Лабораторная работа №1 по дисциплине: Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах. Вариант 24. 2023 год

Лабораторная работа No1.
"Математическая модель измерения
по методу обратного рассения"
ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1 Изучить:

Теоретические основы метода обратного рассеяния;
Особенности измерений по методу обратного рассеяния;
2 Получить практические навыки идентификации параметров оптических кабелей по рефлектограммам.


Инструкция по установке программы лабораторной работы

Нажмите левой кнопкой мыши на ссылку "Лабораторная работа OTDR".

В появившемся диалоговом окне выберите "Сохранить эту программу на диске" и нажмите "ОК"

Примечание: файлы лабораторных работ и методические указания запакованы в самораспаковывающийся архив.

Выберите мышью скаченный файл OTDR.exe и запустите распаковку архива двойным щелчком мыши. При этом откроется окно самораспаковывающего архива WinRAR:




В поле "Папка назначения" выберите корневой каталог диска С:\ и нажмите кнопку "Извлечь".

Примечание: если при распаковке откроется окно Помощника по совместимости программ, то укажите, что эта программа установлена правильно.

Откройте окно проводника и перейдите в корневой каталог диска С:/



На диске "С" зайдите в папку "Установочные файлы лабораторной работы", нажав для этого по ней два раза левой кнопокой мыши.



Нажмите два раза мышкой по иконке "Setup.exe", в открывшемся окне нажмите кнопку "ОК", затем в новом окне нажмите мышкой по кнопке с изображенной на ней компьютером. По завершении установки нажмите кнопку "ОК"



Из коневого каталога диска C:/ скопируйте папку "Source" в папку "OTDR.exe", которая появилась в папке "Program Files" (или в папке "Program Files(х86)") при установке (см. предыдущий рисунок).



Для запуска лабораторной работы запустите файл "OTDR.exe" из папки "OTDR.exe" (в папке Program Files). При этом откроется окно лабораторной работы:


Успехов в выполнении работы!


Методические указания по выполнению лабораторной работы

При методе обратного рассеяния свет вводится и выводится на одном конце волоконного световода см. рис.1 Дополнительно можно получить информацию о процессе затухания вдоль световода.



1 – Источник света
2 – Светоделитель
3 – Волоконный световод
4 – Устройство оценки данных
5 – Фотодетектор

Рис. 1.


В основу метода положено рэлеевское рассеяние. В то время как основная часть световой мощности распространяется в направлении "вперед", небольшая ее часть рассеивается назад к передатчику. Эта мощность обратного рассеяния по мере прохождения назад по волоконному световоду также претерпевает затухание. Оставшаяся часть мощности с помощью светоделителя, например полупрозрачного зеркала, расположенного перед световодом, выводится и измеряется. По этой световой мощности обратного рассеяния и времени прохождения по светоду можно построить кривую, на которой наглядно видно затухание по всей длине световода см. рис.2 Прохождение сигнала обратного рассеяния во времени можно легко наблюдать с помощью осциллоскопа.



1 – Обратное рассеяние в начале световода
2 – Обратное рассеяние в соеденителе
3 – Обратное рассеяние в конце световода

Рис. 2.


Если коэффициент затухания и коэффициент обратного рассеяния остаются постоянными по длине световода, то кривая убывает от начала световода экспоненциально. Из-за скачка показателя преломления в начале и конце световода относительно большая часть световой мощности рассеивается обратно в этих местах, что обуславливает наличие пиков в начале и конце кривой. По разности времени Δt между этими двумя пиками, скорости света в вакууме C0 и групповому показателю преломления ng в стекле сердцевины можно рассчитать длину L волоконного световода:



где
- длина волоконного световода, км
- разность времени между пиками начального и конечного импульсов,
- скорость света в вакууме 300 000 км/с
- действительный групповой показатель преломления стекла сердцевины.

Коэффициент затухания для любого участка световода между точками и подсчитывается по формуле:



Вследствие того, что свет проходит вперед и назад, здесь используется коэффициент 5 в противоположность коэффициенту 10, используемому в аналогичном уравнении для метода светопропускания. Это уравнение имеет силу, исходя из предложения, что коэффициент обратного рассеяния, числовая апертура и диаметр сердцевины остаются неизменными по длине световода. Если это не обеспечивается, то рекомендуются провести два измерения на обоих концах световода, а результаты усреднить. Поскольку мощность обратного рассеяния относительно мала, выдвигаются повышенные требования к чувствительности приемника. Для улучшения принимаемого сигнала проводится многократное усреднение отдельных измеренных величин. Измерительные приборы, работающие по принципу обратного рассеяния, называются оптическими рефлектометрами, в которых реализован метод наблюдения за отраженным сигналом. Наряду с измерением коэффициента затухания можно определить местоположения дефектов (изломов) в волоконном световоде, а также проверить оптические потери в соединенных световодах (скачки затухания из-за разъемных и неразъемных соединений).

Методы измерения затухания с использованием светопропускания на европейском уровне описаны в европейском уровне описаны в Европейском стандарте EN 188000 (национальный немецкий стандарт VDE 0888, часть 101), а на международном уровне - в стандарте МЭК (IEC 60793-1-4, методы CIA/CIB). Метод обратного рассеяния документально описан в Европейском стандарте EN 188000 (национальный немецкий стандарт VDE 0888, часть 101) и в международном стандарте МЭК (IEC 60793-1-4, метод CIC).

Метод обратного рассеяния основан на введении в оптическое волокно импульсного оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на фотоприемник в результате обратного рассеивания и отражений распространяющейся в волокне световой волны. При этом световой поток, проходящий по световоду, претерпевает экспоненциальное затухание, т.е. величина P потока светового излучения (амплитудное значение) после прохождения волокна длиной x уменьшается от величины P0 до

P=P0e-ax = P0e-(aa + as) x, (1)

где коэффициент затухания a является мерой затухания. Он может быть разделен на коэффициент поглощения aa и коэффициент рассеяния as. На интервале x + Δx поток излучения меняется на величину ΔP. Для Δx << x справедливо выражение

ΔP = -P0ae-axΔx = -P0ase-ax - P0aae-axΔx, (2)

в котором первый член равенства соответствует составляющей рассеяния, а второй – составляющей поглощения потерь светового сигнала на интервале x + Δx .

Cледует подчеркнуть, что aa и as должны быть постоянны по длине световода. На практике это условие в большинстве случаев выполняется. Исключения ограничены локальными отклонениями и могут быть учтены при расчете.

Рассеянный свет распространяется во все стороны и покидает световод почти полностью. Однако небольшая часть рассеянного света распространяется по световоду обратно и лежит в пределах возможного угла распространения. Распространяющийся в обратном направлении свет от общего рассянного света составляет долю, определяемую коэффициент

G = W/4p = A2N /4n20 , (3)

Где n0 – максимальный коэффициент преломления сердцевины световода; AN – апертурное число и Ω - соответствующий пространственный угол в световоде. Считается, что обратное рассеяние не превышает рассеяния в других направлениях. Для n0=1,46 и AN=0,20 G=6,8×10-3 . В градиентных световодах G еще меньше (около –24ДБ), так как интенсивность света и угол распространения вне сердцевины световода уменьшаются и поддается расчету только для случая чисто релеевского рассеяния. Для дотированных кварцевых и стеклянных волокон это условие выполняется не всегда, поэтому выражение (3) дает лишь оценку. Интервал Δx измерения в световоде зависит от длительности импульса измерителя и для гауссовых импульсов определяется так

Dx =(с/ng) ×Dt (4)

Где Δt – половина длительности измерительного импульса; С – скорость света в вакууме; групповой коэффициент преломления сердцевины световода. Теперь, исходя из (2)-(4), можем расчитать сигнал обратного рассеяния на входе световода:

Ps = (P0ase-axDx)Ge-ax ,

Где первый множитель ( в скобках) соответствует всему рассеянному на интервале (x + Δx) свету, второй – составляющей обратного рассеяния (3), третий – затуханию отраженного потока излучения, распростроняющегося в обратном направлении. Из (5) можно рассчитать затухание обратно рассеинного потока излучения, приведенное ко входу световода.


Cодержание и оформление отчета

1 Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен в соответствии с СТП НЭИС – 01.07.86.

2 Отчет должен содержать: формулировку цели работы, задание к лабораторной работе, основные формулы, в том числе приведенные в разделе 6, результаты расчетов и измерений, выводы по каждому пункту лабораторного задания на основании полученных результатов расчетов и измерений.

3 В целом отчет по лабораторной работе должен быть оформлен каждым студентом индивидуально с соблюдением требований ГОСТ. В частности:

- на графиках отмечаются точки, по которым построены кривые;
- на осях графиков проставляют масштабы и размерности;
- результаты расчетов и измерений следует представлять в виде таблиц;
- графики и таблицы должны быть наименованы;
- в заголовках таблиц проставляются рассчитываемые величины и их размерности;
- результаты расчетов, не помещенные в таблицы, оформляют отдельно следующим образом: формулы, подставленные числовые значения, результаты вычислений с указанием размерностей;
- если на графике имеются несколько кривых, каждая из них должна быть снабжена соответствующими надписями;

4 Все графики необходимо выполнять на миллиметровой бумаге или обычной бумаге в клетку. Масштаб следует выбирать таким образом, чтобы координаты любой точки графика могли быть определены быстро и с удовлетворительной точностью.

5 Нанесение на графике точек, соответствующих расчетам или экспериментальным данным, должно быть выполнено аккуратно и отчетливо. Необходимо пользоваться общепринятыми условными обозначениями величин и сокращениями названий. Рекомендуется выбирать размеры поля рисунков осциллограмм: 8 больших делений по вертикали и 10 – по горизонтали, аналогично координатной сетки экрана осциллографа.

Лабораторная работа 1
2023
Зачет
Лабораторная работа №1 зачтена. Горлов Николай Ильич