基于光功率探测的光纤熔接机光纤对准控制技术

张 鹏，冯 旭，李新强，徐炳辉，苏有斌，张 岩

（国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100）

光功率是指光纤信号在单位时间内所做的功，一般来说，光纤元件的光功率水平越高，就表示其对于光纤信号的承载能力越强[1]。光功率探测是检测光纤熔接机对于光纤信号处理能力的常用手段，其目的在于确定光纤信号在各个行为周期内的传输能力，从而使得主机元件能够准确掌握光纤信号的传输特性。与其他类型的光纤量测手段相比，光功率探测对于光纤信号传输行为的约束规则相对较少[2]。当信号输出节点与信号目标节点不在同一平面区域内时，光功率探测原则可以根据光纤传输信号变频指标的取值范围，判断该信号当前所处传输区间，再通过计算当前节点与中间过渡节点之间的横纵间隔，实现对光纤信号传输能力的准确度量[3]。

光纤熔接机也叫光缆熔接机，主要应用于光通信施工中的光缆维护与修复。一般工作原理是通过高压电弧的熔断作用，将两根独立光纤线缆融合成一根，从而为光纤信号提供稳定的模场耦合环境。对于光纤熔接机设备而言，如何将光纤信号准确对接起来，避免光功率过度损失的情况出现，已经成为了一项亟待解决的问题。文献[4]提出基于预写入标尺的光纤控制技术通过分析光纤信号刻写精度的方式，确定标尺波长与目标波长之间的关系，再根据脉冲波的频谱宽度水平，判断光纤熔接机元件是否能够承受光纤信号的脉冲击穿作用。然而此方法对于对接角度偏差程度的控制能力相对有限，其处理标准并不满足准确对接光纤信号的实际应用需求。针对上述问题，针对基于光功率探测的光纤熔接机光纤对准控制技术展开研究。

1 基于光功率探测的光纤熔接损耗量统计

基于光功率探测的光纤熔接损耗量统计需要根据光纤结构连接形式，求解本征因素指标、非本征因素指标的计算数值。

1.1 光纤结构

对于光纤熔接机元件而言，光纤结构是用来导光的透明状纤维介质[5]。为实现对光信号功率数值的准确探测，要求光纤熔接机元件内传输的光纤信号必须满足如图1 所示的结构要求。

如图1 所示，光纤芯层存在于光纤结构最内层，负责传导传输光波，可以直接与光纤熔接机元件的输入端接口相连[6]。包层存在于光纤芯层外部，可将外部光纤信号与光纤芯层内的传输光波隔离开来。涂敷层存在于光纤包层外部，涂敷层中包含大量折射率良好的光导纤维，可以将传输光波以光纤折射的形式，传输给光纤熔接机设备。保护套层存在于光纤结构最外层，具有较强的绝缘能力，可以避免光纤传输信号出现外泄情况[7]。

1.2 本征因素

在光功率探测原则的认知中，影响光纤熔接机光纤对接准确度的本征因素包含光纤信号的散射损耗量与吸收损耗量。所谓散射损耗是指在光纤信号的短波传输周期内，由光波折射率分布不均而产生的不合理浪费行为；而吸收损耗量则是指由光纤熔接机所吸收的光纤信号总量[8]。设ΔE表示光纤熔接机在单位时间内所接收的光纤信号传输总量，表示光功率特征，联立上述物理量，可将本征因素求解表达式定义为：

其中，p1表示光纤信号散射损耗量，p2表示光纤信号吸收损耗量，χ表示光功率探测系数，y表示光纤信号传输系数，β表示光纤信号的传输宽度，δ表示传输长度。求解光功率探测的本征因素表达式时，要求散射损耗量p1、吸收损耗量p2的取值不能同时为零。

1.3 非本征因素

由于光功率探测原则支持光纤信号的稳定传输理论，所以在求解非本征因素时，人为规定光纤信号在光纤熔接机中的传输频率与传输周期都不会发生改变[9]。与本征因素相比，在非本征因素条件作用下，光纤信号不再会出现大角度传输的情况，故而在对信号进行对准处理时，也就可以较好控制对接角度的数值水平[10]。设ϕ表示光纤信号基频系数，α、γ表示两个不相等的光功率波动系数，联立式（1），可将非本征因素求解表达式定义为：

随着光功率数值的增大，光纤熔接机对于光纤信号的承载能力也会不断增强，此时为实现对光纤信号的对准处理，应控制系数α的取值恒大于系数γ。

2 光纤熔接机光纤的对准与控制处理

2.1 纤芯边缘追踪

纤芯边缘追踪的目的是标记光纤熔接机输出光纤信号的路径节点，可以在初始信号集合中，建立完整的节点追踪表达式，从而使得光纤熔接机设备能够按照既定原则，实现对光纤信号的对准与控制处理[11]。为了在较短时间内完成对光纤纤芯的追踪过程，应选择一个较大的追踪步长值指标l′，并以此为基础，预测当前路径节点与下一个路径节点之间的物理间隔[12]。设n表示当前路径节点标记系数，e0表示光纤信号的初始采集向量，εmin表示边缘化指标的最小取值，εmax表示最大取值，联立上述物理量，可将针对当前路径节点的纤芯边缘追踪[13]表达式定义为：

在式（3）的基础上，设un表示与当前路径节点匹配的光纤信号传输赋值指标。

2.2 光纤拟合度

为精确地实现光纤对准与控制，需要将光纤拟合度指标控制在合理数值区间之内[14]。一般来说，光纤拟合度指标的取值越大，就表示光纤熔接机元件对于光纤信号的聚合处理能力越强。设d1,d2,…,dn,dn+1表示n+1 个单模光纤信号的传输直径，a1,a2,…,an,an+1分别表示不同传输直径条件下的光纤信号聚合系数，ι表示光束聚合度参量的初始赋值。可将光纤拟合度求解表达式定义为：

在光纤信号传输频率保持不变的情况下，光纤熔接机设备可以根据光纤拟合度指标取值，判断待处理光纤信号之间的对准情况。

2.3 几何对准系数

几何对准系数作为一项控制性指标，决定了光纤熔接机设备对于光纤信号的处理能力[15]。在不考虑其他干扰条件的情况下，几何对准系数求解结果受到光纤信号传输波长、信号对接向量两项物理指标的同时影响。光纤信号传输波长常表示为f，对于光纤熔接机设备而言，该项物理系数属于[1,+∞)。信号对接向量常表示为κ，由于光纤拟合度条件的取值不可能为零，所以对接向量κ的赋值结果也不可能等于零。设jκ表示基于向量κ的光纤信号振荡频率，联立上述物理量，可将几何对准系数求解表达式定义为：

式中，λ1、λ2表示两个随机选取的光纤信号精准控制系数，且λ1≠λ2的不等式条件恒成立[16]。在光功率探测原则的支持下，联合上述指标参量，实现光纤熔接机光纤对准控制方法的设计与应用。

3 实例分析

3.1 实验准备

分别利用基于光功率探测的光纤熔接机光纤对准控制技术、基于预写入标尺的光纤控制技术对光纤信号的对接行为进行监测，前者作为实验组，后者作为对照组。

以AI-7C/6C 型光纤熔接机设备作为实验对象，利用Fiber Coupling Effciency 软件对光纤信号进行捕获处理，如图2 所示。

图2 光纤信号图像

图3 反映了Fiber Coupling Effciency 软件中的具体参数设置情况。

图3 光纤熔接机检测参数设置

将采集到的光纤信号等分成两部分，其中一部分作为实验组信号源，另一部分作为对照组信号源。由于光纤熔接机设备能够适应光纤信号的变频传输行为，所以该实验过程中允许变频光纤信号的存在。

3.2 数据处理与结果分析

光纤信号对接角度偏差值可以用来描述所选控制方法对于光纤信号对接行为的监测准确性，在不考虑其他干扰条件的情况下，当光纤信号对接角度小于15°时，就表示光纤熔接机设备对于光纤信号对接行为的控制能力较强，此时光纤信号的传输功率也就不会出现过度损失的情况。表1 记录了实验组、对照组光纤信号对接角度偏差量的数值变化情况。

表1 光纤信号对接角度偏差值

分析表1 可知，当光纤信号传输频率等于30 Hz时，实验组信号对接角度偏差取得最大值14°，小于预设最大值15°；当光纤信号传输频率等于10、15、25、35、40 Hz 时，对照组信号对接角度偏差同时取得最大值25°，大于预设最大值15°，也远高于实验组数值水平。图4 为完成对接后的光纤信号图像。

图4 光纤信号对接图像

在图4 所示图像中，实验组光纤信号的对接完整程度较高，对准处理后信号传输波形与原传输波形并无明显差异性；对照组光纤信号的对接完整程度则相对较低，对准处理后信号传输波形与原传输波形具有明显差异性。

4 结束语

该文设计光纤熔接机光纤对准控制技术，在光功率探测原则的基础上，针对光纤信号结构进行细致分析，根据纤芯边缘追踪表达式，求解光纤拟合度指标、几何对准参量的具体数值。实验结果表明，应用所设计的对准控制方法，光纤信号对接角度的偏差情况得到了有效控制，能够避免光功率过度损失情况的出现，符合实际应用需求。