CHƯƠNG 4 THIẾT BỊ ĐO OTDR 4.1. KHÁI NIỆM
4.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐO OTDR
Máy phóng các xung ánh sáng vào sợi cần đo. Trên đường truyền các xung ánh sáng gặp những chướng ngại khác nhau như những chỗ không đồng nhất của sợi, mối hàn, khớp nối, vết nứt của sợi… Do đó sẽ có một phần năng lượng ánh sáng dội về dưới hình thức phản xạ hay tán xạ ngược. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào tính chất của những chỗ không đồng nhất. Và máy đo OTDR đo ánh sáng bị phân tán trở về này.
Năng lượng ánh sáng phản xạ được thu nhận, chuyển đổi thành tín hiệu điện, khuyếch đại và cho hiển thị lên màn hình. Trục tung chia theo mức công suất phản xạ còn trục hoành chia theo chiều dài sợi thông qua thời gian trễ từ lúc phóng xung đến lúc nhận xung.
Mối quan hệ giữa chiều dài sợi L và thời gian trễ t là : t
v L . .
2
=1
Trong đó : v = n1
C là vận tốc ỏnh sỏng truyền trong lừi sợi.
Thừa số 2
1 : là đo xung ánh sáng truyền trong sợi theo hai chiều
Máy đó OTDR cũng đo công suất của ánh sáng phản xạ và tạo ra một hiển thị suy hao của sợi quang theo khoảng cách truyền lan.
4.3. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA MÁY Để OTDR.
Sơ đồ khối tổng quát của một máy đo ODTR được thể hiện như hình 4.1.
Hoạt động của máy : dưới sự kích thích của các xung điện tử mạch tạo xung, LASER phát xung ánh sáng vào sợi quang thông qua các bộ ghép và rễ tia. Các xung phản xạ được bộ rẽ tia đưa đến bộ tách sóng quang để đổi ra xung điện. Biên độ xung phản xạ rất nhỏ nên cần được khuếch đại trước khi đưa qua bộ xử lý để hạn chế nhiễu, lấy giá trị tủng bình rồi cho hiển thị lên nàm hình.
Hình 4.1. Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR.
Sự biến thiên công suất tán xạ ngược và phản xạ thể hiện sự phân bố suy hao trên sợi quang. Thời gian trễ từ dấu hiệu phản xạ ở đầu sợi đến dấu hiệu phản xạ ở cuối sợi thể hiện thời gian truyền của ánh sáng từ đầu sợi đến cuối sợi (theo hai chiều) nêncó thể suy ra được chiều dài của sợi.
Tương tự như vậy có thể tính được cự ly từ đầu sợi đến điểm có suy hao bất thường.
Nếu tín hiệu tán xạ ngược được khuếch đại tuyến tính thì đường biểu diễn trên màn hình là đường cong giảm dần theo quy luật hàm số mũ (hình 4.2a). Nếu dùng bộ khuếch đại logarit thì đường biểu diễn trên màn hình là đường thẳng có hệ số góc âm (hình 4.2.b). Đường biểu diễn trên đã được bộ xử lý hạn chế nhiễu và lấy giá trị trung bình, nếu không thì hình ảnh rất mờ.
a : khuếch đại tuyến tính b: khuếch đại logarit Hình 4.2. Công suất phản xạ của một sợi đồng nhất.
Nếu trên sợi có nhiều đoạn có độ suy hao khác nhau thì đường thể hiện là đường gãy gồm có nhiều đoạn có độ dốc khác nhau. Những chố có phản xạ thì được thể hiện bằng các xung nhọn, vì công suất phản xạ lớn hơn công suất tán xạ ngược với cùng mức công suất tới (hình 4.3).
Hình 4.3. Sự biến thiên của công suất phản xạ qua các chướng ngại khác nhau.
*Nguồn quang :
Khi xung kích thích hẹp hơn xung tán xạ ngược thì công suất của tín hiệu tán xạ ngược phát ra từ 40 ÷ 50 dB (theo tính toán), thấp hơn công suất của xung kích thích. Điều đó có nghĩa rằng chỉ các nguồn quang có khả năng tạo ra các xung ngắn và công suất lớn mới sử dụng được. Do đó, cần thiết phải sử dụng nguồn phát laser. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phải có một giới hạn cho công suóât cực đại mới có thể đưa vào sợi, có bức xạ phi tuyến. và như vậy cần tính được ngưỡng phi tuyến đó. Trong trường hợp sợi đa mode, người ta thường phải sử dụng các nguồn laser xung công suất cao hơn Galas/GaAs ở vựng bước súng 0,8 ữ 0,9 àkm cú thể ghộp nối một công suất quang khoảng 30dB.
Ở vựng bước súng lớn hơn (1,3 ữ 1,6àm) thường sử dụng cho cỏc loại sợi đơn mode, nên không thể sử dụng ác Laser với các đặc điểm trên.
Khi đó, người ta sử dụng các nguồn Laser có liên kết bốn như InGaAs P/InP với công suất ghép nối cực đại khoảng vài dB.
Trong trường hợp thăm dò liên tục, yêu cầu phải có một nguồn liên tục phù hợp với bộ dao động nội bộ, và các bộ dao động đó phải thuận tiện cho việc sửdụng như là nguồn kích thích. Từ đó một chùm ánh sáng phát được sử dụng như là một chùm mẫu.
*Bộ rẽ tia (bộ phận hướng) :
Các bộ conpler. Có nhiệm vụ trộn hoặc tách tín hiệu quang theo yêu cầu. Ở đây là loại conpler hai hướng. Bộ rẽ tia này là một bộ phận rất quan trọng trong thiết bị OTDR vì nó thực hiện hai chức năng chính.
-Tạo ra một tổn hao thấp và ghép nối một cách có hiệu quả từ nguồn quang tới sợi và từ sợi đến bộ tách sóng quang.
-Thực hiện cách ly bộ thu với tín hiệu lớn phản xạ từ cuối đầu vào của sợi.
Trong thực tế, tín hiệu phản xạ này lớn, vào khoảng 25 ÷ 30 dB trên mức tín hiệu tán xạ ngược, sẽ nạp rất mạnh cho phần điện của bộ thu và làm sai phép đo của phần tiếp theo của dạng sóng.
*Bộ tách sóng quang, thu và khuếch đại :
Nếu chú ý đến mức tháp của tín hiệu tán xạ ngược thì yêu cầu cơ bản của bộ tách sóng quang sử dụng trong thiết bị OTDR là nó phải có độ nhạy cao và nhiễu thấp. Hơn nữa, nó cần phải có độ tuyến tĩnh cao. Mặt khác, chúng phải có dải thông rộng để nhận xung thăm dò một cách chính xác khi yêu cầu.
Đối với vựng bước súng ngắn (0,85àm) người ta sử dụng bộ tỏch súng quang Silicon APDs. Đối với vựng bước súng 1,3 ữ 1,6àm, khụng cú bộ tách sóng nào tốt hơn bộ tách sóng trên. Các photodiode Ge có thể chịu được dòng điện cao và đòi hỏi cần phải làm lạnh để cải thiện chế độ công tác.
Trong hệ thống tách sóng trực tiếp, sự khuếch đại được thực hiện bằng các bộ khuếch đại Transimpledance, nó có các đặc tính chống nhiễu và dải thông hẹp.
*Bộ xử lý tín hiệu :
Bộ xử lý tín hiệu thực hiện nhiều chức năng như : -Đồng bộ giữa xung phát và xung thu
-Phối hợp các tín hiệu và lấy trung bình.
-Tự động điều chỉnh và tính toán các thông sốđo.
-Phân tích dạng sóng.
-Đưa ra các đặc tính hoặc tạo ra các tín hiệu chuyển mạch.
-Biến đổi thành các dạng khác nhau, phụ thuộc vào kỹ thuật sử dụng thựctế.
*Màn hình :
Màn hình là một CRT hiển thị biểu đồ dạng sóng đo được ,bao gồm các đặc điểm chủ yếu mà có thể nhận được từ thiết bị đo tán xạ ngược (trong cùng một loại sợi) như sau :
-Phản xạ cuối đầu vào sợi.
-Suy hao sợi.
-Biểu diễn phản xạ ở mối hàn.
-Biểu diễn phản xạ ở connector.
-Biểu diễn phản xạ ở chỗ đứt sợi (cuối đầu ra của sợi).