黄毓华 李 辰 孙廷玺

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000）

0 引言

海岛供电是海岛基础设施建设的重要构成部分，它撑持海岛经济和社会的发展。我国海岸线漫长，岛屿繁多，随着国家逐步推进“振兴海洋，开发海洋”发展战略以及整体经济水平的提高，电能需求也与日俱增，海缆建设得到了前所未有的发展。海缆整个生命周期几乎都在海底运行，所处环境恶劣，长期遭受海水侵蚀、洋流冲刷，裸露、悬空海缆易发生异常形变，海缆运行时本体温度会受环境水温、载流量变化和表面绝缘劣化的综合影响而发生变化；同时我国海洋开发活动日益活跃，传统监测方法难以对海缆遭受锚害、渔业捕捞破坏等情形进行及时预警[1]。

新型海底光纤复合电力电缆（简称光电复合海缆）将通信用光纤植入传统海缆中。光电复合海缆的出现，使同时传输电能和光信号成为可能，它是近年来海缆整体发展的趋势，也为海缆运行状态监测技术带来了跨领域的突破契机。

分布式光纤传感技术在新型光电复合海缆中的应用既可以避免传统点式传感器所存在的布置量大、结构复杂以及监测局限性等问题，又能全方位、实时地对整条海缆的空间分布状态和随时间变化的信息进行监测[2-3]，在海缆发展中具有较大的应用价值和广阔的应用前景。

1 海缆温度、应变监测

海缆的温度、应力等信息，就如同海缆的“脉搏”，可以反应海缆的运行状态。当海缆发生缺陷或者故障时，海缆局部就会产生温升，温升会导致绝缘老化进一步加剧甚至失效。同时海缆在裸露、悬空的情况下易受侧压力、拉伸、弯曲以及扭转的影响而导致损坏，这些信息都可以通过应力反映出来，因此监测海缆的温度及应力分布对监测海缆的运行状态具有重要意义。

1.1 布里渊散射的分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术是以光波为载体，以光纤为媒质，用于探知并传导外界输入信号的新型传感技术。当光波在光纤中传播时，由于在外界环境因素（例如温度、应力、电场、磁场以及位移等）的影响下，光纤会引起表征光波特征的参量（例如强度、波长、相位以及偏振态等）的变化，因此通过测量光波参量的变化，可以获取光纤外界环境的变化信息，从而实现光纤传感器的功能。光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性好、抗电磁干扰性强、易于实现以及测量精度高等优点。

分布式光纤传感技术能够将传感光纤放置在待测量物体的内部或方便测量的地方，从而实现对被测物的实时监测。其中，布里渊散射分布式光纤传感技术（BOTDR）的显著特点是可以精确地感知、测量光纤上任意点温度、应变信息的变化。布里渊散射是光在不均匀介质中传播时发生的一种散射现象[4-5]，布里渊散射具有入射光与散射光频率不同的特点，2 种光之间的频差被称为布里渊频移。布里渊散射光的频移和强度与介质所在环境的温度和应变有关，通过测量散射光的频移或强度就可以推算介质的温度或应变参数。

1.1.1 温度、应变与光信号的对应关系

BOTDR 利用布里渊散射谱的参数对光纤温度和应变的依赖性[6]，实现温度及应变传感测量的关键在于建立布里渊散射谱的参数与温度和应变的对应模型和函数关系。布里渊散射是入射光场与介质中的声波场相互作用产生的非弹性散射，其散射光的频移和强度与介质的弹性力学和热弹性力学特性有关。光纤的温度或应变变化都会导致介质相关特性的改变，进而影响布里渊散射的频移和强度。

光纤中的布里渊频移如公式（1）所示。

式中：n为光纤折射率；c为真空中光速；Va为声速；ωp为光波场的角频率。

其中ωp如公式（2）所示。

式中：ω为入射光角频率；θ为散射角。

声速Va如公式（3）所示。

光纤具有弹光效应和热光效应，当光纤自身温度或应变发生变化，会导致光纤折射率n、杨氏模量E、泊松比k和介质密度ρ等参量也随之改变。由公式（1）和公式（3）可得光纤的布里渊频移vB与温度T和应变ε的函数关系如公式（4）所示。

1.1.1.1 布里渊频移随温度的变化

当海缆环境温度发生改变时，热膨胀效应和热光效应将分别导致光纤的密度和折射率发生改变。同时，光纤的自由能随着环境温度改变而变化，又会导致光纤中的杨氏模量和泊松比发生变化。如果是一段处在松弛状态下的传感光纤，即忽略光纤此时所受应变对它的影响，则在光纤的应变ε=0 的理想状态下，布渊频移与温度的函数关系如公式（5）所示。

式中：CT为布里渊频移的温度系数。

当参考温度Tr为 20 ℃、入射光波长为 1 550 nm 时，普通单模光纤的布里渊频移约为11 GHz，此时布里渊频移与温度呈线性关系，温度每变化1 ℃，布里渊频移随之变化1.1 MHz。

根据上述频移关系，由BOTDA 测得某点m的布里渊频移vB(Tm,0)，设m点的参考温度为Trm，可以得到该点的实际温度，如公式（6）所示。

由公式（5）可以得到m=1，2， …，M，其对应的温度值为T1，T2， …，TM，进而组成一条完整的基于布里渊的温度分布曲线。如图1 所示，是一条完整的温度曲线，图中X为十字光标所处位置横坐标值，Y为十字光标所处位置纵坐标值，Y1为温度曲线在横坐标值为X时对应的纵坐标值，ΔY=Y1-Y。

图1 布里渊温度曲线

1.1.1.2 布里渊频移随应变的变化

当光纤所受应变改变时，光纤折射率受光弹效应的影响也发生变化。与此同时，光纤的杨氏模量和泊松比也受光纤内部原子间的相互作用势变化的影响而改变。假设参考温度Tr=20 ℃且维持恒定，可得布里渊频移随应变的变化关系如下：

式中：Cε为布里渊频移的应变系数。

设参考应变εr=0。由公式（6）可知，在温度不变时，布里渊频移与应变呈线性关系。当入射光波长为1 550 nm 时，普通单模光纤在无应变、常温的理想条件下，其布渊频移约为11 GHz，因此应变每变化1με 所引起的布里渊频移变化约为0.05 MHz。

1.1.2 温度应变解耦

利用泰勒级数和二项式展开公式对公式（3）进行变换，可以列出布里渊频移与应变和温度的线性方程如公式（8）所示。

式中：vB（T，ε）为处于温度T和应变ε 下的布里渊频移；vB（T0，ε0）为处于初始温度T0和初始应变ε0下的布里渊初始频移；Cvε是布里渊频移的应变系数；CvT为布里渊频移的温度系数。

通过标定方法可获得以上3 个参数。因此，使用布里渊测量设备实时监测光纤各处的布里渊频移vB（T，ε），可以推算光纤的实时应变和温度，进而对沿线光纤的状态进行判断。但是，由于应变和温度的变化均会改变布里渊频移，因此笔者无法直接利用布里渊频移的变化辨别应变和温度的具体变化量。

区分温度和应变的方法主要有以下3 种：1） 利用布里渊频移分别计算并行排列的松紧度不同的2 根光纤的温度和应变。2） 利用拉曼散射信号和布里渊频移分别测算温度和应变。3） 利用布里渊散射信号对特种光纤（例如大有效面积光纤、保偏光纤以及光子晶体光纤）中的多峰现象进行解析，推算温度和应变。方法一需要在工程应用前设计预留额外的传感光纤结构；方法二可有效区分温度和应变，须使用单模光纤测量温度的拉曼设备；方法三采用的特种光纤成本高，在工程中的应用还不成熟。综上所述，笔者对方法一和方法二进行讨论。

利用并行排列的松套和紧套2 根光纤解耦松套光纤，用于测温工作，可认为应变是不变的。布里渊频谱直接对应温度变化，但由于松套光纤与海缆实际长度都是按比例留有余量的，因此在 BOTDA 测量时，须按照比例系数对测得的数据点数进行抽点，使温度曲线与海缆实际长度对应。由于已经通过测量得到了温度T，因此公式（8）中的CvT、∆T就变成已知量，那么可得应变如公式（9）所示。

由此可以得到光纤各个位置的应变分布曲线。

利用布里渊频移和拉曼散射信号解耦由单模拉曼测温设备直接测得的单模光纤上的温度分布。使用公式（9）对测得的温度T进行计算，可以得到独立的应变ε，进而求得整段海缆的应变分布曲线。

1.2 海缆温度与应变监测系统

布里渊光时域分析技术（简称BOTDA）采用普通单模通信光纤为传感器，“传”、“感”合一，可对长达数十公里的光纤的温度与应变进行分布式测量。系统基本结构包括脉冲激光光源、连续激光光源、传感光纤以及信号探测电路。其中，脉冲光源和连续光源位于传感光纤的两端，相向入射；传感光纤一般由双芯光纤构成探测回路，既是传感器，又是传输介质，安装过程简单方便。如图2 所示。

图2 BOTDA 基本结构

在光纤的两端分别注入脉冲光信号（probe 光）和连续光信号（pump 光），当脉冲光与连续光的频率差等于光纤中某个区段的布里渊频移时，该区段就会发生受激布里渊放大效应（Brillouin scattering），在2 束光之间开始产生能量转移效应。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，连续地对2 束激光的频率进行调节，光纤各小区段上能量转移达到最大时，可以通过监测从光纤一端耦合出来的连续光功率来确定相应的频率差，并进一步解析温度和应变参数，实现分布式测量。系统由激光器模组、布里渊光路模块、微弱光电转化、放大电路模块、光纤质量监测模块、光偏振模块、高速信号采集卡和频率计组成，如图3 所示。

图3 系统总体结构

系统的关键技术如下。

1.2.1 分布反馈半导体激光器（DFB）激光器快速调谐技术

半导体激光器的工作温度与驱动电流同时对波长产生影响。其中：温度调谐方式的调谐范围宽，但响应时间较慢；电流调谐方式调谐范围小，但响应时间快。系统选择内置热电制冷器（TEC）的DFB 激光器，精确调节TEC 的温度，实现对波长温度的调谐，温度调谐范围为±30 pm（±4 GHz），温度调谐精度为15 pm/℃。DFB 激光器波长快速调谐采用电流调谐方式，电流调谐范围为4 pm（500 MHz），电流调谐精度为0.45 pm/mA（50 MHz/mA），激光器电流电流调谐响应时间为10 ms。

1.2.2 短脉冲、高消光比电光调制技术

脉冲宽度直接影响BOTDA 系统的空间分辨率，系统中采用FPGA 技术设计了脉宽为10 ns 的驱动脉冲，驱动电流达150 mA，适用于驱动低阻抗的电光调制器（EOM），10 ns的脉宽使系统的空间分辨率达1 m。另外，EOM 输出脉冲的消光比对BOTDA 系统测量的精度有直接影响，系统采用了温度自适应的方式使EOM 直流偏置输出始终保持在最小值，脉冲消光比大于30 dB。

1.2.3 小信号放大技术

当探测光与泵浦光信号经过80 km 的长光纤后，信号正常情况下会出现明显的衰减，系统采用小信号放大技术将布里渊散射信号放大至采集卡所要求的输入电平范围。小信号放大技术使用高性能的运算放大芯片，设计了具有微弱信号的低噪声、高速宽带放大电路，增益达20 dB，带宽高达100 MHz，保证了BOTDA 系统的空间分辨率和温度精度。

1.2.4 对海缆温度的快速检测技术

系统实施了基于高斯曲线的布里渊增益谱快速拟合算法，并且综合考虑海底环境因素，实现了对海缆温度的快速检测，保证了监测数据的实时性。

2 海缆扰动监测

2.1 相位敏感型OTDR（φ-OTDR）原理

φ-OTDR 对振动点位置的定位主要是通过检测传感光纤线路中后向瑞利散射光干涉效果的振幅变化来实现的。当传感光纤线路受外界扰动影响时，该位置的光相位会随对应位置的光纤折射率的变化而变化，并最终影响后向的瑞利散射光干涉效果，从而反映振动点的位置信息。由于光度恒定，因此利用脉冲光输入、接收信号的时间差就可以推算出发生振动的准确位置。然而，实际情况下，激光器会存有频移，因此在φ-OTDR 系统中，必须选用频移速度较低（即频率特别稳定）的激光器，满足该要求的激光器具有窄线宽、功率大的特点。此时注入传感光纤线路中的光具有极强的相干性，光脉冲宽度范围内全部后向瑞利散射光光强的相干叠加就是光电探测器所探测到的光强，更加微弱的振动信号也可以被捕捉。因此基于φ-OTDR 技术的分布式传感系统比一般的OTDR 传感系统具有更高的灵敏性。

2.2 分布式声传感技术原理

分布式声传感技术（Distributed Acoustic Sensing，DAS）作为一种分布式光纤测量和分布式光纤传感的核心技术和核心装置，它利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测音频范围内的声音或振动等信号，不仅可以利用相位幅值的大小来提供声音或振动事件强度的信息，还利用线性定量测量值来实现对声音或振动事件相位和频率信息的获取。DAS广泛应用于分布式的光纤传感网络中，可以在光缆电缆的防开挖、周界安防、石油管线监测以及长距离海缆检测等应用系统中应用。

2.3 海缆扰动监测系统结构

海缆扰动监测系统结构的搭建思路如图4 所示。激光模块发射出一系列的激光，经过耦合器后分成2 路，其中一路为探测光，另一路为参考光。探测光以脉冲化的形式输入到被测光纤中，反射回来的信号光就携带了待测光纤的相关信息（外界对光纤某点产生的振动信息），另一路的参考光作为本地光，通过本地光与瑞利散射回波进行相干耦合，相干后的光进入光电检测模块，光电转换后的信号通过采集系统对其进行采集处理，最后通过上位机完成时域、频域波形显示以及实现模式识别等相关功能。光学部分使散射回的光信号与本振光相干，可以增强信号，实现分布式振动的测量。光学器件主要有窄线宽激光模块、耦合器、声光调制模块、光放大模块、光环形器以及相干检测模组等。硬件电路主要用于控制光学系统中的有源光器件，使其处于正常工作状态。

图4 海缆扰动监测系统结构

激光模块发出的一系列的光经过调制，运用超短脉冲测量数据提升了系统定位的精度；高速A/D 模块采用高速数据采集卡对散射光进行相干接收，通过小波变换和快速FFT等数据处理算法，将大量时域数据变换到频域，可测量从0.2 Hz～200.0 Hz 的极宽的频率范围系统，对偏振光进行处理，实现对多点扰动的同时识别，并且能够对多点扰动同时进行定位和频率检测。采用高功率超窄线宽激光器和光相干检测的技术，在不影响系统精度的前提下，极大地增加了系统的动态监测距离，单通道超长监测距离≥50 km，也极大地拓展了系统的应用场景。

3 结论

利用分布式光纤传感技术，将布里渊散射和瑞利散射技术应用于海底电缆温度、应变、扰动实时状态监测中，建立海缆运行状态与散射光参量的数学关系，通过光散射信号解析，获取海缆状态信息，将布里渊散射和瑞利散射技术充分应用于对海底电缆的温度、应变和扰动的高精度监测中，能帮助实现对海缆的有效实时状态监测。在该基础上可以建立海缆故障综合诊断系统，根据所监测的多参量数据，监测系统平台从多个角度对监测数据进行解析，提前预警和定位船只挂缆、落锚引起的海缆扰动，利用光纤温度评估海缆载流量和动态增容可行性，为运维人员提供重要数据参考和决策支持，帮助运维人员对海缆运行状态进行风险评估，减少运维工作量，提高海缆运维效率，降低海缆运行风险，全面提高海缆状态监测的水平。