CC BY
240
Мониторинг оптических волокон кабельных линий методами поляризационной рефлектометрии
Ключевые слова: оптическое волокно, поляризационная рефлектометрия, характеристика обратного рассеяния, корреляционная характеристика, дефект.
Известно, что традиционные методы мониторинга оптических волокон кабелей связи не позволяют обнаруживать дефекты волокон на ранней стадии, коїда они еще находятся в пределах оболочки световода. Данная задача решается импульсными оптическими рефлектометрами обратного Бриллюэновского рассеяния. Однако применение данных рефлектометров ограничивает их высокая стоимость. Предлагается мониторинг оптических волокон на основе поляризационной рефлектометрии. Рассмотрена теоретическая модель, предложены метод обнаружения и локализации новых событий по результатам мониторинга и алгоритм сравнения опорной и текущей рефлектограмм, приведены результаты экспериментальных исследований. В основу предлагаемого подхода положено известное "шарнирно-секционное" представление поляризационной модовой дисперсии волоконно-оптической линии передач. При этом рассматривалась кусочно-регулярная модель поляризационной характеристики обратного рассеяния оптического волокна линии передачи с описанием регулярных участков матрицами Джонса. Экспериментально подтверждена возможность локализации методами поляризационной рефлектометрии дефектов на поверхности оболочки световода, микроизгибов оптического волокна, разъемных и неразъемных соединений оптических волокон. Теоретически и экспериментально показана возможность обнаружения и локализации ряда последовательно расположенных событий. Получены экспериментальные оценки погрешностей локализации событий различного типа в зависимости от протяженности кабельной линии и температуры среды, окружающей кабель.
Бурдин В.А.,
д.т.н., профессор, проректор по науке и инновациям ФГОБУВПО ПГУТИ
Дашков М.В.,
к.т.н., доцент кафедры "Линий связи и измерений в технике связи" ФГОБУВПО ПГУТИ
Дмитриев Е.В.,
начальник научно-исследовательского отдела ФГОБУ ВПО ПГУТИ
Известно, что срок службы оптического волокна (ОВ) связан с механическими напряжениями в волокне, обусловленными внешними нагрузками, приложенными к волокну в оптическом кабеле (ОК), и внутренними напряжениями, возрастающими с увеличением размеров дефектов на поверхности волоконного световода [1-3]. Соответственно, для мониторинга состояния ОВ в процессе эксплуатации ОК представляет интерес задача обнаружения участков кабеля с повышенными механическими напряжениями в волокнах и, в том числе, локализации растущих в них микротрещин [4]. То есть участков, на которых имеет место ускореннаяое усталостное разрушение кварцевого волокна. Возможности обнаружения подобных событий методами традиционной рефлектометрии ограничены [5, 6]. Одно из перспективных направлений — косвенные измерения механических напряжений в ОВ по результатам анализа поляризационных характеристик световодов. Однако, известные поляриметрические методы измерений механических напряжений в ОВ применимы лишь на коротких длинах, а традиционные методы обработки поляризационных характеристик обратного рассеяния ОВ, измеряемых с помощью POTDR (Polarization Optical Time Domain Reflectometer), не предназначены для обнаружения локальных событий [7, 8]. В работах [9, 10] предложено для обнаружения новых локальных дефектов оболочки световода, проявляющихся со временем в процессе эксплуатации ОК, анализировать изменения поля-
ризационных характеристик обратного рассеяния ОВ, сравнивая измеряемые в процессе мониторинга ОВ текущие характеристики с предварительно измеренной контрольной. В частности, предложено поиск новых событий вести, используя зависимость от расстояния вдоль ОВ скользящего коэффициента корреляции между контрольной и текущей поляризационными характеристиками обратного ре-леевского рассеяния (ПХОР) ОВ. В дальнейшем эту зависимость будем называть "корреляционной характеристикой". В работах [9, 10] представлены результаты испытаний, выполненных в целях проверки способности предлагаемого метода обнаруживать локальные события, которые не выявляются традиционными методами оптической рефлектометрии, и оценивания погрешности локализации этих событий. Испытания были проведены на физической модели волоконно-оптической линии, собранной из двух длин одномодового ОВ типа SMF-28e на катушках. Дефект на поверхности оболочки создавали с помощью ручки-скалывателя, которой наносили царапину на поверхности оболочки в непосредственной близости от подготовленного к сварке торца волокна. Наличие и глубину дефекта контролировали по "тепловым изображениям", полученным с помощью сварочного аппарата Егюбоп FSU 975 ОВ линии. Испытания проходили в следующем порядке.
• Предварительно, до соединения ОВ на катушках с помощью обычного ОТОР марки Апг^и MW9076 были измерены длины волокон. По результатам измерений длина ОВ на катушке А составляла 0,763 км, а на катушке Б — 0,737 км.
• Затем, сваривали ОВ с помощью сварочного аппарата Егю$оп-952, позволяющего контролировать качество сварки по "тепловым" изображениям. Качество сварного соединения ОВ оценивали по "тепловым" изображениям и с помощью ОТОР Аш%и MW9076.
• С одной стороны линии к ОВ подключали РОТОР, в качестве которого использовали ОТОР НР Е6000А с включенным на входе поляризатором-анализатором поляризации, и измеряли эталонную ПХОР ОВ "без дефекта".
• После чего, не отключая РОТОІ?, разрушали соединение ОВ и повторно их сваривали. При подготовке к повторному соединению ОВ после выполнения операции скола на поверхности кварцевой оболочки одного из ОВ в непосредственной близости от выполненного скола ручкой-скалывателем наносили царапину. При повторной сварке ОВ качество сварки и наличие дефекта оболочки оценивали по "тепловым" изображениям.
• Затем измеряли контрольную ПХОР ОВ "с дефектом".
• На следующем шаге, отключали РОТОІ? и с помощью ОТОЇ? Апгйзи MW9076 оценивали качество сварки. Если удавалось обнаружить дефект по рефлектограммам, полученным с помощью обычного ОТОЇ? Апгйзи MW9076, то данные эксперимента отбрасывались.
Эксперимент повторяли многократно. На рис. 1 в качестве примера приведены эталонная и контрольная ПХОР измеренные до и после внесения события, соответственно, а на рис. 2 график, построенный по результатам вычислений изменений вдоль длины ОВ скользящего коэффициента корреляции между ними ("корреляционная характеристика"). Результаты испытаний наглядно продемонстрировали возможность локализации новых событий, которые не определяются методами традиционной оптической рефлектометрии. При этом погрешности измерения расстояний до местоположения события не превышали 10 м. Вместе с тем, при анализе полученных в результате описанного эксперимента данных возникли следующие вопросы.
Во-первых, использованный способ физического моделирования дефекта не позволяет разделить факторы, изменяющие состояние поляризации. А именно — соединение ОВ, царапина на поверхности кварцевой оболочки ОВ, зажим волокон в сварочном аппарате и т.п. Очевидно, что необходимы испытания, позволяющие оценить возможности обнаружения и локализации отдельно для каждого фактора, приводящего к локальному изменению состояния поляризации.
Во-вторых, как показали испытания, при повторном подключении РОТОІ? к ОВ через оптический разъем поляризационные характеристики ОВ, измеренные до и после повторного подключения могут быть некореллированы. Это наглядно демонстрируют примеры "корреляционных характеристик", полученные при отключении и повторном подключении РОТОІ? через оптический разъем. Очевидно, что на оптическом разъеме имеет место локальное изменение состояния поляризации. Это позволяет предположить, что изменения состояния поляризации на разъеме можно скомпенсировать, включив на входе контроллер поляризации. Проверка данного предположения требует проведения дополнительных испытаний.
И, наконец, в третьих, если в процессе мониторинга РОТОІ? не отключали, то на ближнем конце ПОХР кореллированы, а уже за первым от ближнего конца дефектом они некореллированы. А если дальше есть еще один дефект? Возможно ли развитие метода для обнаружения нескольких дефектов, расположенных последовательно на некотором расстоянии друг от друга? Можно предположить, что если контроллер поляризации может скомпенсировать локальные
18------------і----------і----------і----------■----------1----------і----------
О 0.2 04 0 6 0 8 1 12 14
distance, m
Рис. 1
изменения состояния поляризации, то регулируя состояние поляризации с его помощью на входе, можно обеспечить последовательно корреляцию поляризационных характеристик на регулярных участках между дефектами. Проверка данного предположения также требует проведения дополнительных испытаний.
Исследования чувствительности метода к отдельным событиям проводились на макете, состоящем из четырех катушек оптического волокна SMF-28e общей протяженностью 3.929 м. Одна из бухт ОВ наматывалась таким образом, чтобы можно было получить доступ к участку ОВ, находящемуся на расстоянии 100 м от одного из концов бухты. На этом участке и формировались новые события. В качестве POTDR использовали стандартный рефлектометр HP E6000A с оптическим поляризатором на выходе. Для согласования состояния поляризации лазера рефлектометра с поляризатором перед поляризатором включили контроллер поляризации. Были выставлены следующие параметры: длина волны 1550 нм, длительность импульса 30 нс, время усреднения 1 мин. Испытания проводились в следующей последовательности. Подключали POTDR. Измеряли контрольную ПХОР ОВ линии без внесенного исследуемого события. Затем на выделенном участке ОВ формировали новое событие—дефект оболочки световода, микроизгиб, локальное радиальное воздействие на ОВ, механическое и сварное соединение волокон. После чего измеряли текущую ПХОР ОВ линии с внесенным исследуемым событием. По данным контрольной и текущей ПХОР рассчитывали "корреляционную характеристику", по которой и определяли местоположение внесенного события. В процессе испытаний для каждого вида событий POTDR был постоянно подключен к ОВ линии.
В данной работе исследовали влияние следующих видов событий: изгиб волокна, локальная радиальная нагрузка на волокно, трещина на поверхности световода, а также механическое и сварное соединения ОВ. Для формирования исследуемых видов событий применяли следующие способы их физического моделирования.
Для формирования изгибов кольцо ОВ с начальным радиусом 30 мм помещали между двумя параллельными пластинами. При уменьшении расстояния между пластинами появлялись изгибы ОВ с размерами меньше критического, что позволило контролировать размер изгибов и в то же время не оказывать других влияний на ОВ. Эксперименты показали, что контроль обычным рефлектометром при длине волны 1550 нм не позволяет выявить изгибы радиусом более 18 мм.
Радиальная нагрузка имитировалась путем зажатия ОВ в скалы-вателе Sumitomo FCP-22L. В данной модели нагрузка к ОВ прикладывается на двух площадках шириной 4 мм с прижимной нагрузкой 0.55 Н.
К физической модели дефекта на поверхности ОВ предъявлялись особые требования. Дефект на поверхности оболочки волоконного световода должен создавать напряжения в ОВ в пределах 0,3%<s<1 %. То есть, больше допустимого 0,25%, но меньше значения, при котором начинается последняя (вторая для двухстадийной
distance, km
Рис. 2
модели) стадия разрушения ОВ, когда оно разрушается менее чем за 1 с или 1 час. Граница дефекта не должна достигать области оболочки, прилегающей к сердцевине. Была предложен следующий способ формирования дефекта. Для исключения влияния вибрации и перемещения волокна на результат измерений предварительно зачищенный участок волокна, выведенный из середины бухты, помещался в прецизионный скалыватель Sumitomo FCP-22L и дополнительно фиксировалось в нем с помощью липкой ленты. Для формирования дефекта нож скалывателя прокатывался в двух направлениях несколько раз. После чего поднимали зажимы скалывателя и волокно с дефектом выдерживали некоторое время в свободном состоянии до начала измерений. Для получения дефектов различных размеров высота ножа может регулироваться, а также изменяться число проходов ножа. Параметры дефекта оценивали по фотографиям участка волокна с царапиной на оболочке световода.
Чтобы ввести новое соединение ОВ волокно на заданном участке ломали, а затем в этом месте соединяли механически или с помощью сварки.
Результаты испытаний показали, что реакция ПХОР и, соответственно, "корреляционной характеристики" на события разного типа практически идентична. В общем вид "корреляционных характеристик" для всех исследуемых событий полностью совпадал с "корреляционными характеристиками" полученными в эксперименте, описанном в [9, 10], пример которых приведен на рис. 1. Отсюда следует вывод о неприменимости данного метода для идентификации события. Но, при этом, все рассмотренные события могут быть обнаружены предлагаемым методом. Изгибы ОВ с радиусом более 20 мм обнаруживали с погрешностью не более 30 м. Погрешности локализации всех остальных исследуемых событий не превышали 10 м.
Поскольку реакция ПХОР на события разного типа идентична, в дальнейших исследованиях, представленных в данной работе, ограничились испытаниями с введением локальной радиальной нагрузки на ОВ.
В целях проверки предположений о возможности компенсации локального изменения состояния поляризации с помощью включен-
ного на входе контроллера поляризации, а также исследований потенциальных возможностей локализации нескольких последовательно расположенных в линии событий были проведены следующие испытания. Была собрана физическая модель волоконно-оптической линии, схема которой приведена на рис. 3.
В целом порядок испытаний был тем же, что и в эксперименте, описанном в [9, 10], но, в отличие от него, текущие ПХОР измеряли после повторного подключения исследуемого ОВ через оптический разъем. При этом, с помощью первого контроллера поляризации согласовывали лазер и поляризатор, а с помощью второго контроллера поляризации компенсировали изменения состояния поляризации на локальных событиях. На рис. 4 представлены типичные примеры "корреляционных характеристик" при настройке второго контроллера поляризации на максимум "корреляционной характеристики", соответственно, в ближней и дальней зоне (до и после внесенного события). Результаты испытаний подтвердили, что с помощью включенного на входе контроллера поляризации можно компенсировать локальное изменение состояния поляризации на длине волокна. А также, что с помощью включенного на входе контроллера поляризации можно последовательно отдельно по участкам повышать корреляцию ПХОР на регулярных участках ОВ между событиями, что, в свою очередь, позволяет обнаруживать предлагаемым методом несколько последовательно расположенных событий в ОВ.
Таким образом, в работе подтверждены потенциальные возможности использования РОТОР для выявления и локализации дефектов ОВ. Были проведены экспериментальные измерения для трех типов дефектов ОВ, детектирование которых традиционными ОТОР невозможно. Полученные в работе результаты продемонстрировали, что предлагаемый подход, базирующийся на сравнении ПХОР, измеряемых в процессе мониторинга, позволяет разрабатывать эффективные методы обнаружения и локализации дефектов ОВ, расширяющие возможности систем мониторинга ВОЛП.
Литература
1. Semjonov Si, Glaeseman G.S., Clark DA, Bubnov M.M., "Fatigue behavior of silica fibers with different defects," SPIE Proceedings, 4215, 28-35 (2001).
2. Matthewson MJ, "Env'ronmental effects on fatigue and lifetime predictions for silica optical fibers," SPIE Proceedings, 4940, 80-92 (2003).
3. Castilone R.G, Glaesemann G.S., Hanson TA, "Relationship between mirror dimensions and failure stress for optical fibers," SPIE Proceedings, 4639, 11-20(2002).
4. Koga H, KuwabaraT, Mitsunaga Y, "Future maintenance systems for optical fiber cables," ICC'91, IEEE, 0323- 0329 (1991).
5. Anderson D.R, Johnson L., Bell FG, [Troubleshooting optical-fiber networks. Understanding and using your optical time-domain reflectometer], Elsever,
(2004).
6. VoronkovA.V, [Investigation of the reflected in cladding defects of optical fibers and recommendations for the maintenance of optical cables], Samara
(2005)
7. lasaarela I, Karioja R, Kopola H, "Copmparison of distributed fiber optic sensing methods for location and quantity information measurements," Opt. Eng., 41(1), 181-189(2002).
8. Galtarossa A, Menyuk C.R, [Polarization Mode Dispersion], Springer Science, (2005).
9. Burdin VA, Dmitriev E.V, "Fiber light-guide cladding defects localization on short length of optical fiber," Infokommunikacionnye tehnologii 8(3), 34-37 (2010).
10. Burdin VA, Dmttriev E.V, "Methods and measuring tools for fiber defects localization on fiber optic cable construction length," Vestnik svyaz 7, 19-21 (2010).
