张宇

摘  要： 随着科学技术的进步，海洋经济成了各国经济发展的关键发展项目。在此过程当中，海底光缆的应用十分广泛，在海上风电、岛屿开发以及石油平台等多种海上项目都需要海底光缆的应用。海底具有较地底更为复杂的环境，如何保证海底光缆安全运行，实时监测海底光缆动态，定位光缆故障点，成为亟须解决的问题。通过分布式光纤振动传感器，借助Φ?OTDR技术，设计海底光电复合缆的监测系统。最终借助时空谱图进行故障点与非故障点的信号变化表征，实现海底光缆故障点的实时监测与定位。

关键词： 海底光缆; 光缆监测; 系统设计; 分布式光纤振动传感器; 故障点识别; 定位监测

中图分类号： TN818?34                             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）22?0030?06

Abstract： With the progress of science and technology， marine economy has become a key development project for the economic development of all countries. In this process， the application of submarine optical cable is very extensive， which is needed in various offshore projects such as offshore wind power， island development and oil platform. The seabed has a more complex environment than the underground. How to ensure the safe operation of the submarine optical cable， real?time monitoring the dynamic of the submarine optical cable， and positioning the failure point of the optical cable have become an urgent problem to be solved. The monitoring system of submarine photoelectric composite cable is designed by means of the Φ?OTDR technology and the distributed optical fiber vibration sensor. The signal changes of fault points and non fault points are represented by means of the time?space spectrum， so as to realize the real?time monitoring and positioning of the fault points of submarine optical cable.

Keywords： submarine optical cable; optical cable monitoring; system design; distributed optical fiber vibration sensor; fault point identification; position monitoring

0  引  言

在海洋经济不断发展的过程当中，海底电缆的应用成为其关键的组成部分。保证海底电缆正常运行的首要前提是绝缘。海底电缆的绝缘材料通常采用交联聚乙烯支撑，使用到一定的市场，会发生电树或者是水树等各种劣化，在其绝缘击穿之后，会造成电缆的故障。通过分布式光纤传感振动系统，结合Φ?OTDR技术，进行海底光电复合缆人为故障点的试验，以期探究出能够对海底光电复合缆进行实时地故障点定位监测的方案。

1  光纤传感器简述

1.1  光纤传感器的构成

光纤传感器，即以光纤为介质将光束进行相对距离的传播，并传输到对应的调制器，在调制器当中，以外界所需测量参数为基本参照，进行对应的光信号的调制，而后经由解调器将其发射得到对应的测量参数[1]。通常来说，光纤传感器的组成部分包括光的解调器以及调制器、光探测器、入射光纤、光源以及出射光纤。光导纤维也即光纤，是主要的光传导工具，是以塑料或者玻璃为原料制成的纤维[2]。光导纤维的主要构成成分为包层以及纤芯。通常纤芯的折射率要高于包层的折射率。光在光纤当中的传播主要是依据光的全反射原理。同时，光纤传感器的实现是以光弹效应为基础依据[3]。光弹效应也即由于介质当中存在应力波时，介质的光折射率或者介电常数受其影响而改变，导致光的传播特性由此而改变。

1.2  光纤传感器的传感原理

基于光弹效应，当如压力、温度等外界因素介入时，光纤中所传输光的性质会以一定的规律发生变化[4]。若光纤对应的长度为N，则出射光波的对应相位可以表示为：

在光纤参数不变的前提下，[P11]，[P12]，n以及[β]作为常量保持不变，相位角的变化量[Δφ]只受压力M的影响，也即[Δφ∝M]。由此表达式可以实现光学参量以及力学参量的相互转化，做出精准的外界应力测量，达到对应的光纤振动传感。

通俗来说，光纤传感器就是将光源所发射光纤经由光纤输送到调制器[6]。同时，受外界测量参量应力影响，使得所传输光纤某些参数发生对应的变化，而后通过解调器对处理后的信号光进行解调，在解调器分析处理之后，得到对应的外界测量参量。依据这一基本原理，光纤传感器可以概括成两类：一类光纤传感器在能够通过自身对外界信息做出反应的同时，也能够作为传输介质，通过光的传输信息，这类传感器集“传”和“感”的功能于一身，称为传感型的光纤传感器;另一类传感器不能够直接感知外界信息，需要通过外部补偿器件实现对应功能，传感器本身仅实现媒介作用，此类传感器称为传光型的光纤传感器[7]。两种传感器在一同具备媒介作用的同时，由于其功能的不同产生了对应的区别。主要区别在于传感型传感器由于自身对外界信息的感知作用，能够进行相应的调制作用并且是连续的;传光型传感器由于需要外部功能性元件的介入才能实现对应的传感功能，因此不表现出连续性。

1.3  分布式光纖传感器简述

分布式光纤传感器以光纤在三维空间上表现出来的空间特性为基础依据，其主要传感原理是通过实时连续地对光纤线缆附近的外界参量进行测量，在此过程中，所测量物理参量作为光纤的位置长度所对应的函数。通过测量及分析，获得外界参量的实时变化和三维空间当中的分布形式[8]。具体来讲，分布式光纤传感系统以监测区域为基础依据划分，可以分为全分布式和准分布式两类。在准分布式当中，光纤不实现传感功能，仅执行传光功能。准分布式光纤传感器通过耦合器将多个独立光纤传感器串联或者并联到一根光纤，借助计算机技术以及对应的光电探测器对解调信号进行分析处理，以此得到监测范围内所测参量的空间状态分布。其主要原理如图1所示。准分布式光纤传感器对于空间当中不同分布的外界测量函数进行测量时，具备较强的准确性，能够更好地分析其对应的状态信息。其缺点是由于其自身结构复杂使得探测范围受到一定限制，在具体探测当中仍然存在一定的盲区，往往需要进行多个传感器间的相互耦合，因此存在投资成本相对较高，结构繁复等缺点[9]。

全分布式传感器将整个系统集中到一个传感型的光纤传感器上，光纤隔断在作为信息传输的媒介的同时，也能够被看作独立的感应器件使用。因此，全分布式光纤传感器相比于准分布式光纤传感器来说，不存在所谓的检测盲区，监测范围更广，并且兼具传感功能。在投资成本上，由于系统集中在一个光纤上，因此投资成本相对来说要低很多。鉴于此，全分布式传感器的适用范围更为广泛。全分布式传感器的主要原理结构如图2所示。

光纤在传输光的过程中，会产生光的散射，其产生主要的三种散射分别是布里渊散射、拉曼散射以及瑞利散射[10]，其散射示意如图3所示。对系统用到的瑞利散射进行简要介绍。瑞利散射也即分子散射，在分布式光纤系统中，它是由光纤本身所产生的一种特质。光纤材料无法做到长度范围内的绝对均匀，因此光线的折射率并非绝对的，而是在特定范围内无规则变化的。瑞利散射也因此产生。瑞利散射是光纤材料与光波之间相互作用所得的弹性散射，因此不发生对应的频移变化。

2  Φ?OTDR技术简述

2.1  Φ?OTDR技术基本原理简述

Φ?OTDR技术首先向分布式光纤振动传感器的光纤中打入脉冲光，而后通过光电探测器对脉冲光经由光纤所过位置进行对应的瑞利散射的探测。与传统的OTDR技术不同的是，Φ?OTDR技术所用的光源探测器是窄线宽形式的激光器，其相关性很强，因此其响应能力更强，灵敏度更高[11]。

对Φ?OTDR技术基本原理的阐述，借助其离散数学模型来完成。在图4中，将整体分布式传感光纤长度设置为D，并将长度为D的光纤均匀分为Q段，各段长度为[ΔD=DQ]，同时各段长度应当保证与脉冲宽度的一致。在离散数学模型中，由Q个反射镜形成对应的后向散射过程，当脉冲光传输到各个反射镜中时，总有能够反射到入射点的一部分光，经过Q个反射镜反射之后，各反射镜能够被看作各小段，也即[ΔD]当中各零散散射体相对应的矢量和。由于后向散射光的相位和幅值在分布上的随机性，零散散射体的矢量和在复平面内随机分布。

若[ΔD]长度范围内的光纤存在P个在分布上相互独立、均匀且随机的散射体，同时其偏振态相同时，n段长度范围内光纤当中P个散射体所对应的场矢量和可以用以下表达式求出。

式中，脉冲光对应脉冲宽度第n段长度范围的光纤中的P个散射体的幅值矢量和用[rn]表示，其相位矢量和用[φn]表示;[ΔD]长度范围内光纤的第a个散射体的幅值用[ca]表示，相位值用[Ωa]表示。[Ωa]和[ca]相互独立，同时[rn]，[φn]，[Ωa]，[ca]均定义为随机变量，同时对于任何第a个散射体，各变量的分布均相同，在[-π，π]上，[Ωa]满足均匀分布。因此，对于Q个反射镜相位[φ]以及反射率r对应概率密度函数的算式可表示为：

式中，[σ2]是约为[10-72]的常量。不难发现相位[φ]以及反射率r同时满足均匀分布以及瑞利分布。第n段长度范围内光纤的后向散射受入射光强相干光的影响，会产生相互间的干涉，叠加后场强表达式为：

式中：入射脉冲光所对应的电场用[E0]表示;光纤传感器所对应的损耗系数用[α]表示。若各散射体对应的幅值均为a，则后向散射光由光电探测器所探测出的干涉强度可表示如下：

通过上述表达式，能够通过对后向散射对应的光强变化，探测出光纤在外界应力影响下的相位变化。

2.2  Φ?OTDR技术的主要性能参数简述

2.2.1  灵敏度

Φ?OTDR技术的灵敏度体现在Φ?OTDR系统对于外界的扰动因素的反应能力上。决定Φ?OTDR技术灵敏度的主要因素是对应的光源线宽，越窄的线宽决定了激光光源更好的相干性[12]，使得Φ?OTDR技术对外界干扰因素的反应能力更好。传统的OTDR系统探测光源为宽带光源，线宽不够窄，无法满足对于干涉光强的测量精度，不能进行一些微弱扰动的测量。从这一角度来看，Φ?OTDR技术具有更好的测量灵敏度。

2.2.2  空间分辨率

Φ?OTDR技术所对应的空间分辨率，同时是指当散射功率在[110～910]这段区间内所对应的光纤长度，也即表征了对两个扰动时间进行分辨的最小距离。Φ?OTDR技术的区间分辨率在很大程度上决定了其在空间分布分析上的准确度以及定位精度。通常影响空间分辨率的主要因素为光脉冲信号所对应的脉冲宽度。同时，空间分辨率也受数据采集卡本身的采样率以及光电探测器所对应的响应速率以及探测的带宽的影响。

2.2.3  动态范围

在Φ?OTDR技术当中，动态范围是其关键的性能指标之一[13]。动态范围是指噪声的初始功率以及后向瑞利散射光相互间的差值。不仅最大测量距离由动态范围决定，同时动态范围对可测的最大的光衰减信息做出描述。从某种程度上来说，动态范围的大小决定了系统传感距离的长短。对动态范围进行提高的方式主要有以下几种：一是将系统的信噪比进行进一步的提高;二是对探测脉冲光相应的功率进行提高;三是使光电探测器具有更好的灵敏度。

3  海底光电复合缆监测系统设计

海底光电复合缆监测系统主要通过绝缘击穿进行试验，从而对海底光电复合缆的故障点进行监测和定位。结合分布式光纤振动传感器，对故障点发生故障前与故障后的信号进行测量，并进行对应的时频分析，实现故障点的定位与监测。

3.1  组织监测试验

对于海底光电复合缆的监测，主要是对故障点的监测。通过冲击电压产生的高压脉冲来测量故障点与非故障点的不同表征。在此次监测试验中，所采用的冲击电压为3 000 kV/600 kJ。模拟实验中采用220 kV长度为50 m的光电复合缆进行实况模拟。首先将光电复合缆以及冲击电压的发生装置通过铜线进行连接，光电复合缆的终端接地。同时在相隔左端10 m处进行故障点的设置。具體电气连接如图5所示。

分布式光纤振动传感器熔接连在复合缆光纤与普通光缆之间。同时在复合缆光纤终点处熔接尾部光纤，目的是避免复合缆终点断面发生反射，造成测量误差。分布式光纤振动的测量装置采用5 m/点的空间采样率，其具体测量装置布置如图6所示。由于海底光电复合缆内的复合光纤为绞缠结构，因此在图6中，27点与39点之间的距离为60 m，大于复合缆长度。

复合缆现场布置情况如图7所示，复合缆在绝缘地面放置，复合缆始端进行高度为1 m的悬空放置。人为故障点的制造如图8所示，通过螺丝钉钉入的方式进行人为故障操作。

3.2  具体实验步骤

3.2.1  测试击穿电压

直流海缆所使用的XLPE电缆的绝缘耐压水平通过北欧化工手册查得，其在均匀电场当中的具体测量数值为30 kV/mm（50 Hz）。在实验当中，海缆绝缘电场不均匀，同时高压电场由电脉冲产生，故障点是人为制造，因此不能较为直接地确定击穿电压。击穿电压通过以下方法确定，首先将脉冲宽度固定为1 800 [μs]，而后不断升高脉冲电压，直到发生电压击穿。经试验验证，当脉冲电压叠加到240 V时，达到电压击穿标准，故障点被击穿，且发生对应鸣响。

3.2.2  反复脉冲击穿

击穿脉冲的参数确定后，通过周期性充放电的方式进行复合缆周期性的击穿。同时借助分布式光纤复合缆的装置进行复合缆信号的测量，测量监测击穿系统是否具有对应的可重复性以及相应的灵敏度。

4  实验结果与分析

4.1  击穿电压波形测量

击穿电压波形测量通过示波器进行直观显示，其具体波形示意图如图9所示。图9中，0 s时将冲击电压迅速调到-35 kV，此时击穿绝缘，电压应当迅速回落至0。但在受到冲击时，改变了原有的绝缘电气特性，仍存有约为-2 kV的电压残余，在电脉冲结束之后才能消失。

4.2  分布式振动光纤传感测量

对于光纤范围内振动的测量，主要针对空间、时间两个维度进行衡量，以确定光纤振动情况。图10为通过时空谱图的形式进行光纤信号的分析。

图10中，纵轴为时间轴，横轴为对应于振动信号的相关采样点，采样点之间的相互间隔为5 m。在进行首次击穿时，能够明显看出在230时间刻度（230×0.05 s）处，出现了一个强能量，在时空谱图中的表征是一个亮度很高的细条，而背景噪声导致明显的竖条纹出现。同时，对绝缘击穿过后的振动信号做出快速傅里叶变换，其幅频曲线图如图11所示。

5  结  语

通过模拟实验的方式，确定分布式光纤振动传感器在海底光电复合缆检测当中的可行性。主要针对海底光电复合缆存在破损、故障等问题进行检测并对故障点进行准确定位，以期解决海底光电复合缆故障问题。经实验验证，该系统切实可行，能够达到明显效果。

参考文献

[1] LIU Changfu， ZHU Lida， NI Chenbing. The chatter identification in end milling based on combining EMD and WPD [J]. The international journal of advanced manufacturing technology， 2017， 91（9/12）： 3339?3348.

[2] CHEN Xiyuan， WANG Wei. Extracting and compensating for fog vibration error based on improved empirical mode decomposition with masking signal [J]. Applied optics， 2017， 56（13）： 3848?3856.