CC BY
3
УДК 621.317.741
Быков Н.А.
Сотрудник Академии ФСО России г. Орёл, РФ Лагутин П.С.
Сотрудник Академии ФСО России г. Орёл, РФ Быкова Ю.С.
Студент Кубанского Государственного технологического университета г. Краснодар, РФ Научный руководитель: Стремоухов Ю.К.
Сотрудник Академии ФСО России г. Орёл, РФ
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РЕФЛЕКТОМЕТРОМ ЗАТУХАНИЯ В ВОЛС
Аннотация
В статье приводятся основные причины затухания полезного сигнала в волоконно-оптических линиях связи, механизм их выявления при помощи рефлектометра, а также возможные способы повышения точности измерений.
Ключевые слова:
рефлектометр, Френелевское отражение, Рэлеевское рассеяние, макроизгиб, точность измерений,
фотодиод, погрешность, разрешение.
Summary
The paper presents the main causes of useful signal attenuation in fiber-optic communication lines, the mechanism of their detection with the help of OTDR, as well as possible ways to improve the accuracy of measurements.
Keywords:
reflectometer, Fresnel reflection, Raileigh scattering, macrobending, measurement accuracy, photodiode, error.
Оптический рефлектометр (OTDR) представляет собой измерительный прибор, предназначенный для измерения расстояния до неоднородностей показателя преломления в оптических волокнах (сварные соединения, макроизгибы, разъемы, обрывы проводов и т.д.). Его принцип действия основан на детектировании отраженных сигналов, обусловленных Рэлеевским рассеянием и Френелевским отражением.
Рассмотрим принцип работы рефлектометра. При волоконно-оптической диагностике оптический рефлектометр посылает в волокно зондирующие импульсы. Зондирующий импульс - это оптический импульс постоянной амплитуды и длительности. Его свойства определяют динамический диапазон и разрешение измерений. Как только начинается зондирующий импульс, рефлектометр начинает отсчет времени. При распространении по оптическому волокну он встречает различные повреждения и неоднородности, от которых часть сигнала отражается. Отраженный сигнал поступает в оптический приемник, а время его поступления на вход рефлектометра записывается в память. Все неоднородности показателя преломления на рефлектограмме отображаются в виде
"событий" (рис. 1). События делятся на отражающие (за счет Френелевского отражения) и неотражающие (за счет Рэлеевского рассеяния).[1] В большинстве случаев результаты измерений в числовом виде также приводятся в таблице событий и указываются для каждого события:
1. Потери, дБ (на отражающих и не отражающих событиях)
2. Отражение, дБ (на отражающих событиях)
3. Расстояние до события, км
Затухание, дБ
Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала можно разделить на:
1. Френелевское отражение
2. Рэлеевское рассеяние
3. Макроизгибы
Способы повышения точности при различных неисправностях линии Френелевскоое отражение
Френелевское отражение возникает из-за резкого изменения плотности среды распространения на стыках между двумя концами оптических волокон. Не всегда потери обусловлены монтажом самого кабеля: существуют потери, возникающие в результате деформации оптического волокна и приводящие к появлению на них трещин, являющихся причиной френелевского отражения. Их выявление -приоритетная задача при исследовании оптического волокна. Своевременное обнаружение позволяет с наименьшими экономическими затратами устранить дефект.
Точность измерения расстояний оптического рефлектометра зависит от трех факторов:
1. Стабильность тактовой частоты.
2. Шаг точек измерений.
3. Неопределенность показателя преломления.
Пространственное разрешение
Пространственная разрешающая способность (разрешение по расстоянию) - это параметр, определяющий близость отдельных точек, образующих рефлектограмму. Эта способность выражается в единицах расстояния; высокая разрешающая способность - 0,5 м, а низкая - от 4 до 16 м. Это и позволяет в дальнейшем локализовать события. Для уменьшения ширины импульса, а соответственно - увеличения пространственного разрешения следует использовать генераторы тактовой частоты с повышенной точностью, собранные обычно в одной общей схеме синхронизации, которая используется для точного измерения разницы во времени между посылкой импульса лазером и обнаружением отраженного света измерителем (рис. 2). Блок управления, подающий синхроимпульсы, зависит от точности задающего
генератора и нестабильности подачи синхроимпульсов. Например, известны «стримерные» полупроводниковые лазеры, возбуждаемые наносекундными (107 - 108 с) импульсами высокого напряжения. Эти лазеры содержат генератор высоковольтных импульсов, один электрод которого подсоединен к полупроводниковой пластине, помещенной в жидкий диэлектрик, а второй удален на значительное расстояние для предотвращения пробоя полупроводниковой пластины. Для повышения точности этого измерения, необходимо применять как более точные задающие, так и более точные синхронизирующие генераторы (109 - 1011), позволяющие достигнуть точности 3 мм.
Импульс тока накачки
Рисунок 2 - Блок-схема импульсного оптического рефлектометра
Оптимально короткая ширина импульса обеспечивает более высокое разрешение (близко расположенные точки), но ограничивает динамический диапазон и диапазон расстояний рефлектометра. Ограничивающим аспектом является аналого-цифровой преобразователь, регистрирующий события только
с определенной частотой следования. Тем не менее, характеристики приборов позволяют оператору уменьшить ширину импульса до величины, достаточной для того, чтобы различить события смежного отражения в пределах двух метров.
Расстояние рассчитывается рефлектометром на основе скорости света в волокне, определяемой как скорость света в вакууме (постоянная величина), деленная на коэффициент преломления. Погрешность обусловлена изменением показателя преломления внутри одного и того же волокна или тем, что показатели преломления двух или более волокон, объединенных в оптоволоконное соединение, неодинаковы. Наибольшая разница в показателях преломления возникает при соединении волокон двух разных производителей. Для повышения точности измерений за счет учета разброса показателей преломления оптических волокон необходимо руководствоваться рекомендациями производителя, в которых указаны различные значения в зависимости от типа и длины волны измеряемого волокна. [6]
Рэлеевское рассеяние
Рэлеевское рассеяние обладает рядом схожих признаков с Френелевским отражением, однако главное отличие - величина затухания. Само по себе Рэлеевское рассеяние это продукт искусственно внесенных производителем в оптические волокна неоднородностей, через которые и проходит световой импульс. Необходимость точного измерения величины рассеяния на большой длине линии обусловлена переходом к всё большим скоростям передачи, где коэффициент затухания при передачи в оптических волокнах сильно влияет на объем передаваемой информации. Однако с увеличением длины линии мощность отраженных световых импульсов от Рэлеевского рассеяния становится меньше, значит и труднее проводить точное измерение. Возникает необходимость установки приемника с повышенной чувствительностью.
Способ повышения точности измерения
При рассмотрении способов повышения точности измерений следует отметить, что точность измерений обратно пропорциональна относительной погрешности, которая в общем случае вычисляется по формуле:
8 = А. 100% « — .100%.
X
х
Д
Где Д-погрешность измерения; Хи - истинное значение величины; Хд - действительное значение.
Оптические рефлектометры предназначены для измерения низкоуровневого обратного рассеяния в волокне и "слепы" там, где обратное рассеяние перекрывается более сильным отражением Френеля. Этот "слепой" период длится до тех пор, пока длится импульс. Как только измеритель "чувствует высокий уровень отражения", он становится насыщенным и не может измерить более низкие уровни обратного рассеяния, которые могут возникнуть сразу после неоднородности отражения. Мертвая зона (рис. 3) включает в себя длительность отражения и время восстановления максимальной чувствительности измерителя. [5]
ав
-2.00
5 dB-
А i i -' Г~1
\
\
V
Мертвая зона по событию 1 1 I I
100 00 110.00 120.00 130.00 140 00 150.00 160.00 Metre
Рисунок 3 - «Мертвая зона» на рефлектограмме
Длительность слепой зоны является косвенной мерой расстояния, на котором световой импульс проходит через неоднородность, и в этом случае приемник менее чувствителен. Из-за необходимости пересчета и возможных неточностей во внутренних часах рефлектометра появляется некоторая относительная погрешность, называемая погрешностью масштабирования. Погрешность локализации обусловлена неточностями определения местоположения события из-за наличия шумов и тесно связана с пространственным разрешением рефлектометра, описанным выше. Шумы также влияют на способность приемника принимать низкоуровневые сигналы. Оптические приемники предназначены для преобразования оптических сигналов в электрические с использованием явления оптического эффекта. Наиболее сложную структуру, но в то же время высокую чувствительность имеют приемники на основе лавинных фотодиодов (APD) (рис. 4). Таким образом, из сравнения pin-фотодиодов и лавинных фотодиодов можно сделать вывод, что при одинаковой мощности лазера приемники на основе APD-фотодиодов могут преобразовывать большую силу фототока (рис. 5). Это позволяет усиливать слабые сигналы и шумы.
Для повышения точности измерения расстояния в мертвой зоне без уменьшения динамического диапазона рефлектометра необходимо использовать устройства автоматической регулировки усиления (АРУ), а также понизить температуру самого фотоприемника.[4]
П ада ющи й с вет
шиши
I
P+
N P I P+
Таблица 1
Приемные устройства и их характеристики
Параметры Pin Лавинный фотодиод
Чувствительность 0.5 мка/мкВт 15 мка/мкВт
Время нарастания 1 нс 2 нс
Напряжение смещения 10 В 100 В
Рэлеевское рассеяние и Френелевское отражение схожи с точки зрения физического явления, однако в первом случае для повышения точности учитываются как точность синхронизации и ширина импульса, так и параметры самой среды передачи. Во втором случае от ширины импульса и зависит динамический диапазон, поэтому важна правильная балансировка этих характеристик. Автоматическая регулировка усиления, используемая для повышения точности оптического приемника позволяет избавиться от необходимого компромисса между шириной импульса и динамическим диапазоном, при этом усложняя общую схему приемника оптических импульсов.
Макроизгибы
Макроизгибы возникают, когда волокно изгибается больше допустимого радиуса. Единственная проблема с обнаружением заключается в том, что для обнаружения макроизгибов используются длины волн видимого диапазона (часто красный свет с длиной волны 650 нм или 635 нм), поскольку длины волн, используемые для передачи данных (1310 нм и 1550 нм), невидимы для человеческого глаза. На рефлектограмме макроизгиб выглядит так же, как и сварной шов, т.е. Френелевское отражение, поэтому повышение точности измерений по сравнению с предыдущими потерями не имеет значения.
Вывод:
Волоконно-оптические линии стали неотъемлемой частью общей системы передачи данных. Раньше их применение ограничивалось только пунктами, расположенными на большое расстояние. В настоящее время такие кабели встречаются для межстанционного соединения. Растущая потребность в этой направляющей среде обусловила и высокие требования к скорости и надежности. Поэтому цена ошибки растет наряду со скоростью передачи. Точность измерения в ВОЛС таких явлений, как Френелевское отражение и Рэлеевское рассеяние, влияет на общее качество соединения. Ошибка
синхронизации в 1 нс приведет к неточности определения в 80 см, что в ряде случаев недопустимо. Рассмотренные выше методы повышения точности направлены на устранение таких погрешностей и в дальнейшем способствуют развитию систем передачи. Список использованной литературы:
1. FiberTOP.ru - инструменты и приборы для оптоволокна // https://fibertop.ru/principle_of_ otdr_ operation.htm/
2. StudFiles - Файловый архив для студентов // https://studfile.net/preview/1730910/page:40/
3. MSU.ru - Научно-образовательный центр по нанотехнологиям МГУ [электронный ресурс] // http://nano.msu.ru/files/systems/4_2010/practical/40_full.pdf
4. Сайт компании «ТВБизнес» - Оптический приемник // https://www.tvbs.ru/page/opticheskij-priemnik.html
5. Сайт компании «Строй-ТК». Оптические рефлектометры // http://www.stroi-tk.ru/info/articles/vols-stat1/optichreflec/optichreflec1/
6. Рекомендация ITU-T G.662. Общие характеристики волоконно-оптических усилителей и систем.
© Быков Н.А., Лагутин П.С., Быкова Ю.С., 2023
УДК 62
Малашук Е.В.
Эксперт веб дизайн проектов, цифровых/мультимедийных и информационных ресурсов
Народного Антикризисного Управления Варшава, Польша
ИНСТРУМЕНТЫ ИИ В ВЕБ ДИЗАЙНЕ: ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Аннотация
Появление искусственного интеллекта внесло изменения в веб-дизайн, открыв новую эпоху, где человеческий труд сочетается с ИИ. Данное направление является чем-то новым в силу того, что искусственный интеллект как феномен возник не так давно и люди до сих пор полностью не исследовали все его возможности. Так с прошествием времени и постепенным внедрением последнего в некоторые сферы жизни начинается только сейчас осознание того, что будущее принадлежит нейросетям, так как с помощью них можно реализовывать новые проекты, которые ранее было невозможно в виду ограниченности по времени и сложности. Однако при данных положительных чертах в обществе все больше начинается волнение по поводу того, что искусственный интеллект вскоре возможно заменит людей в некоторых профессиях. Что в свою очередь провоцируется тем, что он уже способен создавать музыку, обрабатывать изображения, выделять ключевую информацию, озвучивать текст и поддерживать простые разговоры. Однако точно ответить на данный вопрос не представляется возможным в силу того, что ИИ хоть и обладает широким спектром возможностей, но без человека, который бы управлял им, велик риск нечеткого осуществления той или иной деятельности.
В связи с чем автор данной статьи выделил основной целью исследование существующих инструментов ИИ в области веб-дизайна, а также возможности их применения и использования.
При написании данной статьи автор опирался на результаты исследований экспертов, которые, проанализировали какие инструменты ИИ в веб-дизайне могут улучшить работу людей, повысить качество материалов и эффективность бизнеса, также помимо этого были исследованы научные статьи.
Ключевые слова
ИИ, веб-дизайн, применение ИИ в веб-дизайне, инструменты ИИ, искусственный интеллект.
