مقياس انعكاس المجال الزمني البصري في الاتصالات OTDR

من أجل إجراء اتصال أفضل بين طرفين يجب أن يكون هناك نقل مناسب للمعلومات من طرف إلى آخر وكان هناك تطور هائل لأنظمة الاتصالات لجعل عملية الاتصال أسرع وموثوق بها وأكثر أماناً، ولقد تطورت من التماثلية إلى الرقمية ومن السلكية إلى اللاسلكية وإحدى وسائل الاتصال المستخدمة بكثرة في الوقت الحاضر هي اتصالات الألياف البصرية.

ما هو مقياس الانعكاس البصري للمجال الزمني OTDR؟

مقياس انعكاس المجال الزمني البصري “OTDR”: هو جهاز اختبار يستخدم لتحديد خصائص كابل الألياف الضوئية، كما أنّه مشابه لمقياس انعكاس المجال الزمني الإلكتروني، وفي اتصالات الألياف الضوئية يتم إرسال إشارة داخل الألياف الضوئية، وأثناء الإرسال في حالة وجود بعض الشوائب أو العيوب في الكابل ينعكس جزء من الإشارة للخلف ممّا يتسبب في حدوث تشويه وتوهين للإشارة، وهذا هو المكان الذي يتم فيه استخدامه، وينقل إشارة الليزر إلى كابل الألياف الضوئية ثم يلتقط الإشارة المنعكسة من نفس طرف الكابل.

• “OTDR” هي اختصار لـ “Optical Time Domain Reflectometer”.

أساسيات مقياس OTDR:

يتم نقل معلومات نبضات الأشعة تحت الحمراء من مكان إلى آخر عبر الألياف الضوئية، ولكن كما هو الحال مع كل نظام يواجه نظام اتصالات الألياف البصرية أيضاً تحديات معينة، ويتطلب صيانة مناسبة واختباراً منتظماً وأحد المعدات المستخدمة لاختبار نظام اتصالات الألياف الضوئية هو مقياس انعكاس المجال الزمني البصري “OTDR”.

يتم قياس قوة الإشارة المنعكسة ودمجها كدالة للوقت، كما يتم إجراء القياس الموقوت للإشارة المنعكسة، ويحدث تشتت الإشارة أو الضوء من الألياف الضوئية بسبب ظاهرة تعرف بالانتثار الخلفي لرايلي، ويُعد مقياس انعكاس المجال الزمني البصري أداة مهمة يستخدمها المصنعون والمنظمات الأخرى لتحديد جودة روابط البصريات الجديدة واكتشاف المشكلات في روابط البصريات القديمة.

تستخدم هذه للحفاظ على أداء مصنع الألياف، حيث يساعد في اكتشاف المشكلات على طول القناة التي قد تؤثر على موثوقية النظام على المدى الطويل، كما يكتشف “OTDR” الانحناءات الحادة التي تحدث في كابل الألياف أثناء تركيب الكابل.

يوفر “OTDR” عرضاً للرابط من خلال قراءة مستوى الضوء الذي يعود من النبض الذي تم إرساله، وهناك نوعين من مستويات الضوء، همُا مستوى منخفض ثابت تم إنشاؤه بواسطة الألياف يسمى “تشتت رايلي الخلفي” وقمة انعكاس عالية عند نقاط الاتصال تسمى “انعكاس فرينل”، ويستخدم انتشار رايلي العكسي لحساب مستوى التوهين في الألياف كدالة للمسافة ومعبراً عنها بوحدة “dB / km”، والتي تظهر من خلال منحدر مستقيم في تتبع “OTDR”.

تأتي هذه الظاهرة من الانعكاس الطبيعي وامتصاص الشوائب داخل الألياف الضوئية، وعند الضرب تقوم بعض الجسيمات بإعادة توجيه الضوء في اتجاهات مختلفة، ممّا يؤدي إلى توهين الإشارة والتشتت الخلفي والأطوال الموجية الأعلى تكون أقل توهيناً من الأطوال الموجية الأقصر، وبالتالي تتطلب طاقة أقل للتنقل عبر نفس المسافة في ألياف قياسية.

النوع الثاني من الانعكاس المستخدم بواسطة “OTDR” هو انعكاس فرينل ويكتشف الأحداث المادية على طول الرابط، وعندما يصطدم الضوء بتغير مفاجئ في مؤشر الانكسار تنعكس كمية أكبر من الضوء للخلف ممّا يؤدي إلى انعكاس فرينل، والذي يمكن أن يكون أكبر بآلاف المرات من تشتت رايلي الخلفي.

مبدأ عمل OTDR:

يعمل مقياس انعكاس المجال الزمني البصري “OTDR” على نفس مبدأ الرادار، والرادار هو نظام كشف يستخدم موجات الراديو لتحديد نطاق أو موضع أو سرعة الأجسام، ويولد جهاز الإرسال موجات الراديو باتجاه الجسم وتنعكس هذه الموجات عندما تصادف الجسم مرة أخرى نحو جهاز الإرسال، كما يجمع جهاز الاستقبال هذه الموجات المنعكسة ويستخرج معلومات حول موضع الجسم وسرعته.

يعمل “OTDR” على نفس مبدأ الرادار، وبدلاً من موجات الراديو يتم استخدام الليزر وينتقل الليزر داخل الألياف الضوئية التي يجب تحديد خصائصها، كما تنعكس بعض إشارات الليزر مرة أخرى بسبب العيوب الموجودة في الألياف، ويقوم المستقبل الموجود في نفس الجانب من جهاز الإرسال بجمع الأشعة المنعكسة واستخراج المعلومات حول العيوب الموجودة في الألياف الضوئية.

مخطط كتلة OTDR:

1- ليزر “OTDR”:

يتم استخدام مصدر ضوئي أي مصدر الضوء في بناء “OTDR”، ومصدر الضوء المستخدم هو “الليزر” ويتم تطبيق نبضات الليزر هذه على كابل الألياف الضوئية قيد الاختبار من خلال قارنة التوصيل، ونبضات الليزر قصيرة وذات شعاع شديد.

2- مقرنة الألياف:

مقرنة الألياف: هي عبارة عن جهاز ليفي يستخدم لإقران الضوء من واحد أو أكثر من الألياف المدخلة مع ألياف إخراج واحدة أو أكثر، كما تستخدم هذه أيضاً لتوجيه الضوء من المساحة الخالية إلى كابل ليفي ولكن قارنة التوصيل يمكن أن تتسبب في إهدار الإشارة المرسلة، حيث لتجنب هذا يمكن للمرء أن يختار الدوّار، كما توفر الدارات خاصية اتجاهية جيدة يمكنها زيادة النطاق الديناميكي لـ “OTDR”، وتتمثل إحدى عيوب استخدام جهاز الدوران في زيادة التكلفة الإجمالية لنظام “OTDR”.

3- الكاشف الضوئي:

يكتشف جهاز الكشف الضوئي المتصل بالدائرة الإشارات المنعكسة ويوفر معلومات حول قوة الإشارات إلى المرحلة التالية، ويمكن أن تخضع الإشارة التي تمر عبر كابل الألياف للانعكاس إمّا بسبب تشتت رايلي أو بسبب انحناء الألياف داخل الألياف أو الاختلافات في معامل الانكسار للضوء.

4- شاشة العرض:

تُستخدم الشاشة لعرض الرسم البياني المستند إلى الوقت لـ “OTDR” والذي يعطي معلومات حول نوع الخلل الذي يتسبب في انعكاس الضوء المرسل في الألياف.

مواصفات مقياس انعكاس المجال الزمني البصري:

1- تتبع OTDR:

على الرسم البياني للمقياس يتم رسم القوة الضوئية للموجات المنعكسة مقابل مسافة الألياف، وتحدد مستويات الطاقة المختلفة أنواعاً مختلفة من أسباب انعكاس الضوء في الألياف، وتمثل الموجات الموجبة الموجودة في الرسم البياني عيوباً في الألياف وانعكاس “فريسنل”.

يمكن الكشف عن وجود مفاصل في الكابل من خلال النظر إلى التحولات في المنحنى، وأحد الأسباب الرئيسية لتشويه الإشارات في الألياف هو “تشتت رايلي”، ويمكن اكتشاف ذلك من خلال البحث عن نهاية متدهور في المنحنى.

2- “OTDR Dead Zone”:

المنطقة الميتة في الرسم البياني “OTDR” هي المسافة في الكابل والتي يتعذر عندها تحديد الخلل ويحدث هذا عندما تكون قوة الضوء المتلقاة من جهاز الكشف الضوئي أكبر بكثير من مستوى الطاقة المرتدة، كما يؤدي هذا إلى دخول “OTDR” في منطقة التشبع.

ومن ثم فإنّه يتوقف عن اكتشاف الإشارات المنعكسة الواردة حتى يخرج من حالة التشبع، ونتيجةً لذلك يتم إنشاء منطقة ميتة في تتبع منحنى “OTDR”، وبمجرد الخروج من منطقة التشبع يبدأ العمل مرة أخرى كالمعتاد.

معايير الأداء في OTDR:

1- الدقة:

الدقة: الفرق بين القيمة المقاسة والقيمة الحقيقية للحدث المقاس يعطي دقة الجهاز.

2- نطاق القياس:

نطاق القياس: هو الحد الأقصى لمقدار التوهين أو الضوضاء التي يمكن وضعها بين الأداة والحدث بحيث تبقى الأداة قادرة على تقديم نتائج دقيقة.

3- دقة الأداة:

دقة الأداة: هو مقياس لمدى إمكانية معايرة حدثين متقاربين مع استمرار قياسهما كحدثين منفصلين وأقصر مدة النبض وأقصر الفاصل الزمني لأخذ العينات وتحسين دقة الجهاز.

مزايا مقياس OTDR:

• هذه متاحة بسهولة للقياسات على مدى كامل الطول الموجي.

• يمكن استخدام أدوات “OTDR” لإجراء اختبارات للأطوال الموجية المفردة أو المزدوجة للوضع الفردي بالإضافة إلى روابط الألياف الضوئية متعددة الأوضاع.

• تستخدم “OTDR” أيضاً لقياس الفقد البصري وقياسات التشتت.

• يشار إلى “OTDR” نظراً لتطبيقاتها المختلفة باسم أنظمة اختبار الشبكة العالمية.

• العيب الرئيسي لـ “OTDR” هو حدوث منطقة ميتة أثناء قياس العيوب.