王偉 宋威 朱玉龍

（中國(guó)人民解放軍31401 部隊(duì) 黑龍江省哈爾濱市 150001）

1 引言

目前，通信光纜自然故障大部分是光纜纖芯單斷故障，而光纜纖芯單斷故障八成發(fā)生在光纜接續(xù)盒處。按照光纜線路的建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，光纜線路每2-3 公里會(huì)有一個(gè)光纜接續(xù)盒，成為光纜線路自然障礙的主要矛盾點(diǎn)和聚集點(diǎn)。受地形形勢(shì)、雨季氣候等因素影響，光纜線路上的接續(xù)盒因?yàn)槊芊獠粐?yán)、年久老化、地質(zhì)應(yīng)力、工程遺留等問(wèn)題造成接續(xù)盒進(jìn)水，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼大量產(chǎn)生，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)阻斷。雖然有的當(dāng)時(shí)影響不大，但到冬季結(jié)冰或春季解凍后，因進(jìn)水結(jié)冰腔體變化擠壓扭曲光纖，導(dǎo)致接續(xù)盒內(nèi)光纖芯發(fā)生曲率變化，形成大衰耗點(diǎn)，進(jìn)而出現(xiàn)單芯斷裂，甚至陸續(xù)造成全部光纖斷裂，導(dǎo)致通信系統(tǒng)阻斷問(wèn)題發(fā)生，成為日常一線光纜線路系統(tǒng)維護(hù)的痛點(diǎn)、堵點(diǎn)和難點(diǎn)，成為光纖通信網(wǎng)高效可靠運(yùn)行和提升可通率的瓶頸，問(wèn)題亟待解決，通信需要求現(xiàn)實(shí)且緊迫。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究的現(xiàn)狀

因光纜接續(xù)盒浸水而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸質(zhì)量下降，是光纜傳輸網(wǎng)中的常見(jiàn)故障，也是一直困擾著光纜日常運(yùn)維和巡修維護(hù)的難題。水進(jìn)入光纜接續(xù)盒后，在短期內(nèi)會(huì)使光纖的涂覆層脫落，機(jī)械強(qiáng)度降低，如長(zhǎng)期得不到處理的話，所浸入的水就會(huì)在光纜的金屬護(hù)層及金屬加強(qiáng)芯間發(fā)生電離，電解為H2 分子和OH-離子。其中，H2分子易于產(chǎn)生紅外吸收而造成光纖內(nèi)光信號(hào)的衰減；OH-離子則易于引起光纖的化學(xué)衰減，改變光纖的物理結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣溫降至零度以下的時(shí)候，將會(huì)導(dǎo)致接續(xù)盒內(nèi)的浸水結(jié)冰, 由于結(jié)冰脹將光纖彎曲度變大, 造成的纖芯大損耗、斷纖等維護(hù)不良障礙，嚴(yán)重影響光信號(hào)的正常傳輸。因此如何發(fā)現(xiàn)和預(yù)防光纜接續(xù)盒內(nèi)浸水結(jié)冰損壞纖芯，對(duì)光纜接續(xù)盒密封性能實(shí)施有效監(jiān)測(cè)，已成為通信維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)光纜接續(xù)盒進(jìn)水結(jié)冰損壞光纖的應(yīng)對(duì)處置方法研究，主要有以下幾種：

（1）國(guó)外早期研究的光纜金屬外護(hù)套監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)光纜金屬外護(hù)套實(shí)現(xiàn)對(duì)接續(xù)盒的內(nèi)環(huán)境進(jìn)監(jiān)測(cè)。基本思路是通過(guò)光纜金屬護(hù)套，遠(yuǎn)程測(cè)試接續(xù)盒金屬監(jiān)測(cè)線的對(duì)地絕緣電阻，來(lái)判斷與之相連的光纜接續(xù)盒是否受潮浸水。由于在實(shí)際的光纜施工中，光纜外護(hù)套多處多點(diǎn)損傷較為普遍，造成對(duì)地絕緣電阻測(cè)試誤差較大，根本無(wú)沒(méi)判斷進(jìn)水接頭盒的位置，沒(méi)有較為成功的實(shí)際應(yīng)用。

（2）國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)單位在日常光纜維護(hù)維修上，通常是定期或不定期對(duì)備用光纖進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比中繼段內(nèi)備用光纖各熔接點(diǎn)的損耗變化量，來(lái)判斷光纜接續(xù)盒是否進(jìn)水甚至結(jié)冰的衰耗變化。由于這種方法是被動(dòng)防護(hù)，只有在光纜接續(xù)盒進(jìn)水嚴(yán)重甚至結(jié)冰損壞纖芯后才能發(fā)現(xiàn)，甚至出現(xiàn)在用業(yè)務(wù)纖芯阻斷但備用纖芯良好不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。一些通過(guò)光纖反射測(cè)試曲線發(fā)現(xiàn)的光纜接續(xù)盒大衰耗點(diǎn)，由于竣工資料里程和實(shí)際地理位置千差萬(wàn)別，在實(shí)際維搶修工作中，現(xiàn)場(chǎng)尋找和判斷故障點(diǎn)卻往往耗時(shí)費(fèi)力，事倍功半。

（3）在基層的值勤維修工作中，為防止光纜接續(xù)盒進(jìn)水結(jié)冰損壞纖芯，北方的線路維護(hù)單位，也有通過(guò)電容凡士林膠對(duì)接頭盒進(jìn)行再次密封的實(shí)際應(yīng)用，只能短期提高接續(xù)盒的密封性能，也有將接續(xù)盒深埋在凍層以下，在接頭點(diǎn)砌手孔排水，或者在接續(xù)盒內(nèi)填裝聚丙烯類樹(shù)脂材料吸水等方式，大都是治標(biāo)不治本。

目前我們還沒(méi)有成熟的應(yīng)用，可以有效解決光纜接頭盒內(nèi)進(jìn)水結(jié)冰遙感預(yù)判問(wèn)題。

3 設(shè)計(jì)技術(shù)分析

光纖接續(xù)盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器、測(cè)量電路置于盒體內(nèi)部，無(wú)線充電能量接收線圈與無(wú)線通信的天線或集束電纜引出盒內(nèi)，置于內(nèi)空塑鋼標(biāo)石頂蓋處。低溫鋰電池可置于盒內(nèi)或內(nèi)空塑鋼標(biāo)石頂蓋處。

圖1：光纜接續(xù)盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.1 超低溫鋰電池的充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

一般集成電路獨(dú)立工作時(shí)需要有單獨(dú)的供電能源，因此其電源模塊的可靠性尤為重要，下面對(duì)電源模塊智能充放電進(jìn)行設(shè)計(jì)。其充放電電路如圖2所示。充電管理模塊設(shè)計(jì)充電電路采用鋰電池充電管理芯片BQ2057。圖2 中CVDDB 是電池的電壓，C1、C2、C3都是退偶電容，保證芯片的輸入和輸出電壓穩(wěn)定。12 V 為電源供電電壓，也是BQ2057 的VCC。如圖3所示，TS 引腳延伸出來(lái)的電路，NTC 型熱敏電阻與RT2 并聯(lián)，并聯(lián)后再和RT1 一起串聯(lián)接入VCC 和GND 之間，此時(shí)TS 腳和GND 之間的電壓VTS 等于熱敏電阻的電壓，電壓值會(huì)隨溫度變化而變化，而TS 引腳檢測(cè)VTS 值的變化并反饋給芯片，芯片判斷VTS 是否在預(yù)設(shè)的上下限(VTS1、VTS2)電壓值內(nèi)，只有VTS1>VTS>VTS2 時(shí)，芯片才允許對(duì)電池充電。

圖2：智能充放電電路圖

圖3：TS 腳測(cè)溫等效電路圖

3.2 無(wú)線充電裝置設(shè)計(jì)分析

發(fā)射模塊主要由功率放大電路、振蕩電路和耦合線圈三部分組成。功率放大器可以向負(fù)載輸出大功率信號(hào)，本項(xiàng)目選擇功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管電路，如圖4所示。

圖4：功率場(chǎng)效應(yīng)管電路

振蕩電路采用NE555 構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器。輸出PWM波驅(qū)動(dòng)MOS 開(kāi)關(guān)。NE555 工作在振蕩狀態(tài)下，根據(jù)自身激勵(lì)，在高輸出水平和低輸出水平兩種狀態(tài)下來(lái)回切換。發(fā)射電路如圖5所示。接收電路需考慮鋰電池充電時(shí)的電壓穩(wěn)定性限定，避免充電過(guò)程中過(guò)電流和過(guò)充電。因此選用圖6所示接收電路。

圖5：無(wú)線電能傳輸發(fā)射電路

圖6：無(wú)線電能傳輸接收電路

3.3 溫濕度測(cè)量設(shè)計(jì)分析

溫度傳感器：溫度測(cè)量擬采用采用接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。具體測(cè)溫方式視測(cè)量條件而定，若測(cè)溫點(diǎn)處材料表面平整，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)可以用接觸式溫度測(cè)量。若測(cè)溫點(diǎn)處材料表面不平整或震動(dòng)較強(qiáng)，則測(cè)溫節(jié)點(diǎn)用非接觸式溫度測(cè)量。系統(tǒng)對(duì)溫度要求為：精度±0.5°C，誤差范圍在1.5%，檢測(cè)范圍為-40°C 至60°C。

環(huán)境濕度傳感器：定時(shí)采集環(huán)境中濕度值，配合水浸傳感器對(duì)漏水、水浸等異常進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)。課題初步擬采用Sensirion 的SHT11 型數(shù)字式溫濕度傳感器，該芯片可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)后的數(shù)字信號(hào)輸出，測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)并支持CRC 傳輸校驗(yàn)，功耗低，響應(yīng)時(shí)間短，傳輸可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量誤差小。SHT11 溫濕度傳感器的濕度測(cè)量范圍為0%RH 至100%RH，測(cè)濕精度高達(dá)±3.5%RH,測(cè)濕分辨率可達(dá)0.3%RH，其溫度的測(cè)量范圍為-40℃至80℃，在25℃時(shí)，測(cè)溫精度可達(dá)±0.5℃，測(cè)溫分辨率達(dá)0.1℃。

3.4 地下數(shù)采裝置與地面手持設(shè)備設(shè)計(jì)分析

微控制器負(fù)責(zé)控制各個(gè)模塊并且對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行處理。根據(jù)總體設(shè)計(jì)相關(guān)要求，地面手持設(shè)備微控制器的型號(hào)擬采用STM32L152CBT6。微控制器及其外圍電路如圖7所示。其中C7-C13 為STM32L152CBT6 的電源引腳的濾波電容。J4 為SWD 調(diào)試的接口，用于連接JLINK。J5 為UART1 接口，用于調(diào)試。Y1 為32.768kHz 的晶振，與C4、C5 構(gòu)成晶振電路，為微控制器提供低速時(shí)鐘信號(hào)。微控制器高速時(shí)鐘信號(hào)使用的是內(nèi)部的RC 振蕩電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。K1 用于給微控制器發(fā)送復(fù)位信號(hào)。

圖7：手持端微控制器電路

地下數(shù)采裝置擬采用STC89C52 單片機(jī)擔(dān)當(dāng)主控芯片，如圖8所示。通過(guò)單總線通信方式與溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，主要完成的功能是對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)采集、報(bào)警、數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，其優(yōu)點(diǎn)在于線路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，誤差小，抗干擾性強(qiáng)，體積小，實(shí)用性強(qiáng)。

圖8：地下數(shù)采端電路

4 結(jié)論

光纜接頭盒進(jìn)水預(yù)判裝置設(shè)計(jì)研究，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)接續(xù)盒內(nèi)微環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的有效傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸信息的有效預(yù)警，可以有效解決光纜網(wǎng)接續(xù)盒進(jìn)水結(jié)冰造成的光纖損害。日常維護(hù)人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，提前介入對(duì)接續(xù)盒進(jìn)行割接處理，由此避免因通信阻斷，有效解決冬春季特別是北方嚴(yán)寒冬季，挖掘和處理接續(xù)盒故障超常困難的問(wèn)題，提升一線光纜線路維護(hù)效率，提升光纜網(wǎng)可通率。