Оптический корреляционный рефлектометр Российский патент 2021 года по МПК G01M11/02 

Предлагаемое изобретение относится к области оптических измерений, в частности, к оптико-электронным устройствам для измерения и контроля параметров волоконных световодов (оптическим рефлектометрам).

В настоящее время при измерении параметров оптического тракта наиболее распространенными являются методы импульсной рефлектометрии (OTDR), в которых с помощью импульсного генератора формируют зондирующий оптический сигнал, который через оптический направленный ответвитель вводят в исследуемое волокно. Сигнал обратного рассеяния и отражения от неоднородностей волокна, поступает на фотоприемник рефлектометра. Временной анализ отраженного сигнала обеспечивает фиксацию изменений зондирующего сигнала вдоль волоконного световода (регистрацию рефлектограммы) и последующее определение его параметров (см. 1. А.Г. Свинцов, Н.А. Слуцкий «Системы мониторинга волоконно-оптических сетей связи», Вестник связи, №12, 2000 г.). Для улучшения отношения сигнал/шум используется накопление отраженных импульсов, однако ограничение числа накоплений при заданном времени измерений ограничивает возможности снижения шумов.

Эти ограничения в значительной степени удается преодолеть в методах корреляционной рефлектометрии, основной идеей которых является посылка зондирующих импульсов не дожидаясь прихода отраженного сигнала от дальнего конца тракта, либо посылка длинной пачки импульсов, что позволяет обеспечить улучшение пространственного разрешения и снижение шумов. При этом накопление отраженного сигнала происходит значительно быстрее, и при использовании зондирующего сигнала с автокорреляционной функцией, имеющей узкий пик, путем корреляционной обработки удается получить высокое разрешение рефлектометра при большом динамическом диапазоне (см. 2. Вторая Всероссийская конференция «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений СТЛКС-2003», С. Петербург, 2003 г., стр. 65).

Известны оптические рефлектометры использующие метод корреляционной рефлектометрии, обладающие улучшенным отношением сигнал/шум, (см. 3-6 патенты-аналоги: США №5000568, М. кл. G01N 21/88, опубл. 19.031991 г.; Европейский патент ЕР №0269448, М. кл. G01M 11/00, опубл. 01.06.1988 г., патент СССР №1811599, М. кл. G01M 11/02, опубл. 23.04.1993 г., а также патент на полезную модель RU №37209 М. кл. G01M 11/02 опубл. 10.04.2004 г.).

В указанных выше патентах в качестве зондирующих импульсных последовательностей используются дополняющие (комплиментарные) кодовые последовательности Голея (см. 7-8. Healey Р. « Optical orthogonal pulse compression codes by hopping», Electron Lett. v. 17, 1981, p. 970-971; Sischka F., Newton S.A., Nazarathy M. « Complementary correlation optical time-domain reflectometry», Hewlett-Packard Journal, 1988, p. 14-21). При этом для измерения распределения затухания и мест неоднородностей в волоконных световодах в указанных выше патентах параллельно формируют две биполярные дополняющие кодовые импульсные последовательности, используя генератор дополняющих кодов, из биполярных дополняющих кодовых электрических сигналов формируют комбинационный кодовый электрический сигнал, который с помощью преобразователя кодов преобразуют в два униполярных кодовых электрических сигнала, осуществляют модуляцию этими сигналами излучения лазера, и модулированное излучение лазера вводят через направленный ответвитель в волоконный световод, осуществляя его последовательное зондирование. Затем производят прием и усиление сигналов обратного рассеяния, либо отраженных сигналов с помощью фотоприемника и усилителя, их аналого-цифровое преобразование с помощью АЦП, а затем - цифровую обработку путем вычитания и корреляции, используя вычитающее устройство и коррелятор. Результаты зондирования после указанных преобразований и обработки отражаются на дисплее.

Однако при реализации этого метода возникает ряд проблем.

Для уменьшения отношения сигнал/шум и сокращения времени измерения необходимо увеличивать длину пачки импульсов, но необходимость начинать прием отраженного сигнала только после окончания зондирующей последовательности (для снижения перегрузки мощным сигналом чувствительных фотоприемника и усилителя фототока) исключает возможность приема полной пачки импульсов отраженного сигнала (в частности, импульсов, отраженных от участка волокна, близкого к его входному концу). В результате, при корреляционной обработке сигнала, отраженного от начального участка волокна, возникает «мертвая зона», в которой отражения от участка волокна не регистрируются.

Для уменьшения этой погрешности можно применять не две биполярные дополняющие кодовые импульсные последовательности, а набор, состоящий из 2, 4, 8,... пар дополняющих последовательностей, при этом каждое удвоение числа пар дополняющих последовательностей вдвое сокращает мертвую зону. Однако при использовании набора дополняющих последовательностей пропорционально увеличивается объем вычислений коррелятора, так как необходимо вычислять корреляционную функцию от каждой последовательности, что значительно увеличивает время обработки зарегистрированного сигнала обратного рассеивания.

За прототип выбрано устройство по патенту РФ на полезную модель №37209.

Проблемой, которую необходимо решить, является наличие «мертвой зоны» при корреляционной обработке сигнала, отраженного от начального участка волоконного световода, в которой не регистрируется отраженный от этого участка сигнал, а увеличение пар биполярных дополняющих импульсных последовательностей для сокращения «мертвой зоны» значительно увеличивает объем вычислений и время обработки зарегистрированного сигнала обратного рассеяния.

Техническим результатом изобретения является уменьшение объема и времени вычислений коррелятора, и, следовательно, времени регистрации рефлектограммы.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в оптическом корреляционном рефлектометре, содержащем тактовый генератор, источник оптического излучения, оптически связанный через направленный ответвитель с входным концом исследуемого оптического волоконного световода и с первым входом фотоприемника, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, коррелятор, выходом подключенный ко входу индикатора, согласно изобретению введены генератор непрерывной М-последовательности импульсов, делитель частоты, кольцевой регистр памяти, коммутатор и одновибратор, при этом выход тактового генератора соединен со входами генератора непрерывной М-последовательности импульсов, делителя частоты, управляющим входом кольцевого регистра памяти, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - со вторым входом коррелятора, выход делителя частоты подключен ко входу одновибратора, выход которого соединен с первым входом коммутатора и вторым входом фотоприемника, второй вход коммутатора соединен с выходом генератора непрерывной М-последовательности импульсов и первым входом коррелятора, а выход коммутатора подключен ко входу источника оптического излучения.

При этом формирование пачек непрерывной М-последовательности импульсов, представляющей собой полный набор фрагментов произвольной длины М-последовательности с изменяющейся начальной фазой, осуществляется с помощью введенных генератора непрерывной М-последовательности импульсов, делителя частоты, одновибратора и коммутатора. Одновибратор по импульсу делителя частоты формирует интервал заданной длительности, а коммутатор вырезает из непрерывной М-последовательности импульсов с выхода генератора непрерывной М-последовательности импульсов пачку импульсов с заданной длительностью. Период повторения этих импульсов на единицу больше чем период повторения М-последовательности на выходе генератора М-последовательности импульсов, поэтому фронт импульсов делителя частоты сдвигается относительно импульсов М-последовательности на один импульс за период М-последовательности. Так как фронт импульсов делителя частоты сдвигается, то начальная фаза каждого следующего фрагмента изменяется на единицу. При этом сигнал обратного рассеяния накапливается в одном кольцевом регистре памяти и один раз вычисляется в корреляторе корреляционная функция накопленного сигнала, что значительно уменьшает объем вычислений и время обработки сигнала обратного рассеяния.

Структурная схема предлагаемого оптического корреляционного рефлектометра приведена на фиг. 1, в соответствии с которым он содержит тактовый генератор 1, источник 2 оптического излучения, оптически связанный через направленный ответвитель 3 с входным концом исследуемого оптического волоконного световода 4 и со входом фотоприемника 5, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, коррелятор 7, выходом подключенный ко входу индикатора 8, генератор 9 непрерывной М-последовательности импульсов, делитель 10 частоты, кольцевой регистр 11 памяти, коммутатор 12 и одновибратор 13, при этом вход генератора 9 непрерывной М-последовательности импульсов соединен с выходом тактового генератора 1, входом делителя 10 частоты, управляющим входом кольцевого регистра 11 памяти, а выход генератора 9 непрерывной М-последовательности импульсов соединен со вторым входом коммутатора 12 и первым входом коррелятора 7, выход делителя 10 частоты подключен ко входу одновибратора 13, выход которого соединен с первым входом коммутатора 12 и вторым входом фотоприемника 5, а выход коммутатора 12 подключен ко входу источник 2 оптического излучения.

На фиг. 2, прилагаемой к Приложению, показано формирование фрагментов М-последовательности и изменяющимися начальными фазами.

Предлагаемый оптический корреляционный рефлектометр работает следующим образом. Тактовый генератор 1 вырабатывает импульсы, следующие с периодом (τ, равным заданной длительности зондирующих импульсов. Генератор 9 непрерывной М-последовательности импульсов формирует непрерывную последовательность псевдослучайных импульсов длительностью (τ) с периодом повторения (T=2^γ-1), превышающем время прохождения света по исследуемому волоконному световоду 4 до его конца и обратно. Делитель 10 частоты делит частоту тактового генератора 1 на (2^γ+1),следовательно, вырабатывает импульсы, следующие с периодом (Т=2^γ). Одновибратор 13 по импульсу делителя 10 частоты формирует интервал заданной длительности, а коммутатор 12 вырезает из непрерывной М-последовательности пачку импульсов с заданной длительностью. Так как период повторения М-последовательности (T=2^γ-1) и период повторения импульсов делителя 10 частоты (T=2^γ) отличаются на длительность одного импульса М-последовательности (τ), то каждая следующая пачка импульсов, вырезанная из М-последовательности, будет сдвинута относительно предыдущей на один импульс. Источник 2 излучения преобразует пачки импульсов в оптические зондирующие сигналы. Эти сигналы через направленный ответвитель 3 вводятся в исследуемый оптический волоконный световод 4, а сигнал обратного рассеяния и отражения от неоднородностей волокна, через этот же направленный ответвитель 3 поступают на фотоприемник 5, который преобразует рассеянное и отраженное излучение в электрический сигнал и при необходимости усиливает его. Этот сигнал преобразуется аналогово-цифровым преобразователем 6 в цифровой сигнал и поступает на кольцевой регистр 11 памяти, который управляется тактовым генератором 1 и состоит из (Т=2^γ-1) ячеек памяти соединенных в кольцо. После окончания первого зондирующего сигнала (первой пачки) мгновенные значения оцифрованного сигнала обратного рассеяния заносятся в ячейки кольцевого регистра 11 памяти последовательно, начиная с 1-го номера. После окончания второго зондирующего сигнала (второй пачки) мгновенные значения оцифрованного сигнала обратного рассеяния заносится в ячейки кольцевого регистра 11 памяти последовательно, начиная со 2-го номера, где суммируются с ранее занесенными значениями. После окончания третьего зондирующего сигнала (третьей пачки) мгновенные значения оцифрованного сигнала обратного рассеяния заносятся в ячейки кольцевого регистра 11 памяти последовательно, начиная с 3-го номера, где суммируются с ранее занесенными значениями и так далее. Процесс накопления сигнала обратного рассеяния в кольцевом регистре 11 заканчивается после перебора всех зондирующих сигналов с разными изменяющимися начальными фазами. При необходимости процесс занесения может повториться целое число (L) раз. В результате занесенные в кольцевой регистр 11 памяти значения аналогичны значениям, занесенным при непрерывном зондирующем сигнале в виде непрерывной М-последовательности при накоплении [N=L(2^γ-1)] раз (Приложение 1). Для получения рефлектограммы исследуемого волоконного световода 4 коррелятору 7 достаточно вычислить взаимную корреляционную функцию накопленного в кольцевом регистре 11 сигнала обратного рассеяния и полного периода М-последовательности генератора 9, которая является его опорным сигналом. Выходной сигнал коррелятора 7 отображается на индикаторе 8.

При реализации корреляционного рефлектометра источниками излучения служат полупроводниковые лазеры (Shengshi Optical LD650P20 и Laserscom LDS-1550-DFB-2.5G-15/50-U-2-SMT-N-P-0.5), направленные ответвители изготовлены фирмой Shengshi Optical, в качестве фотоприемника использовался лавинный фотодиод (Shengshi Optical SAP-WS905AD2), а аналогово-цифровым преобразователем выбран (Analog Devices AD9266). Остальные элементы рефлектометра могут быть выполнены программно на персональном компьютере.

Приложение

Выражение для апериодической М-последовательности

где M=(2^γ-1) - число символов в М-последовательности, γ - любое целое число.

Фрагмент, вырезанный из этой М-последовательности

где K - число символов в фрагменте М-последовательности, (m-1) - фазовый сдвиг m-ного фрагмента относительно первого зондирующего сигнала. Такая запись выражения для фрагмента означает, что после последнего символа М-последовательности следует ее первый символ.

Полный зондирующий сигнал представляет собой полный набор фрагментов М-последовательности одинаковой длины, с последовательно изменяющейся начальной фазой от m=1 до m=М.

Истинная рефлектограмма волоконно-оптического тракта по своей форме близка экспоненте и может быть представлена в дискретной форме в виде последовательности значений коэффициентов х(r) обратного рассеяния r-ных элементов тракта, которые учитывают затухание оптического излучения и отражения от неоднородностей при распространение света до этих элементов оптического тракта и обратно.

где R - число элементов последовательности, которая зависит от тактового интервала τ зондирующего сигнала, коэффициента преломления сердцевины оптического волокна n, скорости света с и длины L оптического тракта

Сигнал обратного рассеяния для любого фрагмента М-последовательности

Это выражение позволяет представить сигнал обратного рассеяния в виде последовательно, появляющихся с интервалом τ, мгновенных значений y_m(j) сигнала обратного рассеяния.

Источник излучения 2 преобразует пачки импульсов в оптические зондирующие сигналы, поэтому для исключения перегрузки фотоприемника 6 он во время излучения блокируется. Далее мгновенные значения сигнала обратного рассеяния оцифровываются и записываются в ячейки кольцевого регистра памяти 11, с последовательно нарастающими номерами, начиная с=(1+K). Кольцевой регистр 11 насчитывает М ячеек памяти, включенных в кольцо, то есть при нарастании номеров после записи в ячейку… (М-1), M следует запись в ячейку 1, 2,….

После преобразования

В каждой ячейке содержится сумма сигналов от K точек. Например, в ячейке с номером i содержится информация о точках с номерами от i до (i-K).

После записи мгновенных значений сигнала обратного рассеяния от очередного фрагмента записывается мгновенные значения от следующего фрагмента, при этом новые значения суммируются с записанными.

Зарегистрированный сигнал обратного рассеяния от полного набора фрагментов М-последовательности

Опорным сигналом коррелятора является М-последовательность с изменяющейся начальной фазой от i=1 до i=M.

Взаимная корреляционная функция зарегистрированного сигнала обратного рассеяния и опорного сигнала

Первый и третий члены выражения при любом к представляют собой М-последовательности. Если выполняется неравенство

то произведение этих М-последовательностей равно нулю. Если равенство выполняется, имеем

или

Эта функция повторяет истинную рефлектограмму, сдвинутую на (K).

Предлагаемое изобретение относится к области оптических измерений, в частности к оптико-электронным устройствам для измерения и контроля параметров волоконных световодов. Заявленный оптический корреляционный рефлектометр содержит тактовый генератор, источник оптического излучения, оптически связанный через направленный ответвитель с входным концом исследуемого оптического волоконного световода и с первым входом фотоприемника, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, коррелятор, выходом подключенный ко входу индикатора. Кроме того, введены генератор непрерывной М-последовательности импульсов, делитель частоты, кольцевой регистр памяти, коммутатор и одновибратор, при этом выход тактового генератора соединен со входами генератора непрерывной М-последовательности импульсов, делителя частоты, управляющим входом кольцевого регистра памяти, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - со вторым входом коррелятора, выход делителя частоты подключен ко входу одновибратора, выход которого соединен с первым входом коммутатора и вторым входом фотоприемника, второй вход коммутатора соединен с выходом генератора непрерывной М-последовательности импульсов и первым входом коррелятора, а выход коммутатора подключен ко входу источника оптического излучения. Технический результат - уменьшение объема и времени вычислений коррелятора и, следовательно, времени регистрации рефлектограммы. 2 ил.

Оптический корреляционный рефлектометр, содержащий тактовый генератор, источник оптического излучения, оптически связанный через направленный ответвитель с входным концом исследуемого оптического волоконного световода и с первым входом фотоприемника, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, коррелятор, выходом подключенный ко входу индикатора, отличающийся тем, что введены генератор непрерывной М-последовательности импульсов, делитель частоты, кольцевой регистр памяти, коммутатор и одновибратор, при этом выход тактового генератора соединен со входами генератора непрерывной М-последовательности импульсов, делителя частоты, управляющим входом кольцевого регистра памяти, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - со вторым входом коррелятора, выход делителя частоты подключен ко входу одновибратора, выход которого соединен с первым входом коммутатора и вторым входом фотоприемника, второй вход коммутатора соединен с выходом генератора непрерывной М-последовательности импульсов и первым входом коррелятора, а выход коммутатора подключен ко входу источника оптического излучения.