基于光功率探測的光纖熔接機(jī)光纖對準(zhǔn)控制技術(shù)

張 鵬，馮 旭，李新強(qiáng)，徐炳輝，蘇有斌，張 巖

（國能朔黃鐵路發(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在單位時間內(nèi)所做的功，一般來說，光纖元件的光功率水平越高，就表示其對于光纖信號的承載能力越強(qiáng)[1]。光功率探測是檢測光纖熔接機(jī)對于光纖信號處理能力的常用手段，其目的在于確定光纖信號在各個行為周期內(nèi)的傳輸能力，從而使得主機(jī)元件能夠準(zhǔn)確掌握光纖信號的傳輸特性。與其他類型的光纖量測手段相比，光功率探測對于光纖信號傳輸行為的約束規(guī)則相對較少[2]。當(dāng)信號輸出節(jié)點與信號目標(biāo)節(jié)點不在同一平面區(qū)域內(nèi)時，光功率探測原則可以根據(jù)光纖傳輸信號變頻指標(biāo)的取值范圍，判斷該信號當(dāng)前所處傳輸區(qū)間，再通過計算當(dāng)前節(jié)點與中間過渡節(jié)點之間的橫縱間隔，實現(xiàn)對光纖信號傳輸能力的準(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，將兩根獨立光纖線纜融合成一根，從而為光纖信號提供穩(wěn)定的模場耦合環(huán)境。對于光纖熔接機(jī)設(shè)備而言，如何將光纖信號準(zhǔn)確對接起來，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)通過分析光纖信號刻寫精度的方式，確定標(biāo)尺波長與目標(biāo)波長之間的關(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的脈沖擊穿作用。然而此方法對于對接角度偏差程度的控制能力相對有限，其處理標(biāo)準(zhǔn)并不滿足準(zhǔn)確對接光纖信號的實際應(yīng)用需求。針對上述問題，針對基于光功率探測的光纖熔接機(jī)光纖對準(zhǔn)控制技術(shù)展開研究。

1 基于光功率探測的光纖熔接損耗量統(tǒng)計

基于光功率探測的光纖熔接損耗量統(tǒng)計需要根據(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)的計算數(shù)值。

1.1 光纖結(jié)構(gòu)

對于光纖熔接機(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]。為實現(xiàn)對光信號功率數(shù)值的準(zhǔn)確探測，要求光纖熔接機(jī)元件內(nèi)傳輸?shù)墓饫w信號必須滿足如圖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出現(xiàn)外泄情況[7]。

1.2 本征因素

在光功率探測原則的認(rèn)知中，影響光纖熔接機(jī)光纖對接準(zhǔn)確度的本征因素包含光纖信號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)所吸收的光纖信號總量[8]。設(shè)ΔE表示光纖熔接機(jī)在單位時間內(nèi)所接收的光纖信號傳輸總量，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表示光纖信號散射損耗量，p2表示光纖信號吸收損耗量，χ表示光功率探測系數(shù)，y表示光纖信號傳輸系數(shù)，β表示光纖信號的傳輸寬度，δ表示傳輸長度。求解光功率探測的本征因素表達(dá)式時，要求散射損耗量p1、吸收損耗量p2的取值不能同時為零。

1.3 非本征因素

由于光功率探測原則支持光纖信號的穩(wěn)定傳輸理論，所以在求解非本征因素時，人為規(guī)定光纖信號在光纖熔接機(jī)中的傳輸頻率與傳輸周期都不會發(fā)生改變[9]。與本征因素相比，在非本征因素條件作用下，光纖信號不再會出現(xiàn)大角度傳輸?shù)那闆r，故而在對信號進(jìn)行對準(zhǔn)處理時，也就可以較好控制對接角度的數(shù)值水平[10]。設(shè)?表示光纖信號基頻系數(shù)，α、γ表示兩個不相等的光功率波動系數(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)對于光纖信號的承載能力也會不斷增強(qiáng)，此時為實現(xiàn)對光纖信號的對準(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)輸出光纖信號的路徑節(jié)點，可以在初始信號集合中，建立完整的節(jié)點追蹤表達(dá)式，從而使得光纖熔接機(jī)設(shè)備能夠按照既定原則，實現(xiàn)對光纖信號的對準(zhǔn)與控制處理[11]。為了在較短時間內(nèi)完成對光纖纖芯的追蹤過程，應(yīng)選擇一個較大的追蹤步長值指標(biāo)l′，并以此為基礎(chǔ)，預(yù)測當(dāng)前路徑節(jié)點與下一個路徑節(jié)點之間的物理間隔[12]。設(shè)n表示當(dāng)前路徑節(jié)點標(biāo)記系數(shù)，e0表示光纖信號的初始采集向量，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，可將針對當(dāng)前路徑節(jié)點的纖芯邊緣追蹤[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)點匹配的光纖信號傳輸賦值指標(biāo)。

2.2 光纖擬合度

為精確地實現(xiàn)光纖對準(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)元件對于光纖信號的聚合處理能力越強(qiáng)。設(shè)d1,d2,…,dn,dn+1表示n+1 個單模光纖信號的傳輸直徑，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之間的對準(zhǔn)情況。

2.3 幾何對準(zhǔn)系數(shù)

幾何對準(zhǔn)系數(shù)作為一項控制性指標(biāo)，決定了光纖熔接機(jī)設(shè)備對于光纖信號的處理能力[15]。在不考慮其他干擾條件的情況下，幾何對準(zhǔn)系數(shù)求解結(jié)果受到光纖信號傳輸波長、信號對接向量兩項物理指標(biāo)的同時影響。光纖信號傳輸波長常表示為f，對于光纖熔接機(jī)設(shè)備而言，該項物理系數(shù)屬于[1,+∞)。信號對接向量常表示為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的光纖信號振蕩頻率，聯(lián)立上述物理量，可將幾何對準(zhǔn)系數(shù)求解表達(dá)式定義為：

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

3 實例分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

分別利用基于光功率探測的光纖熔接機(jī)光纖對準(zhǔn)控制技術(shù)、基于預(yù)寫入標(biāo)尺的光纖控制技術(shù)對光纖信號的對接行為進(jìn)行監(jiān)測，前者作為實驗組，后者作為對照組。

以AI-7C/6C 型光纖熔接機(jī)設(shè)備作為實驗對象，利用Fiber Coupling Effciency 軟件對光纖信號進(jìn)行捕獲處理，如圖2 所示。

圖2 光纖信號圖像

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)檢測參數(shù)設(shè)置

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

3.2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

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

表1 光纖信號對接角度偏差值

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

圖4 光纖信號對接圖像

在圖4 所示圖像中，實驗組光纖信號的對接完整程度較高，對準(zhǔn)處理后信號傳輸波形與原傳輸波形并無明顯差異性；對照組光纖信號的對接完整程度則相對較低，對準(zhǔn)處理后信號傳輸波形與原傳輸波形具有明顯差異性。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計光纖熔接機(jī)光纖對準(zhǔn)控制技術(shù)，在光功率探測原則的基礎(chǔ)上，針對光纖信號結(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)、幾何對準(zhǔn)參量的具體數(shù)值。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用所設(shè)計的對準(zhǔn)控制方法，光纖信號對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)，符合實際應(yīng)用需求。