В статье представлены результаты исследовательских работ, направленных на обеспечение единства измерений параметров оптических рефлектометров. Описываются эталонная база и нормативно-техническая документация, созданные специалистами ВНИИОФИ. Рассматриваются результаты внедрения и применения созданных эталонов. Также приводятся результаты исследований методов калибровки нового перспективного класса оптических рефлектометров, работающих в частотной области.
Выпуск #7/2019В. В. Григорьев, В. Е. Кравцов, А. К. Митюрев, Е. А. Науменко, А. О. Погонышев, К. Б. Савкин, С. В. Тихомиров Особенности метрологического обеспечения оптических рефлектометров
В статье представлены результаты исследовательских работ, направленных на обеспечение единства измерений параметров оптических рефлектометров. Описываются эталонная база и нормативно-техническая документация, созданные специалистами ВНИИОФИ. Рассматриваются результаты внедрения и применения созданных эталонов. Также приводятся результаты исследований методов калибровки нового перспективного класса оптических рефлектометров, работающих в частотной области.
Одним из приборов, обеспечивающих диагностику волоконно-оптических систем передачи информации и других волоконно-оптических систем, являются оптические рефлектометры (ОР). Они позволяют измерять длину оптических волокон и кабелей (ОВ, ОК), расстояние до места неоднородности и ослабление в ОВ и ОК при производстве и эксплуатации систем и их компонентов. Во ВНИИОФИ, государственном научном метрологическом институте в области оптико-физических измерений, проводятся работы, направленные на обеспечение достоверности результатов и единства измерений указанных параметров, что необходимо для достижения высокого качества связи и передачи информации. С этой целью для решения задач метрологического обеспечения измерений параметров ОР, работающих во временной области (OTDR), разработаны Первичный и Рабочие эталоны, а также соответствующая нормативная документация.
В 2006 году был создан, а затем в 2011 году усовершенствован Государственный первичный специальный эталон ГЭТ 170-2011 (ГПСЭ) и разработана межгосударственная поверочная схема ГОСТ 8.585-2013 [1], регламентирующая передачу единиц от верхнего звена – первичного эталона, к рабочим эталонам и средствам измерений. ГПСЭ возглавляет данную поверочную схему. Воспроизведение и передача единицы длины в ГПСЭ производится путем определения значений времени задержки оптического излучения с последующим пересчетом к значениям длины. Воспроизведение и передача единицы ослабления производится путем нормирования относительных значений мощности излучения. В настоящее время с целью подтверждения характеристик первичного эталона проходят международные сличения по длине оптического волокна в рамках проекта АРМР.PR-S8, участниками которого являются такие страны, как Республика Корея, Франция, Швейцария, Китай и др.
Созданные Рабочие эталоны, обеспечивающие поверку и калибровку ОР (OTDR), основаны на использовании активного метода [2, 3] передачи единиц длины и ослабления. С этой целью в составе Рабочих эталонов применяются специальные оптические генераторы, имитирующие прохождение оптического излучения по волокну, разработанные совместно с Институтом информационных технологий (Минск, Республика Беларусь). Относительная погрешность воспроизведения единицы ослабления с помощью разработанных Рабочих эталонов для одномодового режима не превышает 0,015 дБ / дБ, а абсолютная погрешность воспроизведения единицы длины не превышает (0,15 + 5 · 10–6 · L), м, где L – значение длины, м.
К настоящему моменту ВНИИОФИ поставил более 40 Рабочих эталонов для оснащения центров стандартизации и метрологии и ряда ведомственных метрологических центров. С помощью созданных эталонов во ВНИИОФИ проведены испытания и включены в реестр более 60 типов ОР, произведенных зарубежными фирмами (EXFO, Agilent, Viavi, Yokogawa и рядом других) и отечественными компаниями (ТПК ВП, Связьприбор, Связьсервис). ВНИИОФИ также выполняет поверку и калибровку рефлектометров (более 200 приборов за 2017 год). Для обеспечения поверки разработаны Рекомендации по методам поверки Р 50.2.071-2009 [4].
Следует отметить, что подавляющая часть поверяемых приборов сохраняет свои характеристики и успешно проходят поверку. Вместе с тем отмечаются случаи, когда погрешности при измерении длины и ослабления превышают допустимые пределы, происходят сбои в программном обеспечении и уменьшается динамический диапазон вследствие неправильного обращения с разъемами и деградации лазеров; в ряде случаев отмечяется сдвиг по шкале длины, что требует пристального внимания со стороны эксплуатирующих организаций и подтверждает необходимость работ по периодическому контролю основных технических характеристик ОР.
В настоящее время с развитием высокоскоростных систем и оптических систем доступа (волокно в каждый дом) возникает необходимость применения ОР с набором источников, работающих на большем, чем традиционно, количестве длин волн и с погрешностями, приближающимися к погрешностям Рабочих эталонов. Возникает также необходимость нормирования значений обратных потерь [3]. Все это требует постоянного совершенствования эталонной базы.
Одним из таких перспективных классов ОР являются OFDR рефлектометры (Optical Frequency Domain Reflectometry), отличительной особенностью которых является сочетание быстродействия и высокого разрешения порядка 10 мкм при измерении коротких расстояний до нескольких десятков метров.
Принцип работы OFDR рефлектометров основан на методике частотной интерферометрии [4], позволяющей получать рефлектограммы с высоким пространственным разрешением и значительным динамическим диапазоном.
Преимуществом OFDR является также отсутствие мертвой зоны при измерении расстояний. В настоящее время в России отсутствует метрологическая база, позволяющая обеспечить поверку, калибровку и испытания данного типа приборов. Кроме того, имеется ряд методических вопросов, связанных с отсутствием алгоритмов и количественных оценок по определению погрешности приборов, для которых, как правило, в спецификации указывается лишь параметр пространственного разрешения и не указываются соответствующие точностные характеристики.
Был проведен анализ принципиальной схемы типичного прибора [4, 5], в результате которого построена математическая модель процесса преобразования сигналов в OFDR рефлектометре. В модели имитируется подключение к прибору тестируемого ОВ с неоднородностями, положение которых требуется определить. Интерференционный сигнал, зависящий от местоположения отражающих событий, описывается с помощью известных аналитических соотношений [4, 5], находится обратное преобразование Фурье полученного сигнала, и в результате получаются искомые временные задержки, то есть определяется положение неоднородностей в тестируемом ОВ. Полученные с помощью математической модели значения абсолютной погрешности определения положения неоднородностей в тестируемом волоконно-оптическом тракте для типовых приборов составляют порядка 15 мкм при длине линии до 30 м и 30 мкм при длине линии до 70 м.
В зависимости от характеристик рассматриваемых приборов для обеспечения калибровки OFDR рефлектометров с требуемой погрешностью предложены следующие методы: калибровка газовой кюветы прибора по длине волны, интерферометрический метод, калибровка с помощью компаратора линейных перемещений, калибровка с помощью Государственного первичного специального эталона ГЭТ 170-2011 [1].
Метод калибровки газовой кюветы прибора по длине волны заключается в определении длин волн пиков поглощения кюветы и оценке отличия полученных значений от опорных (эталонных), используемых прибором для вычислений длины. Данный метод применим лишь в том случае, когда имеется доступ к газовой кювете прибора и настройкам его программного обеспечения в части установки значений длин волн пиков поглощения.
Калибровка интерферометрическим методом производится с помощью образцов оптического волокна, длина которых с высокой степенью точности определяется с использованием интерферометра и перестраиваемого по длине волны лазера, а затем измеряется на калибруемом OFDR рефлектометре.
Идея метода калибровки OFDR рефлектометров с помощью компаратора линейных перемещений заключается в применении высокоточной оптической линии задержки с параметрами, определяемыми по результатам измерений перемещений интерференционным методом.
Калибровка с помощью государственного первичного специального эталона ГЭТ 170–2011 производится с помощью образцов ОВ, время задержки прохождения оптического сигнала, в котором с высокой степенью точности определяется с помощью генератора временных интервалов из состава ГЭТ 170-2011, с последующим измерением их длин на калибруемом OFDR рефлектометре. Данный метод целесообразно использовать для относительно больших расстояний − порядка двух километров.
Кроме задач, связанных с метрологическим обеспечением рефлектометрии OTDR и OFDR, для диагностики волоконно-оптических систем и устройств все более широкое применение находят другие классы ОР и измерительных систем с распределенными параметрами. К ним относятся когерентные рефлектометры, системы на основе Брюллюэновского и Рамановского рассеяния и др. Для них также существенным является нормирование расстояния до места события. При этом в ряде систем требования по точности измерений расстояний определяются значениями порядка десятков микрон. В связи с этим во ВНИИОФИ проводятся работы по испытаниям и калибровке нескольких типов распределенных волоконно-оптических систем. Начаты также работы по методам калибровки и поверки рефлектометров OFDR и когерентных ОР
Таким образом, разработанная в настоящее время система метрологического обеспечения измерений с помощью ОР OTDR, включающая Государственный первичный специальный эталон, Рабочие эталоны и нормативную документацию, обеспечивает выполнение необходимых работ по метрологическому обеспечению измерений их основных параметров. Дальнейшие работы в данной области предполагается проводить в направлении увеличения точности эталонов, расширения спектральных диапазонов и создания эталонной базы для вновь применяемых перспективных типов ОР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ГОСТ 8.585-2013. Государственная поверочная схема для средств измерений длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации. – Введ. 01.01.2015. – М.: Стандарт информ, 2015. GOST 8.585-2013. Gosudarstvennaya poverochnaya skhema dlya sredstv izmerenij dliny i vremeni rasprostraneniya signala v svetovode, srednej moshchnosti, oslableniya i dliny volny opticheskogo izlucheniya dlya volokonno-opticheskih sistem svyazi i peredachi informacii. – Vved. 01.01.2015. – M.: Standart inform, 2015. Григорьев В. В., Кравцов В. Е., Митюрев А. К., Мороз Е. А., Погонышев А. О., Подюкова Л. В., Савкин К. Б., Тихомиров С. В. Современные оптические рефлектометры: вопросы метрологического обеспечения (обзор). Фотон-экспресс. 2018; 5: 18. Grigor’ev V.V., Kravcov V. E., Mityurev A. K., Moroz E. A., Pogonyshev A. O., Podyukova L. V., Savkin K. B., Tihomirov S. V. Sovremennye opticheskie reflektometry: voprosy metrologicheskogo obespecheniya (obzor). Foton-ekspress. 2018; 5: 18. IEC61746-1 Ed. 1 OTDR Calibration OTDR for SM fibers. Soller B. J., Wolfe M., Froggatt M. E. Polarization resolved measurement of Rayleigh backscatter in fiber-optic components. National Fiber Optic Engineer’s Conference, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, DC), paper NWD3 (2005); Kreger S. T., Gifford D. K., Froggatt M. E., Sang A. K., Duncan R. G., Wolfe M. S., Soller B. J. High-Resolution Extended Distance Distributed Fiber-Optic Sensing Using Rayleigh Backscatter. SPIE. 2007; 6530: 65301R.