摘 要： 隨著科學(xué)技術(shù)的進步，海洋經(jīng)濟成了各國經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵發(fā)展項目。在此過程當(dāng)中，海底光纜的應(yīng)用十分廣泛，在海上風(fēng)電、島嶼開發(fā)以及石油平臺等多種海上項目都需要海底光纜的應(yīng)用。海底具有較地底更為復(fù)雜的環(huán)境，如何保證海底光纜安全運行，實時監(jiān)測海底光纜動態(tài)，定位光纜故障點，成為亟須解決的問題。通過分布式光纖振動傳感器，借助Φ?OTDR技術(shù)，設(shè)計海底光電復(fù)合纜的監(jiān)測系統(tǒng)。最終借助時空譜圖進行故障點與非故障點的信號變化表征，實現(xiàn)海底光纜故障點的實時監(jiān)測與定位。

　　關(guān)鍵詞： 海底光纜; 光纜監(jiān)測; 系統(tǒng)設(shè)計; 分布式光纖振動傳感器; 故障點識別; 定位監(jiān)測

　　0 引 言

　　在海洋經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程當(dāng)中，海底電纜的應(yīng)用成為其關(guān)鍵的組成部分。保證海底電纜正常運行的首要前提是絕緣。海底電纜的絕緣材料通常采用交聯(lián)聚乙烯支撐，使用到一定的市場，會發(fā)生電樹或者是水樹等各種劣化，在其絕緣擊穿之后，會造成電纜的故障。通過分布式光纖傳感振動系統(tǒng)，結(jié)合Φ?OTDR技術(shù)，進行海底光電復(fù)合纜人為故障點的試驗，以期探究出能夠?qū)５坠怆姀?fù)合纜進行實時地故障點定位監(jiān)測的方案。

　　1 光纖傳感器簡述

　　1.1 光纖傳感器的構(gòu)成

　　光纖傳感器，即以光纖為介質(zhì)將光束進行相對距離的傳播，并傳輸?shù)綄?yīng)的調(diào)制器，在調(diào)制器當(dāng)中，以外界所需測量參數(shù)為基本參照，進行對應(yīng)的光信號的調(diào)制，而后經(jīng)由解調(diào)器將其發(fā)射得到對應(yīng)的測量參數(shù)[1]。通常來說，光纖傳感器的組成部分包括光的解調(diào)器以及調(diào)制器、光探測器、入射光纖、光源以及出射光纖。光導(dǎo)纖維也即光纖，是主要的光傳導(dǎo)工具，是以塑料或者玻璃為原料制成的纖維[2]。光導(dǎo)纖維的主要構(gòu)成成分為包層以及纖芯。通常纖芯的折射率要高于包層的折射率。光在光纖當(dāng)中的傳播主要是依據(jù)光的全反射原理。同時，光纖傳感器的實現(xiàn)是以光彈效應(yīng)為基礎(chǔ)依據(jù)[3]。光彈效應(yīng)也即由于介質(zhì)當(dāng)中存在應(yīng)力波時，介質(zhì)的光折射率或者介電常數(shù)受其影響而改變，導(dǎo)致光的傳播特性由此而改變。

　　1.2 光纖傳感器的傳感原理

　　基于光彈效應(yīng)，當(dāng)如壓力、溫度等外界因素介入時，光纖中所傳輸光的性質(zhì)會以一定的規(guī)律發(fā)生變化[4]。若光纖對應(yīng)的長度為N，則出射光波的對應(yīng)相位可以表示為：

　　在光纖參數(shù)不變的前提下，[P11]，[P12]，n以及[β]作為常量保持不變，相位角的變化量[Δφ]只受壓力M的影響，也即[Δφ∝M]。由此表達式可以實現(xiàn)光學(xué)參量以及力學(xué)參量的相互轉(zhuǎn)化，做出精準(zhǔn)的外界應(yīng)力測量，達到對應(yīng)的光纖振動傳感。

　　通俗來說，光纖傳感器就是將光源所發(fā)射光纖經(jīng)由光纖輸送到調(diào)制器[6]。同時，受外界測量參量應(yīng)力影響，使得所傳輸光纖某些參數(shù)發(fā)生對應(yīng)的變化，而后通過解調(diào)器對處理后的信號光進行解調(diào)，在解調(diào)器分析處理之后，得到對應(yīng)的外界測量參量。依據(jù)這一基本原理，光纖傳感器可以概括成兩類：一類光纖傳感器在能夠通過自身對外界信息做出反應(yīng)的同時，也能夠作為傳輸介質(zhì)，通過光的傳輸信息，這類傳感器集“傳”和“感”的功能于一身，稱為傳感型的光纖傳感器;另一類傳感器不能夠直接感知外界信息，需要通過外部補償器件實現(xiàn)對應(yīng)功能，傳感器本身僅實現(xiàn)媒介作用，此類傳感器稱為傳光型的光纖傳感器[7]。兩種傳感器在一同具備媒介作用的同時，由于其功能的不同產(chǎn)生了對應(yīng)的區(qū)別。主要區(qū)別在于傳感型傳感器由于自身對外界信息的感知作用，能夠進行相應(yīng)的調(diào)制作用并且是連續(xù)的;傳光型傳感器由于需要外部功能性元件的介入才能實現(xiàn)對應(yīng)的傳感功能，因此不表現(xiàn)出連續(xù)性。

　　1.3 分布式光纖傳感器簡述

　　分布式光纖傳感器以光纖在三維空間上表現(xiàn)出來的空間特性為基礎(chǔ)依據(jù)，其主要傳感原理是通過實時連續(xù)地對光纖線纜附近的外界參量進行測量，在此過程中，所測量物理參量作為光纖的位置長度所對應(yīng)的函數(shù)。通過測量及分析，獲得外界參量的實時變化和三維空間當(dāng)中的分布形式[8]。具體來講，分布式光纖傳感系統(tǒng)以監(jiān)測區(qū)域為基礎(chǔ)依據(jù)劃分，可以分為全分布式和準(zhǔn)分布式兩類。在準(zhǔn)分布式當(dāng)中，光纖不實現(xiàn)傳感功能，僅執(zhí)行傳光功能。準(zhǔn)分布式光纖傳感器通過耦合器將多個獨立光纖傳感器串聯(lián)或者并聯(lián)到一根光纖，借助計算機技術(shù)以及對應(yīng)的光電探測器對解調(diào)信號進行分析處理，以此得到監(jiān)測范圍內(nèi)所測參量的空間狀態(tài)分布。其主要原理如圖1所示。準(zhǔn)分布式光纖傳感器對于空間當(dāng)中不同分布的外界測量函數(shù)進行測量時，具備較強的準(zhǔn)確性，能夠更好地分析其對應(yīng)的狀態(tài)信息。其缺點是由于其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜使得探測范圍受到一定限制，在具體探測當(dāng)中仍然存在一定的盲區(qū)，往往需要進行多個傳感器間的相互耦合，因此存在投資成本相對較高，結(jié)構(gòu)繁復(fù)等缺點[9]。

　　全分布式傳感器將整個系統(tǒng)集中到一個傳感型的光纖傳感器上，光纖隔斷在作為信息傳輸?shù)拿浇榈耐瑫r，也能夠被看作獨立的感應(yīng)器件使用。因此，全分布式光纖傳感器相比于準(zhǔn)分布式光纖傳感器來說，不存在所謂的檢測盲區(qū)，監(jiān)測范圍更廣，并且兼具傳感功能。在投資成本上，由于系統(tǒng)集中在一個光纖上，因此投資成本相對來說要低很多。鑒于此，全分布式傳感器的適用范圍更為廣泛。全分布式傳感器的主要原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　光纖在傳輸光的過程中，會產(chǎn)生光的散射，其產(chǎn)生主要的三種散射分別是布里淵散射、拉曼散射以及瑞利散射[10]，其散射示意如圖3所示。對系統(tǒng)用到的瑞利散射進行簡要介紹。瑞利散射也即分子散射，在分布式光纖系統(tǒng)中，它是由光纖本身所產(chǎn)生的一種特質(zhì)。光纖材料無法做到長度范圍內(nèi)的絕對均勻，因此光線的折射率并非絕對的，而是在特定范圍內(nèi)無規(guī)則變化的。瑞利散射也因此產(chǎn)生。瑞利散射是光纖材料與光波之間相互作用所得的彈性散射，因此不發(fā)生對應(yīng)的頻移變化。

　　2 Φ?OTDR技術(shù)簡述

　　2.1 Φ?OTDR技術(shù)基本原理簡述

　　Φ?OTDR技術(shù)首先向分布式光纖振動傳感器的光纖中打入脈沖光，而后通過光電探測器對脈沖光經(jīng)由光纖所過位置進行對應(yīng)的瑞利散射的探測。與傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)不同的是，Φ?OTDR技術(shù)所用的光源探測器是窄線寬形式的激光器，其相關(guān)性很強，因此其響應(yīng)能力更強，靈敏度更高[11]。

　　對Φ?OTDR技術(shù)基本原理的闡述，借助其離散數(shù)學(xué)模型來完成。在圖4中，將整體分布式傳感光纖長度設(shè)置為D，并將長度為D的光纖均勻分為Q段，各段長度為[ΔD=DQ]，同時各段長度應(yīng)當(dāng)保證與脈沖寬度的一致。在離散數(shù)學(xué)模型中，由Q個反射鏡形成對應(yīng)的后向散射過程，當(dāng)脈沖光傳輸?shù)礁鱾€反射鏡中時，總有能夠反射到入射點的一部分光，經(jīng)過Q個反射鏡反射之后，各反射鏡能夠被看作各小段，也即[ΔD]當(dāng)中各零散散射體相對應(yīng)的矢量和。由于后向散射光的相位和幅值在分布上的隨機性，零散散射體的矢量和在復(fù)平面內(nèi)隨機分布。

　　若[ΔD]長度范圍內(nèi)的光纖存在P個在分布上相互獨立、均勻且隨機的散射體，同時其偏振態(tài)相同時，n段長度范圍內(nèi)光纖當(dāng)中P個散射體所對應(yīng)的場矢量和可以用以下表達式求出。

　　式中，脈沖光對應(yīng)脈沖寬度第n段長度范圍的光纖中的P個散射體的幅值矢量和用[rn]表示，其相位矢量和用[φn]表示;[ΔD]長度范圍內(nèi)光纖的第a個散射體的幅值用[ca]表示，相位值用[Ωa]表示。[Ωa]和[ca]相互獨立，同時[rn]，[φn]，[Ωa]，[ca]均定義為隨機變量，同時對于任何第a個散射體，各變量的分布均相同，在[-π，π]上，[Ωa]滿足均勻分布。因此，對于Q個反射鏡相位[φ]以及反射率r對應(yīng)概率密度函數(shù)的算式可表示為：

　　式中，[σ2]是約為[10-72]的常量。不難發(fā)現(xiàn)相位[φ]以及反射率r同時滿足均勻分布以及瑞利分布。第n段長度范圍內(nèi)光纖的后向散射受入射光強相干光的影響，會產(chǎn)生相互間的干涉，疊加后場強表達式為：

　　式中：入射脈沖光所對應(yīng)的電場用[E0]表示;光纖傳感器所對應(yīng)的損耗系數(shù)用[α]表示。若各散射體對應(yīng)的幅值均為a，則后向散射光由光電探測器所探測出的干涉強度可表示如下：

　　通過上述表達式，能夠通過對后向散射對應(yīng)的光強變化，探測出光纖在外界應(yīng)力影響下的相位變化。

　　2.2 Φ?OTDR技術(shù)的主要性能參數(shù)簡述

　　2.2.1 靈敏度

　　Φ?OTDR技術(shù)的靈敏度體現(xiàn)在Φ?OTDR系統(tǒng)對于外界的擾動因素的反應(yīng)能力上。決定Φ?OTDR技術(shù)靈敏度的主要因素是對應(yīng)的光源線寬，越窄的線寬決定了激光光源更好的相干性[12]，使得Φ?OTDR技術(shù)對外界干擾因素的反應(yīng)能力更好。傳統(tǒng)的OTDR系統(tǒng)探測光源為寬帶光源，線寬不夠窄，無法滿足對于干涉光強的測量精度，不能進行一些微弱擾動的測量。從這一角度來看，Φ?OTDR技術(shù)具有更好的測量靈敏度。

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