CC BY
20
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 12 № 4-2020 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
10.36724/2409-5419-2020-12-4-36-43
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЗАДЕРЖЕК РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
КОЛМОГОРОВ Олег Викторович1
ДЕИКУН
Анна Васильевна2
ЧЕМЕСОВА
Екатерина Владимировна3
Сведения об авторах:
1к.т.н., начальник лаборатории Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений, г. Солнечногорск, р.п. Менделеево, Россия, kolmogorov@vniiftri.ru
2инженер-геодезист Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений, г. Солнечногорск, р.п. Менделеево, Россия, anna@vniiftri.ru
3студент МИРЭА - Российский технологический университет, г. Москва, Россия, ^Ьго k@list.ru
АННОТАЦИЯ
Представлены результаты разработки установки для измерений задержек распространения сигналов в оптических элементах и световодах. Измерения задержек распространения сигнала в оптических элементах и световодах требуются при разработке различной аппаратуры, в частности, при разработке волоконно-оптических систем синхронизации шкал времени для комплексов метрологического обеспечения глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС и измерительных средств наземного комплекса ГЛОНАСС, при разработке средств метрологического обеспечения волоконно-оптических систем связи, при разработке радиофотонных систем (например, фазированных антенных решеток с оптоволоконными каналами, измерительных систем с удаленными антеннами). Показано, что установка позволяет реализовать фазовый и импульсный методы измерений задержек распространения сигнала, вносимых оптическими элементами, а также модифицированный импульсный метод, разработанный для определения задержек в оптических элементах с большим ослаблением сигнала, когда точность измерений другими методами снижается из-за возрастания влияния шумов измерительной аппаратуры. Разработанный метод основан на регистрации формы импульсов с помощью аналого-цифрового преобразователя, аппроксимации зарегистрированных данных с учетом информации об исходной форме импульсов с целью уменьшения случайной погрешности, вызванной влиянием шумов, и последующем определении временных характеристик импульсов с использованием параметров аппроксимирующих функций. Рассмотрено применение разработанного метода для различных форм импульсов лазерного излучения, приведена схема установки, реализующей данные методы, а также приведены результаты экспериментальных исследований установки. Показано, что модифицированный импульсный метод позволяет уменьшить погрешность измерений задержек распространения сигнала в световодах и оптических элементах на 15-20 % и более, в зависимости от вносимого ослабления, а установка для измерений задержек распространения сигнала может быть использована при контроле характеристик световодов и оптических элементов различных волоконно-оптических систем.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: измерительная установка; оптический импульс; оптический элемент; аппроксимация; погрешность; задержка распространения сигнала.
Для цитирования: Колмогоров О.В., Дейкун А.В., Чемесова Е.В. Установка для измерений задержек распространения сигналов в оптических элементах // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2020. Т. 12. № 4. С. 36-43. doi: 10.36724/24095419-2020-12-4-36-43
Введение
Измерения задержек распространения сигнала в оптических элементах и световодах требуются при разработке различной оптико-электронной аппаратуры, в частности, оптических систем передачи эталонных сигналов частоты и времени к комплексам метрологического обеспечения глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС [1], систем сравнения шкал времени пространственно удаленных эталонов [2], лазерных дальномерных систем, оптических линий задержки [3], оптических рефлектометров [4], многоканальных радиофотонных систем (например, фазированных антенных решеток с оптическими каналами, систем для измерений параметров электромагнитного поля с комплектами распределенных в пространстве датчиков, применяемых для определения диаграммы направленности антенн) [5-12]. В свою очередь, уровень технических характеристик указанной аппаратуры зависит от точности контроля и учета задержек распространения сигналов в оптических элементах и световодах.
Разработанная установка для измерений задержек распространения сигналов в оптических элементах позволяет реализовать фазовый и импульсный методы измерений задержек [13], вносимых оптическими элементами. Фазовый метод позволяет достичь высокой точности, однако обладает весомым недостатком — сложностью применения для сигналов с малой амплитудой. Его использование требует высокого отношения сигнал/шум на входе приемной аппаратуры, что не всегда возможно обеспечить или ведет к значительному усложнению аппаратуры. Импульсный метод, основанный на измерении интервалов времени между импульсами на входе и выходе исследуемого оптического элемента, прост в реализации и может применяться в более широком динамическом диапазоне сигналов, однако имеет меньшую точность. При использовании этого метода с помощью измерителей временных интервалов (ИВИ) регистрируются моменты поступления импульсов на вход ИВИ по заданному пороговому значению уровня входного сигнала (уровню запуска триггера) и измеряется интервал между ними. Основными составляющими погрешности измерений временных интервалов между импульсами являются погрешность частоты опорного генератора ИВИ, шумы в приемном тракте, погрешности внутреннего триггера аппаратуры, а также погрешность дискретизации. Уменьшение первой составляющей возможно за счет калибровки опорного генератора или использования более точного источника сигнала опорной частоты. Для уменьшения влияния остальных составляющих и повышения точности измерений задержек сигнала в оптических элементах при разработке установки предложено реализовать модифицированный импульсный метод, основанный на регистрации формы оптических импульсов с помощью аналого-цифрового преобразователя с установ-
ленным на входе фотоприемным устройством, последующей аппроксимации зарегистрированных данных с учетом информации об исходной форме импульса и определении измеренного значения интервала времени между импульсами с использованием вычисленных параметров аппроксимирующих функций. Особенность предложенного метода состоит в том, что для определения интервала времени между двумя импульсами используется не два единичных отсчета, а два массива зарегистрированных данных, несущих информацию о форме импульсов. Для уменьшения случайных погрешностей эти данные подвергаются сглаживанию путем математической обработки.
Схема и принцип действия
измерительной установки
Структурная схема установки для измерений задержек распространения сигналов представлена на рис. 1.
Установка состоит из генератора импульсов ГИ, лазерного модуля ЛМ, оптоволоконного разветвителя Р, оптической линии задержки ОЛЗ (оптическое волокно длиной несколько метров), оптоволоконного объединителя О и цифрового запоминающего осциллографа ЦЗО с фотоприёмным устройством ФПУ Измерительная установка функционирует следующим образом. С генератора импульсов ГИ на лазерный модуль ЛМ подается запускающий электрический импульс. Оптический импульс с лазерного модуля ЛМ поступает на вход разветвителя Р, который распределяет оптическое излучение по двум каналам. Первый канал (измерительный) через объединитель О соединяется с входом ФПУ. Исследуемый оптический элемент ОЭ при измерениях устанавливается в первый канал между разветвителем Р и объединителем О. Второй канал (опорный) содержит оптическую линию задержки (ОЛЗ), предназначенную для внесения начальной задержки между импульсами, поступающими на ФПУ по двум каналам. Осциллограф с ФПУ регистрирует два импульса:
Рис. 1. Схема установки для измерений задержек распространения сигналов в световодах и оптических элементах: ГИ — генератор импульсов; ЛМ — лазерный модуль; ОЭ — оптический элемент; ОЛЗ
— оптическая линия задержки; ФПУ — фотоприемное устройство; ЦЗО — цифровой запоминающий осциллограф
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
импульс, пришедший напрямую по каналу 1 и импульс, пришедший по каналу 2 через ОЛЗ. Зарегистрированные осциллографом данные сохраняются в файл для последующей математической обработки с целью вычисления значения интервалов времени между импульсами.
Измерения задержки распространения сигнала в оптическом элементе проводятся в два этапа. На первом этапе определяется разность задержек, вносимых двумя каналами установки, при этом исследуемый оптический элемент ОЭ в схему установки не включается, а разветвитель Р напрямую подключается к объединителю О. Оптический импульс, излученный с ЛМ, поступает на ФПУ по двум каналам, при этом ЦЗО с ФПУ регистрирует два импульса, интервал времени Tref между которыми представляет собой разность задержек, вносимых двумя каналами установки. На втором этапе в измерительный канал установки включается исследуемый оптический элемент ОЭ и измеряется интервал времени Tmeas между оптическими импульсами, поступающими на вход ФПУ. Пример осциллограмм, полученных на первом и втором этапах, приведен на рис. 2.
Далее вычисляется разность между значениями интервалов времени T и T , значение которого равно зна-
А í meas rer í í
чению задержки распространения сигнала Toe¡, вносимой исследуемым оптическим элементом по формуле (1):
Т = Т - Т
oel ref meas
(1)
Зарегистрированные осциллографом данные, характеризующие форму оптических импульсов, представляют собой последовательность дискретных по времени и уровню отсчетов. При регистрации оптических импульсов на регистрирующую аппаратуру (цифровой осциллограф и ФПУ) неизбежно воздействуют шумы, которые вносят случайную погрешность в результаты измерений интервалов време-
Рис. 2. Осциллограммы импульсов, регистрируемых на первом этапе измерений (без исследуемого оптического элемента) и на втором этапе (с оптическим элементом)
ни. Наиболее существенно это влияние проявляется при регистрации момента приема импульса по единственному пороговому значению на нарастающем фронте импульса. Для уменьшения случайной погрешности предлагается использовать аппроксимацию данных о зарегистрированной форме всего импульса, что позволит за счет избыточности данных провести их сглаживание, тем самым уменьшив влияние шумов. При этом в качестве значения интервала времени между импульсами будем принимать разность моментов времени между максимумами «сглаженных» зависимостей, описывающих форму импульсов.
В составе измерительной установки могут быть использованы лазерные модули и импульсные лазеры различных типов. Типичными формами импульсов для ряда импульсных лазеров является гауссовский импульс и ло-ренцевский импульс [14]. В зависимости от формы импульса лазера, используемого в составе установки, для зарегистрированных осциллограмм следует выбирать соответствующие аппроксимирующие функции (функцию Гаусса и функцию Лоренца).
Метод аппроксимации формы
оптического импульса
Аппроксимация экспериментальных данных предполагает определение таких параметров аппроксимирующей функции, при которых она наилучшим образом (по заранее выбранному критерию) соответствует имеющимся экспериментальным данным.
Для определения параметров аппроксимирующей функции широко используется метод наименьших квадратов, однако для функций сложной формы (в т.ч. гаус-совской и лоренцевской) его прямое применение затруднительно и ведет к неприемлемым затратам времени при обработке результатов эксперимента. В таких случаях целесообразно применять итерационные методы, использующие последовательное уточнение значений коэффициентов аппроксимирующей функции путем вычисления поправок к приближенным значениям этих коэффициентов.
Используем итерационный метод для аппроксимации формы лоренцевского оптического импульса по цифровым отсчетам зарегистрированной осциллограммы. При этом в качестве функциональной зависимости рассмотрим зависимость напряжения от времени и®, регистрируемую осциллографом с ФПУ и характеризующую мгновенную оптическую мощность в импульсе. В этом случае аппроксимирующая функция будет иметь вид [14]:
иь (Ц,т) = 1/(1 + 4( -ц)2/т2]-Цо,
где и1(П0, т) — функция Лоренца; П0 — амплитудный коэффициент;
^ координата максимума;
т — параметр, характеризующий длительность импульса.
Для параметров аппроксимирующей функции примем обозначения: П0 = а1, ^ = а т = а3. При использовании итерационного метода параметры аппроксимирующей функции а1, а2, аз определяются путем вычисления поправок к их начальным значениям а10, а20, а30 методом наименьших квадратов.
Поправки 5а1, 5а2, 5а3 для уточнения начальных значений параметров аппроксимирующей функции определяются путем решения системы уравнений (2):
ап ■ 5a] + a-12 ■ ба2 + a13 • баз = Ъ, a2! ■ ба] + a21 ■ Ьа2 + а2з ■ баз = Ъ2, аз] ■ ба] + аз2 ■ ба2 + азз ■ баз = Ъз.
(2)
Для расчета коэффициентов ап, а12, ... „33, „2, „3
^ ЪР b2, Ь3
используются экспериментальные данные П^), значения функции П. = и (и, t, т), вычисленные в точках t. (I = 1 •.. Ы, N — количество отсчетов) с использованием приближенных коэффициентов, а также значения частных производных этой функции в указанных точках по формулам:
4 =
dU
dU
= 1/
(l + 4 ( -10 )2/ т2);
B =
dU dtn
= U
. 8т3 ( -t0) (l + 4 ( -10 )2 )
' дт
0т( - to)2
г = (т2 + 4 ( - to )2 )2
Коэффициенты а11, а12, •.. а33 определяются по следующим формулам:
= 142;
-42
= 1(4 • B);
1=1 i=l
N N
ai3 = Z(4 • Ci); «21 = Z(4 • Bi);
22
i=1 N
I
i=1
N
i=1
= I Bf;
23
= Z(B ■ Ci);
i=1
N
a3i = Z(4 • Q); «32 = T(Bi • Q);
i=1 i=1
-"33
= Z C
i=1
Уточненные значения параметров функций а1, а2, а3 определяются по формулам:
а1 = а10 +Ъа1; а 2 =а 20 +8а2;
а3 = а30 + ба3.
Далее в качестве приближенных значений коэффициентов аппроксимирующей функции принимаются а1, а2, а3 и цикл вычислений повторяется до тех пор, пока значения поправок не станут меньше заранее выбранного малого значения.
В качестве начальных значений параметров аппроксимирующей функции а1 и а3 целесообразно выбирать значение амплитуды, соответствующее пику мощности импульса, и значение длительности импульса по уровню 0,5 от максимума. Для определения начального значения параметра t0, обеспечивающего наилучшее приближение функции к экспериментальным данным, следует использовать несколько значений в окрестности пика импульса, для каждого из них провести цикл итераций и расчет суммы квадратов отклонений значений аппроксимирующей функции от экспериментальных данных. В качестве начального значения параметра t0 следует принять то, при котором сумма квадратов отклонений минимальна.
В случае использования гауссовских оптических импульсов для аппроксимации экспериментальных данных целесообразно применять итерационный метод [15], предусматривающий использование в качестве аппроксимирующей зависимости функции Гаусса с амплитудным коэффициентом по формуле:
и(,^, ст) = К-ив (т,а) = 1
= к„
->у[22п
■ e
JJ *z!m
21 ст
где к— амплитудный коэффициент;
tm, с) — функция Гаусса; с — параметр, характеризующий ширину импульса; tm — момент времени, при котором функция достигает максимального значения.
Параметры аппроксимирующей функции ка, t , с определяются путем вычисления поправок к их начальным значениям методом наименьших квадратов.
Начальные значения ка0, tm0, с0 рекомендуется выбирать следующим образом:
- в качестве tm0 принять момент времени, соответствующий максимальному значению П^
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
- значение с0 рассчитать по формуле с0 ~ 0,42Дх05, где Дх05 — длительность импульса по уровню 0,5 амплитуды U ;
J max7
- значение км рассчитать по формуле км = Umax • (2л)12.
Поправки 5fa0, 5m0, 5а0 для уточнения начальных значений параметров функции ка0, tm0, с0 определяются путем решения системы уравнений, аналогичной системе (2).
Для расчета коэффициентов a11, a12, ..., a33, b1, b2, b3 используются экспериментальные данные U(t), значения функции U. = UG(t ,, t, с0), вычисленные в точках t . (i = 1...N, N — количество отсчетов) с использованием приближенных коэффициентов, а также значения частных производных этой функции в указанных точках, вычисленные по формулам:
, dU
A = —
dtm
ti -1
m0
- 2 — 2 l an
t = ti ;tm =tm0; ® =
l-Jlñ
B =
du
t =ti '.tm =tm0'.<5=<5.
í ¡ \2 \ti tm0) 1
\
- 2^ 21 ст0
Уточненные значения параметров функции k , t, с, определяются по формулам:
k,= k0 +5k„;
al aü aü'
t , = t 0 + 5t 0; ml m0 m0
Ci= co+ §Co.
Далее в качестве приближенных значений коэффициентов аппроксимирующей функции принимаются к , с1 и цикл вычислений повторяется, пока значения поправок не станут меньше заранее выбранного малого значения.
Применение этого итерационного метода для аппроксимации формы оптического импульса при определении разности задержек распространения по оптическому волокну гауссовских импульсов лазерного излучения подробно изложено в работе [16].
Определив для каждого из зарегистрированных импульсов параметры аппроксимирующей функции — координаты максимума (пикового значения импульса) по оси времени, вычисляется значение интервала времени (Тге/ или Ттеа) между импульсами как разность их координат максимума. Перечисленные операции по определению интервалов времени между импульсами повторяются многократно, затем вычисляются усредненные значения интервалов времени, которые используются для определения задержки, вносимой оптическим элементом, по формуле (1).
Границы случайной погрешности определения предложенным методом задержки распространения сигнала
в оптическом элементе a г выраженной в виде СКО, оценим соотношением:
aoel
4
°2ref
где aref — СКО определения интервала времени между Tf с — СКО определения интервала времени между Т ,
meas meas
которое используем для характеристики точности проводимых измерений.
Неисключенная систематическая погрешность (НСП) зависит от характеристик используемых ЦЗО и длительности измеряемых интервалов между импульсами. Для современных ЦЗО в рассматриваемых условиях (измерения в диапазоне до сотен наносекунд) НСП оказывается существеннее меньше случайной погрешности.
Экспериментальная апробация метода
Экспериментальная апробация изложенного метода проведена на созданной установке при использовании лазерных модулей с гауссовской и с лоренцевской формой импульса.
В результате математической обработки зарегистрированных данных для них вычислены параметры аппроксимирующих функций и определены значения задержек в исследуемых оптических элементах. Пример графика аппроксимирующей функции Гаусса приведен на рис. 3.
По результатам экспериментов установлено, что при использовании предложенного метода случайная погрешность измерений интервалов времени между импульсами примерно одинаковой амплитуды, выраженная в виде СКО, уменьшается на 15-20% по сравнению с базовым импульсным методом. В случаях, когда амплитуда опорного и измерительного импульса различается в 2-4 раза (например, при измерениях задержек в устройствах ослабления
10 20 - функция Гаусса
Q - экспериментальные данные
Рис. 3. График аппроксимирующей функции Гаусса
2
2
сигнала) за счет применения предложенного метода можно достичь уменьшения СКО результатов измерений интервалов времени в 1,5-2 раза. Из полученных результатов следует, что применение предложенного метода позволяет уменьшить случайную погрешность измерений задержки распространения сигнала в оптических элементах и световодах на 15-20%. Результаты экспериментальной апробации подтвердили возможность использования предложенного метода для повышения точности измерений задержек распространения сигнала в световодах и в оптических элементах с большим вносимым ослаблением сигнала.
Заключение
Экспериментальная апробация модифицированного импульсного метода с использованием аппроксимации, проведенная на измерительной установке, показала, что погрешность измерения задержек распространения сигналов снизилась на 15-20% по сравнению с импульсным методом. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность высокоточных измерений задержек распространения сигнала в оптических элементах с помощью представленной установки.
Литература
1. Колмогоров О. В., Щипунов А. Н., Прохоров Д. В., Донченко С. С., Буев С. Г., Малимон А. Н., Балаев Р. И., Федорова Д.М. Система передачи эталонных сигналов частоты и времени измерительным средствам наземного комплекса ГЛОНАСС по оптическому кабелю // Измерительная техника. 2017. № 9. С. 29-32.
2. Kolmogorov O. V., Donchenko S. S., Prokhorov D. V. System of comparison of time scales of distant objects via optical fiber // Proc. of the 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/ IFC), Besançon, France, 9-13 July 2017. IEEE, 2017. Pp. 417-418.
3. Щербаков В. В., Солодков А. Ф., Шелков Н. В., Озеров Ю. В. Экспериментальное исследование отечественного оптического волокна в составе волоконно-оптической линии задержки // Фотон-Экспресс. 2016. № 1 (129). С. 39-40.
4. Колмогоров О. В., Щипунов А. Н., Прохоров Д. В., Донченко С. С. Оптический рефлектометр для прецизионных измерений — схема и результаты теоретических и экспериментальных исследований. Прикладная фотоника. 2018. Т. 5. № 1-2. 92-101.
5. ГоловНА., СавченкоВ.П., УсачевВА., СоколовВА., Ягольни-ков С.В. Особенности и принципиальные преимущества элементной базы радиофотоники при создании сверхширокополосных РЛС на базе ФАР и АФАР // Антенны. 2016. №3 (223). С. 19-25.
6. Щербаков В.В. О практике применения радиофотонных устройств в радиолокации: Доклад на II всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития РЛС дальнего обнаружения и интегрированных систем и комплексов информационного обеспечения ВКО», Москва 18 июня 2014. URL: http://centervospi.ru/articles/o-praktike-primeneniya-radiofotonnyh-ustrojstv-v-radiolokacii/ (дата обращения 16.07.2019).
7. Boudesocque D., Berland F., HallakElwan H., Fromenteze T., Decroze C., Di Bin P., Aupetit-Berthelemot C. Experimentation based development of a simulation platform of a microwave photonics MIMO imaging system // Proceeding of 45th European Conference on Optical Communications (Dublin, 22-26 September 2019). ECOC, 2019. URL: https://doi.org/10.1049/cp.2019.1082 (дата обращения 16.07.2019).
8. Мятишев М. Б. К реализации технологий радиофотоники в АФАР радиолокационных комплексов // Вестник СибГУТИ. 2015. № 2. C. 178-190.
9. Garcia S., Guillem R., Madrigal J., Barrera D., Gasulla I. Few-mode fibre delay lines with inscribed long period gratings for radiofrequency signal processing // Proceeding of 45th European Conference on Optical Communications (Dublin, 22 - 26 September 2019). ECOC, 2019. URL: https://doi.org/10.1049/cp.2019.0781 (дата обращения 16.07.2019).
10. BogoniA., GhelfiP., ScottiF., Porzi C., Serafino G., Falconi F., Lembo L., Malacarne A. Microwave photonics technologies for 5G and industry 4.0 // Proceeding of 45th European Conference on Optical Communications (Dublin, 22 - 26 September 2019). ECOC, 2019. URL: https://doi.org/10.1049/cp.2019.0840 (дата обращения 16.07.2019).
11. Lau K. Y., Lutes G. F. Planetary Radar Imaging and RF-Over-Fiber // Optics & Photonics News. 2014. No. 25(6). Pp. 44-51.
12. Kanno A., Yamamoto N. Radio over fiber network technology for millimeter-wave distributed radar systems // Proc. of the Broadband Access Communication Technologies XII, 105590Q (San Francisco, 29 January 2018). SPIE, 2018. Vol. 10559. URL: https:// doi.org/10.1117/12.2287731 (дата обращения 16.07.2019).
13. Иванов А. Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. М.: Syrus Systems, 1999. 672 с.
14. Гауэр Дж. Оптические системы связи: пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. 504 с.
15. Веснин В. Л. Метод Гауссовской аппроксимации пика спектра отражения волоконно-оптического Брэгговского датчика // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2003. Т. 5. № 1. С. 156-164.
16. Колмогоров О. В., Щипунов А. Н., Прохоров Д. В., Донченко С. С., Буев С. Г. Метод определения разности задержек распространения по оптическому волокну импульсов лазерного излучения систем сравнений и синхронизации шкал времени // Фотоника. 2018. Т. 12. № 7 (75). С. 696-703.
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
INSTALLATION FOR MEASURING SIGNAL PROPAGATION DELAYS IN OPTICAL ELEMENTS
OLEG V. KOLMOGOROV KEYWORDS: measurement installation; optical pulse; optical ele-
Mendeleevo, Russia, kolmogorov@vniiftri.ru ment; approximation; error; signal propagation delay.
ANNA V. DEIKUN
Mendeleevo, Russia, anna@vniiftri.ru
EKATERINA V. CHEMESOVA
Moscow, Russia, dobro_k@list.ru
ABSTRACT
The results of the development of an installation for measuring signal propagation delays in optical elements and optical fibers are presented. Measuring the delays of signal propagation in optical elements and optical fibers required for the development of various instruments, in particular, the development of fiber-optic systems, the synchronization time scales for complexes of metrologi-cal support of the global navigation satellite system GLONASS and measuring means of ground-based GLONASS, the development of metrological maintenance of fiber-optic communication systems, the development radiophonic systems (e.g., phased arrays with fiber-optical channels, measuring systems with remote antennas). It is shown that the installation allows to implement phase and pulse methods for measuring signal propagation delays introduced by optical elements, as well as a modified pulse method designed to determine the delays in optical elements with a large signal attenuation, when the accuracy of measurements by other methods is reduced due to the increasing influence of noise measuring equipment. The developed method is based on registration of the pulse shape with the help of analog-to-digital Converter, the approximation was a data taking into account information about the original form of pulses to reduce random error caused by the influence of noise, and subsequent determination of temporal characteristics of pulses using parameters approximating functions. The application of the developed method for various forms of laser pulses is considered, the scheme of the installation implementing these methods is presented, and the results of experimental studies of the installation are presented. It is shown that the modified pulse method allows to reduce the measurement error of signal propagation delays in optical fibers and optical elements by 15-20% or more, depending on the introduced attenuation, and the installation for measuring signal propagation delays can be used to control the characteristics of optical fibers and optical elements of various fiber-optic systems.
REFERENCES
1. Kolmogorov O. V., Shchipunov A. N., Prokhorov D. V., Donchen-ko S. S., Buev S. G., Malimon A. N., Balaev R. I., Fedorova D. M. System for Transmitting Reference Frequency and Time Signals to Measurement Resources of the GLONASS Ground Complex by Optical Cable. Measurement Techniques. 2017. Vol. 60. No. 9. Pp. 901-905.
2. Kolmogorov O. V., Donchenko S. S., Prokhorov D. V. System of comparison of time scales of distant objects via optical fiber. Proc. of the 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/ IFC), Besançon, France, 9-13 July 2017. IEEE, 2017. Pp. 417-418.
3. Shcherbakov V.V., Solodkov A.F.,Shelkov N.V.,Ozerov Yu. V. Eks-perimental'noe issledovanie otechestvennogo opticheskogo volokna v sostave volokonno-opticheskoy linii zaderzhki [Experimental study of domestic optical fiber as part of a fiber-optic delay line]. Foton-Ekspress [Photon-Express]. 2016 No. 1 (129). Pp. 39-40. (In Rus)
4. Kolmogorov O. V., Shchipunov A. N., Prokhorov D. V., Donchenko S. S. Optical time domain reflectometer for precision measurements - scheme and results of theoretical and experimental research. Applied Photonics. 2018. Vol. 5. No. 1-2. Pp. 92-101. (In Rus)
5. Golov N.A., Savchenko V.P., Usachev V.A., Sokolov I.A., Yagol-nikov S.V. Features and fundamental benefits of the microwave photonic components to create ultra-wideband radar based on phased array antenna and active phased array antenna. Antennas. 2016. No. 3 (223). Pp. 19-25. (In Rus)
6. O praktike primeneniya radiofotonnykh ustroystv v radiolokat-sii [On the practice of using radioisotope devices in radar]. Doklad na II vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Perspek-tivy razvitiya RLS dal'nego obnaruzheniya i integrirovannykh sistem i kompleksov informatsionnogo obespecheniya VKO" [Report at the II all-Russian scientific and technical conference "Prospects of development of long-range radar detection and integrated systems and complexes of information support of EKR", Moscow, 18 june 2014]. URL:
http://centervospi.ru/articles/o-praktike-primeneniya-radiofotonnyh-ustrojstv-v-radiolokacii/_(date of access 16.07.2019). (In Rus)
7. Boudesocque D., Berland F., Hallak Elwan H., Fromenteze T., De-croze C., Di Bin P., Aupetit-Berthelemot C. Experimentation based development of a simulation platform of a microwave photonics MIMO imaging system. Proceeding of 45th European Conference on Optical Communications (Dublin, 22-26 September 2019). ECOC, 2019. URL: https://doi.org/10.1049/cp.2019.1082 (дата обращения 16.07.2019).
8. Mityashev M. B. On the implementation of radio-photonic technologies in APAA of radar systems. Vestnik SibSUTI. 2015. No. 2. Pp. 178-190. (In Rus)
9. Garcia S., Guillem R., Madrigal J., Barrera D., Gasulla I.. Few-mode fibre delay lines with inscribed long period gratings for radi-ofrequency signal processing. Proceeding of 45"' European Conference on Optical Communications (Dublin, 22-26 September 2019). ECOC, 2019. URL: https://doi.org/10.1049/cp.2019.0781 (дата обращения 16.07.2019).
10. Bogoni A., Ghelfi P., Scotti F., Porzi C., Serafino G., Falconi F., Lembo L., Malacarne A. Microwave photonics technologies for 5G and industry 4.0. Proceeding of 45" European Conference on Optical Communications (Dublin, 22-26 September 2019). ECOC, 2019. URL:
11. Lau K. Y., Lutes G. F. Planetary Radar Imaging and RF-Over-Fiber. Optics & Photonics News. 2014. No. 25(6). Pp. 44-51. URL: https:// doi.org/10.1049/cp.2019.0840 (дата обращения 16.07.2019).
12. Kanno A. Yamamoto N. Radio over fiber network technology for millimeter-wave distributed radar systems. Proc. of the Broad-
band Access Communication Technologies XII, 105590Q (San Francisco, 29 January 2018). SPIE, 2018. Vol. 10559. URL: https://doi. org/10.1117/12.2287731 (date of access 16.07.2019).
13. Ivanov A. B. Volokonnaya optika. Komponenty, sistemy pere-dachi, izmereniya [Fiber optics. Components, transmission systems, measurements]. Moscow: Syrus Systems, 1999. 672 p. (In Rus)
14. Gower Jn. Optical communication systems. Prentice Hall International, 1984. 577 p.
15. Vesnin V. L. Method of gauss approximation for optical fiber Bragg grating sensor reflection spectrum peak. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2003. Vol. 5. No. 1. Pp. 156-164. (In Rus)
16. Kolmogorov O. V., Shchipunov A. N., Prokhorov D. V., Donchen-ko S. S., Buyev S. G. Method for determining the difference of delays of laser radiation pulse propagation trough optical fiber in the time scale comparison and synchronization systems. Photonics. 2018. Vol. 12. No. 7 (75). Pp. 696-703. (In Rus)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Kolmogorov O.V., PhD, Head of laboratory of the Russian metro-logical institute of technical physics and radio engineering; Deikun A.V., Engineer-surveyor of Federal state unitary enterprise of the Russian metrological institute of technical physics and radio engineering;
Chemesova E.V., Student of Federal state budgetary institution of higher education of the MIREA - Russian technological university.
For citation: Kolmogorov O.V., Deikun A.V., Chemesova E.V. Installation for measuring signal propagation delays in optical elements. H&ES Research. 2020. Vol. 12. No. 4. Pp. 36-43. doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-4-36-43 (In Rus)
