Приложенная механическая нагрузка

(относительное удлинение волокна), %

Рис. 10.27 Результаты ускоренных испытаний оптического волокна

Принцип работы подобных рефлектометров основан на измерении параметров обратного бриллюэновского рассеяния. Известно, что наряду с рэлеевским рассеянием в оптическом волокне имеет место рассеяние с длиной волны отличной от длины волны падающего света. Его называют стоксовским светом, если сдвиг длины волны положительный, и антистоксовским (обратым стоксовским), если сдвиг длины волны отрицательный. Это, в частности, рамановское и бриллюэновское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние- это рассеяние на неподвижных неоднородностях ( флюктуациях показателя преломления), обусловленных технологией изготовления оптического волокна. Длина волны рэлеевского рассеяния совпадает с длиной волны падающего света. Рамановское и бриллюэновское рассеяние- это рассеяние на подвижнох неоднородностях, связанных с колебаниями ато­ов в кристаллической решетки и акустическими волнами. В силу эффекта Допплера свет отраженный от подвижного объекта сдвиут по длине волны относительно падающего. Соответственно длины волн рамановского и бриллюэновского рассеяния отличаются от длины волны падающего света (рисунок 10.28).

Рис. 10.27 Соотношение длин световых волн

(10.38)

где n-показатель преломления, V_A - скорость звука, λ-длина волны. Причем, согласно [23] скорость звука определяется выражением

(10.39)

где E - модуль Юнга, ρ- плотность, σ - постоянная Пуассона. Зависимость модуля Юнга стекла от механических напряжений описывается формулой

(10.40)

где E₀ - модуль Юнга при нулевой нагрузке, ε - механическое напряжение.

Бриллюэновское рассеяние света связано с акустическими волнами, параметры которых в свою очередь зависят от внутренних механических напряжений в волокне. Согласно [20] сдвиг частоты ν_B бриллюэновского рассеяния относительно частоты зондирования равен

Рис. 10.29 График зависимости сдвига частот от величины напряжения

Отсюда следует, что сдвиг частоты бриллюэновского рассеяния пропорционален внутреннему механическому напряжению в волокне. На рис. 10.30 представлена зависимость сдвига частот бриллюэновского рассеяния для чистого кварца на длине волны зондирующего сигнала 1,55 мкм в зависимости от выраженных в процентах относительного удлинения волокна внутренних механических напряжений в стекле [20].

Измеряя методами рефлектометрии зависимость от времени сдвига частот сигнала обратного бриллюэновского рассеяния в волокне относительно частоты (длины волны) зондирующего сигнала, можно получить распределение внутренних механических напряжений вдоль волокна (рис. 10.28), что позволяет, как было отмечено ранее, оценивать состояние волокна, прогнозировать его срок службы, выявлять поврежденные участки [28].

Известно два способа измерения временной характеристики частотного сдвига сигнала бриллюэновского рассеяния, реализуемые с помощью работающих во временной области анализаторов спектра сигналов бриллюэновского рассеяния (brilloun optical time domain analisys - ВОТDА) и работающих во временной области оптических рефлектометров обратного бриллюэновского рассеяния (brilloun optical time domain reflectometer- ВОТDR). Разницу в принципах работы ВОТDАи ВОТDR поясняют рисунки 10.29,10.30.

Рис. 10.29 Распределение внутренних напряжений вдоль волокна

Из-за необходимости подключения одновременно с двух сторон линии ВОTDА не находят применения на оптических сетях связи. Здесь предпочтение отдано системам ВОTDR. Сегодня данные средства измерений представлены на рынке приборами АQ8602/8602В производства фирмы Ando. Данный прибор выполняет как функции когерентного оптического рефлектометра обратного рэлеевского рассеяния (СОTDR АQ8602), так и бриллюэновского оптического рефлектометра (ВОТDR АQ8602В), обес­печивая измерение оценок затухания, распределения механических напряжений, расстояний до различного вида нерегулярностей оптических волокон. Основные технические данные прибора сведены в таблице 10.5.

Принцип работы прибора в режиме ВОTDR поясняет рис. 10.31. Внешний вид прибора представлен на рис. 10.32. На рисунках 10.33 -10.35 представлены отображения на дисплее результатов измерений в режиме ВОТDR и на рисунке 10.36 в режиме СОTDR.

Рис. 10.31 Принцип работы ВОТDA

Рис. 10.32 Принцип работы ВОТDR

Рис.10.34 Внешний вид ВОТDR

Рис. 10.33 Структурная схема ВОТDR

Основная причина, ограничивающая широкое распространение ВОTDR, основанных на измерении сдвига частот, их высокая стоимость.

Вместе с тем известны датчики контроля распределения механических напряжений в оптическом волокне основанные на измерении отношения Ландау-Плячека (LPR) [20]. Это отношение интенсивностей бриллюэновского и рэлеевского рассеивания: LPR=I_B/I_R Согласно [20] зависимость LPR от механического напряжения в волокне описывается формулой

(10.41)

где коэффициенты к₁, к₂ равны

(10.42)

а Т_f -температура плавления стекла, Т ~ температура, В_T - температурный коэффициент объемного расширения при температуре плавления. Базовыми элементами рефлектометров Бриллюэновского рассеяния основанных на измерении LPR являются узкополосный лазер и интерферометр Маха-Цандера. Принцип работы подобного прибора поясняет рисунок 10.37, 10.38. Там же приведена форма представления результатов измерений на дисплее данного прибора. Как следует из [20], такие рефлектометры могут обеспечить динамический диапазон от 1,5..3,5 дБм и выше при разрешающей способности не хуже 3..10 метров и погрешности измерения механического напряжения в волокне менее 0,1%. Очевидно, что по своим техническим данным ВОТDR, основанные на измерении LRP существенно уступают ВОТDR, измеряющим сдвиг частоты. Вместе с тем, даже в худших прогнозах их стоимость ожидается практически на порядок ниже. В таблице 10.6 представлены данные о возможности использования рефлектометров обоих типов при строительстве и эксплуатации ВОЛП. Нетрудно заметить, что более 80% всех измерений при строительстве линий связи может быть выполнено приборами, измеряющими LRP. При этом, при соответствующей организации работ, потребность в последующих измерениях по контролю состояния волокон существенно сокращается. Особо следует подчеркнуть, что рефлектометры, измеряющие LRP обеспечивают решение актуальнейшей задачи по выбору необходимой длины кабельной вставки при ремонте линии связи. Таким образом, можно ожидать, что при выполнении прогнозов по стоимости ВОТDR на основе измерений LRP последние будут востребованы и найдут применение при строительстве и эксплуатации ВОЛП.

10.6 ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАРУЖНЫХ ПОКРОВОВ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

10.6.1 Контроль состояния наружных покровов

Для контроля состояния наружных покровов оптических кабелей связи в процессе строительства и эксплуатации волоконно- оптических линий связи используются средства измерений, позволяющие измерять высокоомные сопротивления на постоянном токе (мегомметры различного типа, мосты постоянного тока и т.п.). Измерения выполняются на участке между контрольно- измерительными пунктами (КИП). На ВОЛП как правило применяются КИП-2, щиток которого имеет три клеммы. Первая и вторая клеммы соединяются с металлическими покровами оптического кабеля с прилегающих к КИП участков, соответственно, а третья клемма с линейно-защитным заземлением (ЛЗЗ). В нор­мальном режиме работы линии связи, клеммы соединяются между собой перемычками. При выполнении измерений перемычки на КИП по обоим концам исследуемого участка снимаются, что обеспечивает изоляцию металлических покровов исследуемой длины кабеля от земли и металлических покровов кабеля на соседних участках. Измерения выполняются по схеме, приведенной на рис. 10.39

Рис. 10.39 Схема измерения сопротивления изоляции

С одной стороны на КИП между металлическими покровами исследуемой длины кабеля и землей включается измерительный прибор. Первым этапом, соединив с противоположной стороны на КИП металлические покровы исследуемой длины кабеля с землей, выполняют измерение сопротивления. Вторым этапом, разрядив предварительно емкость «металлические покровы-земля», изолируют металлические покровы исследуемой длины кабеля от земли и снова выполняют измерение сопротивления. Если ре­зультаты измерений первого и второго этапов не совпадают, считают, что целостность металлических покровов на участке нарушена. Если результаты измерений на первом и втором то значение сопротивления, полученное при измерении на втором этапе, принимают за оценку сопротивления изоляции наружных покровов. Приводят данные измерений к единице длины линии и сопоставляя полученное в результате значение с нормами, делают вывод о состоянии изолирующих покровов оптического кабеля. Согласно [25] на ЭКУ сопротивление изоляции металлических покровов оптического кабеля относительно земли должно быть не менее 5 МОм.км. При этом, если данная норма не выдерживается и в результате проверки состояния кабеля и устранения повреждений довести сопротивление изоляции наружных покровов оптического кабеля до нормы не представляется возможным, то допускается приемка в эксплуатацию кабеля по фактически достигнутым величинам, но не менее 100 кОм.км. Соответственно, если по данным последних контрольных измерений нормы для исследуемого участка КИП-КИП выполнялись, то считают, что изоляция внешних покровов кабеля повреждена при сопротивлении изоляции ниже нормы. Если по данным последних контрольных измерений норма для исследуемого участка КИП-КИП не выполнялась, то считают, что изоляция внешних покровов кабеля повреждена при сопротивлении изоляции ниже 100 кОм.км.

Измерение внешних покровов ОК на участке НРП-НРП произ-

водится по схеме представленной на рис. 10.40

Рис. 10.40 Схема измерения внешних покровов ОК

на участке НРП-НРП

Основным условием измерения внешних покровов ОК на участке НРП-НРП является:

-проключение на всех линейных КИП металлических покровов длин кабеля;

-отключение ЛЗЗ от металлических покровов на всех КИП исследуемого участка НРП-НРП;

-на участках НРП-НРП при наличии сильных электромагнитных влияний на всех КИП металлические покровы кабелей подключаются к ЛЗЗ через необслуживаемые линейные точки (НЛТ).

Рис.10.41 Подключение кабеля через НЛТ

Принцип работы НЛТ поясняет рисунок 10.41. Измерения производятся с НРП также, как и для участка КИП-КИП. При наличии устройств автоматического контроля внешних покровов ОК измерения производятся дистанционно из центра технического обслу­живания (ЦТО).