Máy phĩng các xung ánh sáng vào sợi cần đo. Trên đƣờng truyền các xung ánh sáng gặp những chƣớng ngại vật khác nhau nhƣ những chỗ khơng đồng nhất của sợi, mối hàn khớp nối, vết nứt của sợi,… do đĩ sẽ cĩ một phần năng lƣợng ánh sáng dội về dƣới hình thức phản xạ hay tán xạ ngƣợc. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào tính chất của những chỗ khơng đồng nhất trên sợi.
Năng lƣợng ánh sáng phản xạ đƣợc thu nhận, chuyển đổi thành tín hiệu điện, khuyếch đại và cho hiển thị lên màn hình. Trục tung chia theo mức cơng suất phản xạ cịn trục hồnh chia theo chiều dài sợi thơng qua thời gian trễ từ lúc phĩng xung đến lúc nhận xung.
Mối quan hệ giữa chiều dài sợi L và thời gian trễ t là: L v t 2 1 (3.1) 1 n c
v : vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi. Thừa số
2 1
xuất hiện trong ( 3.1) do xung ánh sáng truyền trong sợi theo hai chiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Dƣới sự kích thích của các xung điện từ mạch tạo xung, LASER phát xung ánh sáng vào sợi quang thơng qua các bộ ghép và rẽ tia. Các xung phản xạ đƣợc bộ rẽ tia đƣa đến bộ tách sĩng quang để đổi ra xung điện. Biên độ xung phản xạ rất nhỏ nên cần đƣợc khuyếch đại trƣớc khi đƣa qua bộ xử lý để hạn chế nhiễu, lấy giá trị trung bình rồi cho hiển thị lên màn hình.
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR
Sự biến thiên cơng suất tán xạ ngƣợc 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 cĩ thể suy ra đƣợc chiều dài của sợi. Tƣơng tự nhƣ vậy cĩ thể tính đƣợc cự ly từ đầu sợi đến điểm cĩ suy hao bất thƣờng.
Nếu tín hiệu tán xạ ngƣợc đƣợc khuếch đại tuyến tính thì đƣờng biểu diễn trên màn hình là đƣờng cong giảm dần theo quy luật hàm số mũ (hình 3.2a). Nếu dùng bộ khuếch đại logarit thì đƣờng biểu diễn trên màn hình là đƣờng thẳng cĩ hệ số gĩc âm (hình 3.2b). Đƣờng biểu diễn trên đã đƣợc bộ xử lý hạn chế nhiễu và lấy giá trị trung bình, nếu khơng thì hình ảnh rất mờ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Hình 3.2. Cơng suất phản xạ của một sợi đồng nhất
Nếu trên sợi cĩ nhiều đoạn cĩ độ suy hao khác nhau thì đƣờng thể hiện là đƣờng gãy gồm cĩ nhiều đoạn cĩ độ dốc khác nhau. Những chỗ cĩ phản xạ thì đƣợc thể hiện bằng các xung nhọn vì cơng suất phản xạ lớn hơn cơng suất tán xạ ngƣợc với cùng mức cơng suất tới (Hình 3.3)
Hình 3.3 Sự biến thiên của cơng suất phản xạ qua các chướng ngại vật khác nhau
- Nguồn quang (Optical Source ):
Khi xung kích thích hẹp hơn xung tán xạ ngƣợc thì cơng suất của tín hiệu tán xạ ngƣợc phát ra từ 40 50dB(theo tính tốn), thấp hơn cơng suất của xung kích thích. Điều đĩ cĩ nghĩa rằng chỉ các nguồn quang cĩ khả năng tạo ra các xung ngắn và cơng suất lớn mới sử dụng đƣợc, do đĩ cần thiết phải sử dụng nguồn phát Laser. Tuy nhiên cần lƣu ý rằng phải cĩ một giới hạn cho cơng suất cực đại mới cĩ thể đƣa vào sợi, cĩ bức xạ phi tuyến, và nhƣ vậy cần tính đƣợc ngƣỡng phi tuyến đĩ. Trong trƣờng hợp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ sợi đa mode, ngƣời ta thƣờng phải sử dụng các nguồn Laser xung cơng suất cao hơn Galas/GaAs ở vùng bƣớc sĩng 0,8 – 8,9 μm cĩ thể ghép nối một cơng suất quang khoảng 30dB.
Ở vùng bƣớc sĩng lớn hơn (1.3 1.6 m) thƣờng sử dụng cho các loại sợi đơn mode, nên khơng thể sử dụng các laser với các đặc điểm trên. Khi đĩ ngƣời ta sử dụng các nguồn laser cĩ liên kết bốn nhƣ InGaAsP/InP vĩi cơng suất ghép nối cực đại khoảng vài dB. Cĩ thể sử dụng laser phi bán dẫn cơng suất cao hơn nhƣ: Q - Switched Nd: YAG ở bƣớc sĩng 1,32 m, Q - Switched Er +: Glass ở bƣớc sĩng 1,55 m. Ngƣời ta cũng cĩ thể sử dụng Laser Nd: YAG ở bƣớc sĩng 1,32 m với đầu phát ở 1,59 m cho loại sợi Raman cĩ Laser đặt trong P2O5 đƣợc kích thích bằng sợi silica. Khi sử dụng các xung quang cơng suất cao từ nguồn Laser Nd: YAG phát ở bƣớc sĩng 1,06 m phải phát trong sợi GeO2silica nhờ hiệu ứng kích thích Raman, bao gồm phổ từ 1,1 ÷ 1,7 m. Mặt khác một nguồn Laser Nd: YAG phát vào sợi GeO2silica cĩ thể sử dụng để cung cấp các xung cơng suất cao trong dải phổ gần nhƣ liên tục và trong dải bƣớc sĩng đã kể trên, nhƣ vậy phù hợp với đặc điểm của phổ đơn mode.
Trong trƣờng hợp thăm dị liên tục yêu cầu phải cĩ một nguồn liên tục phù hợp với bộ dao động nội bộ, và các bộ dao động đĩ phải thuận tiện cho việc sử dụng nhƣ là nguồn kích thích. Từ đĩ một chùm ánh sáng phát đƣợc sử dụng nhƣ là chùm mẫu.
- Bộ rẽ tia ( Bộ phân hƣớng – Directional Coupler ):
Các bộ coupler cĩ nhiệm vụ trộn hoặc tách tín hiệu quang theo yêu cầu. Ở đây là loại coupler hai hƣớng. Bộ rẽ tia này là bộ phận rất quan trọng trong thiết bị OTDR, vì nĩ thực hiện hai chức năng chính:
Tạo ra một tổn hao thấp và ghép nối một cách cĩ hiệu quả từ nguồn quang tới sợi và từ sợi đến bộ tách sĩng 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 30dBtrên mức tín hiệu tán xạ ngƣợc, sẽ nạp rất mạnh cho phần điện của bộ thu và làm sai phép đo của phần tiếp theo của dạng sĩng.
- Bộ tách sĩng quang, thu và khuếch đại (Photodetector and Receive):
Nếu chú ý đến mức thấp của tín hiệu tán xạ ngƣợc thì yêu cầu cơ bản của bộ tách sĩng quang sử dụng trong thiết bị OTDR là nĩ phải cĩ độ nhạy cao và nhiễu thấp, hơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ nữa, nĩ cần cĩ độ tuyến tính cao. Mặt khác, chúng phải cĩ dải thơng rộng để nhận xung thăm dị một cách chính xác khi yêu cầu cĩ độ phân giải cực đại.
Đối với vùng bƣớc sĩng ngắn (0,85 m) ngƣời ta sử dụng bộ tách sĩng quang silicon APDs. Đối với với vùng bƣớc sĩng 1,3 ÷ 1,6 m, khơng cĩ bộ tách sĩng nào tốt hơn bộ tách sĩng trên. Các photodiode Ge cĩ thể chịu đƣợc dịng điện cao và địi hỏi cần phải làm lạnh để cải thiện chế độ cơng tác.
Trong hệ thống tách sĩng trực tiếp, sự khuếch đại đƣợc thực hiện bằng các bộ khuếch đại transimpedance, nĩ cĩ các đặc tính chống nhiễu tốt và dải thơng hẹp.
Một điểm cần lƣu ý là bộ lọc, theo nhƣ các phân tích nêu trên, nếu chúng ta gọi: - p(t) là đáp ứng xung của sợi.
- r(t) là đáp ứng xung của hệ thống đo. - f(t) là đáp ứng xung của bộ lọc thu.
- s(t) là đáp ứng cuối cùng của tồn bộ hệ thống sau bộ lọc - x(t) là xung kích thích.
Khi đĩ, sẽ cĩ kết quả:
s(t) = r(t) * f(t) = k[ x(t)* p (t)]*f(t) = k[x(t) * f(t) * p(t) Trong đĩ: *: biểu diễn tích chập.
k: hệ số tỉ lệ của các đáp ứng tách sĩng.
Để xác định p(t) tốt nhất, tích chập giữa x(t) và p(t) là xung. Trong nhiều trƣờng hợp, để đơn giản hĩa, thơng thƣờng bộ lọc thu cĩ đáp ứng trùng với xung thăm dị. Khi đĩ, ta sẽ cĩ đáp ứng cuối cùng của tồn bộ hệ thống sau bộ lọc nhƣ sau:
s(t) = k[x(t) x(t)] * p(t)
Ở đây dấu ký hiệu cho phép quan hệ và biểu thức tự nĩ trở thành tƣơng quan với xung thăm dị. Kết quả này rấy quan trọng bởi nĩ chỉ ra rằng khơng cần phải cĩ một tín hiệu xung ngắn mà chỉ cần cĩ các xung giống đáp ứng xung là đủ. Đĩ là cơ sở của các thiết bị OTDR
- Bộ xử lý tín hiệu thực hiện (Signal Processor): Bộ xử lý tín hiệu thực hiện nhiều chức năng khác nhau nhƣ:
Đồng bộ giữa phát xung và thu xung Phối hợp các tín hiệu và lấy trung bình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Tự động diều chỉnh và tính tốn các thơng số đo
Phân tích dạng sĩng
Đƣa ra các đặc tính hoặc 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 sĩng đo đƣợc, bao gồm các đặc điểm chủ yếu mà cĩ thể nhận đƣợc từ thiết bị đo tán xạ ngƣợc (trong cùng một loại sợi) nhƣ 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)