基于光功率探測的光纖熔接機光纖對準控制技術

張 鵬，馮 旭，李新強，徐炳輝，蘇有斌，張 巖

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，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[1]。光功率探測是檢測光纖熔接機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的傳輸能力，從而使得主機元件能夠準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則相對較少[2]。當信號輸出節點與信號目標節點不在同一平面區域內時，光功率探測原則可以根據光纖傳輸信號變頻指標的取值范圍，判斷該信號當前所處傳輸區間，再通過計算當前節點與中間過渡節點之間的橫縱間隔，實現對光纖信號傳輸能力的準確度量[3]。

光纖熔接機也叫光纜熔接機，主要應用于光通信施工中的光纜維護與修復。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定的模場耦合環境。對于光纖熔接機設備而言，如何將光纖信號準確對接起來，避免光功率過度損失的情況出現，已經成為了一項亟待解決的問題。文獻[4]提出基于預寫入標尺的光纖控制技術通過分析光纖信號刻寫精度的方式，確定標尺波長與目標波長之間的關系，再根據脈沖波的頻譜寬度水平，判斷光纖熔接機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，其處理標準并不滿足準確對接光纖信號的實際應用需求。針對上述問題，針對基于光功率探測的光纖熔接機光纖對準控制技術展開研究。

1 基于光功率探測的光纖熔接損耗量統計

基于光功率探測的光纖熔接損耗量統計需要根據光纖結構連接形式，求解本征因素指標、非本征因素指標的計算數值。

1.1 光纖結構

對于光纖熔接機元件而言，光纖結構是用來導光的透明狀纖維介質[5]。為實現對光信號功率數值的準確探測，要求光纖熔接機元件內傳輸的光纖信號必須滿足如圖1 所示的結構要求。

如圖1 所示，光纖芯層存在于光纖結構最內層，負責傳導傳輸光波，可以直接與光纖熔接機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，傳輸給光纖熔接機設備。保護套層存在于光纖結構最外層，具有較強的絕緣能力，可以避免光纖傳輸信號出現外泄情況[7]。

1.2 本征因素

在光功率探測原則的認知中，影響光纖熔接機光纖對接準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，由光波折射率分布不均而產生的不合理浪費行為；而吸收損耗量則是指由光纖熔接機所吸收的光纖信號總量[8]。設ΔE表示光纖熔接機在單位時間內所接收的光纖信號傳輸總量，表示光功率特征，聯立上述物理量，可將本征因素求解表達式定義為：

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，y表示光纖信號傳輸系數，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定傳輸理論，所以在求解非本征因素時，人為規定光纖信號在光纖熔接機中的傳輸頻率與傳輸周期都不會發生改變[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大角度傳輸的情況，故而在對信號進行對準處理時，也就可以較好控制對接角度的數值水平[10]。設?表示光纖信號基頻系數，α、γ表示兩個不相等的光功率波動系數，聯立式（1），可將非本征因素求解表達式定義為：

隨著光功率數值的增大，光纖熔接機對于光纖信號的承載能力也會不斷增強，此時為實現對光纖信號的對準處理，應控制系數α的取值恒大于系數γ。

2 光纖熔接機光纖的對準與控制處理

2.1 纖芯邊緣追蹤

纖芯邊緣追蹤的目的是標記光纖熔接機輸出光纖信號的路徑節點，可以在初始信號集合中，建立完整的節點追蹤表達式，從而使得光纖熔接機設備能夠按照既定原則，實現對光纖信號的對準與控制處理[11]。為了在較短時間內完成對光纖纖芯的追蹤過程，應選擇一個較大的追蹤步長值指標l′，并以此為基礎，預測當前路徑節點與下一個路徑節點之間的物理間隔[12]。設n表示當前路徑節點標記系數，e0表示光纖信號的初始采集向量，εmin表示邊緣化指標的最小取值，εmax表示最大取值，聯立上述物理量，可將針對當前路徑節點的纖芯邊緣追蹤[13]表達式定義為：

在式（3）的基礎上，設un表示與當前路徑節點匹配的光纖信號傳輸賦值指標。

2.2 光纖擬合度

為精確地實現光纖對準與控制，需要將光纖擬合度指標控制在合理數值區間之內[14]。一般來說，光纖擬合度指標的取值越大，就表示光纖熔接機元件對于光纖信號的聚合處理能力越強。設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，ι表示光束聚合度參量的初始賦值。可將光纖擬合度求解表達式定義為：

在光纖信號傳輸頻率保持不變的情況下，光纖熔接機設備可以根據光纖擬合度指標取值，判斷待處理光纖信號之間的對準情況。

2.3 幾何對準系數

幾何對準系數作為一項控制性指標，決定了光纖熔接機設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，幾何對準系數求解結果受到光纖信號傳輸波長、信號對接向量兩項物理指標的同時影響。光纖信號傳輸波長常表示為f，對于光纖熔接機設備而言，該項物理系數屬于[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的賦值結果也不可能等于零。設jκ表示基于向量κ的光纖信號振蕩頻率，聯立上述物理量，可將幾何對準系數求解表達式定義為：

式中，λ1、λ2表示兩個隨機選取的光纖信號精準控制系數，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，聯合上述指標參量，實現光纖熔接機光纖對準控制方法的設計與應用。

3 實例分析

3.1 實驗準備

分別利用基于光功率探測的光纖熔接機光纖對準控制技術、基于預寫入標尺的光纖控制技術對光纖信號的對接行為進行監測，前者作為實驗組，后者作為對照組。

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

圖2 光纖信號圖像

圖3 反映了Fiber Coupling Effciency 軟件中的具體參數設置情況。

圖3 光纖熔接機檢測參數設置

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。由于光纖熔接機設備能夠適應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 數據處理與結果分析

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測準確性，在不考慮其他干擾條件的情況下，當光纖信號對接角度小于15°時，就表示光纖熔接機設備對于光纖信號對接行為的控制能力較強，此時光纖信號的傳輸功率也就不會出現過度損失的情況。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°，小于預設最大值15°；當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°，大于預設最大值15°，也遠高于實驗組數值水平。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，對準處理后信號傳輸波形與原傳輸波形具有明顯差異性。

4 結束語

該文設計光纖熔接機光纖對準控制技術，在光功率探測原則的基礎上，針對光纖信號結構進行細致分析，根據纖芯邊緣追蹤表達式，求解光纖擬合度指標、幾何對準參量的具體數值。實驗結果表明，應用所設計的對準控制方法，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，符合實際應用需求。