張 鵬，馮 旭，李新強(qiáng)，徐炳輝，蘇有斌，張 巖

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100）

光功率是指光纖信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所做的功，一般來說，光纖元件的光功率水平越高，就表示其對(duì)于光纖信號(hào)的承載能力越強(qiáng)[1]。光功率探測(cè)是檢測(cè)光纖熔接機(jī)對(duì)于光纖信號(hào)處理能力的常用手段，其目的在于確定光纖信號(hào)在各個(gè)行為周期內(nèi)的傳輸能力，從而使得主機(jī)元件能夠準(zhǔn)確掌握光纖信號(hào)的傳輸特性。與其他類型的光纖量測(cè)手段相比，光功率探測(cè)對(duì)于光纖信號(hào)傳輸行為的約束規(guī)則相對(duì)較少[2]。當(dāng)信號(hào)輸出節(jié)點(diǎn)與信號(hào)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不在同一平面區(qū)域內(nèi)時(shí)，光功率探測(cè)原則可以根據(jù)光纖傳輸信號(hào)變頻指標(biāo)的取值范圍，判斷該信號(hào)當(dāng)前所處傳輸區(qū)間，再通過計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與中間過渡節(jié)點(diǎn)之間的橫縱間隔，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖信號(hào)傳輸能力的準(zhǔn)確度量[3]。

光纖熔接機(jī)也叫光纜熔接機(jī)，主要應(yīng)用于光通信施工中的光纜維護(hù)與修復(fù)。一般工作原理是通過高壓電弧的熔斷作用，將兩根獨(dú)立光纖線纜融合成一根，從而為光纖信號(hào)提供穩(wěn)定的模場(chǎng)耦合環(huán)境。對(duì)于光纖熔接機(jī)設(shè)備而言，如何將光纖信號(hào)準(zhǔn)確對(duì)接起來，避免光功率過度損失的情況出現(xiàn)，已經(jīng)成為了一項(xiàng)亟待解決的問題。文獻(xiàn)[4]提出基于預(yù)寫入標(biāo)尺的光纖控制技術(shù)通過分析光纖信號(hào)刻寫精度的方式，確定標(biāo)尺波長(zhǎng)與目標(biāo)波長(zhǎng)之間的關(guān)系，再根據(jù)脈沖波的頻譜寬度水平，判斷光纖熔接機(jī)元件是否能夠承受光纖信號(hào)的脈沖擊穿作用。然而此方法對(duì)于對(duì)接角度偏差程度的控制能力相對(duì)有限，其處理標(biāo)準(zhǔn)并不滿足準(zhǔn)確對(duì)接光纖信號(hào)的實(shí)際應(yīng)用需求。針對(duì)上述問題，針對(duì)基于光功率探測(cè)的光纖熔接機(jī)光纖對(duì)準(zhǔn)控制技術(shù)展開研究。

1 基于光功率探測(cè)的光纖熔接損耗量統(tǒng)計(jì)

基于光功率探測(cè)的光纖熔接損耗量統(tǒng)計(jì)需要根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)連接形式，求解本征因素指標(biāo)、非本征因素指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值。

1.1 光纖結(jié)構(gòu)

對(duì)于光纖熔接機(jī)元件而言，光纖結(jié)構(gòu)是用來導(dǎo)光的透明狀纖維介質(zhì)[5]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)功率數(shù)值的準(zhǔn)確探測(cè)，要求光纖熔接機(jī)元件內(nèi)傳輸?shù)墓饫w信號(hào)必須滿足如圖1 所示的結(jié)構(gòu)要求。

如圖1 所示，光纖芯層存在于光纖結(jié)構(gòu)最內(nèi)層，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)傳輸光波，可以直接與光纖熔接機(jī)元件的輸入端接口相連[6]。包層存在于光纖芯層外部，可將外部光纖信號(hào)與光纖芯層內(nèi)的傳輸光波隔離開來。涂敷層存在于光纖包層外部，涂敷層中包含大量折射率良好的光導(dǎo)纖維，可以將傳輸光波以光纖折射的形式，傳輸給光纖熔接機(jī)設(shè)備。保護(hù)套層存在于光纖結(jié)構(gòu)最外層，具有較強(qiáng)的絕緣能力，可以避免光纖傳輸信號(hào)出現(xiàn)外泄情況[7]。

1.2 本征因素

在光功率探測(cè)原則的認(rèn)知中，影響光纖熔接機(jī)光纖對(duì)接準(zhǔn)確度的本征因素包含光纖信號(hào)的散射損耗量與吸收損耗量。所謂散射損耗是指在光纖信號(hào)的短波傳輸周期內(nèi)，由光波折射率分布不均而產(chǎn)生的不合理浪費(fèi)行為；而吸收損耗量則是指由光纖熔接機(jī)所吸收的光纖信號(hào)總量[8]。設(shè)ΔE表示光纖熔接機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所接收的光纖信號(hào)傳輸總量，表示光功率特征，聯(lián)立上述物理量，可將本征因素求解表達(dá)式定義為：

其中，p1表示光纖信號(hào)散射損耗量，p2表示光纖信號(hào)吸收損耗量，χ表示光功率探測(cè)系數(shù)，y表示光纖信號(hào)傳輸系數(shù)，β表示光纖信號(hào)的傳輸寬度，δ表示傳輸長(zhǎng)度。求解光功率探測(cè)的本征因素表達(dá)式時(shí)，要求散射損耗量p1、吸收損耗量p2的取值不能同時(shí)為零。

1.3 非本征因素

由于光功率探測(cè)原則支持光纖信號(hào)的穩(wěn)定傳輸理論，所以在求解非本征因素時(shí)，人為規(guī)定光纖信號(hào)在光纖熔接機(jī)中的傳輸頻率與傳輸周期都不會(huì)發(fā)生改變[9]。與本征因素相比，在非本征因素條件作用下，光纖信號(hào)不再會(huì)出現(xiàn)大角度傳輸?shù)那闆r，故而在對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)處理時(shí)，也就可以較好控制對(duì)接角度的數(shù)值水平[10]。設(shè)?表示光纖信號(hào)基頻系數(shù)，α、γ表示兩個(gè)不相等的光功率波動(dòng)系數(shù)，聯(lián)立式（1），可將非本征因素求解表達(dá)式定義為：

隨著光功率數(shù)值的增大，光纖熔接機(jī)對(duì)于光纖信號(hào)的承載能力也會(huì)不斷增強(qiáng)，此時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)處理，應(yīng)控制系數(shù)α的取值恒大于系數(shù)γ。

2 光纖熔接機(jī)光纖的對(duì)準(zhǔn)與控制處理

2.1 纖芯邊緣追蹤

纖芯邊緣追蹤的目的是標(biāo)記光纖熔接機(jī)輸出光纖信號(hào)的路徑節(jié)點(diǎn)，可以在初始信號(hào)集合中，建立完整的節(jié)點(diǎn)追蹤表達(dá)式，從而使得光纖熔接機(jī)設(shè)備能夠按照既定原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)與控制處理[11]。為了在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)光纖纖芯的追蹤過程，應(yīng)選擇一個(gè)較大的追蹤步長(zhǎng)值指標(biāo)l′，并以此為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)當(dāng)前路徑節(jié)點(diǎn)與下一個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)之間的物理間隔[12]。設(shè)n表示當(dāng)前路徑節(jié)點(diǎn)標(biāo)記系數(shù)，e0表示光纖信號(hào)的初始采集向量，εmin表示邊緣化指標(biāo)的最小取值，εmax表示最大取值，聯(lián)立上述物理量，可將針對(duì)當(dāng)前路徑節(jié)點(diǎn)的纖芯邊緣追蹤[13]表達(dá)式定義為：

在式（3）的基礎(chǔ)上，設(shè)un表示與當(dāng)前路徑節(jié)點(diǎn)匹配的光纖信號(hào)傳輸賦值指標(biāo)。

2.2 光纖擬合度

為精確地實(shí)現(xiàn)光纖對(duì)準(zhǔn)與控制，需要將光纖擬合度指標(biāo)控制在合理數(shù)值區(qū)間之內(nèi)[14]。一般來說，光纖擬合度指標(biāo)的取值越大，就表示光纖熔接機(jī)元件對(duì)于光纖信號(hào)的聚合處理能力越強(qiáng)。設(shè)d1,d2,…,dn,dn+1表示n+1 個(gè)單模光纖信號(hào)的傳輸直徑，a1,a2,…,an,an+1分別表示不同傳輸直徑條件下的光纖信號(hào)聚合系數(shù)，ι表示光束聚合度參量的初始賦值?？蓪⒐饫w擬合度求解表達(dá)式定義為：

在光纖信號(hào)傳輸頻率保持不變的情況下，光纖熔接機(jī)設(shè)備可以根據(jù)光纖擬合度指標(biāo)取值，判斷待處理光纖信號(hào)之間的對(duì)準(zhǔn)情況。

2.3 幾何對(duì)準(zhǔn)系數(shù)

幾何對(duì)準(zhǔn)系數(shù)作為一項(xiàng)控制性指標(biāo)，決定了光纖熔接機(jī)設(shè)備對(duì)于光纖信號(hào)的處理能力[15]。在不考慮其他干擾條件的情況下，幾何對(duì)準(zhǔn)系數(shù)求解結(jié)果受到光纖信號(hào)傳輸波長(zhǎng)、信號(hào)對(duì)接向量?jī)身?xiàng)物理指標(biāo)的同時(shí)影響。光纖信號(hào)傳輸波長(zhǎng)常表示為f，對(duì)于光纖熔接機(jī)設(shè)備而言，該項(xiàng)物理系數(shù)屬于[1,+∞)。信號(hào)對(duì)接向量常表示為κ，由于光纖擬合度條件的取值不可能為零，所以對(duì)接向量κ的賦值結(jié)果也不可能等于零。設(shè)jκ表示基于向量κ的光纖信號(hào)振蕩頻率，聯(lián)立上述物理量，可將幾何對(duì)準(zhǔn)系數(shù)求解表達(dá)式定義為：

式中，λ1、λ2表示兩個(gè)隨機(jī)選取的光纖信號(hào)精準(zhǔn)控制系數(shù)，且λ1≠λ2的不等式條件恒成立[16]。在光功率探測(cè)原則的支持下，聯(lián)合上述指標(biāo)參量，實(shí)現(xiàn)光纖熔接機(jī)光纖對(duì)準(zhǔn)控制方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

分別利用基于光功率探測(cè)的光纖熔接機(jī)光纖對(duì)準(zhǔn)控制技術(shù)、基于預(yù)寫入標(biāo)尺的光纖控制技術(shù)對(duì)光纖信號(hào)的對(duì)接行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，前者作為實(shí)驗(yàn)組，后者作為對(duì)照組。

以AI-7C/6C 型光纖熔接機(jī)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用Fiber Coupling Effciency 軟件對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行捕獲處理，如圖2 所示。

圖2 光纖信號(hào)圖像

圖3 反映了Fiber Coupling Effciency 軟件中的具體參數(shù)設(shè)置情況。

圖3 光纖熔接機(jī)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

將采集到的光纖信號(hào)等分成兩部分，其中一部分作為實(shí)驗(yàn)組信號(hào)源，另一部分作為對(duì)照組信號(hào)源。由于光纖熔接機(jī)設(shè)備能夠適應(yīng)光纖信號(hào)的變頻傳輸行為，所以該實(shí)驗(yàn)過程中允許變頻光纖信號(hào)的存在。

3.2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

光纖信號(hào)對(duì)接角度偏差值可以用來描述所選控制方法對(duì)于光纖信號(hào)對(duì)接行為的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，在不考慮其他干擾條件的情況下，當(dāng)光纖信號(hào)對(duì)接角度小于15°時(shí)，就表示光纖熔接機(jī)設(shè)備對(duì)于光纖信號(hào)對(duì)接行為的控制能力較強(qiáng)，此時(shí)光纖信號(hào)的傳輸功率也就不會(huì)出現(xiàn)過度損失的情況。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組光纖信號(hào)對(duì)接角度偏差量的數(shù)值變化情況。

表1 光纖信號(hào)對(duì)接角度偏差值

分析表1 可知，當(dāng)光纖信號(hào)傳輸頻率等于30 Hz時(shí)，實(shí)驗(yàn)組信號(hào)對(duì)接角度偏差取得最大值14°，小于預(yù)設(shè)最大值15°；當(dāng)光纖信號(hào)傳輸頻率等于10、15、25、35、40 Hz 時(shí)，對(duì)照組信號(hào)對(duì)接角度偏差同時(shí)取得最大值25°，大于預(yù)設(shè)最大值15°，也遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平。圖4 為完成對(duì)接后的光纖信號(hào)圖像。

圖4 光纖信號(hào)對(duì)接圖像

在圖4 所示圖像中，實(shí)驗(yàn)組光纖信號(hào)的對(duì)接完整程度較高，對(duì)準(zhǔn)處理后信號(hào)傳輸波形與原傳輸波形并無明顯差異性；對(duì)照組光纖信號(hào)的對(duì)接完整程度則相對(duì)較低，對(duì)準(zhǔn)處理后信號(hào)傳輸波形與原傳輸波形具有明顯差異性。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)光纖熔接機(jī)光纖對(duì)準(zhǔn)控制技術(shù)，在光功率探測(cè)原則的基礎(chǔ)上，針對(duì)光纖信號(hào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析，根據(jù)纖芯邊緣追蹤表達(dá)式，求解光纖擬合度指標(biāo)、幾何對(duì)準(zhǔn)參量的具體數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用所設(shè)計(jì)的對(duì)準(zhǔn)控制方法，光纖信號(hào)對(duì)接角度的偏差情況得到了有效控制，能夠避免光功率過度損失情況的出現(xiàn)，符合實(shí)際應(yīng)用需求。