Волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ) в наш час широко використовують у сфері телекомунікацій. Для вимірювання параметрів та діагностики стану ВОЛЗ основним приладом є оптичний рефлектометр (OTDR, Optical Time Domain Reflectometer).

У цій статті ми розглянемо:

  1. Принцип роботи оптичного рефлектометра .
  2. Функції рефлектометра .
  3. Як влаштовані типові моделі .
  4. Види оптичних рефлектометрів .
  5. Характеристики .
  6. Критерії вибору рефлектометра .
  7. Що таке рефлектограма, як її аналізувати .
  8. Поради щодо використання рефлектометра .
 

ЯК ПРАЦЮЄ ОПТИЧНИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР

Якщо дуже упрощено, то рефлектометр посилає в оптоволокно світлові (зондуючі) імпульси та вимірює зворотне випромінювання. 

Зворотне випромінювання, яке реєструється рефлектометром, виникає в результаті трьох основних фізичних причин:

  • природне зворотне розсіювання імпульсу, що дозволяє визначати загасання сигналу з відривом. Вчені припускають, що коефіцієнт зворотного розсіювання є постійним певного волокна. Тобто, якщо у волокні не буде жодних перешкод, неоднорідностей, пошкоджень, на рефлектограмі буде відображатися лише рівномірне згасання сигналу;
  • ефект Релеєвського розсіювання. За допомогою зворотного випромінювання, що виникає в результаті такого розсіювання, рефлектометр фіксує так звані події, що не відбивають - ті, де сигнал не відбивається, але розсіюється (неоднорідності волокна, місця зварювання, макровигини волокна).
  •  ефект Френелевського відбиття. Коли світловий потік падає на ділянку з щільністю вище, ніж середовище, в якому він зараз рухається, сигнал відбивається від межі середовища. За допомогою цього типу випромінювання фіксуються події, що відбивають - розриви, тріщини, конектори і тому подібні речі, що викликають різкий сплеск зворотного потоку зондуючого імпульсу.
 

Якщо докладніше, під час роботи рефлектометра відбувається таке:

  1. Оптичний рефлектометр посилає короткі та потужні оптичні імпульси у волокно за допомогою лазерного світлодіода. Найчастіше використовуються 2 лазерні світлодіоди, які зазвичай працюють на довжинах хвиль 1310 нм та 1550 нм.
  2. На наступному етапі випромінювання йде через оптичний розгалужувач прямо до оптоволокна, не потрапляючи при цьому фотоприймачем. Проходячи оптичним волокном, де невелика частина випромінювання розсіюється, імпульси світла стикаються з різного роду перешкодами, пошкодженнями, розривами волокна тощо. Ще одне призначення оптичного розгалужувача - забезпечити пропускання відбитого у волокні випромінювання для його подальшої реєстрації з метою вимірювання.
  3. Ну і нарешті, відбите випромінювання потрапляє на фотоприймач, який дозволяє точно заміряти затримки часу для всіх відбитих сигналів. Якість фотоприймача також впливає на точність вимірів.
  4. На підставі отриманих даних формується рефлектограма, за допомогою якої можна встановити тривалість лінії, загасання сигналу у ВОЛЗ, а також його втрати на конекторах, відстані до неоднорідних місць волокна або обривів. У рефлектограмі всі неоднорідності показника заломлення будуть позначатися як події.

 

ФУНКЦІЇ РЕФЛЕКТОМЕТРА

Сучасні OTDR – це складні цифрові прилади, які дозволяють проводити в автоматичному режимі цілий комплекс вимірювань:

  • тестувати ВОЛЗ в автоматичному режимі та подавати результати у вигляді рефлектограми;
  • обчислювати довжину оптичної лінії;
  • знаходити місця обриву волокна, показувати їх у рефлектограмі, обчислювати відстань до обривів;
  • визначати місця згинів волокна, зварних з'єднань та відображати рівень втрат сигналу на них;
  • вимірювати втрати на конекторних з'єднаннях (сплітерах);
  • розраховувати параметри згасання в лінії, поворотних втрат та відбитого сигналу;
  • визначати якість волокна - виходячи з визначення погонних втрат. Волокно низької якості може, наприклад, містити велику кількість неоднорідностей, що даватиме більше розсіювання сигналу, порівняно з іншими волокнами, і більше втрат на кілометр. Чим менші погонні втрати, тим довше можна побудувати мережу на однакових потужностях оптичного обладнання;
  • здійснювати виведення на екран результатів тестування, а також зберігати дані в пам'яті, передавати на зовнішній носій результати вимірювань для подальшого аналізу та формування звітності. 

КОНСТРУКЦІЯ ОПТИЧНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА

Типовий оптичний рефлектометр зазвичай виглядає приблизно так:

Широке поширення набули також портативні прилади OTDR, які менші і легші, наприклад, оптичний рефлектометр Signal Fire S3 :

Як ми вже побачили, для функціонування рефлектометра необхідні  лазерний світлодіод, оптичний розгалужувач та фотоприймач . Вони зазвичай поєднані в оптичному модулі рефлектометра.

Крім того, сучасний OTDR комплектується:

  • потужним мікропроцесором, який обробляє отримані дані та виводить результати у вигляді звітів та рефлектограми;
  • акумуляторною батареєю - щоб рефлектометр можна було використати далеко від джерел електроживлення;
  • кольоровим екраном високої роздільної здатності;
  • функціональними кнопками;
  • роз'ємами для підключення вимірюваної лінії та додаткового обладнання.
 

Залежно від функціоналу, в рефлектометрі можуть бути роз'єми не тільки для підключення перевіряючого волокна, але також:

  • для вбудованого джерела лазерного випромінювання (LS);
  • для вимірювача потужності (OPM);
  • для візуального детектора пошкоджень (VFL);
  • додаткові коннектори для підключення багатомодового волокна, лінії PON, активної лінії;
  • USB порти – для під'єднання додаткового обладнання, USB-накопичувача, смартфона, планшета;
  • інтерфейс RG45 - наприклад, для тестування лінії на кручення парі;
  • слот для картки пам'яті ТF (опційно) і т.д.
 

Зазначимо, що функції джерела лазерного випромінювання та вимірювача оптичної потужності можуть здійснюватись через один OTDR-порт.

Подивимося на приклади. На цьому рефлектометрі марки VIAVI ми бачимо (зліва направо): порт OTDR для підключення активної лінії, звичайний порт OTDR, два USB-порти, конектор для VFL.

На компактному та недорогому  Signal Fire S3 три порти: VFL (локація дефектів), OTDR (власне, рефлектометрія) та OPM (вимірник оптичної потужності).

 Деякі моделі оснащуються модулями для підключення Wi-Fi, Bluetooth.

Як правило, більшість представлених на ринку OTDR виконані у вигляді самостійного пристрою, але зустрічаються оптичні рефлектометри, виготовлені у вигляді приставки/плати для комп'ютера (ноутбука) або мобільних пристроїв.

ВИДИ ОПТИЧНИХ РЕФЛЕКТОМЕТРІВ

ЗА МОДУЛЬНІСТЮ

Деякі бренди випускають модульні рефлектометри. Це більш дорогі, потужні та багатофункціональні пристрої, які часто конструктивно виконані у вигляді приставки для ноутбука, яка підключається до нього за допомогою різних інтерфейсів. Велике перевага таких приладів – це наявність змінних модулів, які призначені для різного виду додаткових досліджень та вимірювань, які можна докупляти окремо за необхідності.

У «польових умовах» такі рефлектометри дозволяють виконати ряд необхідних вимірювань та показати попередні результати, проте при підключенні до ноутбука такий прилад перетворюється на повноцінну платформу для аналізу параметрів ВОЛЗ. 

ЗА ФУНКЦІОНАЛЬНІСТЮ

Тут складно провести чітке розмежування за видами, оскільки ринок пропонує велику різноманітність моделей. Можна виділити 2 основні категорії:

  1. Професійні . Це дорогі прилади, які можуть коштувати $5000 і більше. Вони оснащені повним набором функцій, які необхідні для детального тестування та сертифікації ВОЛЗ за магістральними стандартами, автоматичними режимами перевірки та можливістю виставляння параметрів вручну. 
    Крім того, професійні OTDR характеризуються широким динамічним діапазоном, що дозволяє тестувати лінії завдовжки понад 200 км та отримувати докладні точні дані на ділянках складної конфігурації. Серед виробників, що виготовляють пристрої такого класу, на українському ринку представлені EXFO, Greenlee.
  2. Прості, із мінімальним набором функцій.  Якщо вам не потрібна експертна сертифікація лінії і ви працюєте на порівняно невеликих ділянках мережі, можна обійтися звичайним OTDR. Такі моделі виконують всі основні функції: вимірюють згасання сигналу, показують відстань до обривів, вимірюють втрати на конекторах і т. д. і показують це у вигляді рефлектограми. Часто додатково комплектуються VFL та OPM (як, наприклад, Signal Fire S3 ). Зазвичай мають невеликий динамічний діапазон і дозволяють тестувати лінії до 60 км, не надто розгалужені.
    Вартість такого оптичного рефлектометра зазвичай знаходиться в межах $700-$1500.
 

Решта моделей – десь посередині. Їх набір можливостей та характеристик може бути різним. На ціну може впливати як престижність бренду, так і наявність додаткових функцій чи розширених можливостей тестування. 

ЗА МОБІЛЬНІСТЮ

З функціональністю тісно пов'язаний і такий параметр, як мобільність рефлектометра . Професійне лабораторне обладнання зазвичай не придатне для «польових вимірювань», тому що має великі габарити та вагу та залежно від живлення електромережі. А компактний OTDR з мінімально необхідним набором функцій міститься в руці та зручний для тестування мережі в польових умовах.

Крім того, мобільні прилади завжди комплектуються аккумулятором із гарним запасом ємності.

ЗА ВИДАМИ ВИМІРІВ

Багатофункціональні OTDR мають додаткові рознімання для підключення двох або трьох видів волокна. Часто це моделі із верхнього цінового діапазону.

Проте більшість рефлектометрів на ринку вузькоспеціалізовані та призначені для тестування чогось одного:

  • одномодового волокна,
  • багатомодового волокна,
  • PON,
  • активного волокна.
 

Це зручно, якщо ви не бажаєте переплачувати за функції, які не потрібні у вашій роботі. 

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧНИХ РЕФЛЕКТОМЕТРІВ

Як правило, у специфікаціях на оптичні рефлектометри ми можемо побачити багато різних характеристик та параметрів приладу. Наприклад, це може виглядати так:

Спробуємо розібратися, що вони позначають і які істотні при налаштуванні та експлуатації приладу.

  1. Довжина хвилі. Для одномодового волокна – це 1310/1550 нм, для багатомодового – 850/1300 нм, для PON – 1310/1490/1550 нм, для вимірювань на активному волокні – 1625 нм або 1650 нм. По довжині хвилі можна визначити, який тип волокна можна тестувати цим рефлектометром.
  2. Вимірювана відстань . Цей параметр показує мінімальну та максимальну довжину лінії, яку можна протестувати за допомогою цієї моделі. Якщо ми говоримо про налаштування тестування, то величину відстані можна змінювати. Її потрібно виставити таким чином, щоб на рефлектограм ви могли побачити кінець лінії. Наприклад, якщо ваша лінія 3 км, встановіть 4 км.
  3. Тривалість зондувальних імпульсів . Від цього параметра залежить мертва зона та динамічний діапазон рефлектометра. Наприклад, за допомогою малих імпульсів краще вимірювати лише короткі лінії, якщо у вас протяжна магістраль, краще виставити в налаштуваннях потужніші імпульси. З іншого боку, що більший імпульс - то ширші будуть мертві зони, і якісь близько розташовані один до одного події можуть бути відбиті на рефлектограмі.
  4. Динамічний діапазон рефлектометра  залежить від тривалості зондувальних імпульсів та чутливості фотоприймача. Від значення залежить довжина оптичної лінії, яку можна заміряти за допомогою конкретного OTDR. Значення цього параметра в різних приладах від 20 до 46 Дб. У принципі, що більше значення динамічного діапазону, то більше протяжне волокно можна досліджувати таким приладом, але вартість такого OTDR буде значно дорожчою. Також слід зазначити, що ділянку ВОЛЗ складнішої конфігурації (де є багато конекторів та інших з'єднань) краще вимірювати за допомогою рефлектометра з ширшим динамічним діапазоном, він дозволить зафіксувати більшу кількість подій втрат.
  5. Час виміру . Для більш точних вимірювань (з меншою кількістю шуму на рефлектограмі) виставляйте більший інтервал часу, наприклад, для калібрування чи перевірки рефлектометра він може бути 180 сек.
  6. Мертва зона за подією . Ця характеристика OTDR визначає, у межах якого відстані від події неможливо буде визначити другу подію. Наприклад, на скрині вище значення цього параметра – 3 метри. Це означає, що якщо в межах 3 метрів після, наприклад, конектора, буде обрив або ще конектор, він потрапить у мертву зону і не буде видно на рефлектограмі. Вважають, що довжина мертвої зони за подією - це відстань від початку події до точки на схилі "піка", розташованого нижче за його вершину на 1,5 dB.
  7. Мертва зона загасання  визначає відстань після відображення події, на якому не можна виміряти втрати у волокні. Прийнято вважати, що величина мертвої зони загасання рана відстані від початку події до точки на графіку, яка розташована на 0,5 dB нижче за звичайну лінію загасання сигналу.

    Ширина мертвої зони залежить, зокрема, від тривалості зондуючого імпульсу. У характеристиках приладів вона вказується найменша, за найменшим импульсом - майте на увазі.

 

КРИТЕРІЇ ВИБОРУ ОПТИЧНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА

При виборі OTDR, особливо якщо це завдання стоїть вперше, у непідготовленого покупця можуть виникнути питання і навіть проблеми вибору приладу з величезного асортименту, який є на цьому ринку. Отже, на які фактори та характеристики потрібно звернути увагу перш за все?

  • Тип оптоволокна, на якому проводитимуться вимірювання. Тут все просто - купуйте прилад для того типу, з яким працюєте. Якщо вам потрібно буде тестувати різні типи (одномодове, багатомодове, PON, активне волокно) – беріть прилад, який поєднує потрібні функції. У деяких випадках, можливо, буде дешевше купити два недорогі прилади для різних типів волокна, ніж один багатофункціональний.
  • Дальність та складність ліній . Для оптоволоконних ліній з безліччю відгалужень, а також великої дальності потрібно набувати модель з динамічним діапазоном 30dB і більше.
  • Види вимірювань , які ви проводитимете за допомогою даного приладу. Мінімально це дальність, втрати на неоднорідностях (зварювання, конектори), визначення місць обриву тощо. Якщо вам потрібні детальніші дані, потрібно вибирати оптичний рефлектометр професійного класу.
  • Практика використання оптичних рефлектометрів у роботі. Тут вам слід визначитися з частотою використання приладу, яким чином він використовуватиметься (для польових чи лабораторних досліджень), чи достатньо портативного рішення, чи потрібно професійне, чи, можливо, варто придбати два види рефлектометрів - простіше, для оперативної перевірки лінії "в полі ", та серйозна – для детального тестування.
  • Рівень підготовки фахівців компанії . Для роботи із професійним обладнанням потрібна спеціальна підготовка.
  • Види звітності та деталізація звітів. Якщо вам досить просто іноді заміряти параметри ВОЛЗ і дивитися рефлектограму на моніторі прямо на об'єкті, можна зупинитися на недорогих портативних рішеннях. Якщо ж вам потрібний детальний аналіз рефлектограми з детальною звітністю, виконаною на комп'ютері, то необхідно подумати або про професійні рішення або врахувати, чи є у вибирається портативного приладу, картка пам'яті, інтерфейс підключення до ноутбука та ін. можливості передачі даних для аналізу та звітності.
  • Технічна підтримка від виробника , наявність детальної документації, можливість «апгрейду» рефлектометра надалі. Ці фактори теж дуже важливі, особливо якщо у вас спеціалізована організація, яка займається технічним обслуговуванням ВОЛЗ і має намір розширювати як коло клієнтів, так і види виконуваних робіт.
  • Попередній досвід роботи з приладами певного виробника . Якщо у вашій компанії вже є кілька приладів однієї марки, можливо, варто подумати про сумісність планованих покупок з вже існуючими рішеннями.

РЕФЛЕКТОГРАМА: ЯК ЇЇ ОТРИМАТИ ТА ПРОАНАЛІЗУВАТИ

Типова рефлектограма, яка виводиться на монітор портативного приладу, виглядає приблизно так:



Як бачимо, у верхній частині побудовано графік із результатами вимірювань лінії, внизу позначено таблицю з «подіями». Для розуміння, як розшифровуються всі ці піки та сходи на рефлектограмі, давайте подивимося таку шпаргалку:

  • "Піки" на рефлектограмі - це відбивають події. Обрив волокна, конектор, спліттер викликають суттєве відображення імпульсу, що фіксує рефлектометр;
  • невеликі "сходинки" - це події, що не відображають (макровигин волокна, місце зварювання, неоднорідності в волокні);
  • часті "зигзаги" в кінці рефлектограми - це шум, що реєструється після закінчення лінії;
  • кут нахилу лінії сигналу говорить про швидкість його загасання. 

Графік рефлектограми побудований на осях відстані та оптичної потужності. Це дозволяє визначати рівень загасання сигналу після кожного зареєстрованого на рефлектограмі події, а також відстань до нього.

Фахівці зазвичай зберігають рефлектограму в пам'яті приладу (файли формату SOR, Standard OTDR Record) для подальшого детального аналізу вже на комп'ютері за допомогою спеціального софту. Провести виміри на об'єкті може і не дуже кваліфікований спеціаліст, а ось займатися аналізом отриманої рефлектограми має досвідчений інженер. Справа в тому, що в автоматичному режимі не всі події фіксуються OTDR, наприклад, у деяких випадках фахівець може додати до таблиці за допомогою функцій програмного забезпечення будь-яку подію вручну. Якщо ж у таблиці з'явилася помилково знайдена подія, її можна буде вручну видалити.

Для того щоб рефлектограма вийшла якісною та містила об'єктивні результати вимірювань, перед початком тестування фахівцям необхідно встановити довжувальну котушку у точці підключення рефлектометра (для вимірювання втрат на першому конекторі). А на іншому кінці оптоволокна потрібно підключити комутаційний кабель (для фіксування втрат у дальньому з'єднувачі). Подовжувальна котушка та комутаційний кабель повинні бути такого ж типу, як досліджуване волокно.

Як правило, для зручності зберігання підовжувальні котушки поміщаються у спеціальні контейнери (довжина котушки може становити і 100-150 метрів, і 1 км, залежно від тривалості тестованого кабелю).

Також рекомендується проводити зняття рефлектограми у протилежних напрямках або переходити до ручного режиму для отримання уточнених даних. 

ПОРАДИ ЩОДО ВИКОРИСТАННЯ ОПТИЧНИХ РЕФЛЕКТОМЕТРІВ

Якщо ви використовуєте прилад вперше, то необхідно вивчити технічну документацію на нього та пройти навчання з його використання на практикі.

Необхідно врахувати таку інформацію:

  • До активної лінії не можна підключати оптичний рефлектометр (крім спеціальних моделей). Інакше OTDR може перейти у захисний режим. Зверніть увагу, що фотоприймач, установлений у рефлектометрі, дуже чутливий і не розрахований на прийом потужного випромінювання.
  • Необхідно стежити за станом вхідного конектора оптичного рефлектометра, оберігати його від забруднень та пошкоджень, регулярно проводити перевірку та очищення. Якщо ж конектор пошкоджень (царапини, потертості тощо), вам доведеться звернутися до сервісного центру для ремонту чи заміни.
  • Перед початком вимірювань, в залежності від типу вашого рефлектометра, рекомендується встановити узгоджувальний кабель (подовжувальну котушку) на початок лінії та приймаюче волокно (комутаційний кабель) на кінці лінії для отримання більш точної рефлектограми.
  • Для регулювання рівня загасання, а також для пусконалагоджувальних робіт можна використовувати спеціальні атенюатори (ступінчасті атенюатори, шнури з нормованим загасанням тощо).

 Сподіваємося, що наша стаття була корисною для знайомства за принципами роботи оптичних рефлектометрів та методами їх застосування на практиці. Фахівці компанії Lantorg проконсультують вас з усіх питань та нададуть допомогу у виборі приладу.