DE68907886T2

DE68907886T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anwenden von optischen Zeitbereichsreflektometern.

Info

Publication number: DE68907886T2
Application number: DE89101168T
Authority: DE
Inventors: Josef Beller
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1989-01-24
Filing date: 1989-01-24
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-01-25
Also published as: EP0379609B1; EP0379609A1; JPH02238340A; US4968880A; DE68907886D1

Description

Die Erfindung betriffi ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung für die optische Zeitbereich-Reflektometrie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist in der Prüfung von Lichtwellenleitern zur Bestimmung von Fehlern und Verlusten in einem zu prüfenden Leiter einsetzbar.
Aus EP-A-0 269 448 sind ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei dem bekannten optischen Zeitbereich-Reflektometer (OTDR) werden Lichtimpulsfolgen in einen Lichtwellenleiter eingestrahlt und die rückgestreuten Lichtimpulse mit den eingestrahlten Lichtimpulsfolgen korreliert und daraus eine Darstellung der Amplitude des rückgestreuten Signals in Abhängigkeit von der seit der Einstrahlung der Impulsfolge vergangenen Zeit oder in Abhängigkeit von dem Abstand zum Einstrahlende des Lichtwellenleiters abgeleitet. Bei den in den Lichtwellenleiter eingestrahlten Impulsfolgen handelt es sich zum Beispiel um komplementäre pseudozufällige Impulsfolgen, zum Beispiel Impulsfolgen nach Golay-Codes. Ein Paar komplementärer Impulsfolgen A und B hat die Eigenschaft, daß das Autokorrelationsprodukt von A zu den Seitenlinien des Autokorrelationsprodukts von B komplementäre Seitenlinien aufweist, d.h. Seitenlinien, die sich an derselben Stelle im Zeitspektrum befinden und Amplituden gleicher Größe, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen, aufweisen. Bei Überlagerung der den komplementären Impulsfolgen entsprechenden Korrelationsprodukte heben sich die Seitenlinien daher gegenseitig auf, und es bleibt nur ein aus den tatsächlichen Reflexionen im Lichtwellenleiter herrührendes Signal übrig. Im Idealfall bilden die überlagerten Korrelationsprodukte der eingestrahlten komplementären Impulsfolgen und der von einem bestimmten Reflexionsort im Lichtwellenleiter, z.B. einer Bruchstelle, reflektierten Signale eine einzelne scharfe Spitze, eine sogenannte Deltafunktion. Durch die Verwendung komplementärer Impulsfolgen erhält man ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis als bei der herkömmlichen Reflektometrie, bei der nur ein Impuls in den Lichtwellenleiter eingestrahlt und die Reflexion dieses bestimmten Impulses aufgenommen wird.
In der Praxis heben sich die Seitenlinien wegen der nicht idealen Eigenschaften der Signalverarbeitungsschaltung nicht völlig auf. Zum Beispiel kann eine Sättigung elektronischer Komponenten, wie Empfänger oder Analog-Digital- Wandler, aufgrund hoher Signalstärken des reflektierten Signals zu Linearitätsfehlern führen mit dem Ergebnis, das die Korrelationsprodukte nicht mehr komplementär sind. Infolgedessen können in der gemessenen Rückstreukurve Seitenlinien auftreten, die so groß sein können, daß sie eine große Reflexionsspitze verzeichnen oder sogar überdecken können.
Gegenüber dem Stand der Technik wird die Aufgabe, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung für die Durchführung der optischen Zeitbereich- Reflektometrie an einem lichtleitenden Medium gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 8 anzugeben, welches die durch die vorgenannten Linearitätsfehler verursachten Nachteile vermeidet, durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 8 gelöst.
Nach einem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip werden mindestens zwei verschiedene Lichtimpuls-Zeitfolgen in das lichtleitende Medium eingestrahlt und anschließend jeweils mit den vom Medium reflektierten entsprechenden Signalen korreliert. Die eingestrahlten verschiedenen Impuls-Zeitfolgen können von einer gemeinsamen Grund-Impulsfolge abgeleitet werden, indem man nach jedem Lichtimpuls der Grund-Impulsfolge eine vorbestimmte Anzahl Lichtimpulse der Signalstärke Null einfügt. Anders ausgedrückt kann man sagen, daß wenn die Grund-Impulsfolge durch eine Folge von "+1" und "-1" dargestellt ist, die eingestrahlten Zeitfolgen von der Grund-Impulsfolge durch Einschalten einer vorbestimmten Anzahl von "0"en nach jeder "+1" oder "-1" abgeleitet werden. Die verschiedenen eingespeisten Zeitfolgen unterscheiden sich durch die Anzahl der nach jedem Lichtsignal der Grund-Impulsfolge eingefügten Lichtimpulse, d.h. durch die Anzahl der nach jeder "+1" oder "-1" eingefügten "0"en. So erhält man eine erste erfindungsgemäße eingestrahlte Impulsfolge durch Einschaltung einer ersten Anzahl m von "0"en nach jeder "+1" und "-1" der Grund-Impulsfolge, eine zweite eingestrahlte Impulsfolge durch Einschaltung einer zweiten Anzahl n von "0"en nach jeder "+1" und "-1" der Grund-Impulsfolge.
Die Einfügung einer vorbestimmten Anzahl von Lichtsignalen der Lichtstärke Null hat den wichtigen Effekt, daß Seitenlinien im Korrelationsergebnis der rückgestreuten und der eingestrahlten Impulsfolgen an gut definierten, vorhersehbaren Stellen erscheinen, während andere Stellen frei von Seitenlinien sind. Durch die Wahl einer jeweils unterschiedlichen Anzahl eingeschalteter Lichtsignale für verschiedene Einstrahlungen von Lichtsignalfolgen können die Orte der Seitenlinien im Streuspektrum verändert werden. Wenn daher ein bei einer ersten Einstrahlung erhaltener Datenwert durch eine Seitenlinie verdeckt wird, kann man den echten, durch Seitenlinien nicht beeinträchtigten Meßwert dadurch erhalten, daß man die zweite Impulsfolge mit einer anderen Anzahl eingefügter Lichtsignale einstrahlt, bei der die sich ergebende Seitenlinie nicht am Ort des Meßwertes liegt. Auf diese Weise kann ein im wesentlichen von Seitenlinien freies Rückstreuspektrum zusammengestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die in das lichtleitende Medium eingestrahlten Lichtsignal-Zeitfolgen von komplementären Impulsfolgen abgeleitet, zum Beispiel von komplementären Golay-Impulsfolgen oder allgemein von pseudo-statistischen Impulsfolgen. Die erfindungsgemäßen Impulsfolgen können als modifizierte herkömmliche Impulsfolgen verstanden werden, wobei die Modifizierung gegenüber herkömmlichen Golay- oder pseudo-statistischen Impulsfolgen darin besteht, daß nach jedem Lichtsignal der herkömmlichen Impulsfolge eine vorbestimmte Anzahl von Lichtsignalen der Signalstärke Null eingefügt wird. Um eine Meßwertkurve des Lichtwellenleiters zu erhalten, die die Feststellung von Fehlern oder Verlusten gestattet, werden die rückgestreuten Lichtsignalfolgen mit den eingestrahlten Impulsfolgen korreliert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Überlappen der Seitenlinien bei verschiedenen eingestrahlten Impulsfolgen durch zweckmäßige Wahl der Anzahl der eingefügten "0"en vermieden. Die um 1 erhöhte Anzahl der eingefügten "0"en - im folgenden "Erweiterungsfaktor" genannt - einer ersten eingestrahlten Impulsfolge und der Erweiterungsfaktor einer zweiten eingestrahlten Impulsfolge werden zueinander als Primzahlen ausgewählt, d.h. so, daß sie nicht durch einander teilbar sind. Bei einer solchen Wahl von Erweiterungsfaktoren ist ein Überlappen der Seitenlinien nicht möglich.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung der optischen Zeitbereich-Reflektometrie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zwei komplementäre Golay-Code-Impulsfolgen A und B, wie sie nach dem Stand der Technik verwendet werden;
Fig. 3 die durch nicht lineares Verhalten gemäß dem Stand der Technik bedingte unvollständige gegenseitige Aufhebung von Seitenlinien;
Fig. 4 modifizierte komplementäre Golay-Code-Impulsfolgen A' und B' nach einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5a die Meßkurve des Lichtwellenleiters bei Einstrahlung nur eines Impulses;
Fig. 5b Die Meßkurve des Lichtwellenleiters bei Einstrahlung erfindungsgemäßer modifizierter Impulsfolgen;
Fig. 6 ein Beispiel einer Meßkurve des Lichtwellenleiters mit starken Reflexionen entsprechenden Spitzen und zugehörigen Seitenlinien;
Fig. 7a und 7b die Substitution von Datenwerten an Seitenlinien-Positionen, wenn keine angrenzenden, einer Reflexion entsprechenden Spitzen vorhanden sind;
Fig. 8a und 8a die Substitution von Datenwerten an Seitenlinien-Positionen, wenn angrenzend eine einer Reflexion entsprechende Spitze vorhanden ist;
Fig. 9 die Meßkurve des Lichtwellenleiters nach Substitution von Datenwerten an Seitenlinien-Positionen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes OTDR und einen zu prüfenden Lichtwellenleiter 10, der über einen optischen Koppler 9 mit dem OTDR gekoppelt ist. Das OTDR umfaßt eine Takt-Steuerschaltung 1, die einem Wortgenerator 2, einem AID-Wandler 3, einer Mittelungsschaltung 4, einer Signalverarbeitungsschaltung 5 und einer Anzeigeschaltung 6 Taktsignale zuführt. Bei Empfang eines Signals von der Takt-Steuerschaltung 1 führt der Wortgenerator 2 einem Impulstreiber 7 eine modifizierte, Komplementärcode-Impulsfolge zu. Weitere Einzelheiten der modifizierten Komplementärcode-Impulsfolge werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert.
Die vom Pulstreiber 7 kommenden elektrischen Impulse werden einer Lichtquelle 8, z.B. einem Laser, zugeführt, um die Lichtabstrahlung der Lichtquelle entsprechend der elektrischen Impulsfolge zu steuern. Die vom Laser 8 abgestrahlte Lichtsignalfolge wird über eine Wellenbrücke 9, z.B. einen 3 dB-Koppler einem Eingang 10 des zu prüfenden Lichtwellenleiters 11 zugeführt. Jede ausgesandte Lichtsignal-Folge erzeugt im Lichtwellenleiter ein Rückführsignal, das über den Koppler 9 einem Detektor 12 zugeleitet wird, der die auftreffenden Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt. Diese elektrischen Signale werden in einem Empfänger 13 verstärkt, der auch als Eingangspuffer für einen nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 3 dient.
Das Ausgangssignal des Empfängers 13 wird durch einen A/D-Wandler 3 digitalisiert, und die digitalisierten Signale werden dann einer Mittelungsschaltung 4 zugeführt. In der Mittelungsschaltung 4 werden die Rückführsignale aufeinanderfolgender eingestrahlter Lichtsignalfolgen als digitale Daten addiert, um den Mittelwert der Rückführsignale dieser nacheinander eingestrahlten Impulsfolgen zu ermitteln. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Prüfergebnisses verbessert.
Die Mitteilungsergebnisse werden einer Signalverarbeitungsschaltung 5 zugeführt, die durch Korrelation der Rückführsignale mit den eingestrahlten Impulsfolgen die Meßwerte des Lichtwellenleiters ermittelt. Anschließend werden die Meßwerte auf einer Ausgabe-Anzeigevorrichtung 6, zum Beispiel einem Bildschirm, angezeigt.
Nachstehend wird das Korrelationsverfahren für die Meßwert-Ermittlung im einzelnen beschrieben. Zu diesem Zweck werden zunächst einige allgemeine Erläuterungen zur optischen Zeitbereich-Reflektometrie unter Verwendung von Komplementär-Impulsfolgen gegeben.
Die in einen zu untersuchenden Lichtwellenleiter eingestrahlten Impulsfolgen können als Folgen von "1"en und "-1"en oder als digitale Worte einer vorbestimmten Bitzahl beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung werden zwei komplementäre Golay-Code-Impulsfolgen mit einer Länge von je L Bits mit A(n) und B(n) bezeichnet. Der Zusatz (n) gibt an, daß die Meßwerte zu bestimmten Zeitpunkten t = n TA gemessen werden, wobei n jede der Zahlen 0, 1, 2,... sein kann und TA die Abtastperiode ist. Streng genommen müßte die Schreibweise für eine Impulsfolge A (n TA) lauten, in der nachfolgenden Beschreibung wird jedoch die abgekürzte Schreibweise A(n) verwendet.
Unter "komplementär" ist zu verstehen, daß die folgende Beziehung gilt:
(A A) + (B B) = 2L δ (n) (1)
wobei eine Korrelation zweier Impulsfolgen und δ die Deltafunktion, d.h. eine scharfe Spitze, ist. Das von einem Lichtwellenleiter bei Einstrahlung eines Signals rückgestreute Signal ist eine Faltung des eingestrahlten Signals mit dem Lichtwellenleiter-Meßwert h(n), die auch als Einpuls-Reflexionsfunktion bezeichnet werden kann.
Werden zwei komplementäre Impulsfolgen A(n) und B(n) in einen Lichtwellenleiter eingestrahlt, sind die erfaßten, rückgestreuten Signale SA (n) und SB (n) eine Faltung (durch das Symbol * gekennzeichnet) der Lichtwellenleiter- Meßwerte h(n) und der jeweils eingestrahlten Impulsfolgen, d.h. es gelten die folgenden Gleichungen:
SA(n) = h(n) * A(n) (2a)
SB(n) = h(n) * B(n) (2b)
Durch Korrelation der Gleichung (2a) mit A(n) und der Gleichung (2b) mit B(n) und Addition der zwei Zwischenergebnisse erhält man:
y(n) = SA(n) A(n) + SB(n) B(n)
= (h(n) * A(n)) A(n) + (h(n) * B(n)) B(n) (3)
Aufgrund der distributiven und assoziativen Eigenschaften von Faltung und Korrelation können die Klammern in der Gleichung (3) wie folgt umgestellt werden:
y(n) = (A(n) A(n)) * h(n) * (B(n) B(n)) * h(n)
= (A(n) A(n) + B(n) B(n)) * h(n) (4)
Das Autokorrelationsverhalten nach Gleichung (1) führt dann zum folgenden Endergebnis:
y(n) = h(n) * 2L δ (n) = 2L h(n) (5)
Wie aus Gleichung (5) ersichtlich ist, ist die rekonstruierte Antwort 2L-mal größer als die Antwort auf einen digitalen Impuls. Daraus wird deutlich, daß die Reflektometrie mittels eingestrahlter Lichtsignalfolgen und nachfolgender Korrelation der rückgestreuten Signale zu einer Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses im Vergleich zur Einpuls-Reflektometrie führt, ohne daß dadurch die Auflösung beeinträchtigt wird.
Für die vorstehenden Betrachtungen der Impulsfolgen A(n) und B(n) wurde eine abgekürzte Schreibweise dieser Impulsfolgen verwendet. Da es keine negativen Lichtstärken gibt, d.h. da eine "-1" durch Lichtsignale nicht realisiert werden kann, werden die Impulsfolgen in der Praxis jeweils in zwei Untersequenzen aufgespalten. Die beiden Untersequenzen der Impulsfolge A werden als A&spplus; und A&supmin; bezeichnet, wobei A&spplus; in der Weise von A abgeleitet wird, daß alle "-1"en in A durch "0"en ersetzt und alle "1"en unverändert belassen werden. Die Untersequenz A&supmin; ist das logische Komplement der Untersequenz A&spplus;, d.h. eine "1" in der Sequenz A&spplus; entspricht einer "0" in der Untersequenz A&supmin; und umgekehrt. Damit gilt die folgende Gleichung: A = A&spplus; - A&supmin;. Entsprechend wird die Impulsfolge B in zwei Untersequenzen B&spplus; und B&supmin; so aufgespalten, daß B&supmin; die logische Ergänzung von B&spplus; ist und die folgende Gleichung gilt: B = B&spplus; - B&supmin;.
In einer praktischen Meßsituation werden die Sequenzen A&spplus; und A&supmin; nacheinander in einen zu prüfenden Lichtwellenleiter eingestrahlt; als Rückstreusignale werden h(n) * A&spplus;(n) und h(n) * A&supmin;(n) gemessen. Diese beiden Ausdrücke werden dann voneinander subtrahiert, so daß man das Rückstreusignal SA(n) (siehe die vorstehende Gleichung (2a)) für die ganze Impulsfolge A(n) erhält:
SA(n) = h(n) * A(n) = A&spplus;(n) * h(n) - A&supmin;(n) * h(n).
In gleicher Weise werden die Sequenzen B&spplus; und B&supmin; nacheinander in den Lichtwellenleiter eingestrahlt; für das Rückstreusignal SB(n) (siehe vorstehende Gleichung (2b)) gilt dabei:
SB(n) = h(n) * B(n) = B&spplus;(n) * h(n) - B&supmin;(n) * h(n).
Die Aufspaltung der Impulsfolgen A und B in Untersequenzen A&spplus;, A&supmin; und B&spplus;, B&supmin; ist an sich in der optischen Zeitbereich-Reflektometrie bekannt, zum Beispiel aus der vorstehend erwähnten Veröffentlichung EP-A-0 269 448 (s. dort zum Beispiel Fig. 8 mit der zugehörigen Beschreibung). Im folgenden werden die abgekürzten Schreibweisen A(n) und B(n) für die eingestrahlten Impulsfolgen verwendet; es versteht sich jedoch, daß diese Impulsfolgen jeweils wie vorstehend beschrieben in zwei Untersequenzen aufgespalten sein können.
Die vorstehenden Erwägungen, die zu den Gleichungen (5) führten, gelten für ideale Systeme mit linearem Verhalten. Unter echten Meßbedingungen kann es das OTDR jedoch wegen starker Reflexionen mit einem extrem breiten optischen Signalstärkebereich zu tun haben, so daß der Empfänger Schwierigkeiten hat, innerhalb seines linearen Funktionsbereichs zu bleiben. Außerdem weisen alle analogen Schaltungselemente, wie Lasertreiber, Empfänger, Puffer-Verstärker und A/D-Wandler immer ein etwas nicht lineares Verhalten auf.
Zur Illustration dieses nicht linearen Verhaltens wird auf die Figuren 2 und 3 verwiesen, in denen zwei komplementäre Golay-Code-Impulsfolgen A und B und die resultierenden summierten Autokorrelationsfunktionen dargestellt sind. Die komplementären Impulsfolgen A und B in Fig. 2 haben eine Codelänge von L = 8 Bit. Damit können die dargestellten Impulsfolgen durch die folgenden Codes dargestellt werden:
Impulsfolge A:1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1
Impulsfolge B: 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1
Damit würden sich nach dem vorstehend erwähnten Konstruktionsprinzip die folgenden Untersequenzen ergeben:
A&spplus;: 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1
A&supmin;: 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0
B&spplus;: 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0
B&supmin;: 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1
In Fig. 3 ist die wegen Nichtlinearitäten unvollständige gegenseitige Aufhebung von Seitenlinien dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Spitze an der Position 0 von Seitenlinien an Positionen umgeben ist, die bis zu L-1 Punkte zu beiden Seiten entfernt sind. Infolgedessen wird ein gemessenes Signal in der Nähe starker Reflexionen verzerrt. Diese Verzerrungen werden durch die vorliegende Erfindung im wesentlichen ausgeschaltet.
Die grundlegende Maßnahme, mit der die Seitenlinien-Probleme beseitigt werden, soll nun anhand der Figur 4 erläutert werden. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die herkömmlichen Code-Sequenzen, z.B. die Sequenzen A und B in Fig. 2, durch Einfügung einer vorbestimmten Anzahl von Nullbits zwischen jedem Bitpaar der Sequenzen A und B zu modifizieren. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel werden jeweils drei zusätzliche Bits eingefügt, so daß die modifizierten Code-Sequenzen A' und B' die folgende Form aufweisen:
Sequenz A': 1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,-1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,-1,0,0,0,1,0,0,0
Sequenz B': 1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,-1,0,0,0,-1,0,0,0,-1,0,0,0,1,0,0,0,-1,0,0,0
In Fig. 4 sind einige Elemente ("1", "-1", "0") der eingestrahlten Sequenz A' wiedergegeben. Außerdem ist aus Fig. 4, in der die Zeitfolge der eingestrahlten Signale dargestellt ist, zu erkennen, daß die Dauer eines eingestrahlten "0"- Signals der Dauer der "1"- oder "-1"-Signale entspricht. Da in dem dargestellten Beispiel drei "0"-Signale eingefügt werden, ist das Zeitintervall, in dem das "0"- Signal anliegt, dreimal so lang wie das Zeitintervall, in dem ein "1"- oder ein "- 1"-Signal anliegt. In der Praxis werden die modifizierten Impulsfolgen jeweils in zwei Untersequenzen aufgespalten, die wie vorstehend beschrieben nacheinander in den zu prüfenden Lichtwellenleiter eingestrahlt werden. Die Untersequenzen werden nach dem vorstehend beschriebenen Konstruktionsprinzip aus den modifizierten Impulsfolgen A' und B' gebildet (Ersatz "-1" durch "0", wodurch sich A&spplus; ergibt, und Bildung des komplementären Wertes von A&spplus;, was zu A&supmin; führt), wobei es sich versteht, daß die eingefügten "0"-en von diesen beiden Umformungen nicht berührt werden. Anders ausgedrückt, erhält man die Untersequenzen der modifizierten Impulsfolgen A' und B' dadurch, daß man die vorbestimmte Anzahl von Nullbits zwischen je zwei Bits der Untersequenzen A&spplus;, A&supmin;, B&spplus;, B&supmin; der nicht modifizierten Impulsfolgen einfügt. Zum Beispiel sehen die Untersequenzen der modifizierten Impulsfolgen A' und B' im vorstehenden Beispiel in der Praxis wie folgt aus: A'&spplus;: 1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0 A'&supmin;: 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0 B'&spplus;: 1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0 B'&supmin;: 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0
Grundsätzlich beträgt die Anzahl der in einer herkömmlichen Sequenz zwischen jeweils zwei Bits eingefügten Nullbits X-1, wobei X eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist und als "Erweiterungsfaktor" bezeichnet wird. Die modifizierten Code- Sequenzen A' und B' haben damit die Längen L = X L. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist L gleich 8 und X gleich 4.
Die errechnete Summe der Autokorrelationsfunktionen A' A' und B' B' hat jetzt die wichtige Eigenschaft, daß Seitenlinien nur an Positionen erscheinen können, die durch die folgenden Beziehungen bestimmt sind:
SP = PP ± i X, wobei i = 1,2,3,... , L-1 (6)
wobei SP die Seitenlinienposition und PP die Spitzenposition bezeichnen.
Anders ausgedrückt, bedeutet die Gleichung (6), daß alle Meßwerte, die in einem Abstand von +/- D von der Spitzenposition liegen, niemals durch Seitenlinien gestört werden können, wobei D durch das folgende Verhältnis bestimmt ist:
D = i X + j; i = 0,1, ..., L-2
j = 1,2, ..., X-1 (7)
Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen modifizierten Sequenzen macht es möglich, Lichtwellenleiter-Meßkurven zu erzeugen, bei denen die Seitenlinien sich an genau definierten Positionen befinden, und durch die Veränderung des Erweiterungsfaktors X bei aufeinanderfolgenden Messungen können verschiedene Meßkurven erzeugt werden, bei denen die Seitenlinien sich jeweils an unterschiedlichen Positionen und die durch tatsächliche Reflexionen des Lichtwellenleiters verursachten Spitzen sich jeweils an denselben Positionen befinden.
Die durch die Gleichung (7) ausgedrückte Eigenschaft läßt sich dadurch beweisen, daß man die Autokorrelation
zk = xk xk der modifizierten Sequenz xk betrachtet mit
Die Autokorrelation zk ist definiert als
wobei L' = X L
Der Term zk kann bei k = ±i.X, i=0,1, ..., L-1 nicht gleich Null sein. Um Rechenzeit zu sparen, genügt es, nur die Terme der Autokorrelation zk zu berechnen, die nicht gleich Null sind. Infolgedessen könnte der Index m in Gleichung (9) in Schritten von X verändert werden.
Erfindungsgemäß werden modifizierte Code-Sequenzen in einen Lichtwellenleiter eingestrahlt, das Reflexionssignal wird gemessen, und die Summe der einzelnen Autokorrelationen wird nach den Gleichungen (3) - (5) errechnet. Dann ermittelt man das Endergebnis mittels eines oder mehrerer Nachverarbeitungsverfahren, ohne irgendeine Störung durch aus systemeigenen Linearitätsfehlern der analogen Schaltungselemente oder durch Sättigung von Schaltungsblöcken entstehende Seitenlinien. Nachstehend werden drei Nachverarbeitungsverfahren beschrieben.

Verfahren I

Nach diesem Verfahren wird der Lichtwellenleiter nacheinander mit modifizierten Code-Sequenzen Ai' und Bi' mit verschiedenen Erweiterungsfaktoren Xi abgetastet, d.h. daß bei verschiedenen Einstrahlungen jeweils eine andere Anzahl von Nullbits eingefügt wird. Die einzelnen korrelierten Ergebnisse werden dann zum Endergebnis yF aufsummiert. Das Endergebnis yF kann definiert werden als:
wobei sich nach der Gleichung (4) die folgende Beziehung ergibt:
yi = (Ai'(n) Ai'(n)) * h(n) + (Bi'(n) Bi'(n)) * h(n).
Wie weiter oben erwähnt, handelt es sich bei den Ausdrücken Ai' und Bi' um abgekürzte Schreibweisen. Es gilt:
Ai' = Ai&spplus;'(n) - Ai&supmin;' (n) und Bi' = Bi&spplus;' (n) - Bi&supmin;' (n)
Bei diesem Endergebnis ist die Größe der Seitenlinien relativ zur Größe der durch Reflexionen im Lichtwellenleiter erzeugten Spitzen im Vergleich zu den einzelnen Korrelationsergebnissen vermindert, da die Spitzenpositionen bei den einzelnen Einstrahlungen immer gleich bleiben, während die Positionen der Seitenlinien entsprechend den unterschiedlichen Erweiterungsfaktoren sich von Einstrahlung zu Einstrahlung ändern. Auf diese Weise wird das Spitzen- Seitenlinien-Verhältnis praktisch vergrößert. Es kann vorkommen, daß sich die Seitenlinien-Positionen der aufeinanderfolgenden Messungen überlappen, d.h. daß eine Seitenlinie einer Messung mit einem ersten Erweiterungsfaktor an derselben Stelle auftritt wie eine andere Seitenlinie einer Messung mit einem zweiten Erweiterungsfaktor. Derartigen Überlappungen von Seitenlinien lassen sich durch die zweckmäßige Wahl der Erweiterungsfaktoren Xi vermeiden; zweckmäßigerweise wählt man zum Beispiel als Erweiterungsfaktoren Zahlen, die prim zueinander sind, d.h. daß die Zahlen Xi nicht durcheinanderteilbar sind. Auf diese Weise können, wie in den Fig. 5a und 5b dargestellt, ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden.
Fig. 5a zeigt die Reaktion des Lichtwellenleiters auf einen einzelnen eingestrahlten Impuls, Fig. 5b die Reaktion auf eine nach dem soeben beschriebenen Verfahren bearbeitete modifizierte 64-Bit-Sequenz. Die Kurven der Figuren 5a und 5b wurden über gleiche Meßperioden aufgenommen. Die erfindungsgemäß erzielte Qualitätsverbesserung ist eindeutig zu erkennen.
Das Verfahren Nr. 1 wird vorzugsweise als erster Verarbeitungsschritt zu Beginn jeder neuen Messung eingesetzt, um zunächst das Rauschen im Meßsignal h(n) rasch zu vermindern und die Positionen der Reflexionen grob zu bestimmen. Insbesondere bei sehr kurzen Impulsbreiten, die nach dem Stand der Technik zu stark rauschbehafteten rückgestreuten Meßsignalen führen würden, bietet das Verfahren Nr. 1 den Vorteil, daß schnell eine Meßkurve aufgezeichnet werden kann, anhand derer einige grobe Merkmale des Lichtwellenleiters festgestellt werden können.

Verfahren II

Dieses Verfahren wendet man an, wenn die Positionen der Reflexionen eindeutig bestimmt werden können und eine leichte Verschlechterung der räumlichen Auflösung in Kauf genommen werden kann. Fig. 6 zeigt zum Beispiel eine typische Lichtwellenleiter-Meßkurve mit starken Reflexionen, wobei wegen Linearitätsfehlern der Sende- und Empfängerschaltungen Seitenlinien entstehen. Bei diesem Beispiel wird als Prüfsignal ein modifiziertes Golay-Code-Paar der Länge L = 8 und ein Erweiterungsfaktor X = 9 verwendet.
Zunächst müssen alle Spitzenpositionen festgestellt werden. Dies kann sehr rasch (normalerweise innerhalb einer Sekunde) in der Weise erfolgen, daß man vor der eigentlichen Messung eine Messung mittels herkömmlicher Einzelimpuls- Reflektometrie durchführt und anschließend die Spitzenpositionen durch Computerauswertung der aufgenommenen Rückstreudaten ermittelt. Aus den Spitzenpositionen lassen sich dann alle möglichen Seitenlinien-Positionen anhand der Gleichung 6 errechnen. Danach werden gemäß einem wesentlichen Schritt des Verfahrens die Meßwerte an den Seitenlinien-Positionen durch den Mittelwert der beiden angrenzenden Meßwerte ersetzt. Wenn sich jedoch an mindestens einem der beiden angrenzenden Datenpunkte eine Seitenlinie oder sogar eine Reflexion befindet, kann dieser Punkt für die Berechnung des Substitutionswertes nicht herangezogen werden. Dann ist zwischen zwei Fällen zu unterscheiden:
1.)Wenn zwei oder mehr Seitenlinien nebeneinander erscheinen und an diese Seitenliniengruppe keine Reflexion angrenzt, ist jeder Substitutionswert so zu berechnen, als wenn er auf einer geraden Linie läge, die die beiden äußeren nicht verzerrten Meßsignale des Lichtwellenleiters verbindet. Fig. 7a zeigt ein Detail der Lichtwellenleiter-Meßkurve der Fig. 6, wobei die Pulssignalwerte oder Datenpunkte 71, 72 und 73 Seitenlinien anzeigen. In Fig. 7a ist die Kurve nach Durchführung des soeben beschriebenen Verfahrens dargestellt. Die Meßwerte 71, 72 und 73 wurden durch mit * bezeichnete Meßwerte ersetzt, so daß sich zwischen den beiden äußeren nicht verzerrten Meßwerten 70 und 74 eine gerade Verbindungslinie ergibt.
2.) Befindet sich die Reflexion neben einer Seitenlinie, wird der Meßwert an der Seitenlinien-Position durch lineare Näherung errechnet, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. In Fig. 8a befindet sich die Seitenlinie an der Position 81, die Spitze an der Position 82. Die Näherung wird in der Weise durchgeführt, daß eine gerade Linie von links über den ungestörten Meßpunkt 80 hinaus, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 8a angedeutet, verlängert wird. Der Meßwert auf der anderen Seite der Reflexionsspitze kann nicht verwendet werden, da in den meisten Fällen einer Reflexion eine Verbindungsstelle oder eine andere Unregelmäßigkeit folgt. Das Ergebnis der Näherung ist in Fig. 8b dargestellt. Im allgemeinen läßt sich eine dichte Konzentration von Seitenlinien dadurch vermeiden, daß man den Erweiterungsfaktor X groß genug wählt. In Fig. 9 ist das Ergebnis nach Anwendung des Verfahrens II auf die Daten der Fig. 6 dargestellt.

Verfahren III

Das Verfahren III dient zur weiteren Seitenlinien-Unterdrückung nach Durchführung der Verfahren I und/oder II. Der wichtigste Schritt dieses Verfahrens besteht darin, alle gestörten Meßwerte an Seitenlinien-Positionen durch "richtige" Werte aus früheren Meßergebnissen zu ersetzen. Hierzu wird der Lichtwellenleiter, wie im Verfahren I beschrieben, nacheinander mit modifizierten Code- Sequenzen mit verschiedenen Erweiterungsfaktoren abgetastet. Um während des gesamten Meßverfahrens für alle Meßwerte eine gute Rauschverminderung zu erzielen, müssen Mehrfachüberlappungen von Seitenlinien-Positionen in aufeinanderfolgenden Messungen vermieden werden. Der Erweiterungsfaktor ist der einzige Parameter, der sich auf die Seitenlinien-Positionen auswirkt. Alle gewählten Erweiterungsfaktoren sollten zueinander prim sein, d.h. sie sollten nicht durch einander teilbar sein.
Jedes dieser drei beschriebenen Verfahren sowie auch die Kombination dieser Verfahren bieten die Möglichkeit, das Seitenlinien-Spitzen-Verhältnis zu verbessern oder in nicht linearen Systemen auftretende Seitenlinien ganz auszuschalten.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung besitzt eine Vorrichtung zur Durchführung der optischen Zeitbereich-Reflektometrie einen Speicher mit 4 k- Worten, die 2000 Datenpunkte für die Darstellung der Lichtwellenleiter-Meßkurve und eine Code-Länge der modifizierten Golay-Codes A' oder B' von jeweils bis zu 1000 Bits gestatten. Daher muß bei jeder Messung die folgende Bedingung erfüllt sein:
L' = X L < 1000 (11)
wobei L' die Bitzahl der modifizierten Sequenz und L die Bitzahl der nicht modifizierten Sequenz ist. Der Erweiterungsfaktor bewegt sich im Bereich des Drei- bis Zehnfachen der Anzahl R starker Reflexionen im Lichtwellenleiter. Demnach wird die maximal verwendbare Codelänge L durch die folgende Gleichung bestimmt:
Wenn zum Beispiel bei einer Messung 9 starke Reflexionen festgestellt wurden, d.h. wenn R = 9, wird X zwischen 27 und 90 verändert. Jedoch werden nur solche Zahlen verwendet, die nicht durch einander teilbar sind. Um das bestmögliche Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, wird die Codelänge nach der Gleichung (12) ermittelt. Beim vorliegenden Beispiel würde die nach der Gleichung (12) ermittelte maximale Codelänge bei einer Zahl zwischen 11 und 37 liegen. Da L eine Potenz von 2 sein muß, wären als Codelängen je nach dem Erweiterungsfaktor X 2, 4, 8, 16 oder 32 möglich. Vorzugsweise verwendet man die längeren Codelängen 8, 16 oder 32, da diese zu besseren Ergebnissen führen als die kürzeren Codelängen (2 oder 4).
Vorstehende Ausführungsform der Erfindung wurde im Zusammenhang mit komplementären Sequenzen, z.B. komplementären Golay-Sequenzen, beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese Sequenzen beschränkt ist, sondern auch in Verbindung mit nicht komplementären Sequenzen, zum Beispiel pseudo-zufälligen Sequenzen, verwendet werden kann, die nicht die Eigenschaft der gegenseitigen Aufhebung von Seitenlinien haben (im Idealfall, wenn Linearitätsfehler kein Problem darstellen). Auch in diesen Fällen kann durch Veränderung der Erweiterungsfaktoren bei verschiedenen Einstrahlungen in das lichtleitende Medium eine Lichtwellenleiter-Meßkurve erzielt werden, bei der unerwünschte Seitenlinien wesentlich vermindert sind oder sogar ganz fehlen. Damit können durch die nichtkomplementäre Art der verwendeten Sequenzen oder durch Linearitätsfehler im Meßsystem bedingte Seitenlinien vermindert oder vermieden werden. Wenn zum Beispiel ein während einer ersten Einstrahlung erhaltener Meßwert durch eine Seitenlinie verdeckt wird, kann der echte, nicht durch Seitenlinien beeinträchtigte Meßwert dadurch erhalten werden, daß man zumindest eine weitere Sequenz mit einem anderen Erweiterungsfaktor einstrahlt, so daß die Seitenlinie sich bei dieser Einstrahlung an einer anderen Position befindet.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung optischer Zeitbereich-Reflektometrie an einem lichtleitenden Medium, zum Beispiel einem Lichtwellenleiter, mit den folgenden Schritten:

a) Einstrahlen von Lichtsignale zweier unterschiedlicher Stärken enthaltenden Lichtsignal-Zeitfolgen in das Medium, wobei eine Zeitfolge (A,B) zwei komplementäre Folgen (A und B) enthält,

b) Detektieren der von dem lichtleitenden Medium reflektierten Lichtsignale,

c) Korrelieren der von dem lichtleitenden Medium kommenden detektierten Signale mit den eingestrahlten Signalen,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) mindestens zwei verschiedene Lichtsignal-Zeitfolgen (A&sub1;', B&sub1;') und (A&sub2;', B&sub2;') nacheinander in das lichtleitende Medium (10) eingestrahlt und jeweils mit den detektierten Signalen korreliert werden,

wobei die verschiedenen Zeitfolgen (A&sub1;', B&sub1;'), (A&sub2;', B&sub2;') jeweils aus einer gemeinsamen Grund-Zeitfolge (A,B) abgeleitet werden,

wobei die erste Zeitfolge (A&sub1;', B&sub1;') von der gemeinsamen Grund- Zeitfolge (A,B) in der Weise abgeleitet wird, daß nach jedem Lichtsignal der gemeinsamen Grund-Zeitfolge (A,B) eine erste vorbestimmte Anzahl (X&sub1; -1) von Lichtsignalen gleicher Stärke eingefügt wird, und

wobei die zweite Zeitfolge (A&sub2;', B&sub2;') von der gemeinsamen Grund- Zeitfolge (A,B) in der Weise abgeleitet wird, daß nach jedem Lichtsignal der gemeinsamen Grund-Zeitfolge (A,B) eine zweite vorbestimmte Anzahl (X&sub2; -1) von Lichtsignalen gleicher Stärke eingefügt wird,

wobei die zweite vorgestimmte Anzahl von der ersten vorbestimmten Anzahl abweicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Grundfolge aus einem Satz komplementärer Folgen (A,B), zum Beispiel einem Satz zweier komplementärer Golay-Folgen (A,B) besteht, so daß die mindestens zwei in das lichtleitende Medium eingestrahlten verschiedenen Zeitfolgen modifizierte komplementäre Folgen sind, wobei die Modifikation relativ zu den komplementären Grundfolgen darin besteht, daß nach jedem Lichtsignal der herkömmlichen komplementären Folge eine vorbestimmte Anzahl von Lichtsignalen einfügt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- aufeinanderfolgendes Einstrahlen einer Vielzahl modifizierter komplementärer Folgen in den Lichtwellenleiter (10), wobei die Anzahl (X&sub1; -1; X&sub2; -1) der eingefügten Lichtsignale der modifizierten Folgen für verschiedene Einstrahlungen jeweils unterschiedlich ist,

- Überlagerung der Korrelationsergebnisse der einzelnen Einstrahlungen zum Erzeugen eines zusammengesetzten Meßergebnisses, wodurch die Größe der Seitenlinien relativ zu der Größe der von Reflexionen im Lichtwellenleiter herrührenden Spitzen verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Schritte:

- Ermitteln der Positionen der von Reflexionen im Lichtwellenleiter (10) herrührenden Spitzen,

- Berechnen aller möglichen Seitenlinien-Positionen nach der Formel

SP = PP +/- i X&sub1;,

wobei SP die Seitenlinien-Positionen, PP die Spitzenpositionen bezeichnet und i jede ganze Zahl zwischen 1 und L-1 sein kann, wobei L die Codelänge der Grundfolge ist, und

- Ersetzen der gemessenen Datenwerte an den Seitenlinien-Positionen durch berechnete Datenwerte derart, daß die berechneten Datenwerte den angrenzenden Meßwerten angenähert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- aufeinanderfolgendes Einstrahlen einer Vielzahl modifizierter komplementärer Folgen in den Lichtwellenleiter (10), wobei die Anzahl (X&sub1; -1; X&sub2; -1) der eingefügten Lichtsignale der modifizierten Folgen für verschiedene Einstrahlungen jeweils unterschiedlich ist, so daß sich die Seitenlinien-Positionen verschiedener Einstrahlungen nicht überlappen, und

- Ersetzen der Datenwerte, die Verzerrungen durch Seitenlinien darstellen, durch Meßwerte einer anderen Einstrahlung, bei der die Meßwerte an den Seitenlinien-Positionen nicht gestört sind, so daß man im wesentlichen von Seitenlinien-Verzerrungen freie Meßwerte erhält.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die um 1 vergrößerten Anzahlen der für verschiedene Einstrahlungen in die modifizierten Folgen eingefügten Lichtsignale, (d.h. Erweiterungsfaktoren X&sub1;; X&sub2;), zueinander prim sind.

7. Verfahren für die Durchführung optischer Zeitbereich-Reflektometrie, bei dem die Verfahren der Ansprüche 3,4,5 in beliebiger Weise kombiniert sind.

8. Vorrichtung für die Durchführung optischer Zeitbereich-Reflektometrie an einem lichtleitenden Medium, z.B. einem Lichtwellenleiter, mit

a) einer Lichteinstrahleinrichtung (7,8,9) zum Einstrahlen von Lichtsignale zweier unterschiedlicher Stärken enthaltenden Lichtsignal-Zeitfolgen in das Medium (10), wobei eine Zeitfolge (A,B) aus zwei komplementären Folgen (A und B) besteht,

b) einem mit der Lichteinstrahleinrichtung (7,8,9) verbundenen Wortgenerator (2) zur Erzeugung von elektrischen Impulsfolgen, die die Lichteinstrahleinrichtung (7,8,9) aktivieren, so daß sie eine vorbestimmte Lichtsignal-Zeitfolge in das lichtleitende Medium (11) einstrahlt,

c) eine Detektionseinrichtung (12, 13) zum Detektieren der von dem lichtleitenden Medium (11) reflektierten Lichtsignale,

d) eine Signalverarbeitungseinrichtung (4,5) zum Korrelieren der von dem lichtleitenden Medium kommenden detektierten Signale mit den eingestrahlten Signalen,

e) Anzeigemittel (6) zum Anzeigen der Korrelationsergebnisse, dadurch gekennzeichnet, daß

f) der Wortgenerator (2) eine Einrichtung zum Erzeugen mindestens zweier unterschiedlicher Zeitfolgen (A&sub1;', B&sub1;') und (A&sub2;', B&sub2;') elektrischer Impulse umfaßt, mit denen die Lichteinstrahleinrichtung so aktiviert werden kann, daß sie mindestens zwei unterschiedliche Lichtsignal- Zeitfolgen (A&sub1;', B&sub1;') und (A&sub2;', B&sub2;') nacheinander in das lichtleitende Medium (10) einstrahlt,

wobei die zweite vorgestimmte Anzahl von der ersten vorbestimmten Anzahl abweicht, und daß

g) Einrichtungen (1) vorgesehen sind, mit denen der Wortgenerator (2) so gesteuert werden kann, daß er nacheinander mindestens zwei unterschiedliche Zeitfolgen (A&sub1;', B&sub1;') und (A&sub2;', B&sub2;') generiert.