پارامترهای دستگاه OTDR
محدوده دینامیکی، تعيين كننده مسافتی است كه یک OTDR می‌تواند تضعيف فيبر را اندازه‌گيری کند. پارامترهای دستگاه OTDR بر حسب دسيبل بيان مي‌شود و هرچه مقدار آن بزرگتر باشد، به معني توانايي اندازه‌گيري مسافت‌هاي بزرگتر است. پالس نوري بايد به اندازه‌اي قوي باشد تا به انتهاي فيبر مورد نظر برسد و حسگر در گيرنده بايد آنقدر حساس باشد كه بتواند ضعيف‌ترين سيگنال‌های برگشتی حاصل از پراكنش را كه از انتهاي فيبر با متراژ طولانی می‌آید اندازه‌گيري کند.
پارامترهای دستگاه OTDR
قدرت پالس منبع لیزر و حساسیت حسگر دو عامل تعیین کننده محدوده دینامیکی است. منبع بسیار قدرتمند و حسگر حساس محدوده ديناميكي بزرگي را تأمین می‌نمایند، در حالی که یک منبع ضعیف‌تر و استفاده از یک حسگر متوسط، دامنه ديناميكي پاييني را فراهم مي‌آورد. محدوده دینامیکی یک OTDR در واقع تفاوت بین سطح نور پراش برگشتي در اول فيبر نوري و سطح متوسط نويز در انتها يا بعد از آن است. محدوده دینامیکی کافی، تمايز مشخصي بين سطح نور برگشتي و سطح نويز فراهم مي‌آورد. در صورت پايين بودن محدوده ديناميكي در انتهاي فيبر منحني نور برگشتي صاف نبوده و داراي نوسان است. در اين حالت تشخيص جزئيات مشكل خواهد بود و تغييرات سطح توان ممکن است حتي از افت نقاط جوش نيز بيشتر باشد.
افزایش توان پالس خروجي یک ليزر را می‌توان به دو صورت انجام داد:
افزايش مقدار مطلق نور خروجي، و یا افزایش مدت زمان پالس (عرض پالس).
براي هر یک از اين روش‌ها، با محدوديت‌هايي مواجه خواهیم بود؛ سطح توان خروجی دیود لیزر دارای یک مقدار بیشینه طبیعی است که نمی‌تواند بیش از حد شود. همچنین، سطح خروجی بالاتر به معنی عمر کوتاه‌تر است، يعني لیزر ممکن است سریع‌تر بسوزد. هنگامی که عرض پالس افزایش مي‌يابد ویژگی‌های عملکـردي، از جمله منطقه مرده را تحت تأثیر قرار مي‌دهد. عرض پالس بزرگتر به معني تولید منطقه مرده بزرگتر است.
حسگر نیز در توانایی خود برای اندازهگیری سطح نور کم، داراي محدوديت‌هاي طبيعي است. در برخی موارد، سطح جريان برق ارسالي توسط حسگر (که مربوط به سطح قدرت نوری دریافتی است) در نویز الکتریکی مربوط به مدارات آن، گم شـده و واحد کنترل کننده نمی‌تواند مقدار اندازه‌گيري حسگر از نويز را تشخیص دهد. شيلد الكتريكي در یک OTDR به منظور کاهش اثرات سوء نويز محیط در دستگاه اهميت حیاتی دارد. علاوه بر این، هنگامی که یک حسگر در نقطه بیشینه حساسيت عمل كند، دقت سطح آن کاهش مي‌يابد.
به منظور بهبود دقت در نور با سطح توان پایین، در OTDR با تركيب نتايج حاصل از اندازه‌گيري هزاران پالس از تکنیک‌های موسوم به متوسط‌گيري استفاده مي‌شود. استفاده از روش متوسط‌گيري حساسیت حسگر را بهبود بخشيده و در نتیجه می‌تواند منجر به بهبود محدوده دینامیکی شود.
روش های محاسبه محدوده دینامیکی
چندین روش مختلف برای محاسبه محدوده دینامیکی وجود دارد. روشي كه در بالا ذكر شد روش موسوم به ٩٨ %نويز است كه توسط بسیاری از سازمان‌های استاندارد توصيه شده است. در اين روش اولين نقطه‌اي كه در آن سطح نور برگشتي به نويز مي‌رسد مبنا قرار مي‌گيرد. روش ديگر به نام 1=SNR( سيگنال به نويز) است كه شبيه به روش ٩٨ %بوده، ولي مقدار محاسبه شده با آن ٢ دسي بل بيشتر است. در اين روش نقطه مبنا زير سطح نويز داخلي دستگاه انتخاب مي‌شود. در واقع با اين روش ممكن است نتوان نور برگشتي در انتهاي فيبر را از نويز تشخيص داد. روش سومي كه براي اندازه‌گيري محدوده ديناميك استفاده مي‌شود به نام تشخيص فرنل معروف است. در اين روش به مقدار اندازه‌گيري محدوده ديناميک١٠ دسيبل و يا بيشتر اضافه مي‌شود. نقطه مبنا در روش فرنل نقطه‌اي است كه انعكاس فرنل در انتهاي فيبر را بتوان از نويز تشخيص داد. هرچند با اين روش بالاترین مقدار محدوده ديناميک اندازه‌گيري مي‌شود، اما مقدار آن گمراه کننده است چرا که به چگونگی استفاده معمول از OTDR مربوط نیست.
ناحيه مرده یا کور
ناحيه مرده اشاره به ناحيه‌اي از منحني در OTDR دارد كه بعد از انعكاس فرنل قرار می‌گیرد و در آن قسمت مقدار نور برگشتي حاصل از انعكاس، از نور پراش برگشتي بيشتر است. حسگر OTDR (پارامترهای دستگاه OTDR) به صورتي طراحي مي‌شود تا نور ضعيف پراش برگشتي از فيبر را اندازهگیری کند و وقتي انعكاس فرنل بالایی به آن برخورد می‌کند، تشخيص خود را از دست داده و اصطلاحا كور مي‌شود. اين دوره كوري حداقل به اندازه زمان پالس طول مي‌كشد. هنگامي كه گيرنده، سطح بالایی از نور منعکس شده را دريافت مي‌كند به حالت اشباع رفته و قادر به اندازه‌گيري نور پراش برگشتي كه بلافاصله بعد از انعكاس مي‌رسد، نیست.
ناحيه مرده شامل دوره زماني انعكاس و دوره زماني مورد نياز براي اينكه حسگر به وضعيت بيشينه حساسيت خود برگردد، است. این دوره را می‌توان دوره ریکاوری نام نهاد. حسگرهاي با كيفيت بالاتر نسبت به حسگرهاي ارزان‌تر مي‌توانند بعد از حالت اشباع، سريع‌تر به حالت اوليه برگردند و بنابراين داراي ناحيه مرده كمتري خواهند بود. اثر ناحيه مرده را می‌توان با حالتي كه شما به آسمان روشني نگاه مي‌كنيد مقايسه کرد. در صورتي كه نور و يا چراغ ديگري در اطرافتان نباشد، چشمان شما چنان حساس مي‌شوند كه قادر خواهيد بود نور بسيار ضعيف از ستاره‌هاي دوردست را ببينيد (مثل نور پراش برگشتي).
حال اگر كسي چراغ قوه‌اي را به چشمان شما بتاباند، نور قوي آن باعث مي‌شود به حالت كوري دربيایيد (مثل انعكاس فرنل) و ديگر نمي‌توانيد نور هيچ ستاره‌اي را ببينيد. تا زماني كه نور چراغ قوه به چشمان شما مي‌تابد (دوره پالس) هيچ چيز ديگري به جز نور چراغ را نخواهيد ديد. وقتي نور چراغ خاموش شود، چشمان شما كم كم به تاريكي عادت کرده و حساسيت خود را باز مي‌يابند و قادر خواهيد بود كه دوباره نور ضعيف ستاره‌ها را ببينيد. حسگر OTDR درست مثل چشمان شما در اين مثال عمل مي‌كند.
مدت زمان نابينايي دستگاه و زمان برگشت به حالت اوليه حساسيت به نور پراش برگشتي، ناحيه مرده است. از آنجا که ناحيه مرده به طور مستقیم به پهنای پالس مربوط مي‌شود، می‌توان آن را با کم کردن عرض پالس کاهش داد. اما کاهش پهنای پالس محدوده دینامیکی را نیز كاهش مي‌دهد. در طراحی پارامترهای دستگاه OTDR باید به یک مصالحه بین این دو ویژگی دست پيدا کرد. به همین ترتیب، کاربر OTDR، بسته به اینکه آیا براي او مهم است كه رویدادهای نزدیک را مورد بررسي قرار دهد و يا در فواصل طولانی‌تری فيبر را چک نمايد، بايد پهناي پالس مناسب را انتخاب کند. بهترين طراحي زماني است كه بتوان محدوده ديناميكي بالایی را با پهناي پالس كم فراهم کرد. این محدوده دینامیکی با عرض پالس مورد نظر تعیین خواهد کرد که چگونه در فواصل دور بتوانيد دو رويداد نزديك به هم (نقاط جوش) را تشخيص دهيد. مي‌توان در مورد دو OTDR با مقایسه منحني آنها كه با يک عرض پالس ايجاد شده‌اند، قضاوت کرد. دستگاهي كه منحني آن صاف‌تر و بدون نويز باشد داراي طراحي بهتري است.
اهمیت نواحي مرده
نواحی کور در محل كانكتورها و در برخي از نقاط نقص (مثل محل ترک خورده فيبر) در منحني اتفاق مي‌افتد. همیشه، حداقل با یک ناحيه مرده و آن هم در محل اتصال به OTDR در هر فيبر مواجه خواهیم بود. به این معنی که امکان اندازهگیری در قسمتی از فیبر تحت آزمون که در اول آن قرار می‌گیرد وجود ندارد. این ناحیه به طور مستقیم به عرض پالس منبع لیزر مربوط میشود. عرض پالس معمول در OTDRها از 3 نانو ثانیه تا 20000 نانوثانیه است. مسافت مرتبط با این عرض پالس برابر ۰/۶ متر تا هزاران متر است. اگر نیاز به مشخص کردن بخشی از فیبر در ابتدای آن باشد و یا اگر لازم باشد دو نقطه جوش در فاصله نزدیک به هم اندازهگیری شوند، باید کوتاه‌ترین پهنای پالس ممکن انتخاب شود تا نقطه مورد نظر شما در ناحیه قابل اندازهگیری قرار گیرد. مناطق مرده به عنوان منطقه کور از نظر رویداد و یا منطقه کور از نظر تضعیف مشخص میشود. منطقه مرده رویداد حداقل فاصله پس از انعکاس فرنل است که انعکاس فرنل دیگر قابل شناسایی باشد. این ناحیه بیانگر مسافتی است که بعد از مشاهده یک انعکاس مثال کانکتور در OTDR ،می‌توان انتظار تشخیص رویداد دیگری مثل شکستگی فیبر و یا نقطه اتصال را داشت. این موضوع در مورد اتصالات مجاور نزدیک به یکدیگر در محل‌های ترمیم فیبر حائز اهمیت است. ناحیه مرده کوتاه رویداد به این معنی است که شما قادر خواهید بود پس از اتصال اولی، اتصال دوم را هم تشخیص دهید.
ناحیه کور تضعیف، فاصله پس از انعکاس فرنل است تا سطح نور پراش برگشتی قابل شناسایی شود. این خصوصیات به شما می‌گوید که پس از انعکاس آیا قادر خواهید بود رویداد دوم، مانند نقطه اتصال یا نقص در فیبر را اندازهگیری کنید؟ برای هر اندازهگیری افت در فیبر، باید قادر به دیدن نور برگشتی در دو طرف نقطه جوش بود. در واقع منحنی باید از سطح توان انعکاس، به سطح توان پراش برگشتی پایین بیاید. نواحی کور تضعیف همیشه از نواحی کور رویداد، طولانی‌تراست و علت آن این است که آشکارساز باید حساسیت خود را تا سطح توان پراش برگشتی باز یابد.
وضوح (Resolution)
در اندازه گیری با پارامترهای دستگاه OTDR دو مشخصه وضوح تعریف میشود: افت و فاصله. وضوح اندازهگیری افت، توانایی حسگر دستگاه در تشخیص سطوح توان متفاوت در گیرنده است. حسگر بیشتر دستگاه‌های اندازهگیری می‌توانند اختلاف ۰/۰۱ تا ۰/۰۰۱ دسیبل نور پراش برگشتی را نمایش دهند. این مشخصه را نباید با دقت اندازهگیری که بعداً توضیح خواهیم داد، اشتباه گرفت. وقتی پالس نوری در فیبر، مسافت‌های طولانی را طی می‌کند، اختلاف نور پراش برگشتی از دو نقطه مورد اندازهگیری و یا اندازهگیری مختلف از یک نقطه، ضعیف و ضعیف‌تر میشود، تا جایی که در OTDR منحنی تولید شده برای نقاطی که دارای سطوح توانی بیشتری است به هم نزدیک می‌شوند.
این امر باعث ایجاد نویز در انتهای منحنی شده و نیاز به میانگین گیری برای یکنواختی منحنی خواهد بود. وجود نویز مانع از تشخیص و یا اندازهگیری نقاط جوش و یا نقاط معیوب با افت پایین میشود. وضوح فاصله، مشخص کننده این است که چقدر می‌توان نقاط انتخابی برای اندازهگیری داده‌ها و نمایش زمانی (و البته مسافت مربوط به آن) بر روی منحنی را نزدیک به هم انتخاب کرد. این پارامتر بر حسب واحد مسافت بیان میشود و وضوح بالا به معنی فواصل نقاط با مسافت کم مثال 5 سانتیمتر است. قسمت کنترل کننده پارامترهای دستگاه OTDR در فواصل زمانی مشخص از حسگر نمونه‌گیری می‌کند تا نقاط داده را به دست آورد. اگر نمونه‌گیری به صورت مکرر انجام گیرد، داده‌های مربوط به نقاط نزدیک، اندازهگیری شده و OTDR قادر به تشخیص رویدادها درنقاط با فواصل نزدیک به هم است. به طور مثال اگر اندازهگیری از نقاط به فاصله 8 متر انجام گیرد، انتهای فیبر با دقت 8 ± متر قابل تشخیص خواهد بود. بخش مربوط به دقت فاصله را ملاحظه نمایید.
با پارامترهای دستگاه OTDR قادر خواهید بود مسافت و یا افت بین هر دو نقطه مورد نظر را اندازهگیری کنید. حال هرچقدر نقاط انتخابی به هم نزدیک‌تر باشند، جزئیات بیشتری از فیبر در دسترس خواهد بود. دستگاه OTDR منحنی فیبر را به صورت خطی که نقاط داده را به هم متصل می‌کند نمایش می‌دهد و به شما این امکان را می‌دهد تا کرزر را بین نقاط و یا در هر نقطه خاص قرار دهید. درون‌یابی اطلاعات، در مقایسه با وضوح نمایش نقاط تکی، منحنی با وضوح بهتری را فراهم می‌آورد. به سادگی می‌توان دید که با بزرگنمایی فاصله بین دو نقطه در صفحه نمایش، می‌توان به وضوح تا حد سانتیمتر بر روی منحنی نمایش دست یابی پیدا کرد. البته این به آن معنی نیست که دستگاه OTDR با وضوح بالا اندازهگیری را انجام می‌دهد، بلکه وضوح نمایش بالا است. در بعضی از نقاط، ناحیه کور باعث کاهش وضوح فاصله میشود.
اندازهگیری تضعیف فیبر فقط با نسبت توان پراش برگشتی یک نقطه، نسبت به توان پراش برگشتی نقطه دیگر معتبر است. اندازهگیری نقاط، زمانی که حسگر به علت انعکاس فرنل هنوز در اشباع است و نمی‌تواند در آن لحظه سطح توان را با دقت اندازهگیری کند، معتبر نبوده و نمی‌توان آن را به عنوان اندازهگیری افت در نظر گرفت. بنابراین وضوح فاصله در نقاط نزدیک به انعکاس فرنل بد است یعنی در واقع وضوح پایین است، زیرا نقاط قابل استفاده قبل از ناحیه کور، قبل و بعد از نقطه جوش قرار می‌گیرد.
دقت اندازه گیری افت
در همه دستگاه‌هـای اندازه‌گیـری توان نـوری و همچنین در آشکارسازهای نوری از جمله حسگر OTDR ،دقت اندازهگیری افت به صورت مشابه تعریف میشود. دقت و صحت هر حسگر نوری بستگی به این دارد که تا چه حد جریان الکتریکی خروجی مطابق توان نوری دریافت شده است. اکثر حسگرهای نوری انرژی ورودی را در محدوده عملیاتی خود به سطحی از جریان الکتریکی متناظر تبدیل می‌کنند، اما خروجی الکتریکی آنها بسیار پایین است. تمامی حسگرها، از تقویت کننده‌های الکتریکی برای افزایش توان خروجی استفاده می‌کننـد و از طرفـی تمامی تقویت کننــده‌ها باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال می شوند.
تقویت کننده‌های با کیفیت بالا قادر به افزایش توان در هر دو سطح بالا و پایین هستند. به عبارت دیگر، آنها برای
توان‌های ورودی در بسیاری از محدوده‌های کاری دارای پاسخ “خطي” هستند. تقویت کننده‌های با کیفیت پایین در سطوح پایین‌تر و یا بالاتر از یک محدوده کاری، اعوجاج قابل توجهی را به سیگنال تقویت شده تحمیل می‌کنند. خطی بودن ذاتی پاسخ حسگر نوری و تقویت‌کننده آن تعیین می‌کند که توان نوری ورودی با چه دقتی به سطح الکتریکی تقویت شده تبدیل می‌گردد.
برای بسیاری از حسگرهای نوری، دقت افت به صورت رواداری dB (-/+) مثال ۰/۱db -/+ و یا بر حسب درصدی از توان اندازهگیری شده مثال 2 % اعلام می‌گردد. در OTDRها، دقت خطی در دامنه مشخصی از اندازهگیری، مثال ۰/۱db-/+ در دامنه اندازهگیری 10 تا 20 دسیبل تعریف میشود. انتظار می‌رود که OTDR ها در دامنه اندازهگیری بسیار گسترده، مثال برای فواصل اندازهگیری با افت 40 دسیبل، دارای دقت معقولی بوده یعنی در دامنه گسترده‌ای دارای پاسخ خطی باشند. مشکلات مربوط به پاسخ خطی در OTDR اغلب خود را به صورت ایجاد انحنا در منحی نمایش نشان می‌دهند. مشخصه خطی معمولا دربروشورهای سازنده OTDR ارائه نمی شود. بازتاب فرنل عموما خارج از دامنه اندازهگیری حسگر بوده و در مشخصه خطی دستگاه در نظر گرفته نمی‌شود. با این حال، پس از ناحیه انعکاس فرنل و در دوره انتقال از سطح توان بالا تا سطح توان پراش برگشتی ویژگی‌های غیرخطی بروز می‌کند.
دقت فاصله
سه جزء در پارامترهای دستگاه OTDR مسئول دقیق بودن اندازهگیری مسافت هستند:
- ثبات ساعت
- فاصله نقاط داده
- دقیق نبودن ضریب شکست
دقت اندازهگیری فاصله، به ثبات و دقت مدار ساعت كه برابر پالـس‌های خروجـی و فاصله زمانـی بین نمونه‌بـرداری مربـوط قرائت‌های حسگر است بستگی دارد. دقت ساعت بر حسب درصد بوده که مرتبط با درصد فاصله اندازهگیری است. به عنوان مثال، دقت فاصله ۰/۰۱ درصد به معنی آن است که اگر فاصله تا انتهای فیبر برابر 20000 فوت اندازه گیری شده باشد، دقت و صحت این اندازهگیری (0001/0 ×20000 )2feet +/- است. اگر ساعت خیلی تند و یا خیلی آهسته باشد، اندازهگیری زمان رفت و برگشت، کوتاه‌تر یا طولانی‌تر از مقدار واقعی خواهد بود. وضوح فاصله نقاط داده نیز بر دقت تأثیر می‌گذارد.
دستگاه OTDR فقط زمانی می‌تواند با دقت، فاصله محل‌های خطا را اندازهگیری کند که از نقاط دقیق، داده‌ها را اخذ کرده باشد. هرچه نقاط داده به هم نزدیک‌تر باشند نقاط مزبور می‌توانند به محل خطا نزدیک و یا بر روی آن قرار گیرند که در این صورت فاصله اندازهگیری تا محل خطا دقیق‌تر است. مسافت در OTDR با استفاده از سرعت نور در فیبر محاسبه میشود و سرعت نور در فیبر از تقسیم سرعت نور در خلا (که مقدار ثابتی است) بر ضریب شکست فیبر به دست می‌آید.
بنابراین مقدار ضریب شکست در دستگاه که توسط کاربر تنظیم میشود بسیار مهم خواهد بود. اگر ضریب شکست اشتباه باشد، مسافت اندازهگیری شده هم اشتباه خواهد بود. از طرفی دیگر مشخصه فیبر ممکن است در طول آن نیز تغییر کند و خطای اندازهگیری فاصله بیشتری را خواهیم داشت. عدم قطعیت مشخصه فیبر مربوط به تغییرات ضریب شکست در طول یک فیبر و یا در فیبرهای متفاوتی است که به هم متصل شده‌اند. بدترین حالت زمانی اتفاق می‌افتد که فیبرهای مربوط به سازندگان مختلف به هم متصل شده باشند.
ترجمه و تهیه: مهندس علی مساواتی
