Исследование и разработка методов определения вероятностно-временных параметров волоконно-оптических направляющих систем при воздействии вибрационных нагрузок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Чан Нят Минь

• Чан Нят Минь
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чан Нят Минь

Введение.

1 Анализ влияния механических нагрузок на вероятностно-временные параметры оптических волокон.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Анализ возникновения поверхностных микротрещин и их распределения по длине ОВ.

1.3. Анализ динамики развития микротрещин под воздействием механических нагрузок.

1.4. Анализ снижения механической прочности оптических волокон за счет роста микротрещин.

1.5. Анализ влияния роста микротрещин под воздействием механических нагрузок на затухание сигнала в ОВ.

Выводы.

2 Исследование вероятностно-временных параметров прочности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Анализ и выбор математических моделей вибрационных нагрузок воздействующих на оптические волокна.

2.2.1. Оптическое волокно внутри полимерной трубки.

2.2.2. Оптическое волокно внутри фигурного сердечника.

2.3. Исследование прочности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок модели № 1.

2.4. Исследование прочности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок модели № 2.

2.5. Исследование прочности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок модели № 3.

2.6. Исследование прочности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок модели № 4.

Выводы.

3 Исследование роста единичной микротрещины на поверхности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Исследование роста микротрещин в оптическом волокне при воздействии произвольных нагрузок.

3.3. Исследование роста микротрещин под воздействием вибрационных нагрузок модели № 1.

3.4. Исследование роста микротрещин под воздействием вибрационных нагрузок модели № 2.

3.5. Исследование роста микротрещин под воздействием вибрационных нагрузок модели № 3.

3.6. Исследование роста микротрещин под воздействием вибрационных нагрузок модели № 4.

3.7. Анализ влияния 4-х моделей вибрационных нагрузок на рост микротрещин на поверхности оптических волокон.

Выводы.

4 Исследование роста дополнительных потерь в оптическом волокне, вносимых единичной микротрещиной, при передаче сигнала под воздействием вибрационных нагрузок.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Исследование зависимости дополнительных потерь от размера единичных микротрещин.

4.3. Исследование зависимости дополнительных потерь от размера единичных микротрещин во времени.

4.4. Вывод формул для определения зависимости дополнительных потерь, вызванных единичной микротрещиной, при воздействии вибрационных 145 нагрузок

4.5. Исследование зависимости дополнительных потерь, вносимых единичной микротрещиной, при передаче сигнала по многомодовому оптическому волокну со ступенчатым профилем показателя преломления под воздействием вибрационных нагрузок.

4.6. Исследование зависимости дополнительных потерь, вносимых единичной микротрещиной, при передаче сигнала по градиентному многомодовому оптическому волокну под воздействием вибрационных нагрузок.

4.7. Исследование зависимости дополнительных потерь, вносимых единичной микротрещиной, при передаче сигнала по одномодовому оптическому волокну со ступенчатым профилем показателя преломления под воздействием вибрационных нагрузок.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов определения вероятностно-временных параметров волоконно-оптических направляющих систем при воздействии вибрационных нагрузок»

Актуальность темы. Современный этап развития техники связи характеризуется проведением интенсивных работ в области волоконно-оптических систем связи (ВОСС). Такой большой интерес к ВОСС обусловлен возможностью передачи широкополосных сигналов по оптическим волокнам (ОВ) на большие расстояния. При этом реализуется целый ряд преимуществ ВОСС, обусловленных применением в качестве направляющих систем оптических кабелей (ОК) связи: высокая скорость v передачи цифровых сигналов, большая длина регенерационного участка, высокая помехозащищенность от внешних воздействий.

В настоящее время в ряде развитых стран проводятся активные работы по внедрению ВОСС на сетях связи различного назначения. Так, например, в США отмечается чрезвычайно быстрый рост объема рынка ВОСС [66]. При этом темпы роста новых технологий таковы, что промышленность существенно отстает по темпам их развития. Подобная тенденция сохраняется как в области создания систем дальней связи, так и в области локальных. Среди систем дальней связи отмечается создание ВОСС с протяженностью трактов международной связи более 20 тысяч километров и трактов связи внутри городов США более 8 тысяч километров. Многие ВОСС в настоящее время достигли 85% пропускной способности и расширяются в среднем на 20% в год. В течение ближайших пяти лет в США будут проложены ОК с общей протяженностью 250 тысяч километров. Существуют крупномасштабные проекты прокладки ОК в странах ближнего и среднего Востока (Сирия, Иордания, Саудовская Аравия, Иран) [67].

В настоящее время существуют две тенденции развития ВОСС. Первая из них связана с созданием ВОСС со сверхвысокими скоростями передачи информации, вторая с расширением области применения ВОСС в различных отраслях промышленности (энергетика, авиация, железнодорожный и автодорожный транспорт).

Основными принципами конструирования ВОСС со сверхвысокими скоростями передачи информации являются: использование метода уплотнения каналов по длине волны, применение оптических усилителей на отрезках волокон, легированных эрбием, использование оптических солитонов [68]. Наиболее перспективным направлением создания таких ВОСС является разработка ВОСС с уплотнением каналов по длине волны при малой величине разнесения каналов (ВОСС с плотным спектральным мультиплексированием). Достоинством этих систем является возможность использования существующих трактов и увеличение пропускной способности в несколько десятков раз. В настоящее время число используемых каналов в пересчете на волокно достигает 170 при скорости передачи в пересчете на канал до 40 Гбит/с. Сообщается о создании экспериментальной ВОСС со скоростью передачи информации 1,6 Гбит/с [69], а также о разработке фирмой Bell (США) прототипа ВОСС с числом каналов равным 1000 [70].

Недостатком этих систем в настоящее время является сравнительно высокая стоимость элементной базы, но предполагается, что в ближайшем будущем следует

I v ожидать ее снижение. По экспертным оценкам стоимость продаж таких ВОСС в 2000 г. в глобальном масштабе составило 4,33 млрд. SUS, а в 2002 г. возрастает до 7,899 млрд. $US. Темпы ежегодного роста до 2000 г. составили 65%, после 2000 г. они будут составлять 33% [71].

Отмечается, что в 2000 г. объем рынка ВОСС с плотным спектральным уплотнением для США составит 2,33 млрд. SUS а в странах Западной Европы и Японии 2 млрд. $US соответственно.

В России, также как во всех высокоразвитых странах, в настоящее время, происходит интенсивное внедрение высокоскоростных ВОСС. Основной направляющей системой для таких ВОСС является волоконно-оптическая линия связи (BOJIC). Отмечается, что только использование BOJIC на всех участках (магистральном, внутризоновом, городском и сельском) взаимоувязанной сети России может решить задачи по реализации мощных информационных потоков [73].

Как было указано выше, тенденция внедрения ВОСС со сверхвысокой пропускной способностью тесно связано с другой тенденцией развития ВОСС -расширением области их применения. В настоящее время в России происходит интенсивное внедрение ВОСС на ведомственных сетях связи [74]. Так, например, развитие магистральных цифровых сетей связи МПС России на основе прокладываемых BOJTC и современной аппаратуры каналообразования и передачи создает необходимые предпосылки для модернизации систем технологической связи (ОТС и ОбТС) [75]. Перестройка управления на железнодорожном транспорте на основе использования информационных технологий требует коренной реконструкции сетей связи путем внедрения современных цифровых систем по оптическим волокнам и оптических методов коммутации. Цель этой программы - увеличение пропускной способности каналов и получение качественно новых видов услуг связи [76]. В связи с работами по реконструкции сетей связи МПС производится замена многих участков традиционных линий связи на современные BOJIC [77]. Разработана рабочая документация на строительство более 10000 км. BOJIC для сетей связи МПС. Отличительной особенностью применения BOJIC на сетях МПС является большая протяженность линий и прокладка ОК вдоль железных дорог.

Другим ведомством России, активно использующим при модернизации своих линий связи волоконную оптику, является РАО ЕС [74,79,80].

Основной особенностью применения BOJIC на ведомственных сетях РАО ЕС России является возможность подвески ОК на опорах высоковольтных ЛЭП. При этом

4 V

ОК, как правило, располагаются в грозозащитных тросах ЛЭП [79,80,81,82]. При этом протяженность таких линий достигает значительных размеров. В настоящее время имеется проект подвески ОК на опорах ЛЭП при прокладке линий между Европой и Дальним Востоком [80].

Помимо указанных выше областей применения ВОЛС на ведомственных сетях проводится интенсивное исследование по применению таких систем на автомагистралях [83], газовых магистралях [74] и в качестве бортовых ВОСС самолетов [84].

Следует отметить, что выявленные тенденции развития ВОСС как в России, так и за рубежом имеют конечной целью использования этих систем в коммерческих интересах [74]. Однако, получение максимальной прибыли от внедрения таких систем ограничено проблемами, возникающими в процессе реальной эксплуатации. Одна из таких проблем - обеспечение надежности и долговечности ОК, представляющих собой неотделимую часть любой из этих систем. Существенным недостатком ОК является сравнительно высокая хрупкость оптического волокна. С течением времени под воздействием внутренних и внешних факторов в ОВ происходит развитие микротрещин, приводящее к возникновению обрывов. При возникновении обрыва существенно изменяются условия передачи информации по ОВ. Особенно это опасно при использовании ВОСС со сверхвысокими скоростями передачи сигналов, т. к. в одном волокне может быть организовано несколько десятков оптических каналов связи. Изменение передаточных характеристик ОВ из-за обрывов по длине ОВ может привести к выходу из строя сразу несколько каналов связи, что существенно снизит надежность ВОСС в целом. Другая особенность настоящего этапа развития ВОСС связана с расширением области их применения в таких отраслях народного хозяйства, где существенную роль играют условия эксплуатации. В частности, для указанных выше областей применения ВОСС (ЛЭП, эл.ж.д., газовые и нефтяные трубопроводы, авиация) наряду с традиционными внешними факторами воздействия, влияющими на процесс развития микротрещин ОВ - перепад температуры, влага, давление и т.д., необходимо учитывать еще один дополнительный фактор - наличие вибрации в процессе эксплуатации ВОСС.

Таким образом, повышение экономической эффективности при внедрении ВОСС тесно связано с увеличением срока службы ОК, что в свою очередь невозможно без теоретического исследования процессов старения ОВ и разработки рекомендаций, повышающих срок службы ОК. t

Цель и задачи исследования. Основной задачей настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование процесса развития микротрещин в оптическом волокне с целью создания методов оценки вероятностно-временных параметров волоконно-оптических кабелей при воздействии вибрационных нагрузок и разработке практических рекомендаций по повышению надежности оптических волокон в оптических кабельных линиях связи.

Состояние вопроса. Основным элементом любой волоконно-оптической системы связи является ее направляющая система, в качестве которой используется волоконно-оптический кабель связи. Поэтому при рассмотрении вопроса надежности и долговечности функционирования таких ВОСС решающее значение имеет эксплуатационная надежность ОК.

Эксплуатационная надежность ОК, в свою очередь, полностью определяется надежностными характеристиками среды распространения оптических сигналов, т. е. соответствующими характеристиками оптических волокон.

Таким образом, исследование проблемы обеспечения работоспособности ОК, по существу, сводится к исследованию вопроса обеспечения требуемой эксплуатационной надежности ОВ, входящих в состав данной конструкции ОК.

Эксплуатационная надежность ОВ, рассматриваемого в качестве элемента конструкции ОК, определяется воздействием на волокно внешних и внутренних факторов. К числу первых относятся такие условия эксплуатации ОК, как температурный режим, давление и влажность воздуха, наличие внешних механических нагрузок, химическая агрессивность внешней среды. К числу последних относится развитие микротрещин на поверхности ОВ, обусловленное деградационным старением кварцевого стекла под влиянием внутреннего остаточного механического напряжения и влаги [85].

Эксплуатационная надежность OB имеет две составляющие: механическую, обусловленную сохранением целостности волокна, и передаточную, связанную со стабильностью передаточных параметров волокна. Механическая надежность ОВ является статистической характеристикой, определяющей вероятность обрыва ОВ под воздействием механического напряжения (сг).

Числовые значения этой характеристики полностью определяются законом распределения прочности ОВ. Вид этого закона представляет собой распределение Вейбулла, включающее в себя две характеристики ОВ: длину (£), кумулятивную опасность (Н(о)), т.е. пространственную интенсивность возникновения обрывов. Причем кумулятивная опасность ОВ является степенной функцией от приложенного к ОВ механического напряжения (сг), с показателем степени {т) и параметром масштабирования (в), определяемыми технологией изготовления волокна [70,86].

Следует отметить, что приложенное к ОВ механическое напряжение влияет на динамику роста микротрещины, т.е. является динамической характеристикой механической надежности ОВ. В соответствии с теорией Гриффитса размер микротрещины (С) с течением времени изменяется от начального значения (С0), определяемого технологией изготовления ОВ до критического значения (Стах), при котором происходит обрыв волокна. При этом скорость роста микротрещины зависит как от свойств материала, используемого для изготовления ОВ, так и от внешних условий. При исследовании механической надежности ОВ разработаны математические модели, в которых в качестве параметров, характеризующих материал ОВ используются модуль упругости (Е) и энергия разрушения (У), а в качестве параметров, характеризующих динамику роста микротрещины - показатель степени в формуле для распределения механической прочности (т) и коэффициент коррозии (и), масштаб темпа роста (В).

Обзор существующих математических моделей для исследования механической надежности ОВ приводится ниже при анализе роста микротрещин под воздействием механических нагрузок (см. Глава 1).

В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных исследованию влияния внешних и внутренних факторов на механическую надежность ОВ. Все работы условно можно разделить на две группы. Первая из них посвящена разработке апробированию методик по оценке параметров (т, 9) распределения механической прочности ОВ на основе предварительного тестирования волокон

87,88,89]. Вторая группа работ связана с использованием влияния внешних факторов (влага, температура, механическое воздействие) на механическую надежность ОВ [90,91,92,93].

Так, например, в работе [87] приведена методика для измерения параметров закона распределения прочности ОВ многокилометровой длины. Оценка параметров закона распределения прочности ОВ длиной 100 км может быть получена на основании тестов, проведенных одним оператором в недельный срок. Полученные результаты могут быть использованы для предсказания вероятного отказа и усовершенствования процесса изготовления ОВ.

В работе [88] отмечается, что осуществлена попытка измерения начальной прочности ОВ без покрытия с использованием механических нагрузок в виде силы натяжения большой величины. Показано, что результаты эксперимента могут быть объяснены с помощью предложенной модели закона распределения, имеющего два характерных участка, описываемых с помощью линейной и степенной зависимости соответственно. Предложенное моделирование дает возможность осуществить комплексные исследования натяжение/время для предсказания времени жизни (целостности) ОВ.

В статье [89] рассмотрена возможность использования предварительных испытаний на обрыв ОВ для оценки времени жизни ОК. Приводится обзор статистического базиса для создания моделей, основанных на оценке вероятности обрыва. Проверено ключевое допущение для начального распределения прочности: закон распределения механической прочности повторяет форму Вейбулловского закона распределения. Для проверки этого допущения произведенная оценка обрывов сравнивается с соответствующим распределением прочности после предварительных испытаний многих километров волокна. Дано обоснование небольшой корреляции, связанной с предположением, что оценка разрывов волокна есть предварительное предсказание частоты не развившихся до обрыва микротрещин. Такая корреляция объясняется малой вероятностью существования множества микротрещин в области предварительного тестирования.

Как указывалось выше, имеется еще одна группа работ связанная с определением параметров роста микротрещин под воздействием внешних факторов.

Так, например, в работе [90] приводятся результаты исследования прочности и динамических характеристик роста микротрещин при воздействии различных внешних факторов. Эксперимент был проведен для ОВ покрытых полимерной оболочкой при следующих условиях испытания: 30-и дневный горячо-влажный тест на старение без нагрузки, старение под механическим натяжением, обусловленным изгибом волокна и циклическое горяче-влажное старение. Проведено сравнение двух параметров ОВ -прочности и нагрузочного сопротивления коррозии (п) для следующих образцов:

• только что изготовленное ОВ;

• ОВ прошедшего 30-и дневной тест влага/ температура;

• ОВ прошедшего тест на изгиб.

В результате сравнения оказалось, что у образцов прошедших соответствующие v тесты прочность и нагрузочное сопротивление коррозии выше, чем у только что изготовленного образца ОВ. Отмечается, что имеется высокое совпадение оценки прочности и характеристик усталости 2-хлетних образцов изогнутого ОВ с результатами 30-и дневного теста влага/температура. Для выяснения влияния физических условий на механические свойства ОВ проведено тестирование при 50% и 100% RH. Отмечается, что параметры прочности при 100% RH оказались ниже, чем при стандартной 50% RH. Это объясняется соответствующим изменением значения параметра В, при этом изменение параметра п практически не наблюдалось. Практически данный факт означает, что чередование влажности и температуры в процессе старения не оказывают существенного влияния на характеристики прочности и усталости тестируемых ОВ.

В статье [91] исследуется влияние высокоскоростных процессов на параметры роста микротрещин, имеющих место на таких стадиях изготовления ОК, как предварительное тестирование ОВ, нанесение защитного покрытия на волокно, каблирование. Исследование проводилось с помощью тестового аппарата, ремня скольжения и пневматического пистона для динамических нагрузок в диапазоне от

7-Ю-6 ГПа/с до 1,5-Ю-6 ТПа/с. Установлено, что график типичной динамической зависимости формы усталости материала от величины нагрузочного уровня имеет характерный изгиб. Отмечается, что вероятной причиной этого изгиба является существование катастрофического роста микротрещин в районе высокой прочности. На основе предложенной модели для описания данной зависимости разработана методика определения динамических параметров роста микротрещин при выбранных условиях тестирования.

В работе [92] показано, что основной причиной снижения надежности ОВ является наличие микротрещин, расположенных в области ниже высокой прочности волокна, т.е. существенны микротрещины с относительно большими размерами. Исследуется влияние таких микротрещин на прочностные характеристики ОВ при размещении волокна в воде с температурой 80° С. Отмечается, что наличие больших микротрещин в данных условиях существенно снижают уровень надежности ОВ. На основе проведенных исследований делается вывод о том, что в большинстве случаев уровень риска механического разрушения ОВ определяется в основном скоростью роста микротрещин больших размеров.

Как отмечается в статье [93], большинство математических моделей для t описания механической надежности ОК используют постоянные значения параметров роста микротрещин (п, В) на поверхности ОВ. Однако такое приближение приводит к противоречивым результатам при оценке механической надежности ОВ в лабораторных и полевых условиях. В 1983 году Риттер и его сотрудники признали, что параметры роста микротрещин в процессе лабораторного тестирования и реальной среды эксплуатации могут существенно отличаться. В данной работе делается вывод о необходимости внесения корректировки параметров роста микротрещин с учетом условий эксплуатации ОВ.

Кроме указанных выше работ имеется небольшое количество работ посвященных оценке второй эксплуатационной составляющей надежности, а именно передаточной надежности, обусловленной стабильностью передаточных параметров в течение всего срока эксплуатации ОК [85,94,95,96,97]. Как отмечается в работе [85], коррозионное старение ОВ есть не что иное, как рост имеющихся на его поверхности микротрещин, и может приводить не только к внезапным отказам ОК из-за обрыва ОВ, но и к изменению условий распространения оптических сигналов. Следовательно, данный фактор оказывает влияние на передаточные параметры ОВ. В работе отмечается, что в определенных случаях воздействия эксплуатационных нагрузок возникают дополнительные потери при передаче оптических сигналов из-за соответствующего роста микротрещин на поверхности ОВ, что в конечном счете приводит к выходу из строя ОК из-за превышения эксплуатационного запаса регенерационного участка по затуханию до истечения расчетного срока службы ОК.

В работе [94] предложена методика оценки надежности ОВ в кабеле. По результатам проведенных расчетов сформулированы критерии предельного натяжения ОВ для выявления ненадежных участков BOJ1C.

Для прогнозирования срока службы ОВ, используемых в BOJIC, в работе [95] приведен метод расчета временной долговечности ОВ при одновременной нагрузке на ОВ и учетом влияния внешней среды.

В работе [96] рассмотрены методы контроля ОК. Отмечается, что основным методом является метод, основанный на использовании оптических рефлектометров, позволяющий контролировать как передаточные, так и механические характеристики ОВ. Для исследования температуры, влажности воздуха и его давления на состояние ОВ в работе [97] приведено описание соответствующей установки с использованием

4 V механической вибрации.

Таким образом, процесс коррозии ОВ с точки зрения эксплуатационной надежности ОК представляет собой необратимый процесс уменьшения механической прочности волокна и увеличения затухания оптических сигналов, передаваемых по волокну. Разрушение ОВ - это процесс роста микротрещин на его поверхности под воздействием внутренних и внешних факторов.

Проведенный выше анализ влияния этих факторов на эксплуатационную надежность ОК позволяет сформулировать предмет исследования диссертационной работы.

Предметом исследования является волоконно-оптические линии связи, ее основные элементы (оптическое волокно и оптический кабель связи) и их вероятно-временные характеристики безотказной работы. Основные вопросы, подлежащие исследованию следующие: анализ влияния механических нагрузок на вероятностно-временные параметры оптических волокон; разработка математических моделей для исследования прочности оптических волокон, размещенных в типовых оптических модулях ОК различного назначения при воздействии вибрационных нагрузок; расчет и анализ вероятности целостности ОВ при различных значениях параметров распределения микротрещин по длине волокон и амплитуд вибрации; разработка метода оценки интенсивности роста единичной микротрещины на поверхности оптического волокна расположенного в типовых конструкциях ОК при воздействии произвольной динамической нагрузки, расчет и анализ влияния роста микротрещин в этих условиях на вероятность целостности ОВ; разработка метода определения дополнительных потерь, вносимых единичной микротрещиной при воздействии вибрационных нагрузок, расчет и анализ влияния изменения размера единичной микротрещины на величину дополнительных потерь в многомодовых и одномодовых волокнах, расположенных в типовых конструкциях ОК при различных значениях начального размера микротрещины.

Структура диссертационной работы определяется методикой решения задачи расчета вероятностно-временных параметров волоконно-оптических кабелей связи. В соответствии с задачами, представляющими самостоятельный интерес, диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 99 страниц текста, 67 рисунка, 3 таблицы, список литературы - 100 наименований, приложение всего 209 страниц.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Чан Нят Минь

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе сделано следующее:

1. Разработан алгоритм определения вероятности целостности оптических волокон при воздействии вибрационных нагрузок. Предложен подход к оценке воздействия вибрации на оптическое волокно, размещенное в оптическом модуле гипотетической конструкции оптического кабеля. На основании предложенного метода разработаны математические модели для описания воздействия вибрационных нагрузок на ОВ, расположенные в четырех типовых конструкциях оптических модулей ОК. Приведены расчеты изменения функции кумулятивной опасности обрыва ОВ от вибрации при различных временных параметрах.

Использование полученных зависимостей позволяет осуществить выбор оптимальных режимов изготовления и эксплуатации ОВ и конструкции ОК для обеспечения заданной механической надежности направляющей системы.

2. Предложен метод оценки интенсивности роста микротрещин в оптическом волокне при воздействии произвольных механических нагрузок. Выведены расчетные соотношения для определения роста микротрещин в оптическом волокне при воздействии вибрационных нагрузок для типовых конструкций модулей ОК. Рассчитана величина роста микротрещины в оптическом волокне от времени при различных значениях вероятностно-временных параметров ОВ. Показано, что незначительное увеличение начального размера микротрещины, возникающей при изготовлении ОВ, приводит к значительному сокращению времени наступления обрыва. Отмечено, что при одинаковых вероятностно-временных параметрах ОВ, воздействие вибрации на рост микротрещин существенно зависит от конструкции ОМ, в котором расположено ОВ.

Использование полученных результатов дает возможность решить ряд важных практических задач:

• осуществить оптимальный выбор технологических режимов изготовления ОВ с точки зрения возникновения максимально допустимого размера первоначальной микротрещины;

• произвести оптимальной выбор конструкции ОМ и ОК с точки зрения обеспечения минимального темпа роста микротрещин ОВ в процессе эксплуатации;

• оценить величину допустимой амплитуды вибрационных нагрузок с точки зрения обеспечения требуемого срока службы ОК.

3. Предложен метод расчета величины дополнительных потерь в оптическом волокне, вносимых единичной микротрещиной, при передаче сигнала с учетом воздействия вибрационных нагрузок. Выведены расчетные формулы для определения дополнительных потерь в ОВ, вносимых микротрещиной, в зависимости от ее размера. Соответствующие расчетные соотношения получены как для многомодовых ОВ со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления, так и для стандартного одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления. Для указанных выше типов волокон разработаны алгоритмы определения величины дополнительных потерь, вносимых микротрещиной при воздействии вибрационных нагрузок. На основе полученных формул проведены расчеты дополнительных потерь, вносимых микротрещиной, при воздействии вибрации в многомодовых и одномодовых ОВ. Расчеты влияния вибрационных нагрузок на величину дополнительных потерь проведены для выбранных типовых конструкций модулей ОК при различных значениях начального размера микротрещины. Полученные результаты позволяют оценить функциональную надежность ОК при использовании их в ВОСС, подверженных воздействию вибрации в процессе эксплуатации.

В результате проведенных исследований установлено следующее:

1. Результатом влияния вибрации на оптическое волокно является уменьшение вероятности целостности ОВ и увеличение затухания. Уменьшение вероятности целостности ОВ и рост дополнительных потерь происходит из-за роста микротрещин на поверхности ОВ в результате воздействия вибрационных нагрузок.

2. Рост поверхностных микротрещин при воздействии вибрации приводит к снижению механической прочности, что в свою очередь приводит к увеличению кумулятивной опасности и, как следствие, к уменьшению вероятности целостности волокна. Показано, что степень влияния вибрации на вероятность целостности ОВ можно уменьшить при оптимальном выборе вероятностно-временных харак-теристик ОВ и конструкции ОК. Так, например, увеличение параметра m для всех исследуемых конструкций модулей ОК приводит к более существенному повышению прочности ОВ, чем увеличение параметра 0. Среди всех трех конструкций модулей ОК наиболее опасной с точки зрения вероятности обрыва волокна является модель ОМ №2. Для повышения надежности ОВ желательно использовать модель ОМ №3 при превышении статической нагрузки над вибрационной, в противоположном случае желательно использовать модель №4.

3. Рост микротрещины на поверхности ОВ при воздействии вибрации существенно зависит как от конструкции ОК, так и от первоначального размера микротрещины. Для всех конструкций ОК незначительное увеличение начального размера микротрещины приводит к резкому сокращению времени до наступления обрыва. Это объясняется степенной зависимостью времени наступления обрыва от первоначального размера микротрещины. Поэтому уменьшение данного параметра 4 приводит к существенному снижению интенсивности роста микротрещины и к увеличению механической прочности ОВ. Как показал результат исследования, наиболее оптимальной конструкцией модуля ОК с точки зрения повышения надежности является модель №3.

4. Рост поверхностных микротрещин при воздействии вибрационных нагрузок приводит к появлению дополнительных потерь. Происходит разрыв ОВ на два отрезка с торцами, имеющими гладкую поверхность, что приводит при прохождении оптического сигнала через рассеченный сердечник к возникновению Френеллевских отражений и появлению дополнительных потерь. Величина этих потерь определяется типом ОВ и размером поверхностной микротрещины и составляет доли дБ.

5. Дополнительные потери в ОВ при воздействии вибрации появляются при достижении микротрещины размера превышающим толщину светоотражающей оболочки. Как показали результаты расчетов, время роста дополнительных потерь от минимального значения до максимального существенно зависит от размера сердцевины исследуемых ОВ. Так, например, в одномодовых ОВ этот процесс происходит мгновенно. Поэтому при решении практических задач по определению функциональной надежности ОК достаточно знать момент обрыва и максимальное значение величины дополнительных потерь.

Результаты исследований, проведенные в диссертационной работе, обсуждались и докладывались на научных сессиях Научно-технического общества радиотехники, электроники и связи ми. А.С.Попова, а также на Научно-технической конференции профессорско-преподавательского научного и инженерно-технического состава МТУ СИ.

Основные положения диссертации, ее результаты и выводы с достаточной полнотой опубликованы в 3-х печатных работах.

Основные положения теоретического и практического характера исследования влияния вибрации на вероятностно-временные и передаточные параметры ОВ внедрены на предприятиях, занимающихся исследованиями и разработкой оптических волокон и кабелей связи, что подтверждается актами внедрения. Материалы, подтверждающие внедрение, приведены в приложении.

В дальнейшем результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть t v использованы при разработке и совершенствовании технологий изготовления ОВ и проектировании ВОСС различного назначения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чан Нят Минь, 2001 год

1. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели. 2-ое издание. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 262 с.

2. Дональд Дж. Стерлинг "Волоконная оптика" пер. с Англ. изд. "Лори" 1998.

3. Цифровые и аналоговые системы передачи/ Под ред. Иванова В.И., М.: Радио и связь -1995.

4. Дудник Б.Я., Овчаренко В.Ф., Орлов В.К. и другие. Надежность и живучесть систем связи. М.: Радио и связь, 1984.

5. Eugene Helfan and Z.R. Statistics of the strength of optical fibers// Journal of appl. Physics. -august 1977.-V.48-№8.

6. Olshanky R., Maurer R.D. Tensile strength and fatigue of optical fibers// Journal of appl. Physics. 1976,-V.47.

7. Mitsunaga Y., Katsuyma Y.; Kobayashi H., Ishida Y. Failure prediction for long length optical fiber based on proof testing// Journal of appl. Physics 1982. - V.53 - №7.

8. Зеленяк-Кудренко И.В., Коршунов B.H., Ксенофонтов C.H. Прочность кварцевых оптических волокон при воздействии произвольных механических нагрузок// Радиотехника. 1989. - №10.

9. Боровков А.А. Теория вероятностей. М.: Наука. 1986.

10. Левин Б.Р. Теоретические основы статической радиотехники. М.: Радио и связь, 1984.

11. Отчет о НИИР по теме "Повышение эффективности и надежности оптических кабелей различного назначения". Москва. 1990.

12. Ксенофонтов С.Н. "Исследование и разработка методов определения вероятно-временных параметров оптических кабельных линий связи". Диссертация на соискание звания к.т.н. -М., 1986.

13. Цым А.Ю., Воронцов А.С. Новая технология сооружения волоконно-оптических линий передачи (Технология ВОЛП-ВЛ)// Труды международной академии связи. -1998.-№ 1(5)-с. 13-16.

14. Азерникова Т.И., Баскакова З.А., Калюжный В.Ф. Оптические кабели на опорах линий электропередачи // Электросвязь. 1989 - № 8 - с. 44-46.

15. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: масштабы и направления развития // Электросвязь 1992. - № 9 - с. 2-7.

16. Алесеев Е.Б. Особенности эксплуатации ВОСП и пути повышения качества их функционирования// Электросвязь 1997. - № 5. - с. 10-12.

17. Петров Ю.М. Надежность функционирования ВОЛС-ВЛ при низких температурах окружающей среды// Электросвязь. 1999. - № 2. - с. 14-15.

18. Семенова И.А., Рязанов И.Б. Защита оптических кабелей от воздействия влаги//Электросвязь. 1999. - № 2. - с. 14-18.

19. Ксенофонтов С. Н. Методика оценки надежности оптических кабелей различных конструкций// Электросвязь. 1995. - № 11.-е. 26-27.

20. Власов А.В., Иноземцев В.П., Петрушко О.А. Влияние вибрационных нагрузок на коэффициент затухания оптических кабелей// Электросвязь. 1981. -№ 1.-е. 39-41.I

21. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1984.-831 с.

22. Иванов С.И. Дополнительные потери, обусловленные нерегулярностями многомодовых световодов// Электросвязь. 1981. - № 1. - с. 41-44.

23. Мишнаевский П.А., Овян П.П. Влияние изгибов волоконных световодов на распространение и затухание сигналов// Электросвязь. 1981. -№ 1. - с. 44-45.

24. Гроднев И.И., Творемирова Т.А. Дисперсия в скрученных одномодовых волокнах оптических кабелей//Электросвязь. 1985. - № 10. - с. 12-15.

25. Туров В.Г., Алишев Я.В. и др. Оценка дисперсионных искажений в оптических кабелях// Электросвязь. 1984. - № 12. - с. 34-36.

26. Велигорский В.И. Старение и разрушение световодов под влиянием внешних воздействий// Электросвязь. 1989. - № 4. - с. 49-51.

27. Воронцов А.С., Коршунов В.Н., Цым А.Ю. Оценка долговечности ВОЛС// Электросвязь. 1999. - № 2. - с. 9-13.

28. Зеленяк-Кудренко И.В., Коршунов В.Н., Ларин Ю.Т. Параметры надежности оптических кабелей// Электросвязь. 1994. - № 1.-е. 25-27.

29. Винокурова М.А. Надежные характеристики оптических кабелей связи// Электросвязь. -1994. -№ 1.-е. 25-29.

30. Теумин И.И. Коэффициент затухания рассеяния оптических волокон// Электросвязь. -1991.-№2.-с. 45-46.

31. Черченко В.Д. Расчет оптических характеристик волоконного световода при растяжении// Электросвязь. 1990. - № 9. - с. 22-23.

32. Попов М.Ф. Механические характеристики кварцевого оптического волокна // Электросвязь. 1989. - № 5. - с. 46-48.

33. Шитов В.В. Исследование оптико-механических характеристик оптических волокон //

34. Электросвязь. 1982. - № 8. - с. 8-11.

35. Мартынова Т.А. Потери на стыках градиентных волоконных световодов// Электросвязь- 1981. № 1. - с. 46-47.

36. Ермохин М.И., Иванов С.И. и др. Исследование затухания волоконных световодов// Электросвязь. 1979. - № 9. - с. 60-62.

37. Липцер Р.Ш., Ширяев А.Н. Статистика случайных процессов. М.: Наука, 1974. -696 с.

38. Гихман И.И., Скороход А.В. Введение в теорию случайных процессов. М.: Наука, 1965.-654 с.

39. Пуанкаре А. Теория вероятностей: Пер. с франц. Ижевск.: Редакция журнала "Регулярная и хаотическая динамика", 1999. - 276 с.

40. Phani К.К. Strength of long optical glass fibers// Journal of appl. Physics 1987. - V.62 -№2. -p. 719-720.

41. France P.W., Duncan W.J., Smith D.J. Strength and fatigue of multicomponent optical glass fibres// Journal of material science. 1983. - V.18. - p. 785-792.

42. Бутенко В.В. Механические воздействия на подвесные оптические кабели//Российская научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникации", Новосибирск, 28-29 апреля 1994. Тезис докл. Новосибирск 1994. - с. 69-70.

43. Kuwabara Tsuneo, Mitsunaga Yutaka, Koga Hiriaki. Calculation method of failure probablities of optical fiber// J. Lightwave Technol. 1993. - V.l 1 - №7. - p. 1132-1138.

44. Ohashi Masaharu, Tateda Mitsuhiro, Shiraki Kazunyuki, Tajima Katsusuke. Imperfection loss reduction in viscosity-matched optical fibers//IEEE Photon.Technol.Lett.-1993. V.5., №7. - p. 822-829.

45. Bogatyijov V.A., Rumyantsev S.D., Kurkjian C.R. The effect of temperature on transmission properties of super-high strength aluminium-coated optical fibres// Sov. Lightwave Commun.- 1992. V.2 - №4. - p. 339-345.

46. Atkins G.R., Poole S.B., Sceats M.G., Simson H.W., Nockolds C.E. The influence of codopants and fabrication conditions on germanium defects in optical fiber preforms// IEEE Photon. Technol. Lett.-1992. V.4. - №1. -p.43-46.

47. Glalsemann G.S., Guebt S.T.Design methodology for the mechanical realibility of optical fiber// Opt. Eng. 1991. - V. 30. - №6. - p. 709-715.

48. Гаврилов Д.А., Микилев O.A. Об учете влияния различных типов дефектов на прочность ОВ// Научно-техническая конференция "Оптические сети связи", Владимир,21.25 сент. 1991. с. 220-223.

49. Авлев С.И., Смирнов В.Б. Избыточное затухание оптического излучения в волоконных световодах в составе OK// Оптика и спектроскопия. 1992. - V.72 - №5. - с. 1277-1282.

50. Либовиц Г. "Разрушение". М.: Мир - 1977. - Т5. - 460 с.

51. Гроднев И.И., Мурадян А.Г. и др. Справочник "Волоконно-оптические системы передачи и кабели" М.: Радио и Связь. - 1993.

52. Yutaka Katsuyama, Yutaka Mitsunaga, Hirokazu Kobayashi, and Yukinori Ishida. Dinamic fatigue of optical fiber under repeated stress. Journal of appl. Physics 1982. - V.53 - №1 - p. 318-321.

53. Семенов H.A. "Оптические кабели связи. Теория и расчет"- М.: Радио и связь 1981. -52 с.

54. Королюк B.C., Портенко Н.И. и др. "Справочник по теории вероятностей и математической статистики" М.: Наука, 1985. - 640 с.

55. Лукач Е. "Характеристические функции" пер. с англ. М.: Наука. 1979 - 423 с.

56. Бейтмен Г. и Эрдейн А. Высшие трансцедентные функции. Гипергеометрическая функция, функции Лежандра: Пер. с англ. М.: Наука, 1973 - 294 с.

57. Бейтмен Г. и Эрдейн А. Высшие трансцедентные функции. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены: Пер. с англ. М.: Наука, 1974. - 295 с.

58. Бейтмен Г. и Эрдейн А. Высшие трансцедентные функции. Элиптические и автоморфные функции, функции Ламе и Матье: Пер. с англ. М.: Наука, 1967 - 299 с.

59. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы: Пер. с англ. М.: Наука, 1978.-224 с.

60. Зеленяк-Кудренко И.В., Коршунов В.Н., Ксенофонтов С.Н., Ларин 10. Т. "Прогнозирование надежности оптических кабельных линий связи с учетом проверочных испытаний оптических волокон"// Электросвязь. 1990. - № 12.

61. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. "Mathcad 8 Pro в математике, физике и Internet". -М.: Нолидж, 1999.-503 с.

62. Херхагер М., Партолль X. Mathcad 2000: полное руководство: Пер. с нем. Киев: "Ирина", BHV. - 2000—414 с.

63. Плисс А. И., Сливина Н. A. MATHCAD: математический практикум М: - Финансы и статистика, 1999. - 655 с.

64. Иноземцев В. П., Данцер Р. Е. Расчет затухания волоконных световодов при скрутке вкабель// Электросвязь, 1985. № 10.

65. Васильев В. Е., Бондаренко О. В., Ларин Ю. Т., Николаев В. Г. Результаты испытаний оптических кабелей на долговечность// Электросвязь, 1985. № 10.

66. Иванов А. Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. -Москва: SYRUS SYSTEMS, 1999.-671 с.

67. Faster fiber and mobile maniafuel unending growth/ Phanz M. // ENR: Eng. Newa-Rec-1998 Top 400 Contr. Souccbook c. 99-100.

68. Mechanized fiber optic cable laying /Rangin M.//Lines and pipes. 1998 - N3 c. 15.t

69. Разработка ВОСС со сверхвысокой скоростью передачи информации/ Самоура Кадзухиро // Denki hyozon = Elec. Rev. 1999- 84 N9 с. 65-68-Яп.

70. L'annee de fous les records pour la // Usinc nouv. -1999

71. Fiat Lux // Economist (London). 2000- 354, N8156- c. 83-84.

72. DWDM system components/ Polishuk Paul // Fiber and Integr. Opt. -1999. 18, №3. c. 149-153.

73. Wavelength division multiplexing: Not just for long distansce anymore/Polishuk Paul/Fiber and Integr. Opt. -1999. 18, №3. - c. 141-147.

74. Развитие ВОЛС первостепенное значение / Портнов Э.Л.// Направляющие системы передачи/ МТУ СИ - М., с. 90-92.

75. Большая стройка / Евдокименко Е., Тутов А, Подольный Е.// Сети: Глобальные сети и телекоммуникации. 2000. №1. с. 78-80.

76. Модернизация системы ОТС Западно-Сибирской ЖД. Техническое решение ЭЗНП РАН и "Ситэс-Телеком"/ Апаршин А., Болдырев А., Новиков О., Третьяков ЮЛ Connect! Мир связи. 1999- №9 - с. 106-107.

77. Модернизация систем связи/ Розенберг Е.// Connect! Мир связи. 1999- №9 - с. 92-93.

78. Совершенствование взаимодействия сетей связи МПС и сетей общего пользования/ Сипаченко В.А., Егоров В.Б.//Автомат. Связь, информат.- 1999- №10 с. 17-18.

79. Расчет и проектирование ВОЛС/ Попов Д.А., Нисенбаум Ф.А., Попова Г.А.//Автомат. Связь, информат 1999- №11 - с. 23-26

80. Направляющие системы передачи/ Портнов Э.Л., Шестериков С.В., Кардонская К.Л.//Подвесные оптические кабели связи/ МТУСИ М2000 - с. 72-89. Деп в ЦНТН "Информсвязь" 14.04.2000 N2161- св 2000.

81. Подвеска ОК на опорах линий электропередач/ Маношин Б., Смирнов Б.// Connect! Мир связи. 1999- №10 - с. 72-73 и №11 - с. 66-67.

82. Белаш О.Л., Петров Ю.М. Перспективные технологии сооружения волоконно-оптических линий связи на линиях электропередачи //Электросвязь. 2000 №8

83. Использование ОВ для передачи информации в кабель-тросах/ Ионов А.Г., Попов М.Ф., Пушков Н.В., Рубцов Б.Н.//55 Науч. сес. поев. Дню радио "Радиотехническая электроника и связь на рубеже тысячелетия"- Москва, 17-19 мая 20: Тр-н. 2000 с. 162.

84. Проектирование ВОС для автомагистрали в КНР/ Li Xiaofeng, Ни Yu, Pi Dezhong, Li Li// Dianzi keji daxue xuebao: J Univ. Electron. And Technol. China -1999. -28, №5. -c.481-485.1.v

85. Avionie fibre-optic harnessing/ Brownjohn N.E., Aldridge N.B., Voizey A.R.// Microprocess and Microsyst. 1999. 23, №7, C.449-457.

86. Olshansky R., Maurer R.D. Tensile strenghth and fatigue of optical fibers. J. Appl. Phys., V47,N10, 1976, c. 4497-4499.

87. Glaesemann G.S., Walter D.J., Olshansky R., Maurer R.D. Metod for obtaining long-length distributions for reliability prediction. J. Otical engineering, V30, N6,1991, c.746-749.

88. Garvey P.N., Hanson T.A., Estep M.G., Glaesemann G.S. Mechanical reliability prediction: an attemp at measuring the initial strength of draw-abraded optical fiber using high stressing rates. Corning incorporated, Corning, New York, 1997.

89. Robert J. Castilone, Thomas A. Hanson. Strength and dynamic fatigue characteristics of aged fiber. Corning incorporated, Corning, NY14831,1998.

90. Aditi Paul, G.S. Glaesemann. An appraisal of mechanical reliability prediction for optical fibers based on break rates. Corning incorporated, Corning, New York, 1992.

91. Hanson T.A., Glaesemann G.S. Incorporating multi-region crack growth into mechanical reliability prediction for optical fibres. Corning incorporated, Corning, New York, 1997.

92. Glaesemann G.S., Clark D.A., Hanson T.A., Wissuchek D.J. High speed strength testing of optical fiber. Corning incorporated, Corning, NY14831, 1999.

93. Glaesemann G.S. The mechanical behavior of large flaws in optical fiber and their role in reliability predictions. Corning incorporated, Corning, New York, 1992.

94. Оценка предельного натяжения оптического волокна в кабеле для обеспечения его эксплуатационной надежности/ Питерских С.Е., Спиридонов В.Н., Трещиков В.Н.// 55

95. Науч. сес. поев. Дню радио "Радиотехническая электроника и связь на рубеже тысячелетия"- Москва, 17-19 мая 20: Тр.-М., 2000 с.29.

96. Долговечность оптических волокон в условиях изменения свойств материала/ Пестриков В.М.//Завод. лаб.: Диагност, матер. 2000. - 66, № 5 - с. 41-47, 67.

97. Methoden zur Uberwachung von Glasfaserkabeln / Angerhausen Torsten // NTZ: Informationstechn. + Telecommun. -2000. 53, N6. c. 60-62.

98. Bewertung von EinflussgroPen bei Schwingungsuntersuchungen an Faserverbundbauteilen / Berning F.// Techn. Mess. -2000. 67, №1. - c. 38-45.t v

99. Чан Нят Минь, Ксенофонтов С.Н. Оценка надежности BOJIC BJI // Тезисы докладов 53-й научной сессии, посвященной Дня Радио Российской научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова. Москва: Информсвязьиздат, 1998.

100. Чан Нят Минь, Ксенофонтов С.Н. Место и роль BOJIC в корпоративных сетях энергетики // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского научного и инженерно-технического состава МТУСИ 26-28 января 1999 г. Москва, 1999.