DIAGNOSTYKA USZKODZEŃ W TELEKOMUNIKACYJNYCH LINIACH ŚWIATŁOWODOWYCH

Transkrypt

1 Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metroloów MKM 04 _ Politechnika Łódzka Instytut Elektrotechniki Teoretycznej, Metroloii i Materiałoznawstwa DIAGNOSTYKA USZKODZEŃ W TELEKOMUNIKACYJNYCH LINIACH ŚWIATŁOWODOWYCH W artykule przedstawiono analizę wyników pomiarów reflektometrycznych linii telekomunikacyjnych, w których wystąpiły uszkodzenia. Omówiono parametry decydujące o dokładności pomiarów reflektometrycznych i dokonano oceny przydatności reflektometru do dianostyki uszkodzeń działających linii światłowodowych, bez konieczności wyłączania ich z eksploatacji. DIAGNOSTICS OF THE DAMAGES IN THE TELECOMMUNICATION OPTICAL FIBRE LINES The paper presents the analysis of the results of the reflectometer measurments telecommunication lines, in which damaes have been appeared. The parameters determine on reflectometer measurin accuracy are discussed. Estimate of the usefulness of the reflectometer to dianostics of damaes in the optical fibre lines without necessity of switchin off them from the usin is achieved. 1. WSTĘP Pomiary włókna światłowodoweo wykonuje się podczas procesu wytwarzania, przy odbiorze od dostawcy, podczas prac instalacyjnych i przed odbiorem zmontowanej sieci światłowodowej. Pomiary odrywają również istotną rolę w usuwaniu problemów występujących podczas eksploatacji telekomunikacyjnych linii światłowodowych, pozwalając na wykrycie i precyzyjną lokalizację uszkodzeń. Reflektometr optyczny OTDR (an. Optical Time - Domain Reflectometer) jest podstawowym urządzeniem pomiarowym stosowanym przy budowie i eksploatacji sieci światłowodowych oraz przy produkcji kabli. Pozwala wykryć zwiększanie się tłumienia w miejscach połączeń stałych i rozłącznych, umożliwia lokalizację niejednorodności włókien światłowodowych, takich jak zanieczyszczenia, mikrozięcia i makrozięcia. Umożliwia określenie dłuości i wykrywanie uszkodzeń linii światłowodowych. 2. ZASADA DZIAŁANIA REFLEKTOMETRU Istotą pomiaru reflektometryczneo jest wsteczne rozproszenie Rayleiha. Część synału świetlneo rozprasza się, również w kierunku, z któreo o wysłano i zostaje odebrana przez odbiornik reflektometru. Jest to rozproszenie światła na mikroniereularnościach ośrodka

2 292 dielektryczneo, w którym fala elektromanetyczna jest propaowana. Skala tych niereularności jest rzędu jednej tysięcznej dłuości fali lub mniej, więc stają się one źródłem punktoweo rozproszenia promieniowania. Niejednorodności wewnątrz rdzenia włókna: wtrącenia zanieczyszczeń, makro i mikrozięcia, pęknięcia, zmiany eometrii też powodują rozproszenie wsteczne. Tłumienność wynikającą z teo rozproszenia oblicza się ze wzoru: α = h R 4 λ, (1) dzie λ dłuość fali; h stała, dla szkła kwarcoweo h = 0, 8. Obserwacja rozproszenia wsteczneo w funkcji czasu jest równoważna obserwacji w funkcji odlełości od miejsca pomiaru. Czas od wysłania impulsu do powrotu wynika z dwukrotneo przejścia światła przez mierzony światłowód. Prędkość impulsu optyczneo bienąceo w światłowodzie, nazywaną prędkością rupową, wyraża wzór: c ν =, (2) n dzie: c prędkość światła w próżni, n rupowy współczynnik załamania światła w światłowodzie. Znając prędkość rupową impulsu optyczneo i mierząc czas jeo przejścia od początku światłowodu do niejednorodności można wyznaczyć odlełość, w jakiej się ona znajduje z zależności: t c t L = ν =. (3) 2 n 2 Moc P(x) wysłaneo impulsu w odlełości x od wyjścia reflektometru (od początku badaneo światłowodu) dla światłowodu charakteryzująceo się stałą tłumiennością jednostkową w funkcji odlełości x wyraża się wzorem: α x 10 P(x) = P0 10, (4) dzie: P 0 - moc impulsu wprowadzoneo do światłowodu, w mw; α - tłumienność jednostkowa, w db/km; x - odlełość od początku światłowodu, w km. Straty mocy optycznej wynikające z rozproszenia Rayleiha stanowią około 90% całkowitych strat w światłowodzie. Część mocy rozproszonej skierowanej wstecznie (w kierunku początku światłowodu) określona jest wzorem: P bs 2α x 10 = S α x P0 k 10, (5) dzie: S - współczynnik rozproszenia wsteczneo określa stosunek mocy rozproszenia wsteczneo P bs do całkowitej mocy rozproszenia P s ; x odcinek światłowodu w odlełości x: i detektora). x = t v = t c n ; k sprawność reflektometru (sprawność sprzęacza

3 Dianostyka uszkodzeń w telekomunikacyjnych liniach światłowodowych 293 a) b) Rys. 1. Zasada działania reflektometru: a) schemat blokowy reflektometru; b) przykładowa krzywa reflektometryczna Fi. 1. Principle of reflectometer operation: a) reflectometer block diaram; b) example reflectometer curve W światłowodach oprócz rozproszenia wsteczneo zachodzi zjawisko odbicia w strefach niejednorodności współczynnika załamania światła. Każde złączenie w torze światłowodowym powoduje dodatkowe tłumienie synału optyczneo wynikające z powstania szczeliny powietrznej. Światło ulea w niej odbiciu Fresnela przy przejściu przez ranicę szkło-powietrze oraz ranicę powietrze-szkło. Straty Fresnela wyrażone są wzorem: 2 n n r p 2, PF = 10 lo 1 n +n p r (6) dzie: nr współczynnik załamania rdzenia, np współczynnik załamania środowiska pomiędzy włóknami (powietrza). Ujawniają się one na reflektoramie w postaci skokowych wzrostów tłumienia. Dla odbić od powietrza ( n p = 1 ) straty Fresnela wynoszą 0,32 db.

4 PODSTAWOWE WIELKOŚCI MIERZONE ZA POMOCĄ REFLEKTOMETRU Za pomocą reflektometru można zmierzyć: 1. tłumienność włókna Tłumienność włókna jest to spadek mocy synału wraz z przebytą odlełością. Wyznacza się ją dzieląc różnicę poziomu mocy synału przez odlełość. Dla powszechnie stosowanych światłowodów tłumienność jednostkowa wynosi 0,4 db/km dla dłuości fali 1310 nm oraz 0,25 db/km dla dłuości fali 1550 nm. 2. tłumienność wtrąconą. Tłumienność ta jest związana z takimi nieciąłościami jak: a. spawy, spoiny, połączenia mechaniczne, odbicie wsteczne złączek czyli reflektancja. Tłumienność spawu przyjmuje się na poziomie 0,15 db, natomiast tłumienność złączki 0,5 db dla obu okien transmisyjnych. b. makrozięcia i mikrozięcia Zięcie kabla może spowodować znaczny wzrost tłumienia, dużo większy niż w przypadku spawu. Najbardziej wrażliwe na zięcia jest okno trzecie. Wartość tłumienia dla dłuości fali 1550 nm może nawet dwukrotnie przekroczyć tłumienność dla dłuości fali 1310 nm. Mikrozięcia spowodowane są niewielkimi poprzecznymi przesunięciami osi lub powierzchni światłowodu powstałymi w procesie technoloicznym. c. błędy montażowe i niejednorodności włókna Dokładność pomiaru tłumienia zależy od następujących parametrów: liniowość odbiornika, zakres dynamiczny, dłuości strefy martwej tłumienia. 3. odlełość od miejsca uszkodzenia Przy lokalizacji awarii wykonuje się najczęściej pomiar odlełości od miejsca uszkodzenia do najbliższeo złącza spawaneo. Możliwość określenia dokładnej dłuości światłowodu zależy od następujących parametrów: błędu pomiaru czasu, dłuości impulsu i częstotliwości próbkowania, dłuości strefy martwej, błędu wynikająceo z przyjętej wartości współczynnika załamania światła. 4. dłuość światłowodu Dłuość włókna może różnić się od dłuości kabla światłowodoweo (około 2,5%). 4. ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW REFLEKTOMETRYCZNYCH Pomiary wykonane zostały za pomocą reflektometru optyczneo HELIOS z modułami optycznymi typu SI7920 i SI7926HD. Parametry techniczne: dłuość fali 1300±20 nm, 1550±20 nm; podstawowe zakresy pomiarowe odlełości 5, 10, 25, 50, 100, 200 km; szerokość impulsu 20, 50, 100, 500 ns; błąd pomiaru odlełości zakres pomiarowy *10-4 ; rozdzielczość 0,1 m. Na rys. 2 przedstawiono krzywą reflektometryczną linii światłowodowej, w której wystąpiła awaria. Poleała ona na zatrzymaniu transmisji DWDM, czyli transmisji z ęstym

5 Dianostyka uszkodzeń w telekomunikacyjnych liniach światłowodowych 295 podziałem dłuości fali optycznej w jednym włóknie światłowodowym. Nastąpiło wyłączenie urządzeń pracujących w WDM. Rys. 2. Krzywa reflektometryczna z dużym jednostkowym wzrostem tłumienności, λ = 1550 nm, impuls 3 µ s, zakres 80 km Fi. 2. Reflectometer curve with hih unitary increase fiber attenuation λ = 1550 nm, pulse 3 µ s, rane 80 km Na wykresie widać duży jednostkowy wzrost tłumienności o wartości prawie 6 db na 43 kilometrze linii. Porównanie z krzywą reflektometryczną z rys. 1 (w odlełości A) suerowało, że wzrost tłumienia wystąpił na spawie lub złączu. Wniosek ten okazał się słuszny, punkt z krzywej reflektometrycznej pokrywał się z miejscem zainstalowania mufy. Po jej otwarciu okazało się, że cała mufa i framenty kabla po obu jej stronach wypełnione są lodem, który doprowadził do zaięcia większości włókien lub ich złamania. Szczeółowe badania wykazały, że rozszczelnienie nastąpiło na odcinku kabla na skutek pęknięcia aluminiowej rurki otaczającej zespół optyczny. Nie było ono spowodowane uszkodzeniem mechanicznym, ale wadą produkcyjną. Rurka aluminiowa wykonana została w technoloii zinania i formowania na zimno oraz późniejszeo spawania w osłonie azów nieaktywnych (aron). Niewłaściwa jakość spawu wzdłużneo doprowadziła do powstania mikrodefektów. Na skutek działania opadów i niskiej temperatury nastąpiło rozszczelnienie rurki i woda przedostała się do wnętrza kabla wiodąceo włókna. Proces ten był dłuotrwały, a omawiana linia pracowała bezawaryjnie ponad 4 lata. Usunięcie tej awarii wymaało wymiany odcinka kabla. Na rys. 3 przedstawiona została krzywa reflektometryczna obrazująca tłumienie włókna kabla światłowodoweo podwieszoneo na linii eneretycznej średnieo napięcia 40 kv.

6 296 Rys. 3. Krzywa reflektometryczna włókna kabla światłowodoweo podwieszoneo na linii eneretycznej średnieo napięcia 40 kv, λ = 1550 nm, impuls 300 ns, zakres 80 km Fi. 3. Reflectometer curve optic fiber cable underslun on enery line averae tensions 40 kv, λ = 1550 nm, pulse 300 ns, rane 80 km Przyrosty tłumienności suerują awarię linii. Dobrany zakres pomiarowy 80 km okazał się za duży, w odlełości 42 kilometrów widoczny jest koniec linii. Pomiary zostały wykonane z powodu zasynalizowania przez urządzenia transmisyjne błędów wynikających z nadmierneo tłumienia synału. Na skutek teo na końcu linii światłowodowej pojawiły się liczne błędy w odczycie wartości impulsów cyfrowych. Ponieważ kształt reflektoramu odpowiada typowej krzywej dla połączeń spajanych (przedstawionej na rysunku 1) przypuszczano, że uszkodzenie polea na złej jakości wykonania tych połączeń. Punkty wzrostu tłumienności pokrywały się z miejscami występowania zainstalowanych na trasie muf. Przyczyną awarii okazały się znaczne makrozięcia włókien w kasecie mufy. Nastąpiły one na skutek wysuwania się włókien światłowodowych z kabla do kasety mufy pod wpływem zmian naprężeń kabla wywołanych wahaniami temperatury otoczenia. Zainstalowane na tej linii mufy wyposażone były w kasety o niewielkich rozmiarach, dlateo wysuwające się włókno nie miało odpowiedniej ilości miejsca, aby ułożyć się swobodnie. Naprawa poleała na wymianie wszystkich muf na większe, moące pomieścić zapas 70 cm włókna światłowodoweo. Rysunek 4 ilustruje typowe uszkodzenie mechaniczne złącz. Pomiar pokazuje znaczny wzrost tłumienności przejścia na 12 i 31 kilometrze linii. Kształt krzywej jest analoiczny jak na rysunku 1 w punkcie B i sueruje, że jest to miejsce zainstalowania złącza. Duże odbicia na złączach i na końcu światłowodu są spowodowane zmianą współczynnika odbicia między światłowodem a powietrzem. Należy, więc wnioskować, że w złączu wystąpiła awaria powodująca jeo rozszczelnienie. Awaria ta

7 Dianostyka uszkodzeń w telekomunikacyjnych liniach światłowodowych 297 została wykryta dopiero przy pomiarze dla dłuości fali 1550 nm. Przy pomiarach w oknie transmisyjnym 1310 nm czułość reflektometru była zbyt mała. Rys. 4. Krzywa reflektometryczna ilustrująca typowe uszkodzenie mechaniczne kabla λ = 1550 nm, impuls 300 ns, zakres 80 km Fi. 4. Reflectometer curve present typical mechanical fibre optic cable damae λ = 1550 nm, pulse 300 ns, rane 80 km 5. PODSUMOWANIE W referacie przedstawiono wyniki pomiarów reflektometrycznych typowych uszkodzeń telekomunikacyjnych linii światłowodowych. Potwierdzają one przydatność reflektometru do dianozowania uszkodzeń. Korzyści ze stosowania reflektometru: to duża szybkość pomiaru i punktowe wyznaczenie strat. Analiza wyników pozwala na określenie miejsca wystąpienia awarii i wstępne określenie jej przyczyny. Niektóre typy reflektometrów już w trakcie pomiaru dokonują oceny typu wykryteo zdarzenia wykrywają lokalne zwiększenie tłumienności i lokalne wzrosty poziomu odbiteo synału. Najczęściej w trakcie pomiarów reflektometrycznych stwierdza się uszkodzenia powstałe na skutek oddziaływań mechanicznych, niedokładności wykonania połączeń spawanych oraz ułożenia włókien w kasecie mufy, a także defekty związane z niejednorodnością włókna i wszelkieo rodzaju zanieczyszczeniami pozostałymi po procesie produkcji. Przy doborze parametrów pomiaru szczeólną uwaę należy zwrócić na wybór szerokości impulsu pomiaroweo. Impuls o dłuższym czasie trwania zwiększa dynamikę pomiaru, ale powoduje także zmniejszenie rozdzielczości detekcji zdarzeń i tłumienności.

8 298 Ważnym zaadnieniem jest kontrolowanie włókien w możliwie jak największym spektrum fali świetlnej (rys. 4). Wykonuje się obecnie najczęściej pomiary dla typowych okien transmisyjnych (np nm i 1550 nm ), często pomiar dla jednej dłuości fali nie daje pełneo obrazu uszkodzeń. W przypadku wątpliwości przy interpretacji wyników, pomiary należałoby wykonać na obu końcach linii, a identyfikacji miejsca i rodzaju uszkodzenia dokonać na podstawie wyników uśrednionych. Przewaą techniki OTDR jest to, że przy dostępie tylko do jedneo końca światłowodu uzyskujemy pełną charakterystykę linii. Duże znaczenie ma też możliwość wykonania pomiarów bez konieczności wyłączania całej linii z eksploatacji. Nowoczesne systemy telekomunikacyjne wyposażone są w automatyczne obwody kontroli jakości przesyłanych danych. Często reflektometr znajduje się w zestawie urządzeń transmisyjnych i działając na innej dłuości fali stale monitoruje daną linię światłowodową. LITERATURA 1. Majewski A., Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Midwinter J. E., Światłowody telekomunikacyjne, W N-T, Warszawa, Midwinter J. E., Guo Y. L., Optoelektronika i technika światłowodowa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, Patela S., Materiały pomocnicze do wykładów z optoelektroniki, Politechnika Wrocławska. 5. Smoliński A., Optoelektronika światłowodowa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, Szczerski R., Lokalizacja uszkodzeń kabli i wybrane badania eksploatacyjne linii kablowych, W N-T, Warszawa, Stelmachowski J., Pomiar parametrów telekomunikacyjnych linii światłowodowych, praca maisterska wykonana w Zakładzie Metroloii Elektrycznej i Elektrotechniki Samochodowej Politechniki Łódzkiej. 8. Normy zakładowe Telekomunikacji Polskiej S.A. 9. Netia Telecom S.A. TDC S Zasady Budowy Sieci Optotelekomunikacyjnych. ABSTRACT The paper presents the analysis of the results of the reflectometer measurments telecommunication lines, in which damaes have been appeared. The parameters determine on reflectometer measurin accuracy are discussed. Estimate of the usefulness of the reflectometer to dianostics of damaes in the optical fibre lines without necessity of switchin off them from the usin is achieved. In fiure 1 bloc diaram the principle of the reflectometer operation is presented. Next fiures presents case of the typical line damaes.