Что такое оптический рефлектометр
Принцип работы оптического рефлектометра (OTDR)
Оптический рефлектометр (OTDR) – это измерительный прибор, предназначенный для определения расстояния до неоднородностей показателя преломления оптического волокна: сварных соединений, макро изгибов, коннекторов, обрывов и т д. Его работа основана на детектирование отраженных сигналов вследствие Релеевского рассеяния и Френелевского отражения.
В ходе диагностики оптического волокна, оптический рефлектометр посылает в него зондирующий импульс.
Зондирующий импульс – это световой импульс определенной амплитуды и длительности. Его характеристики во многом определяют максимальную протяженность измеряемой линии и разрешающую способность измерения.
Одновременно с запуском зондирующего импульса, рефлектометр начинает отсчет времени. Распространяясь по оптическому волокну, импульс сталкивается с различными препятствиями (повреждениями, неоднородностями), от которых происходит отражение части сигнала. Отраженный сигнал распространяется в обратном направлении и время его поступления на вход рефлектометра фиксируется.
Все неоднородности показателя преломления в рефлектометрии называются “События”. В свою очередь, события делятся на отражающие (вызванные Френелевским отражением) и неотражающие (вызванные Релеевским рассеянием)
Рисунок 1 – Структурная схема оптического рефлектометра
В результате, время распространения сигнала до повреждения вычисляется как разделенное на два время прохождения импульса до повреждения и обратно.
Скорость распространения импульса в волокне вычисляется из формулы
Рисунок 2 – Формула определения показателя преломления
Используя показатель преломления n (выставляется в рефлектометре) и скорость распространения света в вакууме C0 (константа).
Результат измерения рефлектометр представляет в виде графика, называемого рефлектограммой.
Рисунок 3 – Типичная рефлектограмма
Подведя курсор к какому-либо событию, на нижней оси можно увидеть на каком расстоянии от точки измерения оно находится.
Чаще всего, результаты измерений в численном виде приводятся и в таблице событий, в которой указываются для каждого события:
Рисунок 4 – Оптическая рефлектограмма с таблицей событий
Однако в таблицу в автоматическом режиме попадают только идентифицированные рефлектометром события. Вместе с тем, в ряде случаев рефлектометр не способен идентифицировать сварное соединение с малыми потерями, и приходится находить его на рефлектограмме в ручном режиме. Программное обеспечение некоторых рефлектометров позволяет добавить в таблицу найденное в ручном режиме сварное соединение.
Пример
При измерении 12 волоконного кабеля, выяснилось, что 10 волокон имеют по 3 сварки ( на расстоянии 4км, 8 км и 12 км). В 2-х остальных волокнах в автоматическом режиме обнаружено только 2 сварных соединения (на расстоянии 4 км и 12 км). Это вызвано тем, что сварные соединения получились очень хорошими. Вместе с тем, соединения на расстоянии 8 км есть на всех волокнах и ее необходимо показать в отчете. В этом случае, в программном обеспечении открывается рефлектограмма, выставляется курсор на расстояние 8 км и добавляется событие. На этом событии появляется возможность в ручном режиме измерить потери. После добавления такого события, информация о нем появляется в таблице событий и отчете. Таким же способом можно удалить ошибочно найденное событие (Фантом), которое иногда появляется вследствие переотражения сигнала от некачественного или грязного коннектора на входе рефлектометра.
Для получения корректных результатов потерь на событиях, необходимо проводить двусторонние измерения с последующем вычислении среднего значения на каждом событии.
Определение сварного соединения (макро изгиба) оптического волокна при помощи рефлектометра (OTDR)
Как известно, сварное соединение и макро изгиб, относятся к не отражающим событиям, то есть от этих событий не происходит отражения сигнала. Соответственно, для определения их местоположения оптический рефлектометр производит измерение рассеяния света (Релеевского рассеяния) в каждой точке волокна. Причем количество точек измерения является характеристикой АЦП рефлектометра и чем больше количество этих точек, тем больше разрешающая способность прибора.
В настройке рефлектометра присутствует такой параметр как «Порог по не отражающим событиям». Этот параметр определяет минимальный перепад уровня рассеяния, который будет восприниматься рефлектометром как не отражающее событие. Так, минимальное значение порога неотражающих событий у большинства оптических рефлектометров: 0,01 дБ. Это значит, что перепады со значением менее 0,01 дБ будут восприниматься как шумы, а перепады рассеяния более 0,01 дБ – как неотражающее событие, попадать в таблицу событий и обозначаться соответствующим значком (рис 4, события №2,3,4). На первый взгляд кажется, что настройка этого коэффициента не нужна и стоит использовать всегда минимально возможный порог, однако в случае наличия большого количества помех, возможно появление ложных событий, что может ввести измерителя в заблуждение.
Рисунок 5 – Процессы, происходящие в месте сварки волокон различных производителей
На рисунке 5 продемонстрирован случай, когда волокно с большим количеством примесей сварено с волокном с меньшим количеством примесей. В этом случае при измерении слева направо, рефлектометр фиксирует резкое уменьшение уровня обратного рассеяния (Релеевского рассеяния) и идентифицирует событие как неотражающее с большими потерями. При измерении с обратной стороны, при переходе с одного волокна в другое уровень обратного рассеяния резко увеличивается, что идентифицируется как усиление. Естественно, в данном случае мы имеем дело не с реальным усилением, а с псевдо усилением. Поэтому для определения реальных потери на сварном соединении необходимо проводить двусторонние измерение, и вычислять среднее значение потерь на сварном соединении по формуле Асв сред = (А св А-Б + А св Б-А)/2.
Определение разь ё много соединения (коннекторного) оптического волокна при помощи рефлектометра (OTDR)
Разъёмное соединение относится к отражающим событиям. Уровень отражения сигнала от коннекторного соединения описан в соответствующих стандартах и в вебинаре “Оптические разъемы: типы, установка, чистка”. Отраженный от такого соединения сигнал напрямую фиксируется оптическим рефлектометром и отображается на рефлектограмме и таблице событий см. рисунок 3, а также рис 4 (события № 1,5,6,7).
Как мы изобретали оптический рефлектометр
История про высокий порог входа, забеги по граблям и уверенность в завтрашем дне, а также про оптику, схемотехнику и немного про FPGA. На КДПВ — то, что получилось, работает и используется в production, а ниже — рассказ про процесс создания этого «чуда враждебной техники».
В одно хмурое зимнее утро декабря 2007 года маркетологи небольшой компании, занимающейся разработкой электроники, решили, что пора таки сделать свой OTDR. Чтобы был недорогой и, как минимум, не хуже зарубежных с достойными характеристиками.
Сказано — сделано! Проекту дали отмашку на старт и начались исследования, поиски решений и эксперименты. Планы, графики, изучение специальной литературы, параметров, особенностей, возможностей и характеристик аналогичных устройств.
Обязательно нужно отметить, что:
Введение
Попробую рассказать и показать на пальцах зачем нужны рефлектометры, на каких принципах они работают, а также про основные параметры этих измерительных приборов.
Сегодня никого не удивишь высокой скоростью передачи (хотя кому-то и 100 Мбит/с — быстро). Земной шар уже не одно десятилетие опутывают оптическими кабелями, по которым гоняют огромный трафик с гигантской скоростью. 10/40/100G в связке с DWDM с потенциальной полосой 16 терабит/с в одном волокне толщиной с волос — вот на чём держится современный интернет, облака и прочие гуглы-амазоны. Окей, не только на этом, но волоконная оптика всё равно остаётся основной физической средой передачи для таких скоростей.
Мир несовершенен, и кабель в любой момент может быть повреждён: перерублен, разорван, пережат и т.д., и т.п. Хорошо, если это где-то рядом и видно невооружённым глазом: например, иногда можно обнаружить дикий экскаватор, разрывающий пасть льва оптику рядом с вашим датацентром. А если разрыв под водой или под землёй? Прокладывать новый или доставать старый кабель, чтобы найти неисправность, не то, чтобы дорого, а очень дорого. Правильные действия — локализовать проблему и сварить разорванное волокно.
Как найти место повреждения, если длина участка трассы — десятки и сотни километров, и физически добраться до каждого метра кабеля невозможно? Вот тут на помощь и приходит оптический рефлектометр (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometer) — прибор, при помощи которого можно найти место неисправности и определить качество сварки и соединительных разъёмов на расстоянии до… километров и с точностью до… метров/сантиметров. Расстояние и точность зависят от характеристик конкретного прибора. И цена прибора тоже очень хорошо зависит.
Disclaimer: конечно, разрыв — это лишь один из нескольких типов проблем, возникающих при эксплуатации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи), но я не ставлю своей целью подробно рассказать о всех параметрах оптических волокон: есть хорошие книги на русском и английском языках (см. в списке литературы ниже), а также отличная статья на Хабре.
Итак, основные параметры оптических рефлектометров:
Принципы работы OTDR
(совсем примитивно, без углубления в теорию)
Примем как факт, что физика распространения света в оптическом волокне такова, что луч отражается и от оболочки кабеля, и от каждой точки среды распространения, а также от всех неоднородностей на своём пути. Естественно, отражается по-разному и в разные стороны. Нас будет интересовать отражение в обратном направлении, отражение от неоднородностей и ослабление сигнала.
Скорость прохождения луча по волокну примерно в полтора раза меньше скорости света в вакууме. Зная скорость и измерив время между передачей импульса в волокно и приёмом отажённого сигнала, можно однозначно вычислить расстояние до точки отражения.
Световой сигнал, проходящий по волокну, теряет свою мощность. Ослабление мощности (затухание) светового сигнала зависит, в том числе, от длины волны. Если правильно измерить мощность отражённых от удалённых точек волокна импульсов и построить график, то можно получить характеристику трассы — рефлектограмму.
Рефлектограммы
В статье, которая упоминается выше, есть много красивых цветных графиков с рефлектограммами, метками и прочими характеристиками, но смысл у всех картинок один — на них показано изменение мощности отражённого светового луча с увеличением расстояния от начала оптического кабеля.
(расстояние на горизонтальной шкале условно, километров должно быть
больше)
По икс — расстояние, по игрек — отношение мощности отражённого сигнала к мощности переданного. Окей, для тех кто придирается, 5 десятичных логарифмов этого отношения — те самые децибелы, а пять, а не десять — потому, что сигнал проходит двойной путь — туда и обратно. Сигнал убывает по экспоненте, поэтому при логарифмировании получается прямая линия. Кстати, про логарифмирование попозже расскажу отдельно.
Высокие всплески в начале и в конце графика — отражённый сигнал от начала и от конца на границе сред воздух/волокно.
Измерения обычно проводят для двух длин волн — 1310 и 1550 нанометров. Для измерений в PON/FTTH используют сигнал с длиной волны 1625 нм. Коэффициент затухания для разных длин волн разный, это видно на рефлектограммах и может быть определён по углу наклона прямых (как бы) участков графика. Естественно, у разных производителей кабеля коэффициент затухания тоже отличается, и чем он меньше, тем лучше, но порядок очень похож: примерно 0.19 dB на 1 км для волны 1550 нм и 0.33 dB/км для 1310 нм. На рисунке — две рефлектограммы для одного и того же кабеля, сделанные на разных длинах волн:
(расстояние на горизонтальной шкале условно, километров должно быть больше)
Так как рефлектометром пользуются с одного конца кабеля, то измеряют отражённый сигнал, который будет ослаблен ещё на 33 dB на обратном пути и, значит, мощность вернувшегося луча, прошедшего путь в 200 км (туда сто и обратно сто) уменьшится почти в 4 миллиона раз: туда на 33 dB меньше, обратно ещё на 33 db меньше, итого 66 dB (1/(10^-6.6)=3’987’071.7).
Смысл в том, что сигнал на входе приёмника рефлектометра изменяется в большом диапазоне: от десятков миллиВатт до долей наноВатт. А по току — от десятков миллиампер до пикоампер.
На практике к коэффициенту ослабления сигнала добавляются, как минимум, потери на соединительном разъёме и на внутренних сплиттерах. То есть, при проектированиии нужно предусмотреть больший диапазон изменения сигнала. Кстати, для рефлектометров есть понятия номинального рабочего и номинального динамического диапазона. Рабочий, как можно догадаться, меньше.
Зная затухание в кабеле и динамический диапазон прибора по паспорту, можно понять, какое расстояние способен промерить рефлектометр. У обычного магистрального рефлектометра это 36/34 dB. Посчитаем расстояние:
36 dB / 0.33 dB/км = 109 км для длины волны 1310 нм
и
34 dB / 0.19 dB/км = 178 км для длины волны 1550 нм
(пользователи рефлектометров меня опять поправят, что фактически меньше)
В качестве измерительного сигнала используются импульсы заданной длины (от 3 наносекунд до 20 микросекунд). На коротких трассах измерения производятся при помощи коротких импульсов, на длинных, соответственно, длинными. Чем длиннее импульс, тем больше его мощность и тем дальше можно будет видеть его отражение от неоднородностей кабеля и тем более длинную трассу можно «прострелить».
Используем короткие импульсы — получаем высокое разрешение, длинные — дальнобойность. На самом деле, это несколько упрощённо, но, надеюсь, позволяет понять общие проблемы и сложности, возникающие у операторов рефлектометра в процессе выбора параметров: нужен компромисс между разрешающей способностью, дальнобойностью и длительность измерений.
Длиннее импульс — больше мощность и можно промерить очень длинный тракт. Кстати, бесконечно длинный импульс сделать не получится, т.к. нужно отражённый сигнал измерять, а для этого источник излучения должен быть выключен. Да и излучатели расчитаны на импульсный режим работы с определённой скважностью. Если уменьшить период между импульсами или светить очень долго, то можно запросто сжечь лазерный диод, а это, как минимум, дорого и вредно для окружающей среды.
(Длина импульса — это время, в течение которого светит лазерный светодиод. Период — время между импульсами, когда светодиод выключен. В нулевую версию передатчика мы поставили диод от dvd-привода, заклеив синей изолентой линзу и после включения эту изоленту мастерски, с дымом и шипением прожгли насквозь.)
Процесс разработки
Так получилось, что сначала рефлектометр в течение четырёх лет разрабатывала одна команда, на четвёртом году параллельно и в срочном порядке начали создание альтернативной версии, и в этой заметке идёт повествование о приключениях второй команды. Про первый вариант тоже немного расскажу, но потом.
Постановка задачи: сделать электронное устройство — оптический рефлектометр с динамическим диапазоном 35/37 децибел (а не 34/36, чтобы было больше, чем у конкурентов) и мёртвой зоной по событию — не более 1 метра.
После предварительного анализа и расчётов пришли к выводу, что основные
компоненты системы будут такими:
И пр. — это набор сплиттеров, КЗДС (комплект деталей защиты сростка), волокно компенсатора мёртвой зоны, FC-разъём для подключения к измеряемой трассе. Про системы питания и охлаждения тоже не забываем.
Ещё немного исходных данных
Передатчик: нужна большая мощность — ставим в схему мощный излучатель. При этом он должен быть и мощным и быстрым, чтобы работать на коротких импульсах, но не до такой степени мощным, чтобы можно было спички лазерным лучом поджигать или волокно плавить. Расчёты расчётами, но в конце концов пришли к тому, что излучателей на рынке не так много и решили устанавливать с такими же параметрами, как у других производителей приборов. Длиной и периодом импульсов будем управлять от FPGA.
Оптическая часть: два излучателя и сплиттеры 50/50, внешний коннектор — FC.
Приёмная часть: большой динамический диапазон — нужен соответствующий усилитель, и соответствующее АЦП.
Вычислительная часть: в измеряемом тракте всегда будет присутствовать шум (тепловые шумы в волокне, внутренние шумы компонентов прибора, наводки и пр.). От шума можно избавиться традиционным способом — путём усреднения: суммируем N одинаковых измерений и делим на N. Усреднять значения, полученные с АЦП будем в FPGA, хранить — во внешней оперативной памяти.
Стараемся по максимуму использовать готовые компоненты. Например, усилитель с переменными коэффициентами усиления. Впрочем, как раз этот дивайс нам не пригодился.
Блок-схема
Блок-схема раз (неправильная). Логарифмируем
В общем, примерно так:
Для упрощения на рисунке показан только один излучающий диод. В реальном устройстве их два (1310 и 1550 нм, мощность 50 и 40 мВт) или даже три (1625 нм). Сплиттера, вносящего затухание 3 dB, тоже на этой картинке нет.
Лавинный фотодиод — NR8300FP-CC — с типовым коэффициентом умножения M=40 (300 евро за шт.). Зачем лавинный фотодиод и почему нельзя обойтись обычным? Потому что отражённый сигнал, прошедший большое расстояние настолько слаб, что обычный pin-фотодиод просто не будет генерировать ток и нечего будет оцифровывать. А лавинный фотодиод умеет дополнительно усиливать принятый сигнал, на картинке показана зависимость коэффициента умножения лавинного диода от обратного напряжения и от температуры:
Ещё в этом варианте приёмника есть два канала усиления, работающих параллельно. Один с широкой полосой пропускания (600MHz), другой с большим динамическим диапазоном (100 dB-range 10nA-1mA).
А также АЦП (аналого-цифровой преобразователь) — двухканальный, 14-разрядный, 65 MSPS (mega-samples per second), с которого оцифрованные данные поступают на ПЛИС (FPGA), где выполняется усреднение, а потом — передача на верхний уровень, в управляющий процессор.
Кроме того, как уже говорилось, FPGA управляет длительностью импульсов, генерируемых лазерным диодом.
Первый старт
Ура! Схему начертили, плату развели, смонтировали, написали тестовые прошивки для FPGA, управляющие устройством скрипты и начали тестирование.
Передатчик тестировали отдельно, приёмник — вместе с передатчиком.
… Продолжение следует
Продолжение — в следующей заметке, примерно через неделю. И так очень длинно получилось. В следующих главах расскажу про:
Спасибо, что дочитали первую часть истории до конца!
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) в наше время широко используются в сфере телекоммуникаций. Для измерения параметров и диагностики состояния ВОЛС основным прибором является оптический рефлектометр (англ. OTDR, Optical Time Domain Reflectometer).
В этой статье мы рассмотрим:
Как работает оптический рефлектометр
Если очень упрощенно, то рефлектометр посылает в оптоволокно световые (зондирующие) импульсы и измеряет обратное излучение.
Обратное излучение, регистрируемое рефлектометром, возникает в результате трех основных физических причин:
Если более подробно, то во время работы рефлектометра происходит следующее:
Функции рефлектометра
Современные OTDR — это сложные цифровые приборы, которые позволяют проводить в автоматическом режиме целый комплекс измерений:
Конструкция оптического рефлектометра
Типичный оптический рефлектометр обычно выглядит примерно так:
Широкое распространение получили также портативные приборы OTDR, которые меньше и легче, например, оптический рефлектометр Signal Fire S3:
Как мы уже увидели, для функционирования рефлектометра необходимы лазерный светодиод, оптический разветвитель и фотоприемник. Они обычно объединены в оптическом модуле рефлектометра.
Кроме того, современный OTDR комплектуется:
В зависимости от функционала, в рефлектометре могут быть разъемы не только для подключения проверяемого волокна, но также:
Отметим, что функции источника лазерного излучения и измерителя оптической мощности могут осуществляться и через один OTDR-порт.
Посмотрим на примерах. На этом рефлектометре марки VIAVI мы видим (слева направо): порт OTDR для подключения активной линии, обычный порт OTDR, два USB-порта, коннектор для VFL.
На компактном и недорогом Signal Fire S3 три порта: VFL (локация дефектов), OTDR (собственно, рефлектометрия) и OPM (измеритель оптической мощности).
Некоторые модели оснащаются модулями для подключения по Wi-Fi, Bluetooth.
Как правило, большинство представленных на рынке OTDR выполнены в виде самостоятельного устройства, но встречаются оптические рефлектометры, изготовленные в виде приставки/платы для компьютера (ноутбука) или же для мобильных устройств.
Виды оптических рефлектометров
По модульности
Некоторые бренды выпускают модульные рефлектометры. Это более дорогие, мощные и многофункциональные устройства, часто конструктивно выполнены в виде приставки для ноутбука, которая подключается к нему с использованием различных интерфейсов. Большое преимущество таких приборов — это наличие сменных модулей, которые предназначены для различного вида дополнительных исследований и измерений, и которые можно докупать отдельно по мере необходимости.
В «полевых условиях» такие рефлектометры позволяют выполнить ряд необходимых измерений и показать предварительные результаты, однако при подключении к ноутбуку такой прибор превращается в полноценную платформу для анализа параметров ВОЛС.
По функциональности
Здесь сложно провести четкое разграничение по видам, так как рынок предлагает большое разнообразие моделей. Можно выделить 2 основные категории:
По мобильности
С функциональностью тесно связан и такой параметр, как мобильность рефлектометра. Профессиональное лабораторное оборудование обычно не пригодно для «полевых измерений», т. к. имеет крупные габариты и вес и зависимо от питания электросети. А компактный OTDR с минимально необходимым набором функций помещается в руке и удобен для тестирования сети в полевых условиях.
Кроме того, мобильные приборы всегда комплектуются аккумулятором с хорошим запасом емкости.
По видам измерений
Многофункциональные OTDR имеют дополнительные разъемы для подключения двух или трех видов волокна. Часто это модели из верхнего ценового диапазона.
Однако большинство рефлектометров на рынке узкоспециализированы и предназначены для тестирования чего-то одного:
Это удобно, если вы не хотите переплачивать за функции, которые не нужны в вашей работе.
Технические характеристики оптических рефлектометров
Как правило, в спецификациях на оптические рефлектометры мы можем увидеть множество различных характеристик и параметров прибора. Например, это может выглядеть так:
Попробуем разобраться, что они обозначают и какие из них существенны при настройке и эксплуатации прибора.
Критерии выбора оптического рефлектометра
При выборе OTDR, особенно если эта задача стоит впервые, у неподготовленного покупателя могут возникнуть вопросы и даже проблемы по выбору прибора из огромного ассортимента, который есть на этом рынке. Итак, на какие факторы и характеристик требуется обратить внимание в первую очередь?
Рефлектограмма: как ее получить и проанализировать
Типичная рефлектограмма, которая выводится на монитор портативного прибора выглядит примерно так:
Как мы видим, в верхней части построен график с результатами измерений линии, внизу обозначена таблица с «событиями». Для понимания, как расшифровываются все эти пики и ступеньки на рефлектограмме, давайте посмотрим вот такую шпаргалку:
График рефлектограммы построен на осях расстояния и оптической мощности.. Это позволяет определять уровень затухания сигнала после каждого зарегистрированного на рефлектограмме события, а также расстояние до него.
Специалисты, как правило, сохраняют рефлектограмму в памяти прибора (файлы формата SOR, Standard OTDR Record) для дальнейшего детального анализа уже на компьютере с помощью специального софта. Провести замеры на объекте может и не очень квалифицированный специалист, а вот заниматься анализом полученной рефлектограммы должен опытный инженер. Дело в том, что в автоматическом режиме не все события фиксируются OTDR, например, в некоторых случаях специалист может добавить в таблицу с помощью функций программного обеспечения какое-либо событие в ручном режиме. Если же в таблице появилось ошибочно найденное событие, то его можно будет вручную удалить.
Для того, чтобы рефлектограмма получилась качественной и содержала объективные результаты измерений, перед началом тестирования специалистам необходимо установить удлинительную катушку в точке подключения рефлектометра (для измерения потерь на первом коннекторе). А на другом конце оптоволокна нужно подключить коммутационный кабель (для фиксирования потерь в дальнем соединителе). Удлинительная катушка и коммутационный кабель должны быть такого же типа, как и исследуемое волокно.
Как правило, для удобства хранения, удлинительные катушки помещаются в специальные контейнеры (длина катушки может составлять и 100-150 метров, и 1 км, в зависимости от длины тестируемого кабеля).
Также рекомендуется проводить снятие рефлектограммы в противоположных направлениях или переходить в ручной режим для получения уточненных данных.
Советы по использованию оптических рефлектометров
Если вы используете прибор впервые, то предварительно необходимо изучить техническую документацию на него и пройти обучение по его использованию на практике.
Необходимо учесть следующую информацию:
Надеемся, что наша статья оказалась полезной для знакомства принципами работы оптических рефлектометров и методами их применения на практике. Специалисты компании Lantorg проконсультируют вас по всем вопросам и окажут помощь в выборе прибора.