机载光纤总线修复质量评估方法研究.pdf

PAGE043实验与研究Experiment and Research随着武器装备信息化、智能化的不断发展，机载信息交互需求越来越高，光纤通信被普遍应用在航空电子武器系统中。通过分析机载光纤总线网络系统的关键参数，结合光纤总线各参数对任务系统的影响因子，构建了机载光纤总线修复质量评估指标体系，采用灰色关联度、熵权赋值等方法对质量进行评估，最后提出了机载光纤总线修复质量评估系统模型。With the continuous development of information and intelligence of weapons,there are increasing requirements for airborne information interaction,and optical fiber communication is widely used in avionics weapon system.By analyzing the key parameters of the airborne fiber bus network system and combining the impact factors of parameters of the optical fiber bus on the mission system,the airborne fiber bus repair quality evaluation index system was constructed,and the gray correlation degree and entropy weight assignment were used to evaluate the quality.Finally,the airborne fiber bus repair quality evaluation system model was proposed.光纤 修复质量 评估Optical fiber;repair quality;evaluationDoi:10.3969/j.issn.1673-5137.2024.01.004摘 要 Abstract关键词 Key Words0.引言机载光纤总线由于通信容量大、传输损耗小、抗电磁干扰强、体积小重量轻等优点越来越应用广泛，目前针对光纤光缆性能检测技术研究较多，通过对插损、回损、差损和线长等性能参数的测试能进行准确的检测和判断，机载光缆故障诊断技术也相对成熟。随着信息交互需求不断提升，机载总线网络系统越来越复杂，对数据传输的准确性和实时性要求也越来越高，且机载光纤总线具有分布广、损伤模式复杂、修复手段多的特点，机载光纤总线通信一旦出现故障，会严重影响飞机的作战效能。通过对机载光纤总线线缆损伤进行快速修复，并评价修复质量，对确保战机作战能力具有重要意义。1.光纤总线关键参数质量评估模型要对不同修复方法下的光纤修复质量进行检测，检测的指标包括光纤总线的几何特性、光学特性和传输特性1。1.1 几何特性测试这里介绍光纤的包层直径、包层不圆度、纤芯直径、纤芯不圆度、纤芯/包层同心度等几何特性的三种测试方法，包括：折射近场法、横向干涉法、近场光分布法。折射近场法是多模光纤和单模光纤折射率分布测定的基准试验方法（RTM），也是多模光纤尺寸参数测定的基准试验方法和单模光纤尺寸参数测定的替代试验方法（ATM）。折射近场测量是一种直接和精确的测量。它能直接测量光纤（纤芯和包层）横截面折射率变化，具有高分辨率，经定标可给出折射率绝对值。由折射率剖面图可确定多模光纤和单模光纤的几何参数及多模光纤的最大理论数值孔径。横向干涉法是折射率剖面和尺寸参数测定的替代试验方法（ATM）。横向干涉法采用干涉显微镜，在垂直于光纤试样轴线方向上照明试样，产生干涉条纹，通过视频检测和计算机处理获取折射率剖面。近场光分布法是多模光纤几何尺寸测定的替代试验方法（ATM）和单模光纤几何尺寸（除模场直径）测定的基准试验方法（RTM）。通过对被测光纤输出端面上近场光分布进行分析，确定光纤横截面几何尺寸参数，可以采用灰度法 机载光纤总线修复质量评估方法研究 刘坤朋1 周焕彩2（1.空军工程大学航空机务士官学校 河南 信阳 464000）（2.95703部队 云南 曲靖 655000）PAGE044实验与研究Experiment and Research和近场扫描法。灰度法用视频系统实现两维（x-y）近场扫描，近场扫描法只进行一维近场扫描。由于纤芯不圆度的影响，近场扫描法与灰度法得出的纤芯直径可能有差别。纤芯不圆度可以通过多轴扫描来确定。1.2 光学特性测试机载光纤总线的光学特性包括衰减、带宽、模场直径等参数。衰减是光纤中光功率减少量的一种度量，它取决于光纤的工作（波长）类型和长度，并受测量条件的影响2。通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，即衰减系数来反映光纤衰减性能的好坏。光纤总线修复后的衰减可按照以下规则进行计算。光纤衰减=光纤损耗系数（dB/km)光纤长度（km)；光纤链路衰减=光纤损耗+转接器损耗+光纤连接点损耗；连接衰减=器件损耗数量连接器数量；光纤连接衰减=损耗连接点数量连接点总数；熔接点衰减=熔接点衰减/个熔接点个数。光纤的带宽是一段光纤所能通过的最大调制频率脉冲的调制频率和光纤长度的乘积，是一个表征多模光纤光学特性的综合指标。而光在被测光纤中的传输速度是不变的，如果通过测试能测出通过瑞利散射回来的光脉冲与注入光脉冲的时间间隔，就可以测出光纤的长度，见公式（1），由此可见光纤测量存在误差的主要原因在于n与t存在误差。L=(c/nt)/2 （1）其中：L为光缆的长度；c为真空环境中光的传输效率；n为纤芯的光线折射率；t为光脉冲注入时间差、接收时间差；c/n为光脉冲在光纤中的传输效率。模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。它的标称值和容差大小与光纤的连接损耗和抗弯性有着密切的关系，而且可以从模场直径随波长的变化谱估算单模光纤的色散值、连接损耗、弯曲损耗和有效面积等。单模光纤的模场直径的测量方法有三种：直接远场扫描法、远场可变孔径法、近场扫描法。直接远场扫描法是测量单模光纤模场直径的基准试验方法（RTM）。它直接按照柏特曼（Petermann）远场定义，通过测量光纤远场辐射图计算出单模光纤的模场直径。远场可变孔径法是测量单模光纤模场直径的替代试验方法（ATM）。它通过测量光功率穿过不同尺寸孔径的两维远场图计算出单模光纤的模场直径，计算模场直径的数学基础是柏特曼远场定义。近场扫描法是测量单模光纤模场直径的替代试验方法（ATM）。它通过测量光纤径向近场图计算出单模光纤的模场直径，计算模场直径的数学基础是柏特曼远场定义。1.3 传输特性测试光纤总线的传输特性包括误码率、传输速率、插损、回损。误码率：中断业务检测，检测时向系统发送相应结构的伪随机码，然后在接收端口用误码仪检测。传输速率：数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为：Rmax=Blog2(1+S/N)，式中，Rmax单位为bps，带宽B单位为Hz，信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示。回波损耗：回波损耗主要是由电缆线路阻抗不符导致的。回波损耗值是传输端口反射功率与入射功率之间的比值，常用对数表示（负值）；当该值为正值时，即为发射损耗值。发射系数等于反射和入射波之间的比值；基于功率比等于电压比的平方值，由此可推出回波损耗与反射系数的关系见式（2）：ReturnLoss=20|log()|（2）其中：为反射系数。插入损耗：基于插入损耗是信号在接收端与发射端之间的衰减过程，大部分插入性损耗都是由功率损失导致的，且插入损耗量与发射器输入波长的值具有相关性，由此可以得出插入损耗的计算公式见式（3）：IL=-10log(P0/Pi)（3）其中：Pi表示输入端口发射光功率；P0表示输出端口发射光功率，单位（mw）或者用电压来计算见式（4）：IL=20log(U0/Ui)（4）其中：Ui表示输入端的电压信号；U0表示输出端的电压信号，单位（V）。2.光纤修复质量评估指标体系考虑到修复后机载光纤总线对任务系统的影响程度，确定机载光纤总线抢修质量评估指标3。选择光纤总线的几何特性、光学特性和传输特性三个2级指标，二级指标下11个三级指标，机载光纤总线抢修质量评估指标体系如图1：图1：机载光纤修复质量评估指标体系PAGE045实验与研究Experiment and Research对于指标权重的确定，为使各指标权重的确定脱离人为的主观性以及为克服模糊数学中相关隶属函数构造困难等问题,拟采用灰色关联度法及熵值赋权法。2.1 灰色关联度法灰色关联度分析法是一种多因素统计分析方法，它是以各因素的样本数据为依据用灰色关联度来描述因素间关系的强弱、大小和次序。若样本数据反映出的两因素变化的态势基本一致，则它们之间的关联度较大；反之，关联度较小。对于质量评估模型部分，主要是对修复后的光纤的物理特性进行评估4。在应用灰色关联度法评估时，首先要确定分析序列，将修复后的几何特性、光学特性和传输特性中包括的相关因素作为子序列，此处可以用修复后的光纤总线各项因素的测量值和标准值的差值作为子序列中的元素，将各项因素差值的总和作为参考序列（或最大值）；建立好原始数据矩阵后，对数据进行标准化，将每个序列求取平均值后，再把每个元素除以相应的平均值；最后计算各个因素和总体的关联程度，计算过程如式（5）所示：（5）即先求每个样本的差值的最大值和最小值，最后选出所有样本中的最大值和最小值，其中是分辨系数，一般取值为0.5。计算出系数后再取所有样本同一因素的平均值，就得到每个因素的关联度，由此就可以得到不同因素和总的差值相关程度的大小。2.2 熵值赋权法采用熵值赋权法用于确定各指标在光纤修复质量中的权重。熵权法的主要步骤为：首先进行数据标准化，就是将光纤质量的影响因素作为指标，假设为m个：X1,X2,Xm其中Xi =x1,x2,L,xn假设对各指标数据标准化后的值为Y1,Y2,Ym那么 （正向指标）（逆向指标）然后求各指标在各方案下的比值根据上式求得的比值，计算信息熵：之后确定各指标的权重：这里的k是指指标的个数，最后计算每个方案的综合评分：3.光纤修复质量评估系统构建机载光纤总线损伤修复质量评估系统主要实现以下功能：首先输入机载光纤总线损伤信息，输出损伤等级评定结果，并据此再从修复方法库（至少包含3种修复方法）中选取几种合适的修复方法；在采用不同修复方法实地修复之后，测量机载光纤总线的物理特性指标，使用多种评估方法（包括灰色关联度、密切值法和熵值赋权法等）对修复结果进行质量评估，再对比修复前后机载光纤的指标，评估机载光纤总线修复对任务的影响。基于该系统功能需求，其体系架构做如下设计：机载光纤修复质量评估系统质量评估系统包括五部分，分别是损伤信息输入模块、损伤等级评定、修复方法库、质量评估算法、系统管理。系统管理支持用户登录，登陆成功后可进入质量评估模块，首先输入损伤信息，设定输入的损伤信息分为五类，分别是机载光纤总线结构、损伤位置、损伤部位、损伤程度和损伤类型5；然后经过前向反馈神经网络运算后给出分类结果，即损伤等级评定，损伤评定结果设定为降级使用、降级修复、完全修复、不可修复四个等级，系统根据损伤评估等级从修复方法库中选择修复方法，该方法库包含经过试验验证过的冷接法、熔接法、跳线法等，系统依据不同修复方法下性能指标恢复程度，按照机载光纤总线修复后质量评估算法，得出修复质量，再根据修后评估结果与修复前指标对比，评估对系统任务能力产生的影响。其流程图如图2所示：图2：质量评估模块流程图PAGE046实验与研究Experiment and Research4.结束语通过对光纤修复质量评估系统的应用验证，表明该系统能够客观评价光纤总线修复质量，并得出对不同拓扑结构下的光纤总线网络系统的影响。系统采用科学的方法、充分的试验依据和有效的评价模型来快速评价光纤总线抢修效果，能够对抢修后的光纤总线线缆快速测试，对损伤线缆的抢修效果进行可靠的评价，并且该系统也可以推广应用到车载、舰载或者弹载等光纤通信网络系统的损伤修复质量评估中，尤其是在抢修时间紧迫，需要快速对修后质量进行评估的场景下，能够有效评价机载光纤总线线缆的抢修效果，确保抢修质量与可靠性。1 陈黎明.光纤的机械可靠性及寿命评估J.光通信研究，2016,(4):22-24.2 周游.基于光纤通道技术的航空数据整合系统研究J.测控技术，2012,(31):27-32.3 江洪.光缆接续中光纤熔接问题J.通信设计与应用，2015,(11):27-32.4 张国志.光纤熔接质量控制及OPGW故障分析J.电力系统通信，2008,(29):10-12.5 伊小素.机载光纤总线拓扑结构的性能研究J.通信技术，2020,(4):830-837.参考文献