(高清版)GBT 15972.20-2021 光纖試驗方法規(guī)范 第20部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序 光纖幾何參數(shù)

代替GB/T15972.20—2008光纖試驗方法規(guī)范第20部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序光纖幾何參數(shù)andtestprocedures—Fibregeometry,MOD)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會 I 13術(shù)語和定義、符號 3 5 5 6 6 610結(jié)果 6附錄A(規(guī)范性附錄)方法A——折射近場 7 附錄C(規(guī)范性附錄)邊緣檢測和邊表結(jié)構(gòu) 附錄D(規(guī)范性附錄)邊表的橢圓擬合和過濾 附錄E(資料性附錄)使用冪律模型擬合A1光纖纖芯的近場數(shù)據(jù) 附錄F(資料性附錄)A類光纖纖芯直徑的映射測試 I——第10部分：測量方法和試驗程序總則(對應(yīng)IEC60793-1-1);-—第20部分～第29部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序(對應(yīng)IEC60793-1-20至IEC60793-——第30部分～第39部分：機械性能的測量方法和試驗程序(對應(yīng)IEC60793-1-30至IEC60793-——第40部分～第49部分：傳輸特性的測量方法和試驗程序(對應(yīng)IEC60793-1-40至IEC60793-——第50部分～第59部分：環(huán)境性能的測量方法和試驗程序(對應(yīng)IEC60793-1-50至IEC60793-——第21部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序——第22部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序本部分為GB/T15972的第20部分。本部分代替GB/T15972.20—2008《光纖試驗方法規(guī)范第20部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序光纖幾何參數(shù)》,與GB/T15972.20—200——修改了術(shù)語和定義(見第3章，2008年版的第3章);——增加了符號(見第3章，2008年版的第3章);-—修改了方法A折射近場法和方法B傳輸近場法(見第4章、附錄A和附錄B,2008年版的第4章、附錄A和附錄C);——刪除了橫向干涉法和機械直徑法(見2008年版的第4章、附錄B和附錄D);版的第4章);——增加了A類光纖纖芯直徑的映射測試(見附錄F)。本部分與IEC60793-1-20:2014相比存在結(jié)構(gòu)變化，將第11章的內(nèi)容合并到第10章。和IEC60793-2-60?！獙?biāo)準(zhǔn)名稱修改為《光纖試驗方法規(guī)范第20部分：尺寸參數(shù)的測量方法和試驗程序光纖Ⅱ 12規(guī)范性引用文件GB/T15972.10光纖試驗方法規(guī)范第10部分：測量方法和試驗程序總則(GB/T15972.10-IEC61745光學(xué)纖維幾何參數(shù)測量裝置校準(zhǔn)端面影像分析程序(End-faceimageanalysisprocedureforthecalibrationofopticalfibregeom包層(或纖芯)邊界距離包層(或纖芯)中心的距離的最大值和最小值的差與包層(或纖芯)半徑的2I:一維或二維掃描的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)可以是折射率(方法A)或近場強度數(shù)據(jù)(方法B)一組數(shù)據(jù)的單3——方法A:折射近場法(見附錄A);——方法B:傳輸近場法(見附錄B),包括視頻灰度法和機械掃描法。方法A和方法B適用的參數(shù)如下：—纖芯不圓度(僅適用于A類光纖);本部分的第2章～第10章中給出了對上述兩種試驗方法共同的要求，而對每一種試驗方法的特定本部分定義的方法(方法A或方法B)描述了在與傳輸軸線垂直的平面中產(chǎn)生光纖圖像的方法。進(jìn)一步分析所得到的圖像(如附錄C,附錄D和附錄E所述),將圖像解析為光纖的幾何參數(shù)。方法A錄E描述了可用于A類光纖的纖芯的方法。44.3.2一維掃描的誤差來源掃弦取樣過程中，當(dāng)包層或纖芯中心不在采樣軸上時會產(chǎn)生誤差，如圖1所示，得到的測量直徑較實際直徑偏小。這是二階誤差。如果包層或纖芯不是圓形的，一維掃描不能完全描述包層或纖芯的形狀。在一個維度取樣通常會低估或高估包層或纖芯的平均直徑?？梢约僭O(shè)通過在兩個正交軸(即X和Y)上對包層或纖芯進(jìn)行取樣進(jìn)行糾正，但是一般來說，這是不夠的。如圖2所示。圖2掃描非圓形纖芯或包層圖2顯示了對于橢圓形包層或纖芯，當(dāng)在一個或兩個軸上采樣時產(chǎn)生的誤差。如圖2a)所示，橢圓的大直徑與X軸對齊，在這種情況下，只在X軸上進(jìn)行采樣得到的平均直徑將大于實際直徑，包層或纖芯的不圓度將被錯誤評估(同樣，僅在Y軸上進(jìn)行采樣得到的平均直徑將小于實際直徑)。如果在包層或纖芯的兩個軸上進(jìn)行采樣，則包層或纖芯平均直徑和不圓度可以得到更好的表征。如圖2b)所示，在兩個軸上采樣得到的直徑大致相同，如果同時進(jìn)行兩個軸的采樣得到的結(jié)果顯示包層或纖芯是圓形的。此時，轉(zhuǎn)動±45°角度再次進(jìn)行掃描可以發(fā)現(xiàn)包層或纖芯的不圓性，但是難點在于無法預(yù)先知道正5有關(guān)詳細(xì)信息見附錄D。型。附錄E描述了擬合包層或纖芯邊表(按附錄D所述確定)的方法。方法B中的視頻灰度法是測量所有適用范圍光纖的基準(zhǔn)試驗方法(RTM)。數(shù)據(jù)分析應(yīng)采用附錄和附錄B。A類光纖的K因子的描述見附錄C。6 7(規(guī)范性附錄)方法A——折射近場法的特定要求折射近場法直接測量光纖(纖芯和包層)橫截面折射率變化，經(jīng)定標(biāo)可給出折射率絕對值。折射近場法能得到單模光纖和多模光纖的折射率剖面。折射近場法通過在光纖端面上掃描光斑來確定光纖的相對折射率變化的徑向依賴性。如果可以產(chǎn)生理論光線，則可以通過將光線以大于光纖的最大數(shù)值孔徑的角度注入光纖并測量其出射角來檢測折射率的變化。由于不能產(chǎn)生理想的光線，并且由于光纖的物理尺寸為微米級，所以采用多角度束的射線積分近似的方法。具有大于光纖的數(shù)值孔徑的小光點以正常入射角掃描在光纖的端面上。然后，以大角度(即大于數(shù)值孔徑)對離開光纖的光錐進(jìn)行小范圍采樣。該采樣區(qū)域中的總功率為發(fā)射點徑向位置的函數(shù)。當(dāng)光穿過局部折射率有差異的光纖時，光會發(fā)生折射，出射角將會改變。穿過纖芯和包層的光線將比單一透過包層的光線以更小的角度離開光纖。由于僅對大角度光進(jìn)行采樣，纖芯區(qū)域的總檢測功率將低于包層。因此，給定掃描位置處的相對功率與該位置處的光纖折射率成正比。A.2.1典型裝置折射近場法原理示意圖和試驗裝置如圖A.1、圖A.2所示。Nou>Nou>ngd值孔徑滿注入)阻擋盤阻擋盤圖A.1折射近場法示意圖8光源A.2.3注入光學(xué)系統(tǒng)聚焦到光纖平坦的輸出端面上。光束光軸與光纖軸夾角應(yīng)在1°以內(nèi)。裝置的分辨率取決于聚焦光斑焦軸(Z)的分辨率應(yīng)確保光纖端面的對焦足夠清晰。其他兩個軸(X和Y)的分辨率應(yīng)小于聚焦光斑尺9A.3試樣在足夠覆蓋兩個軸的包層的范圍內(nèi)以柵格圖案掃描X和Y軸上的平臺。應(yīng)選擇掃描的徑向間距，——xi是收集的功率讀數(shù)對應(yīng)的X軸的點；儀表的△校準(zhǔn)因子K△。如果精確知道在測量波長和溫度下包層或匹配液的折射率，就可準(zhǔn)確確定絕對折射率n?和n?值。圖A.3和圖A.4顯示了A1類光纖典型的折射率剖面數(shù)據(jù)。圖A.4描述了折射率的灰度級，顏色率—0.005-A.6計算-—纖芯直徑(僅適用于A類光纖); —纖芯不圓度(僅適用于A類光纖);-—包層不圓度；傳輸近場法通過分析被測光纖端部橫截面上的位置函數(shù)光功率密度來確定A類多模光纖和B類、采用一維近場掃描法測試A類多模光纖的纖芯直徑。B.2.1典型裝置入光包層V>B.2.2.2照射纖芯的光源要求和A3類多模光纖的幾何尺寸。對于A4類多模應(yīng)采用中心波長650nm±10nm的光源。所有A類多注：纖芯幾何尺寸的中心波長以最新版A類光纖標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。B.2.2.3照射包層的光源要求B.2.3光纖固定和定位裝置PIN光電二極管和現(xiàn)代相機傳感器可滿足線性要求數(shù)字化(通常相機和數(shù)字化儀被組合成一個元件)。數(shù)字化輸出將是NRow行和Nca列上的近場強度I(r,c)的像素陣列。電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像傳感器都適用于此應(yīng)檢測器的有效孔徑應(yīng)滿足公式(B.1)。具有小的有效面積的檢測器(即與40X成像系統(tǒng)結(jié)合使用d——攝像機像元尺寸或視頻陣列檢測器基元(或針孔)尺寸，單位為微米(μm);M———光學(xué)系統(tǒng)的近似放大倍數(shù)；λ——最小的測量波長，單位為微米(μm);NA——測量A類光纖的纖芯直徑時被試光纖數(shù)值孔徑，或測量包層直徑時物鏡數(shù)值孔徑。系統(tǒng)放大倍率可以通過校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)得到。因為掃描系統(tǒng)(灰度顯微鏡中的像素間距或機械掃描儀的步長)也屬于系統(tǒng)放大的一部分，因此也應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。B.2.6.2視頻灰度法當(dāng)使用視頻灰度法時，選擇放大倍率以便傳感攝像機的面積被待測對象的圖像占據(jù)(如測量包層和纖芯時的光纖包層，或僅測量纖芯時的纖芯),確保有效像素大小滿足公式(B.1)的要求。X和Y軸都應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，這些校準(zhǔn)通常是獨立的。IEC61745提供了執(zhí)行校準(zhǔn)所需要的方法。所得到的校準(zhǔn)因子是Sx和Sy,單位為微米每像素(μm/PX)。使用機械掃描法時，選擇成像系統(tǒng)放大倍數(shù)和檢測器孔徑大小，以滿足公式(B.1)。掃描儀分辨率(最小步長)應(yīng)不大于檢測器孔徑直徑的一半。掃描儀應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。Sx校準(zhǔn)結(jié)果可以使用可溯源的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來獲得，如鍍鉻玻璃尺或點陣網(wǎng)格。如果使用掃描儀的兩個軸，則兩個軸都應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，得出兩個獨立因子Sx和Sy。B.2.7視頻圖像顯示器(視頻灰度法)應(yīng)采用視頻圖像顯示器顯示圖像。操作人員借助顯示器屏上的圖標(biāo)(例如十字游標(biāo))將被測試樣圖像置于中心?？刹捎糜嬎銠C控制的對準(zhǔn)和/或聚焦裝置。通常視頻圖像顯示器和計算機的顯示器是組合在一起的。使用電腦獲取數(shù)據(jù)，執(zhí)行分析并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報告。試樣端面應(yīng)清潔、光滑并垂直于光纖軸。測量包層時，端面傾斜角應(yīng)小于1°。端面損傷應(yīng)盡量避免，使對測量精度的影響最小。操作過程應(yīng)注意避免光纖過小的彎曲。除非另有說明，否則所有A類多模光纖的樣品長度應(yīng)為2m±0.2m,但對于Ala.1b,Ala.2b,Ala.3b(彎曲不敏感)子類多模光纖有爭議時參考樣品長度應(yīng)為100m±2m。常規(guī)測量允許使用更方便，更短的長度。當(dāng)指定2m以外的長度作為參考樣品長度時，應(yīng)建立2m的測量值與參考長度測量值的映射關(guān)系，詳細(xì)可參見附錄F。B類和C類單模光纖沒有長度限制。通?？梢允褂?m±0.2m的樣品長度。于倍率校準(zhǔn)參數(shù)Sx和Sy。B.4.2.2.1一維掃描圖B.4A1類光纖典型的柵格近場掃描圖B.5計算近場強度數(shù)據(jù)解析到幾何參數(shù)見附錄C、附錄D以及參見附錄E。B.6結(jié)果除了第10章中結(jié)果報告應(yīng)包括的內(nèi)容外，根據(jù)規(guī)范要求在報告中也應(yīng)包括探測器類型和孔徑大小(僅對機械掃描法)。由折射近場法或傳輸近場法的數(shù)據(jù)確定纖芯和包層的邊界輪廓(邊緣檢測),并進(jìn)一步得出光纖幾對于所有型號的光纖，纖芯的邊緣可由決策水平邊緣檢測技術(shù)計算(詳見C.2)。纖芯邊緣極限值決策水平邊緣檢測技術(shù)通過找到跨越觸發(fā)強度水平T的數(shù)據(jù)集中的點來定位邊緣。其中T由基由公式(C.1)和公式(C.2)表示：T=IBase十K(IMax—IBase)圖C.1中為典型的一維近場強度圖。包層被照射投下陰影，而纖芯沒有光照通基線強度水平，最上面的線為參考峰值水平，中間的線為決策水平(設(shè)定K為0.5或50%)。包層為穿式(C.5)。D=[62.38—(—62.64)]=125.02強度水平圖C.1典型的包層一維近場強度圖C.2.2A類多模光纖纖芯的參考水在C.2.1所示的樣例中，給出了參考水平。參考水平的估計對有效確定纖芯和包層的邊緣是非常一點小小的不同將會給檢測邊緣的測定帶來巨大的影響，見圖C.2。多模纖芯直徑通常用決策因子定對于A1和A4類光纖的纖芯直徑的測量，其默認(rèn)參考K因子為0.025(2.5%),對于A2和A3光纖其參考K因子為0.5(50%)。對于常規(guī)的測試，也可以使用其他的K值(其他纖芯的處理方法),非默認(rèn)參考K值可參見附錄F況下不重要，用纖芯區(qū)域的最大像素作為上參考水平也變的合理。采用C.2.2的方法確定基線參考水掃描可用，應(yīng)將他們的邊緣數(shù)據(jù)收集成一個C.3描述的邊表，此表同樣適用于附錄D中所介紹的橢圓容包括檢測到的邊緣數(shù)據(jù)(使用上面描述的決策水平邊緣檢測技術(shù)，或者用于包層的合適的過濾器檢測),并且描述了一個360°近似圓的閉合曲線。邊表的數(shù)據(jù)從附錄A和附錄B描述的折射或者傳輸近場數(shù)據(jù)中的二維原始光強數(shù)據(jù)中提取。邊表可通過整合不同角度下的柵格數(shù)據(jù)組或者多次單次掃描沒有光通過。為了構(gòu)建該圖的包層邊表，應(yīng)使用C.2中從多角度掃描得到邊表，并按照C.2所述處理每個掃描。將每一個檢測到的邊緣位置都以光纖旋據(jù)R為纖芯或包層左側(cè)與右側(cè)掃描的檢測邊緣。數(shù)據(jù)R有正負(fù)之分，左側(cè)邊緣將為負(fù)(在旋轉(zhuǎn)中心的X=Rycosφ……………(C.6)Yk=Rsing本附錄介紹邊表的橢圓擬合方法。纖芯和包層的邊表都適用于橢圓擬合ax2+2bxy+cy2+2dx+2fy+g=0x1=RMaiocos(θ)cos(φ)-RMinorsin(θ)siy′=RMaorcos(θ)sin(φ)+RNinorsin(O)c上面的每一個求和公式通過使用邊表內(nèi)X,有效的過濾或從擬合邊緣數(shù)據(jù)集的邊緣點中剔除由于端面切割不好導(dǎo)致的毛邊點(或諸如污物的的橢圓之間的距離d;c)當(dāng)Nbad大于邊表中的邊緣值數(shù)量的1%,需要對余下的邊緣重新擬合； 包層不圓度(%):200(RM一R)/包層直徑；本附錄通過用冪律模型定律對A1光纖纖芯的近場數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。傳輸近場及折射近場的數(shù)據(jù)也在E.3中描述的擬合方法需要有滿足兩個條零光強基線(在纖芯區(qū)域以外零光強)。附錄A柵格掃描的二維數(shù)據(jù)和附錄B視頻灰度技術(shù)都可以采用E.2.2中描述的方法進(jìn)行預(yù)處理。方法A及方法B得到的一維數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟按照E.2.3中的描述通過本方法可以將A1類多模光纖纖芯的二維圖像轉(zhuǎn)換成一維數(shù)據(jù)組，該數(shù)據(jù)組可以通過E.3中介紹的冪律定律進(jìn)行擬合。附錄B中描述的視頻灰度法獲取的視頻灰度圖像和附錄A的折射近場法T=0.1×(Pmax—Pmin)+Pmin……對厚度為2W(在沒有其他特殊情況下，W圖E.1濾鏡模型在圖E.1中提出了一種濾鏡模型。每一個正方形格子的元素為圖并且重疊部分的厚度為W。重疊部分用交叉陰影表示。變灰色的像素是將被平均到外環(huán)中的像素，因a)確定一個完整環(huán)的最大半徑。找出不會被圖像邊界截斷的擬合到圖像中的最大環(huán)。計算圖像Di=SxX?Dr=SyY?………(ED=min(D?,Dr,DI,DB)從所得到的四個參數(shù)中取最小距離D。通過公式(E.12)計算得到圓環(huán)的數(shù)量NR:b)分配和歸零三個求和數(shù)組Sr(0……NR),S?(0……NR)對于每個像素(行和列分別為r,c),執(zhí)行以下步驟。c)計算徑向坐標(biāo)，如公式(E.13)所示：d)計算圓環(huán)參數(shù)i,如公式(E.14)所示：e)如果i小于或等于Nr,則可歸納到環(huán)i和環(huán)i-1中，如公式(E.15)、公式(E.16)、公式(E.17)、公式(E.18)、公式(E.19)和公式(E.20)所示：Sk(i)=Sr(i)+RS?(i)=S?(i)+I(r,c)SN(i)=SN(i)+1Sr(i—1)=Sr(i—1)+RS?(i—1)=S?(i—1)+I(r,c)SN(i—1)=SN(i—1)+1……………這種雙重歸納的方法可以讓重疊的圓環(huán)更為光滑。f)通過計算每個環(huán)的平均半徑和平均強度，計算得到每個環(huán)的參數(shù)函數(shù)對(其中i是參數(shù)),如公式(E.21)和公式(E.22)所示：根據(jù)攝像機的分辨率和所選擇的環(huán)厚度，某些內(nèi)環(huán)可能不包含像素，因此相應(yīng)的S、值將為零。處于這種情況下環(huán)將會被排除，隨后的數(shù)組元素發(fā)生遞增，Nr應(yīng)遞減。相鄰的兩個或更多個環(huán)可能具有相同的R值(或幾乎相同，例如在0.01mm內(nèi))。在這些情況下，這些相鄰環(huán)中的半徑和強度應(yīng)被平均，并且由一個具有平均半徑和平均強度的環(huán)取代，相應(yīng)的Nk值發(fā)生適當(dāng)遞減。E.2.3一維近場數(shù)據(jù)的預(yù)處理E.2.3.1概述A1類光纖一維近場纖芯數(shù)據(jù)可通過折射近場法、機械掃描法的單線掃描得到或通過視頻灰度法獨立視頻線獲得。通常，該數(shù)據(jù)組成包括左右兩側(cè)，如在單線和視頻線中存在強度數(shù)據(jù)為負(fù)半徑和正半徑。在E.3中描述的擬合過程僅使用正半徑，因此需要找到數(shù)據(jù)的中心來確定R=0的位置。一旦確定中心點，那么徑向位置中心將被重新確定。然后，要么將數(shù)據(jù)圍繞中心點折疊對稱(通過反射的方法將左側(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到右側(cè)),或者提取一端的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。通常將數(shù)據(jù)進(jìn)行折疊對稱使用更廣。如000圖E.2典型的視頻線一維近場預(yù)處理圖輸入數(shù)據(jù)為N個數(shù)據(jù)對R,I。E.2.3.2確定中心通過半徑求出測量剖面的中心來計算近場中心。為了計算出中心點，需要首先找到測試剖面中最強與最弱的兩點Pmax和Pmin,然后計算T值，如公式(E.23)所示。T=0.1(Pmax—Pmin)+Pmin……(E.23)對所有的剖面進(jìn)行公式(E.24)和公式(E.25)求和公式的計算，排除圖象中數(shù)據(jù)強度小于T的值。E.2.3.3折疊剖面一旦中心點得到確定，折疊剖面就很簡單，如公式(E.27)所示。數(shù)據(jù)被折疊后，對不斷增大的R值的數(shù)據(jù)組進(jìn)行排序就非常方便，這樣就避免了擬合算法的其余部分復(fù)雜化。E.2.4基線扣除通常計算出徑向函數(shù)，在纖芯區(qū)域外的Np'函數(shù)將有一個非零值，這個值我們稱為基線或B。這個B值來源于視頻黑暗的信號、亮包層、非零包層折射率或者其他原因。為了更好的對D.3中的擬合操作進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，要扣除基線。一種方法是對徑向范圍在0.575～0.6倍標(biāo)稱纖芯直徑的NF'通過平均計算得到B?；€扣除的計算如公式(E.28)所示：a——冪律形狀因子；最大值的10%和80%的數(shù)據(jù)組。限制擬合區(qū)域的原因有兩如公式(E.30)所描述的，通過不斷增大R并排除低于80%限制的接近纖芯部分的數(shù)據(jù)組來確定數(shù)在公式(E.30)中為求得S的最小值需要非線性方程求解技術(shù)，擬合參數(shù)Io,α和a是具有相關(guān)性(E.29)表示為公式(