Desenvolvimento do experimento - DBD PUC RIO · Podemos ainda observar que o sol possui uma energia...
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Desenvolvimento do experimento
4 Desenvolvimento do experimento
Este capítulo descreve as etapas percorridas após a análise da viabilidade
dos sistemas de comunicações ópticas no espaço livre através das referências
pertinentes com o objetivo de desenvolver e implementar um conjunto
experimental e comparativo destes sistemas em comprimentos de onda diferentes,
porém com características ópticas e mecânicas muito semelhantes com a
finalidade de caracterizar melhor apenas os efeitos típicos das atenuações que se
apresentam na transmissão de sinais ópticos na atmosfera. A proposta deste
trabalho é explorar as mais diversas possibilidades de configuração, emissão e
detecção dos sinais ópticos, principalmente explorando janelas de transmissão não
utilizadas comercialmente, como é o caso dos comprimentos de onda na faixa do
infravermelho distante, nos comprimentos de onda da janela de 10 mícrons e de
novas tecnologias dos dispositivos empregados e desenvolvidos em laboratório.
4.1. Projetando um Sistema FSO
O projeto de um sistema FSO inclui muitas áreas técnicas envolvidas para
otimizar o desempenho do enlace, não apenas a opto-eletrônica é necessária,
conhecimentos meteorológicos, de mecânica e materiais, entre outros são muito
importantes para o sucesso na implementação do produto final.
O projeto deve sempre contemplar um compromisso entre custo,
disponibilidade de materiais, peso, dimensões e principalmente confiabilidade.
Com a definição teórica de uma linha geral de configuração do enlace e seu local
de instalação, faz-se necessária uma análise estatística das condições
meteorológicas históricas da região e da viabilidade mecânica e civil da
instalação, e com essas informações pode-se dimensionar mais especificamente a
óptica do sistema, respeitando os limites mecânicos e de disponibilidade dos
materiais propostos. Definida esta parte, podemos projetar a parte eletro-óptica
adaptada para os transceptores.
Desenvolvimento do experimento 104
Com toda a configuração dos transceptores definida e as condições
meteorológicas típicas do local da instalação, utilizamos um software proprietário
para a simulação dos efeitos característicos que o enlace pode sofrer, como
desalinhamentos, truncamentos, difrações, aberrações e demais penalidades para
definir com mais precisão sua margem de operação e eficiência. Estes
procedimentos são apresentados a seguir e discutidos mais detalhadamente.
4.1.1. Definição dos Comprimentos de Onda
Assim que definimos o local de instalação do enlace óptico, precisamos
analisar as condições típicas meteorológicas da região e definir qual ou quais os
comprimentos de onda que se deseja trabalhar com o sistema e suas respectivas
fontes e receptores ópticos.
Como já é amplamente conhecido dos sistemas de transmissões ópticas à
fibra, existem as tradicionais janelas de transmissão entre os picos de absorção de
hidroxila ideais para a propagação do sinal óptico. Na atmosfera não é muito
diferente, dentro do espectro do infravermelho próximo, médio e distante também
existem janelas de transmissão que favorecem as condições de transmissão, como
observado na figura 42, onde se nota, é evidente, que uma janela dessas encontra-
se nos comprimentos de onda do visível e infravermelho próximo, e existe entre
outras, uma janela em torno do comprimento de onda de 10 mícrons, localizada no
infravermelho distante que também possui boas características de transmissão.
Figura 42 – Janelas de transmissão em função do comprimento de onda [32].
Desenvolvimento do experimento 105
Podemos ainda observar que o sol possui uma energia muito maior nos
comprimentos de onda do visível e vai decaindo seu valor à medida que os
comprimentos de onda aumentam. Desta forma, na luz do dia, quanto maior for o
comprimento de onda utilizado menor será a contribuição de energia do sol a ser
detectada no sistema de recepção, melhorando assim o nível de sinal-ruído do
sistema.
4.1.2. Dispositivos e Materiais Selecionados
Definido os comprimentos de onda a serem implementados em função das
condições atmosféricas de propagação, onde em nosso caso, usamos o
comprimento de onda de 780 nm (no infravermelho próximo, logo acima do
visível), o de 1550 nm (infravermelho médio mais utilizado comercialmente em
sistemas a fibra) e o comprimento de onda do infravermelho distante de 9,1 µm,
assim, podemos começar a descriminar os materiais e dispositivos existentes no
mercado para estas aplicações.
Para os comprimentos de onda do infravermelho próximo podemos utilizar
as lentes de BK7 (Borosilicato - 305 nm a 2 µm), muito comuns a venda e podem
ser adquiridas de muitos fabricantes. Como já foi discutido anteriormente, devido
ao comprimento dos enlaces, geralmente de mais de centenas de metros, a
qualidade dos componentes a serem utilizados é essencial para evitar desvios ou
aberrações fora da especificação do projeto. Para o infravermelho médio e distante
podemos utilizar lentes de Ge (Germânio) ou ZnSe (Seleneto de Zinco), também
comercialmente encontradas, mas na maioria dos casos sob encomenda e com
algumas restrições de tamanhos e profundidades focais. Em nosso projeto
utilizamos lentes de ZnSe, pois a utilização das lentes de Ge apesar de nos
remeterem a uma diminuição considerável do custo, possuem uma transmitância
menor nesta janela. Também não podem ser utilizadas no espectro do visível,
desta forma, acabam por dificultar os procedimentos de alinhamento, o qual terá
de ser feito apenas com o próprio comprimento de onda de 9 mícrons. A figura 43
apresenta os espectros de transmissão em função do comprimento de onda que
cada um dos materiais selecionados para as lentes que podemos trabalhar.
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(a)
(b)
(c)
Figura 43 – Espectro de transmissão em função do comprimento de onda das lentes
selecionadas: (a) Borosilicato, (b) Germânio e (c) Seleneto de Zinco [34].
A escolha dos dispositivos a serem utilizados nos canhões transmissores e
receptores também tem grande importância nesta etapa do projeto, pois
dependendo da área ativa de cada componente em relação ao diâmetro das lentes
utilizadas, poderemos não estar na melhor relação com suas profundidades focais
e desta forma haver truncamentos ou aberrações do feixe de luz emitido ou
recebido. Existe um compromisso entre esses efeitos. Embora seja o ideal, nem
sempre é viável tentar elimina-los totalmente do sistema óptico, assim quanto
maior a relação do diâmetro da lente comparada ao diâmetro da área ativa do
dispositivo, maior deve ser a distância focal da lente para minimizar as
aberrações. Porém, quanto maior a distância focal, maior a perda por truncamento
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levando-se em conta a abertura numérica do dispositivo e maior a possibilidade de
vibrações do sistema por cargas de ventos e oscilações da estrutura. No software
de simulação que desenvolvemos para estes cálculos esta condição anterior é
contemplada e apresenta graficamente a melhor proporção para minimizar esses
efeitos e diminuir assim ao máximo as perdas.
4.1.3. Projeto de um Conjunto de detectores de Monitoramento do Feixe
Os alinhamentos dos canhões transceptores ópticos de um sistema FSO são
efetuados na instalação do enlace sob condições atmosféricas e meteorológicas
específicas deste momento. Assim, durante o período de um dia o sistema pode
ser submetido a variações de temperatura do dia e da noite, cargas de vento, sol
direto e sombra, chuva, vibrações e acomodações mecânicas da estrutura entre
outros efeitos aleatórios que podem vir a acontecer. Esses efeitos causam uma
degradação no nível médio do sinal, podendo inclusive, dependendo do tamanho
da mancha (spot size) que se use no receptor, tornar o sistema indisponível ou
muito sensível a pequenas perturbações por errar o centro do feixe do centro da
lente receptora.
Para entender a evolução mecânica das estruturas de fixação, prédios e dos
próprios canhões transceptores (em geral, totalmente construídos em metal), foi
desenvolvido um sistema de array com canhões ópticos para que pudéssemos
monitorar em tempo real o comportamento do feixe de luz do infravermelho no
comprimento de 1550 nm correlacionado com este mesmo sinal medido pelos
canhões do array dispostos ao redor do detector de 1550 nm durante o período
inicial de testes. Este array é composto por oito canhões com detectores de grande
área e filtros RG1000 que possuem boa transmitância a partir de 1000 nm, assim
eliminando os efeitos da luz visível do dia. Este sistema de monitoramento do
feixe principal não foi utilizado durante a fase de testes comparativos da
performance dos três comprimentos de onda devido ao seu grande peso e
dimensão, o que poderia acarretar em um mascaramento dos resultados deste
comprimento de onda tendo em vista a diferença mecânica para os outros canhões,
conforme pode ser visto na figura 44.
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Figura 44 – Disposição dos oito canhões detectores do Array de monitoramento.
Os sinais recebidos pelos oito canhões do array ao redor do canhão
principal do enlace são simultaneamente capturados e armazenados para
correlacionar com as excursões do sinal sofridas pelo canhão receptor principal
durante um determinado período de tempo de medida, podendo nos informar
precisamente se o feixe sofreu desvios de trajetória como um todo ou então se ele
está desfocalizando, devido aos efeitos dos espalhamentos ou da variação da
temperatura.
4.2. Simulando os Sistemas FSO Propostos
Nesta etapa os dispositivos propostos para a confecção dos enlaces já foram
primariamente escolhidos, mas antes da aquisição e confecção final do sistema
foram simulados com o máximo possível de precisão para garantir a máxima
performance através da otimização dos dispositivos e suas características. Através
deste procedimento podemos avaliar as reais condições de funcionamento dos
canhões propostos e eventualmente efetuar correções ou adaptações pertinentes.
Conforme visto anteriormente, a difração é causada quando as ondas de luz
se propagam transversalmente, e é conseqüentemente impossível ter um feixe
perfeitamente colimado. O espalhamento de um feixe laser pode ser previsto
seguindo a teoria da difração pura. A seguir, as fórmulas descrevem exatamente o
espalhamento na transmissão do feixe no espaço, tornando mais previsíveis as
limitações ópticas do sistema proposto. Mesmo se uma frente de onda do feixe
laser Gaussiano TEM00 fosse gerada perfeitamente plana em algum momento, com
todos os elementos movendo-se em direções precisamente paralelas, adquiriria
Desenvolvimento do experimento 109
rapidamente uma curvatura e começaria a se espalhar de acordo com a teoria da
difração.
Como início dos cálculos da simulação, podemos determinar a distância
entre a cintura da imagem e a lente nº 1, que é a lente do transmissor:
2
2
01 ..Mw
Z o
λπ
= (40)
12
1
12
11 )(
)(
oo
oi Zfd
fdffd+−
−+= (41)
Onde Z01 é a distância propagada da frente de onda plana, λ é o
comprimento de onda do sinal, wo2 é o raio do plano onde a irradiância é de 1/e2
(13,5% do pico da Gaussiana), M2 é o fator de correção da onda pelo truncamento
da abertura da lente, f1 é a focal da lente nº 1 e do é a distância da fonte até a lente
nº 1. A distância da cintura da imagem em wi:
201
21
12
102 .)(
.Zfd
ZfZo
o
−= (42)
πλ 02
2 .. zMwi = (43)
Onde Z02 é a distância de propagação da imagem. O tamanho da mancha em
uma determinada distância d é dado por:
2/12
2
2
2 ..)(
1⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −+=
i
ii w
Mddww
πλ
(44)
Onde di é a distância da imagem e wi é o tamanho da mancha da imagem. A
aberração esférica da lente nº 2, que é a lente do receptor é dada por:
( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
3
32
2067.0
wf φ (45)
Onde f2 é a focal da lente nº 2, φ2 é o diâmetro da lente nº 2 e w3 é o
tamanho da mancha no detector. O truncamento do feixe é dado por:
Desenvolvimento do experimento 110
22
2.2
22.
.2)( wr
tx ewPrI
−
=π
(46)
Onde Ptx é a potência do sinal transmitido. O truncamento da potência
óptica recebida é dado pela eq. (47):
∫= 2
0
2
)(...2)(φ
π drrIrrP (47)
A potência que deve chegar ao detector é o somatório de todas as perdas:
efPdftx
R LLLLLLP
P −−−−−−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= − ξ.2.2.210
log.10 213 (48)
Onde: L1 - Perda Fresnel na lente nº 1;
L2 - Perda Fresnel na lente nº 2;
Lf - Perda Fresnel no filtro;
LPd - Perda na iluminação da área do fotodetector;
Lξ - Perda no truncamento;
Lef - Perda por efeitos diversos.
A mínima potência recebida e a margem do sistema são dadas por:
QNEPPrec .= (49)
Margem ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= −−
ex
exrecR
rrPP
11log.10
10log.10
10log.10 33 (50)
Margem ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
−−=ex
exrecR r
rPP11log.10 (51)
Onde NEP é a definição para a potência de ruído equivalente, que é a
potência de entrada óptica no detector que produz uma relação sinal ruído unitário
(S/N = 1) e rex é a razão de extinção do sistema. Este resumo dos principais
procedimentos de cálculos nos permite analisar a resposta do sistema em função
de um orçamento de potências para determinar a margem de operação que iremos
trabalhar, margem esta que pode ser comparada com as estatísticas das condições
de propagação, que variam de região para região onde os enlaces podem ser
instalados.
Desenvolvimento do experimento 111
4.2.1. Desenvolvimento do Software de Simulação
Através dos cálculos da simulação dos enlaces podemos prever com
bastante exatidão todos os efeitos não aleatórios que podem ocorrer durante a
transmissão dos sinais ópticos em nosso sistema implementado. A necessidade de
poder variar os parâmetros e os dispositivos para otimizar a margem de operação
nos fez desenvolver um software que calcula automaticamente a partir dos dados
dos fabricantes dos componentes todos os comportamentos que o sistema vai
apresentar, desde as dispersões e aberrações do sistema óptico das lentes até os
ruídos e penalidades elétricas em função de uma BER escolhida para a recepção,
nos fornecendo uma resposta em função da margem total disponível para perdas
por efeitos atmosféricos aleatórios ou não. Este software possui uma ferramenta
gráfica que nos permite analisar comparativamente com precisão não somente a
resposta final pela troca de determinados dispositivos utilizados, mas também nos
fornece parâmetros ideais para a otimização dos enlaces até convergir na melhor
relação de potência da margem total. As figuras 45 e 46 nos mostram
ilustrativamente algumas telas do programa e seu funcionamento simplificado, da
simulação óptica até a parte elétrica, respectivamente.
Figura 45 – Software desenvolvido para simular comparativamente as margens dos
enlaces nas condições reais de utilização, simulando neste exemplo a parte óptica.
Desenvolvimento do experimento 112
Figura 46 – Software desenvolvido para simular comparativamente as margens dos
enlaces nas condições reais de utilização, simulando neste exemplo a parte elétrica.
Uma vez que a simulação esteja pronta e devidamente otimizada, levando-se
em conta os parâmetros já discutidos, como disponibilidade de materiais e
dispositivos, peso total, custo, performance por truncamentos ou aberrações e
ruídos, etc, podemos efetuar a compra do material especificado e a confecção dos
canhões transceptores a fim de acomodar todo o sistema projetado.
4.3. Instalação dos Enlaces
Depois de devidamente montados e testados em laboratório, os
transceptores e demais equipamentos estão prontos para a instalação no local
definitivo previamente escolhido de operação dos enlaces. Neste trabalho
utilizamos dois lugares completamente diferentes para a instalação dos enlaces,
sendo o primeiro, três enlaces paralelos de diferentes comprimentos de onda com
216 m de extensão dentro do próprio campus da PUC-Rio, interligando o telhado
do prédio Kennedy com o telhado da outra extremidade do prédio Leme, e
posteriormente, instalamos os três enlaces no morro do Sumaré, também na cidade
do Rio de Janeiro, porém a uma altitude de mais de 800 m do nível do mar e
Desenvolvimento do experimento 113
sujeito a nevoeiros muito densos e variações de temperaturas grandes e rápidas.
Os enlaces montados dentro do próprio campus serviram para uma primeira
análise com todos os recursos de apoio disponíveis, devido a proximidade com o
laboratório. Desta forma foi possível avaliar com mais precisão pequenos
problemas detalhados a seguir e corrigir para a instalação no Sumaré. O segundo
local de instalação dos enlaces foi propositalmente escolhido para aquisição dos
dados sob condições de forte nevoeiro, o que atualmente representa o maior
problema para os sistemas FSO se tornarem populares. Devido a estas condições
ruins de propagação, nós optamos por diminuir a distância dos enlaces para 75 m,
a fim de garantir uma maior disponibilidade do sinal para a aquisição em
condições de baixa visibilidade.
Para o alinhamento dos canhões foram necessários alguns artifícios
especiais a fim de facilitar o trabalho e obter a melhor performance dos sistemas.
Cada canhão transceptor teve de ser alinhado com informações da equipe de
instalação da outra ponta do enlace via rádio, por esse motivo, depois de
convencionar as ações de cada equipe de instalação, o alinhamento foi efetuado
em primeiro lugar com o laser em um comprimento de onda visível, até ajustar o
alinhamento grosso de fixação nos suportes da estrutura. Após, através do próprio
sinal foi efetuado o alinhamento fino controlando o nível de potência recebida do
sinal. Nós optamos por trabalhar com os canhões colimados e perfeitamente
alinhados com o centro das lentes, desta forma, o tamanho da mancha nos
receptores foi controlado através de máscaras de diferentes tamanhos encaixadas
na abertura dos mesmos. Os alinhamentos geralmente foram efetuados com a
ajuda de parafusos micrométricos, pois devido à distância e ao feixe
extremamente colimado, a sensibilidade dos ajustes ficou muito crítica.
A seguir podemos observar os primeiros resultados obtidos com o enlace de
testes dentro do campus da PUC-Rio com suas respectivas análises e soluções.
4.3.1. Ruído de Vibração
O enlace de testes que foi instalado primeiro foi o do comprimento de onda
de 1550 nm, que recebeu especial atenção à instalação do sistema de
monitoramento do feixe em forma de array, que avaliava em tempo real o sinal e
Desenvolvimento do experimento 114
correlacionava com as variações do sinal detectado no canhão principal. Alguns
problemas não previstos no projeto foram detectados neste primeiro instante e
serviram de base para o aprimoramento dos outros canhões desenvolvidos
posteriormente.
Através de uma análise da Transformada Rápida de Fourier2 (FFT) dos
sinais recebidos e aquisitados pelo canhão principal de 1550 nm podemos verificar
o aparecimento de uma perturbação de baixa e média freqüência que afetava
bastante o nível médio do sinal transmitido. Embora alguns destes ruídos fossem
oriundos de cintilações naturais da atmosfera, as altas freqüências e a
predominância de horários específicos nos demonstraram que havia algum
problema mecânico com o sistema transceptor. Vários testes foram realizados
durante um período de dias, inclusive durante o final de semana nos mesmos
horários dos outros dias.
Notou-se então que o sistema durante o final de semana, nos mesmos
horários e sob condições idênticas de propagação do meio apresentava apenas os
ruídos normais previstos para a cintilação do sinal e vibrações mecânicas de
acomodamento das estruturas em freqüências mais baixas, conforme pode ser
observado na figura 47 (a). Desta forma, durante o final de semana podemos
observar os efeitos isoladamente e constatamos que esta interferência era oriunda
do funcionamento das casas de máquinas dos elevadores, que em grande número e
no alto do prédio, próximos ao experimento, induziam uma grande vibração nas
estruturas. É evidente que esta é uma situação muito comum para os sistemas
FSO, que na grande parte são instalados nas áreas mais altas dos prédios para
melhorar a linha de visada, e conseqüentemente próximos às casas de máquinas de
elevadores e bombas d’água. Mas no sistema mecânico projetado, havia uma
previsão destas interferências e não deveria ser afetado com tanta intensidade.
Uma análise detalhada dos dispositivos nos demonstrou uma falha na montagem
dos canhões, onde a fonte do sinal era acoplada ao canhão através de uma fibra
óptica conectorizada e rosqueada em um adaptador específico para esta aplicação.
2. A Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform) consiste em uma implementação rápida da Transformada Discreta de Fourier (TFD), aproveitando a estrutura repetitiva do cálculo. Podemos descrever a TFD como o produto de uma matriz por um vetor, sendo a matriz chamada de matriz de transformação e o vetor contendo as amostras do sinal a transformar. A grande utilização da FFT deve-se, por um lado, ao vasto número de aplicações e por outro, à estrutura particular da TFD que faz com que a matriz de transformação possua uma grande redundância nos seus elementos facilitando a sua implementação recursiva.
Desenvolvimento do experimento 115
Porém o conector de fibra óptica tipo FC-PC tem um sistema de mola na
extremidade de conexão para melhorar o contato óptico e não danificar a sua
ponta, conforme observado na figura 47 (b). Embora essa mola seja bastante dura,
induzia um movimento ondulatório ressonante em freqüências mais altas e
comprometia o nível médio do sinal, piorando a relação sinal ruído do sistema.
(a) (b)
Figura 47 – (a) Análise FFT do sinal recebido com intensa vibração em diferentes dias e
horários e (b) Apresentação do problema com a mola do conector.
Este problema da vibração foi eliminado com a adição de uma peça de
encaixe mais justa, tirando por completo o efeito da mola do conector, desta
forma, testes foram realizados de forma idêntica e nos mesmo dias e horários para
comparar os resultados. Na figura 48 (a) podemos observar estes resultados e o
tratamento que foi dado ao conector de fibra óptica para minimizar os efeitos
destas vibrações (b), onde nota-se que o problema foi totalmente resolvido e assim
foi implementado na confecção dos novos canhões de forma semelhante.
(a) (b)
Figura 48 – (a) Análise FFT do sinal recebido com a correção da vibração em diferentes
dias e horários e (b) Solução do problema com a mola do conector.
Desenvolvimento do experimento 116
4.3.2. Contaminação das Lentes
Na elaboração do projeto dos canhões transmissores e receptores, ambos
receberam uma proteção externa independente e não solidária ao sistema ativo e
alinhado para minimizar os efeitos meteorológicos que eles ficam expostos no
enlace, como sol e chuva. Estas proteções, em forma de caixas metálicas ao redor
do canhão, foram projetadas de acordo que com suas dimensões principalmente de
comprimento aliassem pouco peso, tamanho reduzido para minimizar a área total
em relação ao vento e prevenir a contaminação das lentes com as gotas da chuva
para um ângulo de inclinação de até 20º em relação ao horizonte.
Assim como qualquer sistema de transmissão de sinais em altas taxas e
freqüências, os canhões necessitam uma manutenção periódica, onde é
fundamental que seja efetuada a limpeza das áreas principais em contato com o
ambiente, para remover partículas de poeira, poluição e maresia e assim manter a
performance desejada no projeto. Este tempo varia de acordo com a agressividade
do ambiente em que o enlace será instalado, sendo que o que se procura é
aumentar o máximo possível o tempo entre cada uma dessas intervenções, e para
isto, artifícios podem ser utilizados, como a utilização de limpadores mecânicos
das lentes, semelhantes aos limpadores de pára-brisas automotivos, aquecedores
de janela, ultra-som ou tubos relativamente longos do diâmetro da lente instalados
em frente do canhão a fim de minimizar a possibilidade de alguma gota da chuva
ou partícula sólida chegar à lente. Estes dispositivos tem alguns inconvenientes,
como por exemplo, o efeito de uma alavanca no canhão, surgimento de vibrações
ou turbulências mecânicas no sistema e adição de peso excedente fora do centro
de gravidade do transceptor.
Em testes preliminares com o sistema notamos que embora o canhão
estivesse bem protegido dentro de uma caixa metálica, totalmente fechada por
cima, pelo fundo e pelas laterais, depois de eventos de chuva de maior intensidade
o sinal recebido demorava um tempo bem maior para retornar as condições
normais de potência do sinal, como pode ser visto na figura 49, enquanto que para
eventos de chuva de menor intensidade a recuperação era mais rápida ou
instantânea.
Desenvolvimento do experimento 117
Levando-se em conta o projeto das proteções contra intempéries, mesmo
com as gotas da chuva se movimentando aleatoriamente em todas as direções com
a ação de rajadas de vento, a possibilidade de acertar a lente era muito baixa
devido ao pequeno ângulo de entrada na boca da caixa e a não circulação de
correntes de vento no interior da mesma.
Figura 49 – Contaminação das lentes por respingos de chuva, o tempo de recuperação
após a chuva é longo e compromete a estatística do sinal médio até que a lente esteja
seca totalmente.
Uma observação mais cuidadosa nos dados aquisitados, nos mostrou que o
vento não tinha correlação alguma com estes efeitos. A contaminação das lentes
se dava pelo respingo das gotas d’água que batiam com grande velocidade na
estrutura de fixação e no próprio prédio, fazendo um ângulo contrário de entrada
na caixa de proteção fora do previsto no projeto (de baixo para cima),
conseguindo alcançar a face externa das lentes. Para resolver esse problema,
instalamos um aparato metálico inclinado na parte interna da base da caixa de
proteção até a altura das lentes, porém a 15 cm distante delas, desta forma, o
ângulo de entrada ficou reduzido a quase a zero em relação ao horizonte, e os
respingos que eventualmente pudessem alcançar a lente ficam barrados neste
aparato ou se passarem acertarão o canhão fora da lente. Um exemplo deste
dispositivo pode ser observado na figura 50, instalado no protótipo do canhão
receptor do enlace de 9100 nm.
Desenvolvimento do experimento 118
Figura 50 – Proteção contra os respingos das gotas de chuva.
Este aparato que não acrescentou peso algum ao sistema do canhão se
demonstrou muito eficiente para eliminar esses respingos de chuva que
eventualmente atingiam as lentes do sistema, mesmo nas tempestades mais fortes
medidas as lentes não foram nunca atingidas pela água da chuva.
4.3.3. Análise do comportamento espacial do Feixe
Em geral, os sistemas FSO não costumam operar com o feixe muito estreito
ou com a mancha no receptor muito pequena para minimizar os efeitos do erro da
mira ao atingir a lente do receptor, devido às cintilações da atmosfera e as
variações mecânicas dos canhões e estruturas de fixação. Essa interferência é
muito difícil de ser prevista com exatidão no projeto, desta forma, utilizamos o
sistema de array que instalamos ao redor do canhão de 1550 nm para monitorar a
movimentação do feixe durante longos períodos de tempo. Somente pela análise
do sinal recebido no canhão principal, podemos observar que existe um efeito de
respiração natural e periódico do sinal durante as variações de temperatura do dia
e a noite. Essa variação da intensidade do sinal não é desejável, pois além de
comprometer a margem do enlace ainda pode saturar os detectores, dependendo
da situação e condição em que o sistema foi instalado. Todo o conjunto é
susceptível as variações de temperatura, uns menos, como no caso das edificações
Desenvolvimento do experimento 119
de baixo e médio porte, e outros mais, como no caso das estruturas de fixação e os
próprios canhões transceptores, todos feitos em metal.
A aquisição correlacionada dos oito canais dispostos ao redor do canhão
mais o canal principal de 1550 nm nos mostrou que conforme a variação da
temperatura, todos os canhões do array ganhavam incrementos de potência
semelhantes enquanto o principal perdia sinal, e de forma inversa, quando a
temperatura voltava a anterior, conforme pode ser observado na figura 51, onde
notamos que o enlace foi alinhado e colimado durante o dia, que é onde ele
apresenta a maior potência detectada. As variações laterais eram muito pequenas e
praticamente não afetavam o sinal recebido, porém o diâmetro da mancha
aumentava e diminuía de tamanho com essa variação de temperatura.
Com todas informações analisadas, foi constatado que o maior afetado pela
variação de temperatura era o corpo do canhão transceptor, onde devido a
dilatação do metal alterava a posição da lente em relação a fonte, desta forma
variando a distância da imagem em relação a focal da lente e causando a variação
do tamanho da mancha no detector e proporcionando uma variação de intensidade
semelhante em todo array. Como a focal da lente é relativamente grande para
minimizar a aberração esférica, o canhão é longo e sua dilatação no comprimento
é proporcional a isso, e maior do que a óptica aceita de variação para manter a
cintura do feixe ainda dentro do enlace.
Figura 51 – Variação do tamanho da mancha no receptor por mudança da temperatura
ambiente, apresentando variação semelhante em todos canhões do array.
Desenvolvimento do experimento 120
Para minimizar este efeito, foi desenvolvido um sistema de compensação
mecânico de funcionamento simples e baixo custo, que consiste em utilizar
materiais de coeficientes de dilatação bastante diferentes engastados em uma
extremidade (A) e livres nas outras (B e C), assim quando a dilatação do material
1 ocorre resulta na variação do comprimento total do canhão em uma das direções
do engaste, enquanto que a dilatação do material 2 ocorre na direção oposta,
anulando assim o efeito da dilatação externa e eliminando quase todo este
problema. Este sistema foi desenvolvido utilizando um material de coeficiente de
dilatação mais baixo no corpo do canhão chamado de material 1, onde em uma
extremidade fica o suporte da lente (C) e na outra extremidade fica o material 2
engastado (A). Este material 2 tem um coeficiente de dilatação muito maior, mas é
bem mais curto em comprimento, e está preso em uma das pontas no corpo do
canhão (A) e na outra extremidade livre leva a fonte de luz (B). O aumento de
temperatura aumenta a dimensão do corpo do canhão (material 1) externo em x
mícrons, levando o material 2 para mais distante da lente, porém para esta mesma
variação de temperatura o material 2 interno, que é mais curto, dilata a mesma
dimensão x mícrons, como estão presos apenas em uma extremidade (A), o
material 2 leva a fonte (B) de volta a posição inicial do em relação a lente
anulando o efeito da dilatação. Na figura 52 podemos observar este dispositivo
montado e verificar como ele mantém a distância entre a lente e a fonte constante.
Figura 52 – Compensador mecânico para a dilatação dos canhões transceptores.
Desenvolvimento do experimento 121
Após estas correções e adaptações para a otimização dos sistemas, os três
enlaces, nos comprimentos de onda de 780 nm, 1550 nm e 9100 nm foram
montados lado a lado e em dois lugares diferentes, o primeiro praticamente ao
nível do mar e posteriormente em cima de uma cadeia de montanhas a 800 m de
altitude em relação ao nível do mar, cada um deles com suas respectivas
características e peculiaridades, a fim de obter o maior conjunto possível de
informações de comparação de performance dos três sistemas. Para o melhor
entendimento das medidas realizadas, foram implementados juntamente com os
enlaces uma estação meteorológica e um sistema de determinação das condições
de visibilidade do meio de propagação sincronizados com a medida dos sinais.
4.4. Estação Meteorológica
As condições meteorológicas do tempo determinam as principais
características do meio de propagação e devem ser monitoradas em tempo real
com a aquisição dos sinais para representar uma medida válida. A utilização de
dados meteorológicos de estações distantes dos enlaces é totalmente inviável para
a análise dos resultados, pois a maioria dos efeitos que o sistema irá sofrer são
localizados nesta região ou nas redondezas, e a não homogeneidade destas
condições impede que se utilize este recurso nestas medidas.
Cada sensor da estação meteorológica fornece um tipo de informação que,
sozinha ou correlacionada com outros dados nos fornecem as condições do tempo
da região. O termômetro nos fornece informações sobre a variação de temperatura
(dada em ºC) que todos os dispositivos estão sujeitos e é uma importante
ferramenta na análise dos sinais recebidos, pois diferentes temperaturas alteram as
propriedades dos materiais em suas dimensões e as condições de propagação da
atmosfera. A temperatura também é utilizada para determinar o ponto de orvalho,
que é a temperatura em que o vapor de água fica saturado, ou seja, a umidade
chega a 100 % e proporciona a formação do orvalho, muito importante para evitar
que as diferenças de temperatura das lentes e do ambiente façam-nas orvalhar sob
condições de umidade alta. O higrômetro mede a umidade do ar em porcentagem,
que representa a quantidade de vapor d’água em suspensão na atmosfera. O
pluviômetro mede a quantidade de chuva acumulada em um período, sua
Desenvolvimento do experimento 122
informação é dada em mm de chuva acumulada, podemos derivar este dado e
obter a quantidade de chuva em função do tempo da amostra. Este resultado é
muito importante e em geral é calculado em mm/h de chuva. A biruta mede a
direção do vento e o anemômetro é utilizado para medir a velocidade dos ventos,
seu resultado é geralmente obtido em Km/h, também é um dado importante para
os enlaces porque dependendo da classificação dos ventos alteram as freqüências
e intensidades de cintilação da atmosfera e induzem vibrações nas estruturas dos
canhões. A figura 53 mostra a estação meteorológica utilizada no experimento.
Figura 53 – Estação Meteorológica instalada e utilizada no experimento.
Existem normas e recomendações específicas para a instalação e a
calibração das estações meteorológicas, deixando os pontos ideais bastante
restritos em ambientes urbanos. Mas, no entanto tomando-se alguns cuidados
básicos descritos nas recomendações pode-se calibrar a estação para estas
condições e aproveitar perfeitamente os dados aquisitados na análise, inclusive
garantindo uma melhor precisão de suas medidas do que se estiverem muito longe
do experimento.
4.5. Teoria da Visibilidade
Uma das medidas mais importantes para correlacionar os dados dos sinais
recebidos pelos canhões é a visibilidade, onde, por se tratar de uma grandeza
Desenvolvimento do experimento 123
visual, se aproxima muito da definição da transmissão de sinais ópticos no espaço
livre e proporciona um bom parâmetro de comparação de performance de
diferentes enlaces em diferentes comprimentos de onda.
Por definição, visibilidade é a maior distância na qual um objeto preto, de
dimensões apropriadas, pode ser reconhecido em frente ao horizonte do céu.
Embora essa definição nos pareça simples, ela envolve uma série de padrões e
definições que devem ser observados para garantir uma maior precisão e
calibração das medidas, como [40]:
- A Distância Meteorológica é a distância efetiva na qual um objeto escuro
ideal, tem uma relação limite de contraste de 0,02, em frente de um fundo branco;
- A Distância Visual (Visual Range) é a distância efetiva na qual uma pessoa
pode distinguir um objeto escuro ideal em frente ao horizonte do céu;
- O Limiar de Contraste é o menor valor da razão de contraste (0,02) que um
observador padrão consegue perceber um objeto escuro de dimensões apropriadas;
- A Dimensão Apropriada do Objeto: 0,1º < Objeto < 0,5º;
- A Relação de Contraste de um Objeto Escuro é dada por:
F
oF
III
C−
= (52)
Onde IF é a iluminância do fundo (Lux ou Lúmen/m2) e Io é a iluminância do
objeto (Lux ou Lúmen/m2);
- A relação de contraste de um alvo preto e branco é dada por:
PB
PB
IIII
C+−
= (53)
Onde IB é a iluminância da parte branca do alvo (Lux ou Lúmen/m2) e IP é a
iluminância da parte preta do alvo (Lux ou Lúmen/m2);
- Lúmen é a unidade de medida de potência ou fluxo luminoso no sistema
fotométrico (lm), onde 680 lumens = 1 Watt para um λ = 555 nm;
- Iluminância é a medida do fluxo luminoso (ou potência) incidente no
detector por unidade de área de uma superfície iluminada, no sistema fotométrico.
Desenvolvimento do experimento 124
4.5.1. Relação de Koschmieder
Koschmieder desenvolveu cálculos detalhados da iluminância de um cone
do ar que recebe a luz da atmosfera, do céu e da terra, e obteve com uma
expressão simplificada da luminância aparente de um objeto de iluminância
intrínseca IP observado a uma distância Vr de encontro ao azul do horizonte [63].
Para utilizarmos esta relação de Koschmieder devemos observar algumas
hipóteses limites para a sua validade, como:
- O brilho do céu no local do observador deve ser similar ao brilho do céu
no local do objeto observado;
- A possibilidade de considerar uma distribuição homogênea de partículas
na linha de visada;
- Possuir uma linha de visada horizontal;
- A curvatura da terra pode ser ignorada para Vr < 150 Km;
- Um objeto escuro de tamanho apropriado;
- O limiar de contraste do observador igual a 0,02.
Considerando essas hipóteses anteriores como válidas, podemos utilizar a
aproximação de Koschmieder no cálculo da visibilidade conforme a eq. (54).
rEX Vbe .02,0 −= (54)
Onde, bEX é o coeficiente de extinção e Vr é a distância visual. Conforme foi
mencionado anteriormente este cálculo deve ser utilizado contra o horizonte do
céu, que em nosso caso não é possível, desta forma propomos uma pequena
mudança na metodologia de medida para utilizar um alvo padrão preto e branco.
4.5.2. Proposta para Medida da Visibilidade para um Sistema FSO
A medida de visibilidade para sistemas de comunicações ópticas em espaço
livre requer mais precisão a pequenas distâncias do que os sistemas de medição
meteorológicos tradicionais, como os utilizados em aviação, que podem ter uma
resolução de centenas de metros e ainda assim mesmo não oferecer grandes
problemas, pois utilizam além de grandes distâncias envolvidas os coeficientes de
segurança que chegam a operar com 50 % do valor medido. No caso específico
Desenvolvimento do experimento 125
dos enlaces FSO, que muitas vezes operam em algumas centenas de metros, o
sistema de medição pode ser adequado para essa escala de distância, perdendo
informação apenas em distâncias de algumas ordens de grandeza maiores, quando
não interessa mais o valor quantizado e pode ser considerado como infinito.
Nesta proposta, vamos admitir a utilização de uma modificação da relação
de Koschmieder para a determinação do coeficiente de extinção pela medida de
contraste aparente de um alvo conhecido e o cálculo da distância visual. A medida
do contraste aparente de um alvo branco opaco conhecido e um preto absoluto a
uma distância determinada, menor do que Vr foi realizada utilizando uma câmera
CCD. A lei de Beer-Lambert-Boguer para a transmitância da atmosfera [64]
estabelece esta relação entre o contraste aparente C de um alvo preto e branco
localizado a uma distância conhecida Z e o coeficiente de extinção bEX, através da
eq. (55).
Zbo
EXeCC −= (55)
Onde Co é a relação de contraste intrínseco do alvo medido próximo e Z é a
distância do alvo. A figura 54 mostra a configuração utilizada para essa medida,
onde podemos ver a configuração do alvo preto e branco que foi colocado junto
com os canhões transmissores e a câmera CCD, que foi instalada ao lado dos
canhões transceptores transmissores.
Figura 54 – Montagem característica para medição de visibilidade.
Desenvolvimento do experimento 126
A confecção de um alvo ideal que possa satisfazer a condição da eq. (56) é
muito difícil de se obter.
.. 0 .. 100
auIauI
P
B
==
101000100 =
+−
=C (56)
Porém, através da utilização de um alvo confeccionado com uma cobertura
branca anti-reflexiva na parte de fora e no centro com uma abertura dando acesso
a um corpo negro, que garante praticamente a ausência total de luz no seu interior
podemos calcular um alvo real na proporção abaixo:
.. 0 .. 95
auIauI
P
B
==
1095095 =
+−
=C (57)
Desta forma, podemos determinar o contraste aparente medido do alvo
quando a relação do contraste acima for diferente de 1.
Zbo
PB
PB EXeCIIIIC .. −=
+−
= (58)
Onde C é o contraste aparente medido e Co é o contraste intrínseco do alvo.
4.6. Ambientes Agressivos
Dispositivos FSO têm como característica de construção uma certa
fragilidade dos canhões transceptores por conter principalmente peças de vidro e
sistemas de alinhamento muito finos para se obter precisão nos ajustes, e por esse
motivo ficam mais sujeitos a apresentarem problemas se forem instalados em
ambientes mais agressivos, tanto por poluição, maresia, vibrações como também
por ambientes com grande concentração de fontes de radiofreqüência, o que hoje
em dia é muito comum observarmos nos telhados dos prédios de melhor visada na
cidade. Poluição e maresia provocam contaminação das lentes pelo depósito de
partículas sólidas, degradando o sinal e ainda agravam muito o processo de
oxidação dos canhões, principalmente causando problemas nos dispositivos de
maior precisão para ajustes. Contornar estes problemas as vezes pode ser
Desenvolvimento do experimento 127
impossível e o sistema instalado ficará sujeito a manutenções em períodos mais
curtos do que o convencional.
Para descrever o outro problema, vamos lembrar uma expressão muito
utilizada como apelo comercial em sistemas ópticos em espaço livre que é:
“imunidade a radiofreqüência”. Esta afirmação não deixa de ser verdadeira
quando nos referimos ao sistema puramente óptico, onde realmente as ondas
eletromagnéticas da luz, de comprimento de onda muito menor que as do rádio,
não são influenciadas pela presença de sistemas de transmissão sem fio por
radiofreqüência.
O grande atrativo dos sistemas ópticos em geral é a alta taxa de transmissão
que eles operam, geralmente limitados pela eletrônica envolvida na geração,
modulação ou detecção dos sinais ópticos utilizados. Esses equipamentos
eletrônicos responsáveis pelo funcionamento dos dispositivos ópticos costumam
trabalhar priorizando o desempenho do sistema em relação a taxa de transmissão,
desta forma acabam ficando muitas vezes bastante susceptíveis as influências de
radiações de radiofreqüência de médias e grandes potências, muito presentes em
ambientes urbanos de grande concentração de enlaces via rádio, como repetidoras
em geral ou estações de sistemas telefônicos móveis. Nossos sistemas foram
instalados no morro do Sumaré no Rio de Janeiro, conhecido por abrigar várias
repetidoras de rádio e TV e com grande presença de radiofreqüências em todos
espectros. O primeiro problema, que inclusive é previsível, foi que os
equipamentos, embora de boa qualidade, não previam uma intensidade de campos
eletromagnéticos tão forte e tiveram de ser totalmente blindados e modificados
para filtrar ruídos elétricos, mas mesmo com todos estes artifícios, o nível de ruído
dos dispositivos aumentou muito, diminuindo a relação sinal ruído e
conseqüentemente a nossa margem de operação. Outro efeito desagradável da
presença desta radiação foi o sacrifício dos diferentes materiais metálicos dos
canhões, que devido a radiofreqüência estavam todos bem aterrados e solidários
entre si, desta forma perdendo material e acabamentos de proteção para o terra,
fazendo com que o processo de oxidação principalmente das partes móveis fosse
muito rápido e profundo, deixando todo os sistemas praticamente sem
possibilidades de ajuste.
A corrosão é uma alteração físico-química que o ambiente exerce sobre os
objetos metálicos manufaturados. Na primeira etapa da corrosão, o conjunto
Desenvolvimento do experimento 128
oxigênio, água e ferro funcionam como uma bateria ocorrendo uma transferência
de elétrons do ferro para o meio (água e oxigênio) através do próprio metal. O
ferro oxida (perde elétrons):
Fe - 2 elétrons = Fe2+ (59)
Devido a circulação de uma corrente através do ferro estes elétrons são
transferidos para o meio (oxigênio e água) que sofrem uma redução (ganho de
elétrons):
H2O + 1/2 O2 + 2 elétrons = 2 OH- (60)
O Fe2+ obtido da oxidação e os íons OH- resultantes da redução combinam-
se produzindo o hidróxido ferroso:
Fe2+ + 2 OH- = Fe(OH)2 (61)
Na segunda etapa o hidróxido ferroso em presença do oxigênio e água
transforma-se em um óxido hidratado denominado ferrugem:
2 Fe(OH)2 + 1/2 O2 + x H2O = Fe2O3 x H2O (62)
O óxido férrico hidratado obtido (ferrugem) desprende-se do metal
permitindo a continuação da corrosão. Este processo é acelerado pela presença de
fontes de correntes circulantes externas ao conjunto, como a radiofreqüência
excessiva referenciada ao aterramento do sistema, onde quanto maior a
intensidade, mais rápido será o sacrifício do material metálico. Por exemplo, de
maneira análoga, para retardar a corrosão do aço em canalizações de água,
oleodutos, gasodutos, cascos de navio, etc., costuma-se ligá-lo a blocos de
magnésio. O magnésio funciona como metal de sacrifício, sendo corroído mais
depressa e retardando, assim, a corrosão do aço. A figura 55 demonstra as
condições de opacidade por deposição de partículas nas lentes e a oxidação dos
dispositivos sujeitos as condições climáticas e excesso de radiofreqüência, sendo
que todos os materiais metálicos estavam devidamente galvanizados e protegidos.
Desenvolvimento do experimento 129
Figura 55 – Opacidade total das lentes pela contaminação por partículas em suspensão
na atmosfera e oxidação acentuada dos materiais metálicos mesmo galvanizados, porém
expostos ao ambiente e a condições de grande presença de radiofreqüências.