Zastosowanie reflektometrii optycznej OTDR do badań światłowodów

Głównym celem pracy było przybliżenie problematyki pomiarów OTDR w systemach i
sieciach światłowodowych.
Część teoretyczna pracy rozpoczyna się krótkim przypomnieniem podstaw optyki
geometrycznej oraz podstaw działania sieci światłowodowych. Opisane zostały fizyczne podstawy
działania włókien światłowodowych, oraz ich podział ze względu na posiadane parametry. W
kolejnym rozdziale, przybliżone zostały najczęstsze uszkodzenia włókien, oraz ich wpływ na działanie
toru optycznego. Kolejne rozdziały dotyczyły opisu samej metody OTDR. Opisano fizyczne podstawy
działania metody, z uwzględnieniem rozpraszania Rayleigh'a i Fresnel'a. Następnie przybliżono
podstawowe parametry urządzeń pomiarowych, działających w oparciu o metodę OTDR, oraz wpływ
tych parametrów na sam pomiar. Opisane zostały między innymi parametry takie jak: strefa martwa
tłumieniowa, czy rozdzielczość próbkowania. Następnie zaprezentowane zostały metody wykrywania
poszczególnych rodzajów uszkodzeń, w oparciu o analizę krzywych reflektometrycznych. Poza
teoretycznymi rysunkami poglądowymi, zaprezentowane zostały też krzywe reflektometryczne,
pochodzące z pomiarów rzeczywistych systemów optycznych. Dodatkowymi zagadnieniami,
poruszonymi w części teoretycznej był wpływ temperatury na włókna światłowodowe, oraz metody
pomiaru temperatury sieci średniego napięcia metodą DTS, bazującą na pomiarach
reflektometrycznych. Część teoretyczna kończy się krótkim przeglądem, dostępnych na rynku,
reflektometrów optycznych.
Część praktyczna polegała na realizacji laboratoryjnego układu pomiarowego, pełniącego
funkcje prostego reflektometru optycznego. Zadaniem urządzenia było wykrycie i lokalizacja
końcówki włókna optycznego poprzez pomiar dwóch sygnałów o charakterze impulsowym.
Obserwowano sygnał wprowadzany do włókna, oraz sygnał odbity od jego końcówki. Istotą pomiaru
było określenie przesunięcia czasowego pomiędzy zboczami obu sygnałów, oraz zaobserwowanie
odbicia wiązki światła od końcówki światłowodu, na przebiegu sygnału odbitego. Układ
zrealizowany został w oparciu o rozdzielacze optyczne, układy nadawczo-odbiorcze, oraz diody
laserowe dostępne w laboratorium. Zadanie to było utrudnione ze względu na niezadowalającą jakość
elementów składowych tj. fotodetektory, układy pomiarowe itp. Poszczególne problemy zostały
zidentyfikowane, a następnie rozwiązane w miarę dostępnych możliwości sprzętowych. Po
przeprowadzonych pomiarach, uzyskane wyniki zostały zarchiwizowane w formie cyfrowej oraz
poddane procedurze uśredniania koherentnego. Celem uśredniania było zwiększenie stosunku
sygnał/szum, oraz uzyskanie czytelniejszych wyników. Ze względu na niewystarczającą ilość punktów
pomiarowych, wyniki uśredniania nie były zadowalające.
Udało się jedynie stwierdzić obecność sygnału odbitego na torze optycznym. Ze względu na
mały uzysk stosunku sygnał/szum oraz nieznaczny spadek mocy szumów niemożliwe było
porównanie zbocz obu sygnałów.
Zrealizowanie celów założonych w części praktycznej okazało się niemożliwe do wykonania,
ze względu na napotkane ograniczenia sprzętowe. Z drugiej jednak strony, ograniczenia te są możliwe
do usunięcia w perspektywie czasu, i jest możliwość zrealizowania projektu, w oparciu o bardziej
dokładne komponenty.
Słowa kluczowe: reflektometria, techniki światłowodowe, pasywne sieci optyczne

The thesis’s main task was to present the practical aspects of OTDR measurements in optical
based systems and grids.
The theoretical part begins with short review of geometrical optics, and basics of optical fiber
systems functioning. Physical basis of optical fibers and their parameter classification were described.
In next chapter most common malfunctions of optical fibers, and their influence on optical track were
described. Further chapters concerned OTDR measurement method itself. Physical fundaments,
including Rayleigh and Fresnel scattering were referred. Furthermore fundamental parameters of
measure devices, based on OTDR method, and their influence on measurements were approached.
Concepts such as dead zone and sampling rate were defined. Afterwards detection methods of
particular malfunctions, based on reflectometry curve analysis were outlined. Apart from theoretical
figures, curves from real and functioning optical systems were presented. Additional assets brought up
in theoretical part, were temperature influence on optical fibers, and temperature measurements of
medium-voltage grids via DTS method, based on OTDR measurements. Theoretical part ends with
short description of reflectometers currently available on market.
The practical part consisted in developing laboratory measurement set, functioning as simple
OTDR unit. Fundamental function of the device built, was to detect, and locate end of optical fiber,
via measuring two pulsed signals. Input signal and signal reflected from the end of optical fiber were
observed. The measurement essence was to determine time offset between slopes of both signals, and
to observe the reflection of laser beam on reflected signal pattern via digital oscilloscope. The
measurement system consisted of optical dividers, sending-receiving circuits and laser diodes,
available at laboratory. The task was difficult because of not sufficient quality of various components
such as photodetectors and sending-receiving circuits etc. Particular problems were identified and
solved, depending on available hardware capabilities. After measurements performed, outcomes were
archived in digital format, and subjected to coherent averaging. The scope of the procedure was to
increase signal/noise ratio, and achieving more visible outcomes. Because of not sufficient amount of
sampling points averaging results were not satisfying. It was only possible to detect the presence of
reflected signal. Considering small signal/noise ratio gain, and poor noise level loss it was impossible
to compare slopes of examined signals.
Achieving goals assumed in practical part appeared to be impossible to make because of
hardware limitations faced. On the other hand, these limitations ore possible to overcome in some
timeframe, and there is possibility of develop such project relying on more accurate components.
Key words: reflectometry, fiber optic techniques, passive optical networks