Capacidade de transmissão
Um cabo de fibra ótica transporta muito mais dados do que um condutor de cobre de dimensão comparável.
A TECNOLOGIA SUBJACENTE À FOTAS
OPTICS · ELECTRONICS · COMPUTER SCIENCEA FOTAS é um sensor acústico distribuído por fibra ótica. Para compreender este sistema, é necessário compreender as tecnologias em que se baseia.
EXPLORE THE TECHNOLOGY GUIDE
DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSING PLATFORM
FOTAS: soluções avançadas de Deteção Acústica Distribuída
A tecnologia de Deteção Acústica Distribuída (DAS) utiliza cabos de fibra ótica como sensores para detetar sinais acústicos. A FOTAS combina esta tecnologia com lasers, engenharia de fibra ótica e inteligência artificial.
A inteligência artificial ajuda a analisar e interpretar as grandes quantidades de dados recolhidas pelo DAS. Isto torna o sistema eficaz em áreas como a segurança e a monitorização de infraestruturas.
As secções seguintes explicam o funcionamento da tecnologia, começando pela própria fibra ótica e prosseguindo pelos lasers, pela deteção acústica distribuída e pela reflectometria ótica no domínio do tempo.
THE SENSING MEDIUM
Fibra ótica
A fibra ótica é um subdomínio da ótica. Enquanto a ótica estuda a luz em geral, a fibra ótica ocupa-se apenas dos fenómenos óticos no interior de fibras de vidro. «Fibra» significa filamento, pelo que a fibra ótica diz respeito aos filamentos de vidro que permitem a passagem da luz.
Atualmente, a maioria das infraestruturas de telecomunicações baseia-se em cabos de fibra ótica. Estes são os sucessores dos cabos elétricos de cobre — mas, se os cabos elétricos já existiam, por que razão se utilizam cabos de fibra ótica?
Os antigos cabos normalizados de telecomunicações eram feitos de cobre ou de outros metais condutores. Estes cabos transportam eletrões de uma extremidade à outra e, com a ajuda de outros dispositivos, essa corrente transporta dados valiosos. As antigas linhas telefónicas e, posteriormente, as linhas de Internet foram construídas com este tipo de cabo.
À medida que o volume de dados transferidos aumentou, os cabos baseados em corrente começaram a revelar-se insuficientes. Em 1990, existiam cerca de 2,6 milhões de utilizadores da Internet; em 2016, esse número tinha atingido 3,406 mil milhões. Os cabos elétricos convencionais não conseguiam responder a esta procura e a fibra ótica ocupou o seu lugar.
WHY FIBER REPLACED COPPER
Cabo de fibra ótica vs. cabo de cobre
Os cabos de fibra ótica podem transmitir muito mais dados do que os cabos de cobre — a diferença é aproximadamente da ordem de 10 a 1000 vezes. A capacidade coloca a fibra ótica em vantagem, mas os benefícios não ficam por aqui.
Perda de dados
A transmissão ótica preserva a qualidade do sinal em distâncias muito superiores antes de ser necessária amplificação.
Velocidade de transferência
Os dados são transportados por fotões que percorrem o núcleo de vidro, e não por eletrões num condutor metálico.
Resistência a EMI
Os cabos leves e duradouros não são afetados por interferências eletromagnéticas ao longo de percursos exteriores.
O principal componente de um cabo de fibra ótica é a própria fibra ótica. As fibras óticas são feitas de vidro ou de materiais semelhantes e destinam-se a transportar luz — por isso, o material tem de ser transparente. A luz que percorre o cabo é gerada por dispositivos laser.
Para além da transparência, o material deve ser duradouro, flexível, económico e fácil de produzir. O vidro é surpreendentemente flexível com 9 micrómetros de diâmetro, e a humanidade conta com milhares de anos de experiência industrial e artesanal na sua utilização. Um bloco de vidro é estirado a partir de uma altura e trabalhado até ficar cada vez mais fino, até o núcleo atingir cerca de 9 micrómetros.
Um cabo de fibra ótica não é constituído apenas pelo núcleo de vidro. A luz que se propagasse através de um núcleo desprotegido dispersar-se-ia em direções aleatórias, pelo que são necessários um guia de ondas e camadas protetoras para chegar ao local de destino com perdas mínimas.
LIGHT PROPAGATION
Como se propagam os fotões no interior da fibra ótica
A luz percorre o interior do núcleo e reflete-se nas paredes da fibra durante a propagação. Os cabos de fibra ótica são concebidos de modo a impedir que os raios luminosos se propaguem para o exterior — ainda assim, alguns escapam. Este fenómeno designa-se perda ótica.
A lei física que faz a luz refletir-se e permanecer no interior do cabo é a Lei de Snell. Quando a luz permanece no interior do cabo sem perdas durante as reflexões, o fenómeno denomina-se Reflexão Interna Total.
Snell's Law
Governs refraction at the boundary between core and
cladding, redirecting light back into the core.
Total Internal Reflection
Keeps the light guided along the fiber over long distances
with minimum loss.
Optical Loss
The small portion of light that escapes or is absorbed as
the pulse propagates.
THE LIGHT SOURCE
Laser
A palavra laser é um acrónimo da expressão inglesa «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação). Os sistemas DAS e muitos outros sistemas dependem da tecnologia laser. O sistema FOTAS utiliza luz laser para obter dados de intrusão: a luz laser percorre o cabo de fibra ótica e dispersa-se no seu interior, sendo a luz dispersa recolhida pela unidade OTDR.
Um laser pode parecer uma fonte de luz comum, mas está longe de o ser. A luz laser é colimada, coerente e polarizada — três propriedades que tornam possíveis o Phase-OTDR e a FOTAS.
Luz colimada
Todos os raios laser são paralelos e unidirecionais. Deslocam-se na mesma direção sem se cruzarem, pelo que quase não se perde potência no percurso até ao local de destino.
Continua a existir divergência, mas é mínima em comparação com a de uma lâmpada ou de um LED — e é precisamente isso que torna possíveis longas distâncias de deteção.
Coerência e fase
Os fotões de um laser partilham a mesma fase, direção e polarização. «Fase» deriva da palavra grega que significa aparência, pelo que uma diferença de fase significa que uma onda se encontra adiantada ou atrasada em relação a outra.
A igualdade de fase concentra a energia — como se muitos golpes fracos de um martelo fossem combinados num único golpe eficaz. É a igualdade de fase que permite o funcionamento do Phase-OTDR e da FOTAS.
Polarização
A polarização significa que as oscilações de uma onda têm uma direção definida em relação à sua propagação. As ondas eletromagnéticas são ondas transversais cujos campos elétrico e magnético oscilam perpendicularmente à direção de propagação.
A direção de polarização é definida como paralela ao campo elétrico. Um exemplo comum são os óculos 3D, nos quais a rotação da cabeça altera o brilho percecionado.
Como funciona um laser
Os lasers funcionam com base na emissão estimulada. Os átomos têm níveis de energia quantificados para os seus eletrões — esses níveis assumem valores discretos. Os eletrões tendem a permanecer nos níveis inferiores, mas, quando absorvem energia, passam para níveis superiores.
Como os níveis de energia superiores não são energeticamente estáveis, os eletrões tendem a emitir essa energia adicional e a regressar a um nível inferior. Na maioria das vezes, isto acontece espontaneamente e designa-se emissão espontânea.
Num laser, esta emissão é controlada para que se torne estimulada. Quando um fotão é absorvido por um eletrão já excitado, o eletrão emite dois fotões idênticos. Esses fotões são absorvidos por outros eletrões, que emitem muitos mais — este é o princípio básico de funcionamento do laser.
TURNING FIBER INTO A SENSOR
Deteção Acústica Distribuída
A Deteção Acústica Distribuída (DAS) é uma tecnologia que deteta sinais acústicos. A força que se propaga através dos materiais provoca deslocamentos de pressão no meio que atravessa — ar, terra, água, entre outros. Estes fenómenos de deslocamento designam-se ondas acústicas, sendo as ondas sonoras o exemplo mais comum.
Os sensores pontuais detetam sinais apenas num local, como a ponta de uma agulha. Nos sensores distribuídos, pelo contrário, a estrutura de deteção é contínua. A FOTAS utiliza cabos de fibra ótica para deteção acústica distribuída: as ondas luminosas que se propagam no cabo são afetadas pelas ondas acústicas, e a luz afetada é detetada por dispositivos como os de Reflectometria Ótica no Domínio do Tempo (OTDR).
A deteção acústica distribuída refere-se a um sistema de produtos optoeletrónicos que efetuam controlo e medição em tempo real através de cabos de fibra ótica instalados ao longo dos limites visados.
A forma mais simples de compreender a tecnologia FOTAS é imaginar alguém a caminhar numa passadeira rolante. À medida que se desloca contra o sentido da passadeira, as ondas sonoras propagam-se em seu redor. Uma pessoa a determinada distância pode perceber, através da monitorização em tempo real, que alguém se encontra na passadeira — mesmo sem estar na mesma sala.
Ao longo deste processo, os sinais acústicos são medidos em todos os pontos do cabo de fibra. Ao contrário dos sensores que medem em pontos fixos predefinidos, o sistema DAS utiliza o próprio cabo como sensor. Por outras palavras, um sensor acústico distribuído transforma o cabo de fibra em microfones.
Sensores pontuais
A deteção ocorre apenas onde foi colocado um sensor físico.
- Um ponto de deteção por dispositivo
- Espaços não monitorizados entre sensores
- Mais dispositivos e ligações no terreno
- Visibilidade limitada ao longo de percursos extensos
Deteção distribuída FOTAS
A estrutura de deteção é contínua ao longo de todo o percurso de fibra instalado.
- Medição em todos os pontos do cabo
- O próprio cabo funciona como sensor
- Monitorização em tempo real ao longo do percurso
- Localização de eventos ao longo da fibra
MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION
Reflectometria Ótica no Domínio do Tempo
A Reflectometria Ótica no Domínio do Tempo é um método de medição utilizado para caracterizar muitas propriedades dos cabos de fibra ótica. É utilizada sobretudo para avaliar o estado do cabo e localizar problemas: se existir algum problema de transmissão na fibra, um OTDR consegue localizá-lo.
A utilização mais comum é a localização de ruturas. Os cabos de fibra ótica podem transportar dados ao longo de cerca de cem quilómetros antes de ser necessária amplificação, pelo que seria praticamente impossível inspecionar manualmente todos os pontos. É necessário um dispositivo que examine o cabo à distância — essa é a função do OTDR.
O que é um OTDR?
Um OTDR envia impulsos luminosos para a fibra e mede a amplitude da luz retrodispersa. Com base na diferença de tempo, calcula o comprimento da fibra; com base na perda de amplitude, determina as perdas gerais, os pontos de rutura e outros efeitos ao longo do cabo.
A amplitude da luz retrodispersa diminui sempre ao longo do percurso devido às impurezas e à interação entre a luz e as partículas no interior da fibra. A partir desta diminuição, o OTDR determina um coeficiente de perda — semelhante à resistência encontrada por uma corrente elétrica. Este princípio de funcionamento revela se a fibra está partida ou sujeita a qualquer outro efeito causador de perdas.
Quanto mais distante for o ponto de medição ao longo do cabo, mais fraca será a amplitude dispersa. O dispositivo regista também a diferença de tempo, permitindo identificar e diagnosticar a localização de um problema.
FIELD MEASUREMENT DEVICE
VIAVI MTS-2000 OTDR
Na parte superior da unidade existem duas portas de ligação: uma para cabos de fibra ótica multimodo e outra para cabos monomodo. Para obter medições válidas, o cabo tem de ser ligado à porta correta, pois cabos diferentes podem utilizar comprimentos de onda diferentes.
Depois de ligada a fibra, o OTDR envia um impulso laser para o cabo; o impulso propaga-se e é retrodisperso, e o dispositivo mede as características dessa luz retrodispersa.
O que pode detetar um OTDR
CONTINUE READING
Recursos e soluções tecnológicas
ENGINEERING SUPPORT
Fale connosco sobre o seu projeto de deteção por fibra ótica
Fale com a equipa de engenharia da FOTAS sobre a distância de deteção, a seleção dos cabos, a conceção do percurso, os requisitos de deteção e a arquitetura de integração.