СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА Российский патент 1996 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к области испытания элементов оптической аппаратуры и может быть использовано для определения расстояния до места повреждения волоконных световодов (ВС) при высоком уровне помех.

Известен способ определения расстояния до места повреждения волоконного световода (см. например, Берноски М.К. Персоник С.Д. Измерения в волоконной оптике, ТИИЭР, т. 66, N 4, с. 75-89), основанный на формировании исходной последовательности электрических импульсов, преобразовании электрических импульсов в оптические импульсы, введении оптических импульсов в исследуемый световод, приеме отраженных импульсов, измерении мощности обратного рассеяния оптических импульсов, пришедших на вход световода, и определении расстояния до места повреждения по отношению мощности принятых импульсов к мощности импульсов, отраженных от поверхности с нормированным коэффициентом отражения.

Способ обратного рассеяния является универсальным при исследовании ВС, так как обеспечивает одновременное определение ряда их важнейших параметров. Однако невысокая точность измерения малых значений мощности отраженных оптических импульсов, вариации числовой апертуры по длине ВС, непостоянство диаметра сердцевины и других геометрических параметров ВС не позволяет определять расстояние до места повреждения с погрешностью менее 3-5 и даже при длине ВС до 10³м.

Известен способ определения расстояния до места повреждения волоконного световода (см. например, Суродин М.П. Тихомиров С.В. Погрешность аттестации и измерений приборов для обнаружения мест повреждения волоконных световодов, Измерительная техника, 1984, N 9, с. 29-30), основанный на формировании исходной последовательности электрических импульсов, преобразовании электрических импульсов в оптические импульсы, введении оптических импульсов в исследуемый световод, приеме отраженных импульсов от места повреждения волоконного световода, измерении временной задержки принятых импульсов относительно опорных по осциллографическому регистратору и определении расстояния L_x до места повреждения по формуле

где с скорость распространения света в вакууме; n_c показатель преломления сердцевины волоконного световода; τ_з измеренное время задержки отраженных от места повреждения ВС оптических импульсов.

Относительная погрешность измерения расстояния до места повреждения ВС при использовании осциллографического метода измерения временного интервала (τ_з) может достигать 5% которая еще более усугубляется при зондировании ВС большой длины (от 10³м и более) из-за большего ослабления принимаемых оптических импульсов.

Известен также способ определения расстояния до места повреждения волоконного световода (см. Введение в технику измерения оптико-физических параметров световодных систем, А.Ф.Котюк, Ю.А.Курчатов, Ю.П.Майборода и др. под ред. А.Ф.Котюка, М. Радио и связь, 1987, с. 52-54), включающий формирование исходной последовательности электрических импульсов, опорных импульсов, преобразование исходной последовательности электрических импульсов в оптические импульсы, введение оптических зондирующих импульсов в исследуемый световод, приеме отраженных от места повреждения волоконного световода импульсов, изменение частоты следования исходных электрических импульсов до момента достижения совпадающих импульсов и вычисление расстояния L_x до места повреждения волоконного световода по формуле

где F частота следования совпадающих импульсов; С скорость света в вакууме; n_c показатель преломления сердцевины волоконного световода.

Поскольку точность измерения частоты F следования импульсов более высокая по сравнению с точностью измерения времени задержки по осциллографическому регистратору, то и расстояние до места повреждения L_x измеряется с более высокой точностью (погрешность не более 1-2 м на длине ВС до 10³м).

Однако при зондировании длинных (до 10⁴ 10⁵ м) и сверхдлинных ВС (до 10⁶ 10⁷м) возникают большие погрешности, если расстояние до места повреждения неизвестно хотя бы приблизительно. Это объясняется тем, что при зондировании длинных ВС частоту следования импульсов приходится увеличивать до такого значения, чтобы обеспечить достаточную среднюю мощность последовательности отраженных импульсов, при которой обеспечивается стабильная и однозначная индикация совпадений отраженных и опорных импульсов. При этом возникает ситуация, при которой отраженные импульсы в процессе изменения частоты совпадут не со своими последующими опорными импульсами, а совпадут с более поздними импульсами. В этом случае действительное запаздывание отраженных от места повреждения ВС импульсов τ_з=nT=n/F, где F частота следования импульсов; n количество импульсов на временном интервале между зондирующим импульсом и совпадающим с ним более поздним отраженным импульсом. Это явление всегда возникает, когда τ_з≫T,, где Т период следования импульсов. Из-за незнания действительного количества импульсов n между совпадающими импульсами возникает большая погрешность в определении расстояния до места повреждения протяженных ВС. Аналогичная ситуация возникает и в коротких ВС, но при высоком уровне помех.

В основу изобретения положена задача создания способа определения расстояния до места повреждения волоконного световода с повышенной точностью в условиях действия интенсивных помех и шумов. Поставленная задача решается тем, что в способ определения расстояния до места повреждения волоконного световода, включающий формирование исходной последовательности электрических импульсов, опорных импульсов, преобразование исходной последовательности электрических импульсов в оптические импульсы, введение оптических зондирующих импульсов в исследуемый световод, приеме отраженных от места повреждения волоконного световода импульсов, изменение частоты следования исходных электрических импульсов до момента достижения совпадения опорных и отраженных импульсов, изменение частоты следования совпадающих импульсов и вычисление расстояния L_x до места повреждения волоконного световода по результатам измерений, согласно изобретению, опорные импульсы формируют в виде оптических импульсов путем разделения оптических импульсов на зондирующие и опорные перед вводом зондирующих импульсов в исследуемый световод, изменяют частоту следования исходных электрических импульсов путем ее увеличения до момента достижения совпадения опорных и отраженных импульсов, а после измерения частоты следования первых совпадающих импульсов F₁ определяют полупериод следования этих импульсов, задерживают принятые отраженные импульсы на время меньше полупериода их следования, уменьшают частоту следования исходных электрических импульсов до момента совпадения задержанных отраженных импульсов с опорными импульсами, измеряют частоту следования вторых совпадающих импульсов F₂, задерживают опорные импульсы на то же время, что и отраженные импульсы, вновь увеличивают частоту следования исходных электрических импульсов до момента совпадения задержанных опорных импульсов с исходными опорными импульсами, измеряют частоту следования третьих совпадающих импульсов F₃, а расстояние L_x до места повреждения волоконного световода L_x вычисляют по формуле

где C скорость света в вакууме; n_c показатель преломления света сердцевины волоконного световода.

В предлагаемом способе в отличие от известного способа уменьшение суммарной погрешности определения расстояния до места повреждения волоконного световода достигнуто путем повышения отношения сигнал-помеха при приеме отраженных импульсов, что достигается согласно изобретению путем увеличения частоты следования импульсов до получения первого совпадения опорных и отраженных импульсов, что обеспечивает превышение средней мощности последовательности отраженных импульсов над мощностью помех и шумов. Исключение погрешности от неоднозначного определения расстояния до места повреждения достигается задерживанием принятых отраженных импульсов на время, меньшее полупериода их следования, уменьшением частоты следования импульсов до момента совпадения задержанных отраженных импульсов с опорными импульсами, измерением частоты следования вторых совпадающих импульсов, задерживанием опорных импульсов на то же время, что и отраженные импульсы, увеличением частоты следования электрических импульсов до момента совпадения задержанных опорных импульсов с исходными опорными импульсами, измерением частоты следования третьих совпадающих импульсов. При этом расстояние до места повреждения вычисляют по формуле, приведенной в формуле изобретения по трем значениям частоты и известным параметрам ВС.

Согласно изобретению определение расстояния до места повреждения волоконного световода производится в следующей последовательности.

Формируют исходную последовательность электрических импульсов, которые преобразуют в короткие оптические импульсы К, К+1, К+2. К+n, К+n+1. (фиг. 2, а) с периодом следования Т, разделяемые на зондирующие и опорные импульсы. Зондирующие импульсы вводят в исследуемый ВС и принимают отраженные от места повреждения импульсы К', К'+1, К'+2. (фиг. 2,б), задержанные относительно опорных импульсов на время
(1)
где L_x расстояние до места повреждения; n_c показатель преломления сердцевины ВС; C скорость распространения света в вакууме. Измеряют частоту следования исходных электрических импульсов до достижения совпадения опорных импульсов с задержанными отраженными импульсами. В процессе изменения частоты следования импульсов фиксируются нечетные совпадения, особенно при приеме импульсов от удаленных повреждений в исследуемом ВС. Из-за различного рода помех и шумов совпадения наблюдаются на ряде близких частот, что затрудняет точное измерение частоты совпадения импульсов. При постепенном увеличении частоты следования импульсов стабильность последующих совпадений возрастает, так как увеличивается средняя мощность последовательности зондирующих импульсов и увеличивается, тем самым, соотношение сигнал-шум принимаемых от места повреждения импульсов.

Частоту следования исходных электрических импульсов увеличивают до значения F₁, при котором достигается стабильная индикация совпадений отраженных импульсов с опорными (фиг. 2,в). В этом случае время задержки импульсов
(2)
где n количество излученных импульсов между моментами излучения и приема одного и того же импульса.

Измеряют частоту следования первых совпадающих импульсов F₁. Определяют период Т₁ 1/F₁ следования этих импульсов.

Затем задерживают принятые отраженные импульсы на время Δτ_з,, которое выбирают меньше полупериода следования импульсов Δτ_з<T₁/2, и фиксируют возникшее несовпадение сравниваемых импульсов (фиг. 2,г).

Далее плавно уменьшают частоту следования исходных электрических импульсов до частоты F₂, при которой регистрируются совпадение вторых задержанных отраженных импульсов с опорными импульсами (фиг. 2,д). Время задержки с учетом дополнительной задержки можно выразить в виде
τ_з+Δτ_з=nT₂=n/F₂.
Измеряют частоту F₂ следования совпадающих импульсов. После этого задерживают опорные импульсы на то же время, что и отраженные импульсы, вновь увеличивают частоту следования исходных электрических импульсов до момента совпадения задержанных опорных импульсов с исходными опорными импульсами. Так, при совпадении каждого второго опорного импульса с задержанным первым опорным импульсом (К' с К+1, К'+1 c К+2, К'+2 с К+3 и т.д.) имеет место соотношение
Δτ_з=T₃=1/F₃, (4)
где F₃ частота совпадения импульсов с задержанной Δτ_з. Измеряют частоту F₃ следования третьих совпадающих импульсов.

Составляют систему уравнений из соотношений (1), (2), (3) и (4)
(5)
Решив систему уравнений (5) относительно расстояния L_x, получают расчетную формулу
(6)
Таким образом, по трем измеренным значениям частоты F₁, F₂ и F₃ следования совпадающих импульсов и известным параметром С и n_c определяют расстояние L_x до места повреждения ВС независимо от соотношения задержки отраженных импульсов с периодом следования зондирующих импульсов.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ определения расстояния до места повреждения волоконного световода, а на фиг. 2 эпюры зондирующих и опорных импульсов, поясняющих способ.

Устройство содержит регулируемый по частоте генератор 1 электрических импульсов, модулятор 2, инжекционный лазер 3, волоконно-оптический направленный разветвитель 4, оптический разъем 5, исследуемый ВС 6, фотоприемник 7, 8, формирователи импульсов 9, 10, переключатель 11, регулируемый одновибратор 12, блок 13 совпадения, схему индикации совпадения 14 и цифровой частотомер 15.

К выходу генератора 1 через модулятор 2 подключен электрический вход лазера 3, оптический выход которого через направленный разветвитель 4 связан через оптический разъем 5 с входом исследуемого ВС 6, а также связан с двумя фотоприемниками 7, 8. Выход фотоприемника 7 через формирователь импульсов 9 соединен с одним входом блока 13 совпадений. Выход фотоприемника 8 через формирователь импульсов 10, переключатель 11 и одновибратор 12 соединен с другим входом блока 13 совпадений. К выходу блока 13 подключена схема индикации совпадений 14, а к выходу генератора 1 импульсов цифровой частотомер 15.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Перестраиваемый по частоте генератор 1 формирует импульсы прямоугольной формы, которые поступают на модулятор 2. Усиленные и сформированные модулятором электрические импульсы длительностью около 10^-8с преобразуются инжекционным лазером 3 в оптические импульсы, которые разделяются направленным разветвителем 4 на опорные и зондирующие импульсы. Зондирующие импульсы через оптический разъем 5 вводятся в исследуемый ВС 6. Опорные импульсы поступают на фотоприемник 7, где преобразуются в электрические видеоимпульсы, из которых формирователем импульсов 9 создаются короткие импульсы, воздействующие на один из входов блока совпадения 13. Отраженные волокном импульсы отводятся на фотоприемник 8, где преобразуются также в электрические видеоимпульсы. Сформированные формирователем 10 короткие импульсы задерживаются одновибратором 12 и воздействуют на другой вход блока совпадения 13. Момент совпадения импульсов, пришедших на входы блока 13, наблюдается и фиксируется оператором, например, по свечению светодиода в схеме индикации совпадений 14. Частота следования импульсов измеpяется цифровым частотомером 15.

Вначале в регулируемом одновибраторе 12 устанавливается нулевая задержка и частота следования импульсов генератора 1 увеличивается до достижения стабильной индикации совпадения в блоке совпадения 13. Измеряется частота следования F₁ первых совпадающих импульсов по частотомеру 15 и определяется их период следования. Затем задержку одновибратора 12 плавно увеличивают до достижения следующего совпадения импульсов. Устанавливают по регулируемому элементу одновибратора примерно ее половинное значение и уменьшают частоту следования импульсов генератора 1 до восстановления совпадений импульсов в блоке совпадения 13. Измеряется частота следования совпадающих импульсов по частотомеру 15. Затем переключатель 11 переводится в нижнее положение, что приводит к задержке части опорных импульсов в одновибраторе 12. Частота следования F₂ импульсов генератора 1 вновь увеличивается до достижения совпадений в блоке совпадения 13 задержанных опорных импульсов с исходными. Соответствующая третьему совпадению частота F₃ измеряется частотомером 15. По результатам трех измерений частоты следования совпадающих импульсов в соответствии с формулой (6) вычисляется расстояние L_x до места повреждения ВС.

Повышение точности определения расстояния L_x достигается за счет следующего:
возможности увеличения частоты следования совпадающих импульсов до получения существенного превышения мощности отраженного сигнала над мощностью помех и шумов на входе фотоприемника;
возникшую при высокой частоте следования неоднозначность совпадений импульсов можно устранить путем проведения трех измерений значений частоты следования совпадающих импульсов;
основную задержку τ_з, дополнительную задержку Δτ_з и суммарную задержку τ_з+Δτ_з измеряют нулевым методом по показаниям цифрового частотомера, что исключает влияние нестабильности электронных блоков измерительной схемы на результат измерения.

Экспериментальные исследования показали, что погрешность определения расстояния L_x до места повреждения при длине ВС до 100 км не превышает 0,5 1 м на длине волны оптического излучения λ 0,8.0,9 мкм и средней мощности импульса 150 мВт. Частота следования импульсов при этом изменялась в пределах 1. 10 кГц при длительности зондирующих импульсов порядка 30 нс.

Использование: измерительная техника для испытания волоконных световодов. Сущность изобретения: в способе определения расстояния до места повреждения волоконного световода преобразуют последовательности электрических импульсов в короткие оптические импульсы, разделяют поток оптических импульсов на опорные и зондирующие, направляют зондирующие импульсы в исследуемый световод, принимают отраженные импульсы, увеличивают частоту следования импульсов до момента достижения стабильного совпадения опорных импульсов с принятыми отраженными импульсами, измеряют частоту F₁ следования совпадающих импульсов, определяют полупериод следования этих импульсов, задерживают принятые отраженные импульсы на время, меньшее полупериода их следования, затем уменьшают частоту следования импульсов до момента совпадения задержанных отраженных импульсов с опорными импульсами, измеряют частоту F₂ следования совпадающих импульсов, задерживают опорные импульсы на то же время, что и отраженные импульсы, вновь увеличивают частоту следования импульсов до момента совпадения задержанных опорных импульсов с опорными импульсами, измеряют частоту F₃ следования совпадающих импульсов. Расстояние L_x до места повреждения волоконного световода вычисляют по результатам измерения частот F₁, F₂, F₃. 2 ил.

Способ определения расстояния до места повреждения волоконного световода, включающий формирование исходной последовательности электрических импульсов, опорных импульсов, преобразование исходной последовательности электрических импульсов, преобразование исходной последовательности электрических импульсов в оптические импульсы, введение оптических зондирующих импульсов в исследуемый световод, прием отраженных от места повреждения волоконного световода импульсов, изменение частоты следования исходных электрических импульсов до момента достижения совпадения опорных и отраженных импульсов, измерение частоты следования первых совпадающих импульсов и вычисление расстояния до места повреждения волоконного световода по результатам измерений, отличающийся тем, что опорные импульсы формируют в виде оптических импульсов путем разделения оптических импульсов на зондирующие и опорные перед вводом зондирующих импульсов в исследуемый световод, изменяют частоту следования исходных электрических импульсов путем ее увеличения до момента достижения совпадения опорных и отраженных импульсов, а после измерения частоты следования первых совпадающих импульсов F₁ определяют полупериод следования этих импульсов, задерживают принятые отраженные импульсы на время меньше полупериода их следования, уменьшают частоту следования исходных электрических импульсов до момента совпадения задержанных отраженных импульсов с опорными импульсами, измеряют частоту следования вторых совпадающих импульсов F₂, задерживают опорные импульсы на то же время, что и отраженные импульсы, вновь увеличивают частоту следования исходных электрических импульсов до момента совпадения задержанных опорных импульсов с исходными опорными импульсами, измеряют частоту следования третьих совпадающих импульсов F₃, а расстояние до места повреждения волоконного световода L_x вычисляют по формуле:

где С скорость света в вакууме;
n_c показатель преломления сердцевины волоконного световода.