Методические ошибки

Методические ошибки в определении расстояния до неоднородности в линии передачи возникают из-за того, что положение неоднородности на рефлектограмме получается разным для отражающей и не отражающей (поглощающей) неоднородности. Эти ошибки влияют на точность определения места повреждения волокна. Происходит это потому, что при обрыве волокна угол наклона торца волокна может получитьсяпрактически любым и коэффициент отражения от торца волокна может меняться в широких пределах практически от нуля до френелевского коэффициента отражения.

Величина ошибки в определении положения конца волокна зависит от крутизны фронта импульса, коэффициента отражения от неоднородности и коэффициента обратного релеевского рассеяния света в волокне. При хорошем сколе торца волокна в конце рефлектограммы наблюдается всплеск сигнала, обусловленный отражением (кривая А, рис. 3.5). Амплитуда этого всплеска пропорциональна мощности оптического импульса, а крутизна начала всплеска пропорциональна крутизне переднего фронта импульса.

Положение конца волокна (L_A) определяется по моменту времени, когда этот всплеск достигнет верхнего порогового уровня, пересечение которого означает обнаружение отражающей неоднородности. Чем круче начало всплеска сигнала (чем больше крутизна фронта импульса), тем точнее определяется положение такой неоднородности. Минимальная ошибка, с которой можно определить положение отражающей неоднородности, примерно равно половине ширины интервала между измеряемыми точками.

Рис. 3.5. Нахождение положения конца волокна в рефлектограмме при разных значениях коэффициенте отражения от торца (u - ширина импульса), (А) Френелевский коэффициент отражения от торца волокна, (Б) Конец волокна погружен в иммерсию

Если же отражение отсутствует, например, из-за того, что конец волокна погружен в иммерсию или на конце волокна создана петелька с большими потерями, то в конце рефлектограммы наблюдается уменьшение сигнала (кривая Б). В этом случае положение конца волокна (L_Б) определяется по моменту, когда сигнал достигнет нижнего порогового уровня.

При прохождении импульса через отражающую неоднородность скорость нарастания сигнала определяется крутизной переднего фронта импульса (кривая А). Соответственно, пороговый уровень достигается, когда через эту неоднородность пройдет часть переднего фронта импульса. При прохождении импульса через не отражающую неоднородность (кривая Б) сигнал начнет заметно уменьшаться только после того, как через неё пройдет не только весь передний фронт импульса, но и некоторая доля самого импульса.

В результате оказывается, что измеренное значение длины волокна зависит от качества скола торца волокна и может превысить его истинное значение на несколько десятков метров. Эта методическая ошибка может существенно повлиять на точность определения места повреждения волокна в линии передачи. Поэтому целесообразно рассмотреть более подробно характерные типы повреждений волокна.

Волокна в оптическом кабеле разрушаются, в основном, под действием натяжения, возникающего при укладке волокон в кабель, инсталляции кабеля в линию передачи и в процессе эксплуатации этой линии. Они могут быть также разрушены при сильных ударах по кабелю или его сильных изгибах. Избыточное натяжение волокна приводит к появлению трещины в кварцевой сердцевине и оболочке волокна. Однако волокно обычно полностью не разрывается потому, что после раскалывания кварцевой оболочки обе ее половинки продолжают удерживаться пластиковым (акрилатным) покрытием волокна (рис 3.6).

Рис 3.6. Типичный вид трещин, образующихся при растяжении волокна а) Хорошо отражающая трещина с двумя плоскими поверхностями б) Плохо отражающая трещина с двумя плоскими поверхностями в) Плохо отражающая трещина, с четырьмя отражающими поверхностями

Плоские торцевые поверхности образуются на ослабленном участке волокна там, где на поверхности уже имеется микроскопическая трещина. Тогда для разрыва волокна требуется относительно небольшое натяжение. Под действием этого натяжения трещина начинает увеличиваться в направлении приблизительно перпендикулярном оси волокна. При этом вначале, как показано на рис. 3.7, образуется плоская зеркально гладкая поверхность (её максимальный диаметр порядка 90 мкм), далее появляются так называемая зона тумана и перьевая зона. Поверхность сердцевины волокна при этом получится плоской и зеркально гладкой.

Рис 3.7 Плоская поверхность торца волокна с зоной тумана и перьевой зоной

Если же на поверхности волокна нет заметных дефектов, то для его разрушения требуется приложить большее напряжение. При большом натяжении процесс разрушения выглядит иначе. В этом случае необходимо учитывать, что в процессе роста трещины энергия натяжения преобразуется в кинетическую энергию. Возникающий при большом натяжении волокна избыток кинетической энергии трещины приводит к созданию новых трещин так, что плоской поверхности практически не образуется, а волокно распадается на три или более куска с зазубренными краями (рис. 3.6 в). Коэффициент отражения света от трещин зависит от качества образующих её торцевых поверхностей и расстояния между ними. Если торцевая поверхность оптически плоская, и нормаль к ней параллельна оси волокна (рис. 3.6 а), то коэффициент отражения от такой поверхности близок к френелевскому (~3.5 %).

Коэффициент отражения от двух таких поверхностей зависит от расстояния между ними и может меняться в пределах от 0 до 14%. При увеличении угла наклона q между нормалью к торцевой поверхности и осью волокна коэффициент отражения от этой поверхности (обратно в моду волокна) быстро уменьшается. При угле больше 4° такая трещина, как видно из таблицы 3.3, уже представляет собой практически неотражающую неоднородность.

Таблица 3.3. Зависимость коэффициента отражения от угла между осью волокна и нормалью к поверхности торца волокна

Для того, чтобы волокно скололось под углом меньше 4°, необходимо, чтобы насечка на поверхности волокна, с которой начинается рост трещины, была с хорошей точностью ориентирована перпендикулярно оси волокна. Такая насечка может быть создана с помощью высококачественного скалывателя (типичный угол скола < 0.5…1°). Вероятность создать её случайным образом мала. Так, например, при разрушении волокна в линии, среднее значение коэффициента отражения от скола получается всего лишь около 0.1 %. Часть таких сколов получается настолько плохими, что их нельзя обнаружить с помощью идентификаторов дефектов (fault locators), регистрирующих только отраженное излучение.

Неотражающие сколы волокна можно обнаружить с помощью рефлектометра, так как они неизбежно приводят к появлению дополнительных потерь. Однако в этом случае возникает методическая ошибка в определении положения места повреждения волокна. Эту ошибку можно скорректировать, если предварительно измерить её зависимость от величины коэффициента отражения и ввести соответствующую поправку в измеренное значение длины волокна.