Рефлектометрия оптического кабеля

Как эксплуатация, так и строительство линий связи связаны с постоянным объективным контролем качества этих линий. Измерения на ВОЛС в зависимости от поставленных задач фиксируют различные параметры и производятся при помощи различных приборов, основным из которых является оптический рефлектометр.

Оптический рефлектометр (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR) применяется на всех этапах строительства и эксплуатации ВОЛС — от входного контроля кабеля перед началом работ до определения мест аварий после продолжительной работы уже построенной сети. Его принцип работы основан на измерении сигнала обратного релеевского рассеяния при прохождении по волокну оптического импульса и отраженных сигналов в линии.

Рассеянные в волокне импульсы света возвращаются в рефлектометр и передаются на фотоприемник, где они преобразуются в электрический сигнал. Этот сигнал, в зависимости от настроек прибора, накапливается, обрабатывается программным обеспечением и отображается на дисплее в графической форме, которая называется рефлектограмма. Такое представление информации позволяет анализировать её как визуально, так и автоматически с помощью встроенных программных алгоритмов.

Примеры рефлектограмм оптического кабеля

Пример рефлектограммы смонтированной волоконно-оптической линии связи показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Рефлектограмма смонтированной ВОЛС

Вид отдельных частей рефлектограммы соответствует структуре измеренной ВОЛС, имеет свой характерный образ на дисплее рефлектометра и может быть легко идентифицирован опытным оператором, либо самим прибором в режиме автоматической работы.

Процесс снятия рефлектограммы зависит от этапа работ и типа построенной линии. При входном контроле оптического кабеля волокно подключается непосредственно в рефлектометр при помощи специального адаптера, а измеряемые при этом длина линии и километрическое затухание не требуют большого времени для сбора данных. Измерения уже построенной ВОЛС производятся на концах линии, где рефлектометр подключается к оконечным оптическим устройствам с помощью оптического шнура или компенсационной катушки с оптическим волокном. Такие измерения требуют лучшей детализации при сборе данных, и для снятия одной рефлектограммы нужно большее время. Но и в этом случае время изменений составляет, как правило, от 10 до 30 секунд в зависимости от длины линии.

Анализ графической информации происходит при этом как в процессе снятия рефлектограммы, так и после на экране прибора или в интерфейсе программы для обработки рефлектограмм.

Первое, на что нужно обратить внимание в процессе рефлектометрии, — это начало линии. Оно на рефлектограмме представлено в виде почти вертикальной линии, которая затем переходит в прямую горизонтальную. При этом переход должен быть близким к прямому углу, а само начало рефлектограммы должно находиться на экране прибора как можно выше (рисунок 2). Это значит, что подключение выполнено качественно и результаты измерений будут корректными.

Рисунок 2. Пример качественного подключения к измеряемому волокну

Если в начале рефлектограммы переход к горизонтальной линии очень плавный и растянутый или горизонтальная линия отсутствует совсем, то это говорит либо о некачественном подключении к волокну, либо об отсутствии подключения соответственно. Пример отображения на рефлектограмме некачественного подключения показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Пример некачественного подключения к измеряемому волокну

Такая рефлектограмма не сохраняется. После устранения причин некачественного подключения, снятие рефлектограммы производится заново. Это может быть грязь на торцах коннекторов, неправильная их установка или брак. Также это может быть вызвано макроизгибами оптического волокна или плохой сваркой в кроссе. Если измерения производятся при помощи оптического шнура, то причина может быть и в нем.

Участки однородного оптического волокна (участки строительной длины) отображаются на рефлектограмме в виде прямых линий достаточно большой протяженности с небольшим наклоном (рисунок 4).

Рисунок 4. Пример рефлектограммы однородного участка

Во время снятия рефлектограммы необходимо также обращать внимание на то, чтобы все однородные участки не должны быть зашумлены, то есть визуально прямая линия не должна быть волнистой. Шумы на рефлектограмме могут являться следствием плохого подключения к измеряемому волокну или неправильной настройки таких параметров рефлектометра, как длительность импульса и время усреднения. Пример рефлектограммы того же волокна, но с большим уровнем шумов, вызванным неправильной настройкой показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Шумы на рефлектограмме

Шум на рефлектограмме лишает возможности обнаруживать или измерять оптоволоконные соединения и дефекты с низкими потерями. Либо наоборот рефлектометр или программное обеспечение для обработки рефлектограмм при автоматическом анализе могут принять часть шумов за дефекты волокна. На рисунке 5 такие ложные дефекты на рефлектограмме обозначены цифрами 1 и 2. При этом если посмотреть рефлектограмму того же волокна на рисунке 4, то на этом участке линия прямая без каких-либо отклонений.

Сварные и коннекторные соединения волокон, изгибы и другие дефекты волокна, которые отображаются на рефлектограмме называют неоднородностями или событиями. Неоднородности могут быть отражающими и неотражающими. Первые выглядят на рефлектограмме в виде пиков, вторые представляют из себя ступеньки, направленные вниз.

Анализ неоднородностей происходит уже после снятия рефлектограммы, когда после расставления маркеров или курсоров вычисляются потери на том или ином событии. При этом многое зависит от правильной интерпретации характера неоднородности.

Сварные соединения волокон на рефлектограмме выглядят как ступеньки. По высоте ступеньки можно сделать первичный вывод о качестве сварного соединения, но окончательно определить в норме оно или нет можно только после измерения этого же соединения с другой стороны и усреднения результата. Ступенька при хорошем соединении либо не видна на рефлектограмме вовсе, либо очень мала. У плохого же соединения размер ступеньки относительно большой и хорошо виден. Примеры хорошего соединения (событие номер 1) и плохого соединения (событие номер 2) представлены на рисунке номер 6.

Рисунок 6. Сварные соединения на рефлектограмме

Иногда возникает такая ситуация, что сварное выглядит как ступенька вверх (событие 2 на рисунке 7). Такое отрицательное затухание на рефлектограмме вызывается стыковкой волокон с разным диаметром модового пятна или разными коэффициентами обратного рассеяния. Волокно, следующее после сварки, отражает импульс более интенсивно, и это событие алгоритмически воспринимается рефлектометром как усиление сигнала.

Рисунок 8. Отрицательное затухание на рефлектограмме

Это явление наиболее часто встречается, когда свариваются волокна двух разных изготовителей. Если то же самое соединение протестировать с противоположного направления, то на рефлектограмме оно будет выглядеть уже как обычная ступенька вниз. В этом случае истинным значением потерь, как и с обычным соединением, будет среднее значение двух показаний.

Макроизгиб оптического волокна выглядит на рефлектограмме также, как и сварное соединение, в виде ступеньки. Отличить изгиб от плохого сварного соединения можно, сняв рефлектограмму на двух длинах волн. Например, 1310 и 1550 нм при измерении одномодового волокна. На большей длине волны даже визуально, будет виден больший уровень падения сигнала.

На рисунке 9 приведен пример измерения одного события на длине волны 1310 нм (рефлектограмма красного цвета) и 1550 нм (рефлектограмма черного цвета).

Рисунок 9. Измерение макроизгиба на двух длинах волн

Разница в потерях на приведенном примере очевидна. При измерении сварного соединения, независимо от его качества, на обеих длинах волн потери будут примерно одинаковы. На рисунке 10 приведен пример измерения сварного соединения на длине волны 1310 нм (рефлектограмма красного цвета) и 1550 нм (рефлектограмма черного цвета).

Рисунок 10. Измерение сварного соединения на двух длинах волн

Здесь потери выглядят примерно одинаково, на меньшей длине волны даже чуть больше. Умение отличать на рефлектограмме плохую сварку или изгиб очень важно — как при строительстве, так и при эксплуатации ВОЛС. Во-первых, наличие изгиба показывает, что на волокно или кабель уже совершается какое-то недопустимое воздействие, которое может в дальнейшем привести к потере сигнала. Во-вторых, при устранении неисправности не нужно будет терять время на совершение бесполезных действий. Например, исправление плохой сварки в муфте, когда проблема может быть в загибе волокна на вводе в неё.

Соединение двух оптических коннекторов, как все неоднородности с отражением, представлено на рефлектограмме в виде пика (рисунок 11).

Рисунок 11. Коннекторное соединение на рефлектограмме 

Трещина на волокне будет тоже графически представлена в виде пика, но, в отличие от соединения, на стыке будут очень большие потери и высота соединения будет меньше. Также в виде пика на рефлектограмме может быть отображено переотражение конца линии при неправильно выставленном диапазоне расстояний. При выставлении правильных параметров это ложное событие исчезает.

При снятии рефлектограммы очень важно видеть конец линии. Чаще всего он графически представлен, как и все неоднородности с отражением — в виде пика, после которого уже нет ровных линий однородного участка волокна, а идут одни шумы (рисунок 12).

Рисунок 12. Конец волокна на рефлектограмме

Но бывают и такие случаи, когда отражения на конце измеряемого участка нет. Это может быть в случае установки коннектора с косой полировкой, загиба волокна или помещения конца волокна в жидкость. Пример конца волокна без отражения приведен на рисунке 13.

Рисунок 13. Конец волокна без отражения

Точно понимать, где находится конец волокна и какие могут быть его особенности при отображении на рефлектограмме, важно при аварийно-восстановительных работах на ВОЛС. Это ускоряет как поиск самого повреждения, так и определение его характера. Например, отсутствие отражения может говорить о чрезмерном загибе кабеля, и аварийной бригаде нужно искать прежде всего его.

При этом важно понимать, что после конца оптического волокна на рефлектограмме должна идти шумовая дорожка. Если ее нет, как на рисунке 14, то это говорит о том, что параметры измерений выбраны неправильно и нужно поменять диапазон измеряемой длины.

Рисунок 14. Конец рефлектограммы с неправильным диапазоном длины

Анализ рефлектограмм

После того как измерение оптического волокна закончено, а внешний вид рефлектограммы не содержит ошибок перечисленных выше, рефлектограмма сохраняется для дальнейшей обработки и анализа.

Практически все рефлектометры сохраняют результат измерений в формате SOR. Он является наиболее распространённым и читается всеми приложениями для обработки рефлектограмм. Еще одним форматом для сохранения является TRC, с ним в частности работают приборы компании EXFO. Но для удобства дальнейшей работы с сохраненной рефлектограммой лучше выбрать сохранение в SOR в настройках рефлектометра.

Также современные рефлектометры могут сохранять результат измерений виде изображения в распространенных графических форматах (PNG, JPEG) или отчета в формате электронных документов PDF. Это удобно если необходимо предоставить результат измерений без необходимости устанавливать специализированное программное обеспечение, но делает невозможным дальнейшую обработку и анализ рефлектограммы.

Программы для чтения и обработки рефлектограмм

Если рефлектометр используется прежде всего для проведения измерений и визуального контроля качества рефлектограммы, то дальнейшую обработку рефлектограммы для составления отчетов удобно проводить в специализированном программном обеспечении.

Такие специализированные программные продукты есть у большинства производителей рефлектометров, обычно их интерфейс и методики измерений схожи с самим рефлектометром. Поэтому программу лучше выбирать исходя из того, каким рефлектометром производятся измерения. Но, независимо от того, чем были произведены измерения, рефлектограммы формата SOR открывают все программы. Если необходимо открыть рефлектограмму в формате TRC, то лучше воспользоваться программами от компании EXFO, такими как LiteReporter и FastReporter.

Смотрите наш обзор ПО для обработки рефлектограмм:

Программы для обработки рефлектограмм позволяют производить измерения длины волокна, километрического затухания его однородных сегментов, а также потерь на сварных и коннекторных соединениях. Делать это можно как в режиме автопоиска неоднородностей, так и в ручном режиме.

При необходимости составления отчета в таких специализированных программах, помимо отображения всех событий на волокне, можно внести все данные о ВОЛС, монтажной организации, лицах, проводивших измерения и другую необходимую информацию. Отчеты можно как сохранять в формате документа (EXCEL или PDF) или сразу выводить на печать из оболочки программы.

Изображения рефлектограммы для данной статьи были взяты из программы AQ7933 OTDR Emulation Software от компании YOKOGAWA. Внешний вид интерфейса программы приведен на рисунке 15.

Рисунок 15. Интерфейс программы AQ7933 OTDR Emulation Software

На мобильных устройствах можно воспользоваться приложением Гамма ODTR от компании «Связьприбор» (рисунок 16). Приложение может использоваться как совместно с рефлектометрами серии ГАММА для их удаленного управления, так и как самостоятельный продукт для просмотра рефлектограмм и подготовки отчетов.

Рисунок 16. Скриншот приложения Гамма OTDR

Пару слов о рефлектометрии медного кабеля. Прибор для измерения медных кабельных линий тоже называется рефлектометр (Time Domain Reflectometer, TDR) и его принцип действия схож с оптическим рефлектометром. Он также отправляет в линию импульс, но уже электрический, который также отражается от различных дефектов кабеля. Появлению таких рефлектометров предшествовало появление технологий высокоскоростной передачи данных, где любые дефекты могли привести к потере сигнала. Но, несмотря на общие названия и принцип действия, оптический рефлектометр и рефлектометр для кабельных линий существенно отличаются, как и отличаются их рефлектограммы.