CC BY
93
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
ОБНАРУЖЕНИЕ ПРЕДАВАРИЙНЫХ УЧАСТКОВ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
THE DETECTION OF PRE-CRASH SECTIONS OF THE OPTICAL FIBERS USING THE BRILLOUIN REFLECTOMETRY METHOD
И. В. Богачков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. V. Bogachkov
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе рассмотрены вопросы построения систем мониторинга волоконно-оптических линий связи, приведены результаты экспериментальных исследований предаварийных участков с помощью как обычных оптических импульсных рефлектометров, так и с помощью бриллюэновского оптического рефлектометра. Обсуждены вопросы обнаружения предаварийных участков, находящихся под существенными механическими натяжениями, по рефлектограммам. Результаты испытаний подтвердили преимущество бриллюэновского оптического рефлектометра для ранней диагностики оптических волокон.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 8.9334.2017/8.9).
Ключевые слова: оптическое волокно, мониторинг, ранняя диагностика, рефлектометрия, бриллю-эновский рефлектометр.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-88-95
I. Введение
Широкое внедрение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в современные инфокоммуникационные системы сделало актуальной задачу мониторинга и ранней диагностики оптических волокон (ОВ) в проложенных оптических кабелях (ОК).
Важной задачей мониторинга и ранней диагностики ВОЛС является своевременное обнаружение и устранение «проблемных» участков в ОВ : участков с нарушениями «оптического пути», участков с изменёнными температурой и натяжением, участков с изгибами и микроизгибами, участков с несанкционированным доступом (НСД) к ОВ ВОЛС и т. п. [1-5].
К основным задачам систем мониторинга можно отнести следующие:
• дистанционный контроль активных и пассивных волокон;
• автоматическое обнаружение дефектов с указанием их точного местоположения;
• управление процессом оповещения о повреждении ОК;
• своевременное документирование полученных результатов;
• прогнозирование изменений параметров ОК [1, 2].
Эти задачи могут быть решены с помощью автоматических систем мониторинга ВОЛС, включающих в свой состав оптический импульсный рефлектометр (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer), который позволяет обнаруживать дефекты и повреждения ОВ, а также определять затухание в любой точке световода. Работа OTDR основана на методе обратного рассеяния [1].
Системы дистанционного тестирования ОВ (RFTS - Remote Fiber Test System) выпускаются рядом компаний. На российском рынке информационных технологий можно выделить несколько таких систем: ONMSi
(компания «JDSU»), NQMSfiber (компания «EXFO»), Geozondas 7102 (компания «GEOZONDAS»), FiberTest (компания «Agizer»), ПРОФИМОКС (компания «2TEST») и другие.
Организация эффективного непрерывного мониторинга ВОЛС требует правильного выбора системы RFTS, в зависимости от топологии сети, требований надежности, а также стоимости системы для всей планируемой сети и её дальнейшего развития [2].
II. Теория
Система автоматического мониторинга ВОЛС состоит из аппаратной части, в которую входят сервер, клиентские станции, измерительные модули (RTU - Remote Test Unit), оборудование контроля, ОВ и программное обеспечение. Главную часть системы составляет центральный сервер с базой данных, в функции которой входит хранение и управление всей информацией системы мониторинга. RFTS обычно позволяет контролировать как «светлые» (активные), так и «темные» (пассивные) волокна. Тестирование «темных» ОВ можно осуществлять на длине волны оптического сигнала, передающего информацию.
Мониторинг «светлых» ОВ необходимо производить на длинах волн, отличных от рабочей длины волны. Обычно используется длина волны 1625 нм. Для тестирования «светлых» волокон необходимо использовать дополнительные пассивные элементы: мультиплексоры и фильтры для объединения и разделения оптических сигналов, распространяющихся в ОВ при мониторинге [1, 2].
Удаленные тестеры RTU устанавливаются в определенных точках по всей линии связи. Блок RTU состоит из оптического коммутатора для соединения с отдельными волокнами, и одного или двух OTDR (модуль Е81162С компании JDSU). OTDR позволяет обнаружить сварные соединения, коннекторы, макроизгибы, сплиттеры, а также определить потери на неоднородностях, отражения и затухания.
Информация, получаемая от всех блоков RTU, поступает в базу данных.
Клиентские станции объединены с центральным сервером. Они обеспечивают доступ ко всем данным системы для использования их техническими центрами, поддерживают настройку и документацию сетевых структур. Все повреждения регистрируются на центральном сервере, который рассылает аварийные сообщения соответствующим службам.
Для оценки надёжности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) необходимо иметь достоверную информацию о физическом состоянии ОВ в проложенных ОК.
Долговечность ОВ зависит от степени его натяжения и температуры [3-7].
Повышенное натяжение ОВ (порядка 0,2 % и более) в проложенных ОК влияет на долговечность ВОЛС. Для ОК, проложенных под землей, различного рода деформации грунта, проявляющиеся по той или иной причине, могут повлиять на возникновение натяжений в ОВ. Даже незначительные подвижки слоев грунта могут оказаться фатальными для целостности ОК и привести к обрыву ОВ в нем [3-7].
Впервые с указанными проблемами столкнулись в Японии, что объясняется частыми землетрясениями и высокой плотностью расположения высотных зданий, мостов и транспортных магистралей.
При популярном в настоящее время методе прокладки ВОЛС с использованием подвесной технологии (подвешивание ОК на высоковольтных столбах ЛЭП и т. п.), как и в случае с обычным электропроводом, возникает проблема, связанная с обледенением определенных участков ОК в зимний период. Соответственно, под весом льда внутри ОК также могут появиться опасные механические напряжения в ОВ, которые могут оказаться необратимыми и значительно сократить долговечность ВОЛС [1-3].
Другими факторами, влияющими на срок службы и эффективность работы ВОЛС, являются температурные изменения в ОВ. Изменение температуры участка ВОЛС может наблюдаться в результате повреждений на трассе прокладки ОК [10-11].
В связи с наличием вышеперечисленных проблем возникает необходимость в получении достоверной информации о механических натяжениях и изменениях температуры в ОК.
Обычные оптические импульсные рефлектометры (OTDR) не в состоянии определить участки ОВ, имеющие опасное механическое натяжение или изменённую температуру [3].
Для обнаружения механически напряженных участков ВОЛС (натяжения ОВ) или участков с изменённой температурой применяются бриллюэновские оптические импульсные рефлектометры (BOTDR - Brillouin optical time-domain reflectometer) [3-7].
В основу работы BOTDR положен метод бриллюэновской рефлектометрии, основанный на анализе спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (СРМБ) в световоде, которое наблюдается при введении в ОВ излучения повышенной мощности.
Компоненты СРМБ имеют частотный сдвиг на величину, пропорциональную натяжению ОВ и его температуре. Определив положение максимумов СРМБ вдоль световода и вычислив бриллюэновский сдвиг частоты (fB - так называется частота максимума СРМБ), можно получить картину распределения натяжений в ОВ, найти их характеристики и проанализировать причины, вызвавшие эти изменения СРМБ [4-7].
III. Постановка задачи
С целью изучения особенностей рефлектограмм ОВ ВОЛС, находящихся под воздействием опасных факторов, с помощью рефлектометров различных видов были проведены экспериментальные исследования с OTDR Е81162С JDSU, BOTDR «Ando AQ 8603», OTDR «EXFO FTB-400» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».
Исследования поведения СРМБ ОВ различных типов, а также их зависимостей от внешних механических воздействий и температуры, были проанализированы в предшествующих работах [8-11].
IV. Результаты экспериментов
Для изучения реакции системы мониторинга ВОЛС ONMSi на неисправности был проведен следующий эксперимент. На одном из участков ВОЛС была создана аварийная ситуация: в тестируемом световоде было нарушено подключение патч-корда (было частично ослаблено крепление оптического соединителя, что привело к нарушению оптического пути).
После обнаружения этого события система мониторинга выдала сообщение в службу контроля об аварийной ситуации, в котором содержалась информация о месте повреждения, возможной причине, вызвавшей аварию; расстоянии до места повреждения, изменении затухания по сравнению с эталонной рефлектограммой и затухании в линии. В сообщении также приведены файлы с аварийными рефлектограммами.
На рис. 1 представлены рефлектограмма в «проблемном месте» в текущий момент времени (при аварии -«стрелка», «2»), а также рефлектограмма (эталонная - «1») нормально работающей линии (момент времени, предшествующий аварии).
OTDR traces - 2018 Аргб 12:05:57
Рис. 1. «Эталонная» и «аварийная» рефлектограммы OTDR
Из рефлектограммы видно, что авария является критической. В месте аварии («2») существенно превышен допустимый порог затухания, что и стало сигналом о наличии повреждения в ОВ. Так как OTDR измеряет именно оптическое расстояние в ОВ, для устранения повреждения необходимо провести расчет реальной физической длины ОВ и определить конкретное место повреждения в ВОЛС с учетом изгибов трассы прокладки ОК, показателя преломления ОВ и коэффициента повива ОВ в ОК.
После восстановления контакта патч-корда (соединитель подключен с нормально закрепленным коннектором) система мониторинга отправила в службу контроля сообщение об устранении аварийной ситуации, в котором также содержится рефлектограмма текущего состояния ОВ ВОЛС, из которой следует, что рефлекто-грамма световода вернулась в исходное положение и теперь ОВ ВОЛС снова работает в нормальном режиме («1»).
Кроме контроля ВОЛС от НСД и других повреждений в ОК и поддержания долговечности работы сети связи, представляет особый интерес обнаружение участков ВОЛС с повышенными напряжениями и с измененной температурой [5-11].
Для многих организаций, использующих ВОЛС, не особо важна информация о повышенном натяжении и температурных изменениях в ОВ, и они используют традиционные OTDR. Однако тем организациям, которые заинтересованы в повышении надёжности и долговечности ВОЛС, в заблаговременном обнаружении «проблемных» участков ОВ с повышенным механическим напряжением и с измененной температурой рекомендуется включать BOTDR в состав системы мониторинга.
На рис. 2 представлена развернутая рефлектограмма ОТБЯ с «проблемным» участком (в области 1.2 км), который подвергался нагреву, охлаждению и продольным растягивающим воздействиям.
Рис. 2. Рефлектограмма ОТБЯ для «проблемного» участка
Каких-либо изменений («событий») на проблемном участке в рефлектограммах ОТБЯ не наблюдается. (Изменения на исследуемом участке находятся в пределах погрешности ОТБЯ.)
При этом «проблемный» участок уверенно обнаруживается БОТБЯ [3-5]. На рис. 3 представлена развернутая рефлектограмма BOTDR этого же световода при охлаждении «проблемного» участка.
Гснфднпоу: 1Л.нзоы|з гз: п.п оопсН'4
йаидо > гк™ ТОЮ г 1.4НВ3.0 р.и, : 1бш
Ахге . ! 2Л11 Не*. : О 05ш Гс с 1-] 1-1 с 1 > < -у
ЗЪЛХ'Ь! Ю . 7 00СН2 ЕалрЛ-й: ЗО/ЭО
£иар ■ ю. ввссщ еисср ■ юика
Рис. 3. Рефлектограмма BOTDR при охлаждении «проблемного» участка
Смещение СРМБ в сторону уменьшения ^ (Ш) в месте охлаждения хорошо заметно на рефлектограмме.
Результаты исследования проложенного ОК, в котором были выявлены характерные «проблемные» участки, представлены ниже.
На рис. 4 представлена BOTDR рефлектограмма картины СРМБ вдоль ОВ. Сплошной стрелкой отмечен выявленный «проблемный» участок на котором наблюдается существенное изменение СМРБ (смещение ^ - /Вя). При этом профиль СМРБ на нормальном участке отмечен штриховой стрелкой ^^ составляет 10.82 ГГц).
На проблемном участке заметно смещение СМРБ в сторону высших частот (Р2), что связано с существенным натяжением ОВ в данном месте.
Данная ситуация возникла после выхода из строя двух ОВ (OTDR системы мониторинга оператора связи показал обрыв ОВ) из ОК. При этом в других ОВ этого ОК OTDR проблем не обнаружил.
С помощью BOTDR «Москабель-Фуджикура» было найдено проблемное место и обнаружены ОВ, находящиеся в предаварийном состоянии из-за повышенного натяжения.
Рис. 4. BOTDR-рефлектограмма СМРБ в «проблемном» ОК
Световой сигнал в ОВ, находящихся при повышенном натяжении (более 0.2 %), вызывает рост микротрещин, неизбежных в процессе производства ОВ, что и приводит в итоге к «раскачиванию» этих микротрещин в процессе эксплуатации, а в итоге - к деградации ОВ и к его преждевременному разрушению.
На рис. 5 представлена развёрнутая BOTDR рефлектограмма картины СРМБ в «проблемном» месте ОВ.
Сплошными стрелками отмечены изменения СРМБ в «проблемном» месте световода, а штриховыми стрелками - профиль СРМБ в «проблемном» месте.
Из рефлектограммы видно, что наблюдается смещение в сторону повышения частоты (F2). fBs в этом месте равен 10.93 ГГц.
Хотя по данному ОВ информация по-прежнему передаётся и OTDR не находит каких-либо проблем; это ОВ находится в предаварийном состоянии, и в течение года присоединится к первым двум волокнам, упомянутым выше, которые уже вышли из строя и их неисправность была обнаружена OTDR.
Ниже, на рис. 6 и рис. 7, представлены мульти-рефлектограммы BOTDR (зависимости по длине световода натяжения (Strain), профиля СРМБ, ширины СРМБ и потерь), на которых можно заметить как «предаварийное» состояние ОВ (рис. 6), так и еще только «опасное» (рис. 7).
Рис. 5. Развёрнутая рефлектограмма СРМБ в «проблемном» месте ОВ
Рис. 6. Мульти-рефлектограмма BOTDR в «предаварийном» ОВ
Рис. 7. Мульти-рефлектограмма BOTDR в ОВ с «опасным» местом
На мульти-рефлектограмме BOTDR в «предаварийном» состоянии ОВ (рис. 6) мы наблюдаем и натяжение более 1 %, и резкое повышение затухания, и нарушение профиля СРМБ (профиль этого СРМБ представлен на рис. 5 в правом нижнем углу).
Такое ОВ даже после устранения факторов, которые привели к сильной механической нагрузке на ОК, желательно заменить на новое, поскольку при таких условиях долговечность такого ОВ существенно уменьшается и в этом месте «заложено» потенциальное разрушение ОВ.
На мульти-рефлектограмме BOTDR, представленной на рис. 7, ОВ находится в «опасном» состоянии, но после устранения общего для всех волокон ОК раздавливающего фактора это волокно вернётся в нормальное состояние с сохранением заявленного производителем срока службы.
На рис. 8 показана развёрнутая картина натяжения вдоль световода, соответствующая мульти-рефлектограмме рис. 7.
Рис. 8. Картина натяжения в ОВ с «опасным» местом
Из рис. 8 видно, что натяжение в этом месте повысилось на 0.2 % fBs = 10.91 ГГц) относительно ненапряжённого состояния. Изменения максимума СРМБ показаны на рис. 8 штриховой стрелкой. Изменения натяжения на нормальном и напряжённом участках отмечены различными штриховыми линиями.
V. Выводы и заключение
Таким образом, BOTDR обнаружил «проблемный» участок ОВ до начала его разрушения, чего не сможет сделать OTDR. OTDR может обнаружить участки только при уже нарушенном оптическом пути.
В этой статье продемонстрировано, что метод бриллюэновской рефлектометрии позволяет осуществлять раннюю диагностику ОВ ВОЛС и устранять проблемы в ОВ на ранней стадии, что позволяет при устранении мешающих факторов вернуть ВОЛС в безопасное работоспособное состояние.
Системы мониторинга с обычными OTDR не могут решить эту задачу.
У ОВ различных классов и различных производителей наблюдается отличие профилей СРМБ.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 8.9334.2017/8.9).
Автор благодарит ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва) за содействие в проведении экспериментальных исследований.
Список литературы
1. Богачков И. В., Горлов Н. И. Новые задачи технической эксплуатации разветвленных волоконно-оптических сетей // Омский научный вестник. 2009. № 1 (77). С. 195-198.
2. Богачков И. В., Трухина А. И. Проблемы мониторинга современных волоконно-оптических линий связи // Сб. тр. Междунар. конф. по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ, 2017. С. 136-137.
3. Богачков И. В., Горлов Н. И. Совместные испытания оптических импульсных рефлектометров различных видов для ранней диагностики и обнаружения «проблемных» участков в оптических волокнах // Вестник СибГУТИ. 2017. Вып. 1 (37). С. 75-82.
4. Bogachkov I. V., Gorlov N. I. Joint testing of optical pulse reflectometers of various types for early diagnostics and detection of "problem" sections in optical fibers // IEEE 2016 13th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. 2016. Vol. 1. P. 152-156.
5. Богачков И. В., Горлов Н. И., Шевелёва В. В. Поиск проблемных участков в волоконно-оптических линиях с помощью рефлектометров различных видов // Оптическая рефлектометрия - 2016: сб. тез. докл. I Всерос. науч.-практ. конф. Пермь, 2016. С. 45-47.
6. Григорьев В. В., Лященко О. В., Митюрев А. К., Наумов А. Н. Результаты испытаний бриллюэновского рефлектометра // Фотон-экспресс. 2005. № 5. С. 36-37.
7. Акопов С. Г., Васильев Н. А., Поляков М. А. Использование брилюэновского рефлектометра при испытаниях оптического кабеля на растяжение // Lightwave. 2006. № 1. C. 23-25.
8. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования влияний поперечных воздействий на оптические волокна на спектр бриллюэновского рассеяния и характеристики натяжения // Актуальные проблемы электронного приборостроения: тр. XII междунар. конф. Новосибирск, 2014. Т. 3. С. 124-130.
9. Bogachkov I. V. A Detection of strained sections in optical fibers on basis of the Brillouin relectometry method // T-comm. 2016. Т. 10, № 12. С. 85-91.
10. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования характеристик натяжения оптических волокон // Актуальные проблемы электронного приборостроения: тр. XII междунар. конф. Новосибирск, 2014. Т. 3. С. 119-123.
11. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования влияния продольных растягивающих нагрузок на спектр бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах // Вестник СибГУТИ. Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2015. Вып. 3 (31). С. 81-88.
