Nguyên lý hoạt động và sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR

I/ Thiết bị OTDR:

1. Nguyên lý hoạt động và sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR

Máy phóng các xung ánh sáng và sợi cần đo. Trên đ−ờng truyền các xung ánh sáng gặp những ch−ớng ngại khác nhau nh− những chỗ không đồng nhất của sợi, mối hàn, khớp nối, vết nứt của sợi,... do đó sẽ có một phần năng l−ợng ánh sáng dội về d−ới hình thức phản xạ hay tán xạ ng−ợc. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào tính chất của những chỗ không đồng nhất trên sợi.

Năng l−ợng ánh sáng phản xạ đ−ợc thu nhận, chuyển đổi thành tín hiệu điện, khuyếch đại và cho hiển thị lên màn hình. Trục tung chia thành 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: L = 1. .

2 v t (1.1)

v =

1

c

n : Vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi. Thừa số 1

2xuất hiện trong (1.1)do xung ánh sáng truyền trong sợi theo 2 chiều. Sơ đồ khối tổng quát của một máy đo OTDR nh− trên hình 1.1.

D−ới sự kích thích của các xung điện từ mạch tạo xung, LASER phát xung ánh sáng vào sợi quang thông qua các bộ ghép và rẽ tia. Các xung phản xạ đ−ợc bộ rẽ tia đ−a đến bộ tách sóng quang để đổi ra xung điện. Biên độ xung phản xạ rất nhỏ nên cần đ−ợc khuyếch đại tr−ớc khi đ−a qua bộ xử lý để hạn chế nhiễu, lấy giá trị trung bình rồi cho hiển thị lên màn hình.

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR

Sự biến thiên công suất tán xạ ng−ợc 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) nên có thể suy ra đ−ợc chiều dài của sợi. T−ơng tự nh− vậy có thể tính đ−ợc cự ly tù đầu sợi đến điểm có suy hao bất th−ờng.

Nếu tín hiệu tán xạ ng−ợc đ−ợc khuyếch đại tuyến tính thì đ−ờng biểu diễn trên màn hình là đ−ờng cong giảm dần theo quy luật hàm số mũ (hình 1.2a). Nếu dùng bộ khuyếch đại logarit thì đ−ờng biểu diễn trên màn hình là đ−ờng thẳng có hệ số góc âm (hình 1.2b) Đ−ờng biểu diễn trên đe đ−ợc bộ xử lý hạn chế nhiễu và lấy giá trị trung bình, nếu không thì hình ảnh rất mờ.

a. Khuyếch đại tuyến tính b. Khuyếch đại logarit

Hình 1.2. Công suất phản xạ của một sợi đồng nhất

Nếu trên sợi có nhiều đoạn có độ suy hao khác nhau thì đ−ờng thể hiện là đ−ờng gey gồm có nhiều đoạn có độ dốc khác nhau. Những chỗ có phản xạ thì đ−ợc thể hiện bằng các xung nhọn vì công suất phản xạ lớn hơn công suất tán xạ ng−ợc với cùng mức công suất tới (hình 1.3)

Hình 1.3: Sự biến thiên của công suất phản xạ qua các ch−ớng ngại khác nhau

- Nguồn quang (Optical Source)

Khi xung kích thích hẹp hơn xung tán xạ ng−ợc thì công suất của tín hiệu tán xạ ng−ợc phát ra từ 40 ữ 50dB (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 đ−ợc, do đó cần thiết phải sử dụng nguồn phát Laser. Tuy nhiên, cần l−u ý rằng phải có một giới hạn cho công suất cực đại mới có thể đ−a vào sợi, có bức xạ phi tuyến, và nh− vậy, cần tính đ−ợc ng−ỡng phi tuyến đó. Trong tr−ờng hợp sợi đa mode, ng−ời ta th−ờng phải sử dụng các nguồn Laser xung công suất cao hơn Galas/GaAs ở vùng b−ớc sóng 0,8ữ0,9àm có thể ghép nối một công suất quang khoảng 30dB.

- Bộ rẽ tia (Bộ phân h−ớng - Directional Coupler)

Các bộ coupler có nhiệm vụ trộn hoặc tách tín hiệu quang theo yêu cầu. ở đây là loại coupler hai h−ớng. 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 ữ 30dB trên mức tín hiệu tán xạ ng−ợc, 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 khuyếch đại (Photodetetor and Receive):

Nếu chú ý đến mức thấp của tín hiệu tán xạ ng−ợc 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 tính cao. Mặt khác, chúng phải có dải thông rộng để nhận xung thăm dò một cách chính xác khi yêu cầu có độ phân giải cực đại.

silicon APDs. Đối với vùng b−ớc sóng 1,3 ữ 1,6 àm, không có bộ tách sóng nào tốt hơn bộ tách sóng trên. Các photodiode Ge có thể chịu đ−ợc 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 khuyếch đại đ−ợc thực hiện bằng các bộ khuyếch đại transimpedance, nó có các đặc tính chống nhiễu tốt và dải thông hẹp.

- Bộ xử lý tín hiệu (Signal Processor)

Bộ xử lý tín hiệu thực hiện nhiều chức năng khác nhau nh−: - Đồng bộ giữa phát xung và thu xung

- Phối hợp các tín hiệu và lấy trung bình

- Tự động điều chỉnh và tính toán các thông số đo - Phân tích dạng sóng

- Đ−a 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 thực tế

- Màn hình (Display)

Màn hình là một CRT hiển thị biểu đồ dạng sóng đo đ−ợc, bao gồm các đặc điểm chủ yếu mà có thể nhận đ−ợc từ thiết bị đo tán xạ ng−ợc (trong cùng một loại sợi), nh− sau:

- Phản xạ cuối đầu vào sợi - Suy hao sợi

- Biểu diễn phản xạ ở mối hàn - Biển diễn phản xạ ở connector

- Biểu diễn phản xạ ở chỗ đứt sợi (cuối đầu ra của sợi) 2. Các thông số chính

a. Tần số phát xung

Để có đ−ờng biểu diễn chính xác ng−ời ta cho phóng nhiều xung rồi lấy giá trị trung bình của các xung phản xạ. Tần số phát xung có liên quan đến tốc độ truyền của ánh sáng trong sợi và chiều dài sợi

Thời gian để một xung ánh sáng truyền từ đầu sợi đến cuối sợi rồi phản xạ về đầu sợi là: 1 2L 2 n t L v C = = (1.2)

Với: L : là chiều dài sợi

1

c v

n

= : Vận tốc ánh sáng truyền trong sợi

Thời gian trên cũng chính là chu kỳ tối thiểu của chuỗi xung nên tần số tối đa của chuỗi xung là:

max 1 1 2. . C f t L n = = (1.3)

Muối sợi đo càng dài thì tần số phát xung phải càng thấp. Thông th−ờng tần số phát xung trong khoảng thấp hơn 1kHz

Trong tr−ờng hợp này, khoảng cách tối đa Lmax có thể đo đ−ợc bằng:

8 5 max 3 max 1 3.10 10 ( ) 100 2 . 2.1, 5.1.10 C L m Km n f = = = = b. Độ phân giải:

Khoảng cách tối thiểu của hai ch−ớng ngại gần nhau mà máy đo còn phân biệt đ−ợc cho biết khả năng phân giải của máy. Độ phân giải phụ thuộc bề rộng của xung ánh sáng. Thời gian để truyền hết một xung ánh sáng qua một điểm trên sợi cũng chính là bề rộng của xung. Cự ly truyền t−ơng ứng với thời gian truyền này là:

min 1 . . 2 l = vτ (1.4) Trong đó: - Thừa số: 1

2 do ánh sáng truyền theo hai chiều -

1

c v

n

= : Vận tốc ánh sáng truyền trong sợi - τ: bề rộng xung

Nói chung bề rộng xung τ càng rông thì lmin càng lớn tức là độ phân giải càng kém và ng−ợc lại. Bề rộng xung của các máy trên thực tế có thể điều chỉnh đ−ợc từ vài chục ns đến vài às t−ơng ứng với lmin = 5mữ100m.

Khi đo cự ly gần thì dùng T nhỏ để tăng độ phân giải còn khi đo cự ly xa thì dùng T lớn để tăng dải rộng.

c. Dải rộng:

Cự ly tối đa mà máy OTDR có thể đo đ−ợc phụ thuộc vào dải động của máy và độ suy hao trung bình của sợi quang. Để xác định dải động của máy cần phân tích sự phân bố công suất quang do máy phát ra (hình 1.4)

Dải động đơn h−ớng (SWDR: Single Way Dynamic Range) của một máy OTDR là mức suy hao lớn nhất của sợi quang mà khi đo có thể quan sát đ−ợc từ đầu đến cuối sợi. Dải rộng đơn h−ớng, gọi tắt là dải động, đ−ợc tính bởi:

[ ]

1

( ) 2 P D

SWDR= P −P − L+R +SNI (1.5) - Pp: công suất của laser

- PD: mức nhiễu của linh kiện tách sóng quang

- R: tỉ số công suất tán xạ ng−ợc so với công suất tới - SNI: (Signal to noise improvement): độ cải thiện nhiễu

Hình 1.4. Sơ đồ phân bố công suất quang của một máy OTDR

Dải động của các máy OTDR hiện nay vào khoảng 20dB đến 35dB. Chiều dài sợi tối đa có thể đo đ−ợc là:

[ ] max SWDR L Km α = (1.6) - SWDR: dải động đơn h−ớng, dB

- α: độ suy hao trung bình (kể cả suy hao mối hàn), đơn vị dB/Km

Dải động và độ phân giải của một máy OTDR có liên quan với nhau thông qua độ rông xung T, xung càng rộng thì năng l−ợng quang phóng vào sợi càng lớn nên dải động càng cao nh−ng độ phân giải càng kém và ng−ợc lại.

3. Các ứng dụng của máy đo quang dội OTDR

a. Đo suy hao toàn tuyến.

Dựa vào độ chênh lệch của công suất tán xạ ng−ợc ở đầu và cuối sợi (hình 1.5) để tính ra suy hao toàn tuyến theo công thức:

1 2 ( ) 1 ( ) .10.log 2 ( ) P mW A dB P mW = (1.7)

Trong đó: P1(mW): Công suất tán xạ ng−ợc thu đ−ợc ở đầu sợi P2(mW): Công suất tán xạ ng−ợc thu đ−ợc ở cuối sợi

Các máy đo ngày nay th−ờng chia trục tung theo đơn vị dBm và có khi đe tính sẵn các hệ số 1/2 trên thang chia nên việc tính suy hao đơn giản hơn:

1 2

( ) ( ) ( )

A dB =P dBm −P dBm (1.8)

Từ đó có thể tính đ−ợc suy hao trung bình: ( ) ( / ) ( ) A dB dB km L km α = (1.9)

Việc tính toán này máy đo có thể thực hiện tự động. Ng−ời sử dụng chỉ cần dời con trỏ (cursor) đến điểm đầu sợi và cuối sợi rồi đánh dấu. Máy đo sẽ cho ra độ suy hao toàn tuyến, chiều dài tuyến và suy hao trung bình. Sự phân bố suy hao cũng đ−ợc chỉ thị rõ trên màn hình. Máy đo cũng có khả năng in ra giấy đồ thị phân bố suy hao trên tuyến.

b. Đo chiều dài sợi:

Dựa trên khoảng cách giữa dấu hiệu phản xạ ở đầu sợi và cuối sợi có thể tính đ−ợc chiều dài của sợi quang (hình 1.5).

Cần l−u ý rằng cự ly L đ−ợc chia theo thời gian truyền của xung trên quan hệ

1 1 1 . . . . 2 2 c L v t t n = = (1.10)

Hình 1.5: Đồ thị phân bố suy hao trên tuyến

Nên cần phải đặt chiết suất trong máy đo phù hợp với chiết suất lõi sợi đang đo thì kết quả đo mới chính xác.

c. Xác định chỗ sợi bị đứt.

Dựa trên nguyên tắc đo chiều dài sợi có thể xác định đ−ợc cự ly từ đầu sợi đến điểm có dấu hiệu phản xạ (do sợi bị đứt). Cần l−u ý rằng sợi quang dài hơn chiều dài của tuyến vì sợi đ−ợc xoắn trong ruột cáp và cáp có thể uốn l−ợn d−ới trong renh hoặc trong cống. Ngoài ra ở mỗi mối nối của cáp đều có một đoạn sợi quang dự phòng trong hộp bảo vệ mối nối và trong hầm chứa hộp bảo vệ.

Thông th−ờng sợi quang dài hơn cáp từ 1% đến 3% và cáp dài hơn tuyến từ 1% đến 2%.

Có thể xác định vị trí sợi bị đứt chính xác hơn bằng cách đo hai phía từ hai trạm liên tiếp (hoặc đầu cuối)để xác định vị trí đứt so với mối hàn gần đó nhất (H1.6)

a. Đo từ trạm A b. Đo từ trạm B

Gọi DA: Khoảng cách từ mối nối n đến điểm đứt do OTDR đặt ở trạm A chỉ thị DB: Khoảng cách từ mối nối n + 1 đến điểm đứt do OTDR đặt ở trạm B chỉ thị. D: Khoảng cách thực tế giữa hai mối nối trên tuyến.

Khoảng cách thực tế trên tuyến từ mối nối thứ n đến điểm đứt đ−ợc tính bởi: . A n A B D D D D D = + (1.11)

T−ơng tự, khoảng cách từ mối nối thứ n + 1 đến điểm đứt là:

1 B . n A B D D D D D + = + (1.12)

Cũng có thể xác định vị trí đứt sợi bằng cách so sánh cự ly chỉ thị trên OTDR với một đoạn sợi đe biết tr−ớc chiều dài.

d. Đo suy hao của mối hàn và khớp nối:

Suy hao của mối hàn và khớp nối đ−ợc xác định bởi độ chênh lệch công suất tán xạ ng−ợc ở tr−ớc và sau điểm nối. (Hình 1.7)

a. Suy hao của mối hàn b. Suy hao của khớp nối

Hình 1.7. Suy hao của mối hàn và khớp nối

Khi truyền qua mối hàn nóng chảy ánh sáng hầu nh− không có phản xạ nên đ−ờng biểu diễn trên máy đo chỉ thay đổi độ dốc (hình 1.7a), còn khi truyền qua khớp nối ánh sáng th−ờng bị phản xạ nên sẽ thấy xung phản xạ trên màn hình (hình 1.7b). Các khớp nối có dùng chất lỏng để phối hợp chiết suất ở giữa sẽ không thấy dấu hiệu phản xạ.

Khi đo suy hao của mối hàn theo một chiều có thể gặp tr−ờng hợp đ−ờng biểu diễn trên màn hình không thay đổi độ cao, thậm chí còn tăng lên nh− tín hiệu quang bị khuếch đại (!). Hiện t−ợng này xảy ra do hai sợi nối với nhau có thông số khác nhau (về kích th−ớc, chiết suất, hệ số tán xạ ng−ợc). Nếu đo theo chiều ng−ợc lại sẽ thấy suy hao của những mối hàn đó lớn hơn trung bình. Do đó khi đo suy hao của mối hàn ng−ời ta đo theo hai chiều rồi tính suy hao trung bình (hình 1.8).

Hình 1.8. Suy hao của mối hàn đo theo hai chiều

a. Suy hao theo hai chiều đều d−ơng

b. A1 < 0 giống nh− tín hiệu quang đ−ợc khuếch đại

Suy hao của mối hàn đ−ợc tính bởi:

1 2

2

A A

A +

= (1.13)

Trong quá trình lắp đặt, suy hao của các mối hàn đ−ợc đ−ợc đo cẩn thận ngay sau khi hàn nối. Những mối hàn có suy hao lớn đều phải cắt bỏ rồi hàn lại. Có thể dùng một máy OTDR đặt ở một đầu mà đo suy hao các mối hàn theo hai chiều nh− trên hình 1.9.

Để thực hiện ph−ơng pháp này nhóm đo thử phải dịch chuyển máy đo theo tuyến cách nhóm hàn nối một đoạn bằng chiều dài đoạn cáp.

Thứ tự mối hàn thay đổi khi đo theo hai chiều khác nhau (Hình 1.9)

Hình 1.9. Dùng một OTDR để đo suy hao của mối hàn theo hai chiều

e. Xác định thứ tự mối hàn:

Hình 1.10. Kiểm tra thứ tự mối hàn bằng OTDR

Dùng máy OTDR nối với một đầu sợi, đầu còn lại của sợi đ−ợc ngâm vào chất lỏng có chiết suất t−ơng đ−ơng chiết suất lõi sợi. Nếu ngâm đúng sợi nối với OTDR thì dấu hiệu phản xạ ở cuối sợi trên màn hình biến mất (Hình 1.10)

Cũng có thể dùng nguồn quang và máy đo công suất quang để kiểm tra thứ tự mối hàn. Không thể xác định đ−ợc vị trí đe hàn nhầm khi đo qua nhiều mối hàn.

II. Đánh giá sai số đo l−ờng

Đo l−ờng là ph−ơng pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu đ−ợc những tin tức về đặc tính số l−ợng của một đối t−ợng hay một quá trình cần nghiên cứu. Nó đ−ợc thực hiện bằng cách so sánh một đại l−ợng cần đo với đại l−ợng đe chọn dùng