сигналов,

-осуществлять коррекцию зарегистрированных рефлектограмм с помощью корректирующих кодов,

-отображать рефлектограммы на дисплее и хранить ранее зарегистрированные рефлектограммы в архивной памяти ПК,

-обеспечивать условия для удобного измерения основных параметров волоконно-оптических трактов.

131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Предложены два новых способа формирования наборов сложных зондирующих сигналов для модуляции оптического излучения рефлектометров, обеспечивающих контроль за состоянием волоконно-оптических направляющих систем связи в процессе их строительства и эксплуатации. Способы используют комбинированные комплиментарные последовательности Голея и комбинации прямых и обратных комплиментарных последовательностей и позволяют сформировать зондирующие сигналы, автокорреляционные функции которых имеют основной лепесток максимальной амплитуды и не имеют боковых лепестков.

2. Сформулированы условия неискаженной регистрации рефлектограмм волоконно-оптических линейных трактов и доказана возможность расширения протяженности исследуемых участков кабеля благодаря использованию фрагментов кодовых последовательностей зондирующих сигналов при корреляционной обработке зарегистрированных сигналов обратного рассеяния.

3. Предложен способ корректировки искаженных фрагментов зарегистрированной рефлектограммы, позволяющий проводить исследования волоконно-оптических кабелей с использованием минимального набора сложных зондирующих сигналов. Это позволяет существенно упростить алгоритм работы и конструкцию оптического рефлектометра.

4. Выявлены основные источники погрешности измерения сигнала обратного рассеяния, оценены величины различных составляющих этой погрешности, и разработаны методы их уменьшения с целью получения минимальной результирующей погрешности.

5. Обоснована необходимость использования обоих предложенных взаимно дополняющих способов формирования наборов сложных зондирующих сигналов и обработки сигналов обратного рассеяния, так как оба способа легко реализуются в одном приборе и отличаются лишь кодовыми последовательностями зондирующих и опорных сигналов задаваемыми программными средствами. Поочередное исследование волоконно-оптических трактов двумя независимыми способами и последующее сравнение результатов позволяет повысить достоверность полученных результатов и надежность контроля за состоянием направляющих систем связи.

6. Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра, проведено компьютерное моделирование измерительного тракта рефлектометра, которое подтвердило достоверность теоретических исследований.

133

1. Barnoski М.К., Jensen S.M. Fiberwaveguides: A novel technique for investigating attenuation characteristics. - Appl.Opt., 1976, J5, p. 2112-2115.

2. Personik S.O. Photon probe an optical-fiber time-domain reflectometer.-Bell.Syst.techn.J., 1977, 56, №3, p.355.

3. Барноски M.K., Персоник С.Д. Измерения в волоконной оптике.-ТИИЭР, 1978,66, №4, с. 75-89.

4. Шикетанц Д. Теория измерений по методу обратного рассеяния в световодах// Зарубежная электроника. 1984 - № 6. р. 87-94.

5. Gold М.Р., Hartog А.Н. Determination of structural parameter variations in single- mode optical fibers by time domain reflectometiy.- Electron.Letter., 1982,18, p.489-490

6. Gold M.P., Hartog A.H. Analysis of backscattering waveforms from single-mode fibers.- Proc. 8 Europ. Conf. Optic. Commun., 1982, p.633-638

7. Hartog A.H., Gold M.P. On the theory of backscattering in single- mode optical fibers.- J.lightwave technol., 1984, 2, p.76-82

8. Kapron F.P., Mauzer R.D., Teter M.P. Theory of backscattering effects in waveguid.-Appl.Opt., 1972, Ц, p. 1352-1356.

9. Coppa G. Theory of scattering in multymode optical fibers.- Opt. Quant.Electron., 1982, 14, N 4, p.283-309

10. Michelson A.R., Eriksrud M. Theory of the backscattering process in multimode optical fibers.-Appl.Opt., 1982, 21, p. 1898-1909

11. Gysel P., Staubli R., Statistical properties of rayleigh backscattering in single-mode fibers.- J.Lightwave Technol., 1990, 8, N 4, p.561-567

12. Liagn An-Hui The rayleigh scattering loss of isotropic weakly guiding single-mode waveguides.- IEEE J.Quantum. Electron., 1992, 28, N 9, p. 1844-1847

13. Григорьянц B.B., Чаморовский Ю.К. Диагностика волоконных световодов и оптических ослабителей методом обратного рассеяния.- Итоги науки и техники: Радиотехника, 1982,29, с.48-79

14. Григорьянц В.В., Исаев В.А. Характеристики обратного рассеяния в волоконных световодах.- квантовая электроника, 1983,10, №4, с. 766-773.

15. Gold М.Р., Hartog А.Н. Measurement of backscatter factor in single-mode fibers.-Electron.Lett., 1981, 17, p.965-966

16. Gold M., Hartog A. Jmproved dynamic- range single- mode OTDR at 1.3 |i.-Electron.Lett., 1984,20, p.285-287

17. Gold M. Design of a long- range single- mode OTDR.- J. Lightwave Technol., 1985, 3, N 1, p.39-46

18. Newton S. A new technique in OTDR.- Electron, and Wireless World, 1988, 94, N 627, p.496-500

19. Vita P.Di., Rossi V. The backscattering technique: Jts field of applicability in fibre diagnostics and attenuation measurements.- Opt.Quant.Electron., 1980, 12, N 1, p.17-22

20. Heckmann S., Brinkmeyer E., Streeckert Long- range backscattering experiments in single- mode fibers.- Opt.Lett., 1981, 6, p.634-635

21. Matthijsse P., C.M. de Blok Field measurement of splice loss applying the backscattering method.-Electron.Lett., 1979, 15, p.795-797

22. Jones M. Using simplex codes to improve OTDR sensitivity.- IEEE Photon. Technol. Lett., 1993, 5, N 7, p.822-824

23. Suzuki K., Horiguchi Т., Seikai S. Optical time domain reflectometer with a semiconductor laser amplifier.-Electron. Lett., 1984,20, N 18, p.714-716

24. Blank L., Spirit D. OTDR measurement range enhancement through fiber amplification.- Opt. Fiber. Commun. Conf., San Francisco, Calif., 1990, p.126,127

25. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы измерения параметров BOJIC // Метрология и измерительная техника связи, № 6, 2001, № 2, 2002, № 5, 2002

26. Свинцов А.Г. Рефлектометрические методы в измерении параметров волоконного тракта. Труды 2 Всероссийской конференции «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейнокабельных сооружений», СПб, 2003 г.

27. Кравцов В.Е., Лукьянов A.M., Подюкова Л.В., Тихомиров С.В. Современные оптические рефлектометры. Вопросы метрологического обеспечения. // Метрология и измерительная техника связи, № 2, 1999 г.

28. Кравцов В.Е., Тихомиров С.В. Метрологическое обеспечение измерений параметров волоконно-оптических систем передачи информации. Метрология и измерительная техника связи, № 1, 1998 г.

29. Измерения на ВОЛП методом обратного рассеяния. Учебное пособие для ВУЗов/ Андреев В.А., Бурдин В.А., Баскаков B.C., Косова А.Л. Самара, СРТТЦ ПГАТИ, 200.-107 е.: ил.

30. Иванов А.Б. Волоконная оптика: Компоненты, системы передачи, измерения. М.: Компания Сайрус Системе, 1999.

31. Былина М.С., Глаголев С.Ф., Кочановский Л.Н., Пискунов В.В. Измерение параметров волоконно-оптических линейных трактов.: Учебн. пособие/СПб ГУТ.-СПб, 2002 г.

32. Danielson В. Optical time domain reflectometer specifications and perfomance testing.- Appl. Opt., 1985,24, №15, p. 2313-2322.

33. Шевцов Э.А., Белкин M.E. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М.: Радио и связь, 1992.

34. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. -512 е., ил.

35. Дж. Сквайре Практическая физика. Пер. с англ. Под ред. Лейкина, М. Редакция литературы по физике, 1971, 246 е., ил.

36. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.-192 е.: ил.

37. Финкелыптейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1983.- 536 е., ил.

38. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами.- М.: Радио и связь, 1985.- 384 е., ил.

39. Golay MJ.E. Complementary series.- IRE Trans., Inf. Th., 1961, v.IT-7, N 2, p.82-87.

40. Jones M. Using simplex codes to improve OTDR sensitivity .- IEEE Photon. Technol. Lett., 1993, 5, N 7, p.822-824

41. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике.- М.: Наука. 1974.- 632 с.

42. John Lidh Understanding OTDRs, ПТ Nettest Laser Precision Division, 1998 r.

43. Аварийно-восстановительные работы на ВОЛП. Учебное пособие для вузов/ Самара, CHNNW GUFNB, 2001 г., 62 е.: ил.

44. Комаров М.Ю. Контрольно-измерительное оборудование для монтажа и эксплуатации волоконно-оптических линий связи. Метрология и измерительная техника связи, № 1,1998 г.

45. Вронец А.П., Семин А.В. Проектирование современных технологий связи. Тезисы докладов 24 Международной конференции дискуссионного научного клуба «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе», 1997 г., с.115

46. Семин А.И. Защита информации на подводных волоконно-оптических линиях связи. Тезисы докладов Международного форума информатизации международного конгресса «Коммуникационные технологии и сети», 1998 г., М., с. 266

47. Семин А.И. Проектирование морских кабельных магистралей связи на базе новых технологий. Вестник связи, № 9, 2002 г., с. 125

48. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Семин А.В. Методические особенности регистрации и обработки сигналов обратного рассеяния. Тезисы докладов 14 научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», М, 2004 г., с. 53

49. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке 2003137925/20 от 16.01.2004 «Оптический корреляционный рефлектометр». Дата подачи заявки 18.12.2003 г.

50. Глаголев С.Ф., Семин А.В. Основные параметры современных оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.

51. Архангельский В.Б., Семин А.В. Способы формирования сложных зондирующих сигналов для оптических рефлектометров. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, СПб, 2004 г.