第31卷第208期电力系统通信V0 N0 .208 2010年2月10日Telecommunications for Electric Power System ,201O 45 分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用李荣伟，李勇涛(华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003)摘要:分析了布里渊光时域反射(BOTDR)传感原理和基于光对域反射(OTDR)的定位原理b研究了一种适用于海底电缆系统复杂环境中温度和应变测量的新型光纤一一『碳密封涂覆光纤，分析了其耐腐蚀和抗疲劳等性能，并对海底光纤复合电缆中传感光纤的安装方式进行了探讨。这种新型光纤在海底电缆系统检测及其他方面将会有很大的应用前景。关键词:海底电缆;分布式光纤传感;布里渊散射;碳涂覆光纤中图分类号:文献标志码:A文章编号:1005-7641(2010)02-0045-04有多种，其中布里渊散射是由于光在光纤中传播O 前言时，入射光波和光纤中的热激励声波相互作用产随着国内外邮电通信事业的不断发展，我国生的一种非弹性散射。1950年，Krishnan对布里渊海底电缆的施工作业量巳日趋增多[1]。海底电缆由散射做了最初的研究，且证实布里渊散射的频移于接触船舶的锚和渔具等不能完全避免外伤损和强度与温度和应变存在线性关系。通过测量沿坏。因此，检测由外伤引起的海底电缆变形，已成光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度就可为提高海底电缆可靠性的一项重要技术，该技术以得到光纤的温度和应变信息。与海底电缆的开发同步发展[习。同时，为防止海底由于声波的存在，光纤的密度发生变化，从而电缆故障，海底电缆的工作缆温也必须实时在线对光纤的介电常数和折射率进行周期性的调制。监测，以保证海底电缆系统的安全运行。光纤中超声波的传播，使布里渊散射光产生一个海底光纤复合电力电缆在传输电能的同时，多普勒频移一一布里渊频移，其计算公式为又能实现通信信号传输，由于具有诸多的优点，越v=2n飞/λp(1) B来越多地受到客户的青睐。特别是随着光缆市场式中V为光纤中的声波速度;n为光纤纤芯折B价格的下降，使得海底电缆中复合光纤单元几乎射率;λp为泵浦光波长。声波的指数衰减特性使得不增加海底电缆的造价，因此，海底光纤复合电力布里渊散射谱呈洛伦兹分布。电缆的应用越来越广泛[3]。近年来，随着光纤应用由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变技术的发展，分布式光纤传感系统只需随海底电化可用矩阵表示为缆敷设传感光纤就可分别提供整条电缆的运行温度和应变信息。该系统具有无干扰、无辐射、施工出|4|21|IA|T|ω Pn I lC町C_J l e 简单、安全性高等特点可为海底电缆的温度、应式中C和C为布里渊频移的温度和应变系vtvs变检测和安全运行提供科学依据，从而有效地避数;C和C为布里渊散射强度的温度和应变系PTps免海底电缆安全事故的发生。数。通过求解矩阵方程即可得出温度和应变的变1 分布式光纤传感基本原理化。如果系数矩阵的逆矩阵为非奇异矩阵，即CvsC~ CC'则解存在闷。 布里渊光时域反射传感原理PT ps vt 光纤检测的原理是基于后向布里渊散射效 光纤光时域反射定位原理应。激光脉冲与光纤分子相互作用发生散射，散射光时域反射OTDR(OpticalTime Domain Re-
也为芽，低at矗4吉2010,31(208 ) .46. f1ection)主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障，定各种温度应变的报警类型及输出温度或应变的同时也是分布式光纤传感系统的基础，基于背向异常点，来实现显示和查询功能间，并可保存各时散射光纤分布式传感器的测量原理如图1所示。刻数据O传输光制且Jl.:..r E L 一→|鹏飞图-mOT DIEhbEA距d g离 α定。 位门原理优VFJ 文k忧hUDMR俨约PEA p3 06 fiw mimu or uq a o n LM当脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折工程应用探讨3 射率的微观不均匀性会产生瑞利散射，若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为t，光脉 传感光纤的选用冲在光纤中传输的路程为2L，则2L=vt，其中v是用于海底电缆的分布式光纤技术，传感光纤光在光纤中的传播速度，v=c/n，c为光在真空中的通路同时被用作传感器和信号通道，以使终端机速度，n为光纤的折射率。那么，在t时刻测量到的远离测量现场，从而彻底避免电磁干扰。针对海底就是离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射电缆的复杂环境，选择→种合适的传感光纤至关光。而空间域光纤的瑞利背向散射光子数为重要。碳密封涂覆光纤可应用于发电厂、海底、油NR=KRS飞lviexp(-α'oL)(3) 田、天然气井等存在大量的水、氢气、腐蚀、高温高压、高应力、强电磁场的场合，它用光纤传感技术式中N为射入光纤的光脉冲所含光子数;K为eR代替传统的电子传感技术。高强度碳涂覆光纤是与光纤瑞利散射截面相关的系数;S为光纤背向在拉丝过程中把碳沉积在光纤表面，然后再涂覆散射因子;V。为人射激光光子频率;α。为人射光1紫外固化涂料，整个工艺在拉丝过程中完成。这种在光纤中的损耗;L=ct/2n为被测物理场到光源新型单模光纤具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、抗疲的长度[5]。劳性、抗氢损等特性阴。海底电缆检测系统2 碳密封涂覆光纤的特性分析碳涂覆光纤的优点不仅表现在不破坏光纤光用于海底电缆的分布式光纤传感检测系统由学特性上，而且还能够提高光纤的机械性能，同时硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由监控计呈现良好的抗水及抗氢渗透能力[8]。算机、测量设备和传感光纤组成。其中，测量设备耐腐蚀特性包括光源、光脉冲形成单元、光电检测单元和数据光纤表面的密封涂碳层可以增强光纤的耐腐处理单元，如图2所示。光源发出的连续光被定向蚀特性。密封碳涂覆光纤暴露于氢气中时，可把光捐合器分成两部分，一部分由电光调制器(EOM，纤密封碳涂层看作-层半无限厚材料，它是一种Electro-Optic Modulator)调制为脉冲光后入射到紧密结构的密封涂层，足以阻止水和氢进入光纤传感光纤，另一部分作为本振光与散射光一起人内部。射到光电检测器进行外差检测，取出差频分量，即通过试验碳涂覆光纤的氢渗透能力，碳密封布里渊频移信号。对布里渊频谱进行分析处理，可涂覆光纤的抗氢气渗透因子R且大于999毛，证明碳获得布里渊频移和强度的测量值，再经转换为光缆各点的温度或应变信息而输出。软件部分完成密封涂覆光纤抗氢气性能远远优于非碳涂覆光各种设置的控制，对实时数据进行分析，可通过设纤。抗氢气渗透因子表达式为
·开发与应用·李荣伟等分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用.47. RH，=l一[(A-Aω)/(A-Aω)](4) 柔韧性的空不锈钢管或铝管装在海底用电缆内C101部，或是在电缆安装好后固定在电缆表面，然后把式中AC1，Aω，A01，Aω分别为碳密封涂覆光纤传感光纤吹入空管子中[11]。按照这种方法，传感光和参考光纤氢渗透试验后和试验前的光损耗值O纤的安装将不受电缆制造和安装过程的影响O同样的水渗透试验可证明碳涂覆光纤有极好的阻水性能I9lo另一种传感光纤的安装方法是把4根碳密封涂覆传感光纤顺着海底电缆方向紧贴缠绕在电缆抗疲劳特性外层，安装截面如图4所示。这种表贴式光纤虽然为了测试碳密封涂覆光纤的静态疲劳特性，不能准确地反映电缆温度的变化，但是对海底电在20OC空气中用卷绕法(将光纤卷绕在不锈钢制缆埋设处热阻率和电缆应变变化比较敏感，同时的芯轴上，施加弯曲应力)进行光纤断裂时间的测可以减少传感光纤的安装成本[1勾。通过这4根传量。空气中的疲劳常数n，对于涂碾光纤n值在200以上，对于涂铝光纤n值为60-80。据分析，感光纤，海底电缆线路上每一个截面温度和应变光纤碳涂覆温度在1信息可被完全检测。000 OC以上，而涂铝光纤在进入涂覆之前的光纤温度接近于室温，因此，光带不锈钢护套的光纤故障点纤表面会吸附水分，使疲劳常数降低[10]。光纤的长期疲劳试验说明碳密封涂覆光纤具有很好的抗4 Z匀疲劳特性。e, 1., L, 1勺 碳涂覆光纤安装结构图4表贴式传感光纤安装截面带有传感光纤的海底电缆的安装剖面如图 Installation section of sensor fiber on sur企ce所示。 碳涂覆光纤的实用化自从碳涂覆光纤抗疲劳性能得到证实以后，各国对碳涂覆光纤的实用化投入了巨大的努力，碳密封涂覆光纤反映在3个方面:一是开发大规模生产碳涂覆光纤的技术;二是研究碳涂覆光纤的连接技术;三是图3内嵌式传感光纤安装剖面将碳涂覆光纤引人各种光缆结构进行试验，或敷 Installation section of embedded 设试验线路和实用线路[13]。sensor fibers 碳密封涂覆光纤已成功应用于海底光缆、军用制导光纤及苛刻环境下的光纤传感系统中[1呵。复合在海底电缆中的传感光纤有2种，一种用于感应电缆温度的碳密封涂覆光纤，被置于较电力系统通信用架空地线缠绕光缆是20世纪80深的骨架槽内，使光纤不易受侧压而引起外伤;另年代初期开始开发的新型光缆，1992年开始商品一种用于外伤传感的碳密封涂覆光纤，被置于在化应用O据报道，这种光缆由于使用条件十分苛较浅的骨架槽中，使光纤对外伤侧压敏感。该海底刻，采用了碳涂覆光纤O在国外，挪威Alcatel光纤复合电力电缆是把均匀置放在海底电缆浅槽Kabel公司于1990年将碳密封涂覆光纤用于重中的8根应变传感光纤和均匀置放在深槽中的3铠装的开放式海底光缆结构中，于1991年3月根感温光纤分别首尾连接这种结构可以将电缆敷设于新西兰的库克海峡。这是世界上第一条采0截面全方位(360)侧压引起的温度和应变信息量用碳涂覆光纤的商用海底光缆，其2根海底光缆用分控站→次测定。分控站按主控站要求传送数每根长43km，内含12根绞合的单模碳密封涂覆光纤[13-14]。据。通过置放在不同位置的碳密封涂覆光纤，可以分别检测海底电缆温度和应变信息，保证海底电在要求高机械可靠性的领域中，碳密封涂覆缆正常运行。每根感温光纤外围都有不锈钢管护光纤是一种有前途的应用材料。此外，由于它能够套，以防止机械损伤和水的侵入。目前，国外一些用金属涂覆，从而可焊接，因而极具吸引力。这种生产厂家所使用的加工方法是，将一根具有良好光缆可在以下场合应用。
t J币~锐{星传2010,31(208) 48 1)用于室内光缆。室内光缆和引人光缆是实usingmicrowave coherent detection of spontaneous Bril›louin backscatter[1]. Meas Sci Technol, 2001(12): 834-现光纤到户必不可少的重要的是这些光缆常需842. 要小的弯曲直径。常规光纤一方面会产生过大的[5]时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用附加损耗;另一方面又会由于光纤表面的应力而[1].高电压技术，2007, 33(8): 169一173.降低可靠性。碳密封涂覆光纤在这方面有优越性。[6]范茜.分布式光纤温度检测技术在电力系统中的应用2)用于拖曳光缆。为了研究深海海底的情况，[J].青海电力，2005, 24(3): 49-52. 已经开发了许多海洋设备，这些设备要将拖缆从[7]刘良炎.国外光纤带和带状光缆技术的最新发展口].船上放入海底，拖缆会受很大的张力。增强缆中的中国工程科学，2001, 3(9): 86-94. 加强钢丝由于钢丝的自重也相应增加，因而碳密[8]任军江.高强度碳密封涂覆光纤口].网络通信，2003, 3(9): 39-41. 封涂覆光纤比较合适这种应用场合。[9]詹民.高强度碳涂覆光纤的研制[J].光纤与电缆及其3)用于激光器插件。用Ni或Au能轻易地涂应用技术，1997，21(2): 23-26. 覆碳层，这样的金属涂层有利于通过焊接把光纤[10]宁鼎，赵金歧.光纤涂碳工艺和特性研究口].光通信固定到插件上。这种方法还用于把光纤安装到激技术，1998, 22(3): 225-227. 光二极管上。金属涂覆涂碳光纤可以焊接，有利于[11] 张晓虹，蒋雄伟，王振华，等.分布式光纤温度传感把光纤安装到模板上，还有利于金属外壳窗口的器在交联聚乙烯绝缘地下电缆故障检测中的应用[J].密封[呵。电网技术，1999, 23(12): 36-42. [12]陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传4 结束语感新技术口].电力系统及其自动化学报，2005, 17(3): 分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用研47-50. [13]秦大甲.国外耐疲劳光纤发展动态口].光纤与电缆及究是集3种功能即送电、通信和传感于二体的海其应用技术，1995(4): 20-30. 底光缆系统。本文基于光纤布里渊散射传感原理，[14]黄睿，袁慎芳，蒋云，等.碳密封涂覆光纤在编织复研究碳密封涂覆光纤，它可以作为传感光纤应用合材料中的应用口].复合材料学报，2002, 19(2): 99-于海底电缆检测系统。102. [15]商海英.碳涂覆光纤的最新趋势及新应用口].电力系参考文献统通信，1997, 18(1): 13-17. (ZH) [1]张国光.海底电缆安全及其施工埋设技术研究[几海洋技术，1992, 11(1): 64-73. [勾吴静.带有光纤传感器以检测j船锚损伤和钢丝铠装磨李荣伟(1983一)，女，河北保定人，硕士研究生，从事损的交联聚乙烯海底电缆口].光纤光缆传输技光纤通信和传感方面的研究O术，1998(1): 18-22. 李勇涛(1984一九男，河北保定人，硕士研究生，从事[3]王国忠.大长度海底光纤复合电力电缆制造[J].电线光纤通信和传感方面的研究。电缆，2008, 10(5): 9-11. (收稿日期:2009-10-13 ;修回日期:2009-11-15) [4] MAUGHAN S M, KEE H H, NEWSON T P. Simulta›neous distributed fibre temperature and strain sensor Application of distributed optical sensor in submarine cable detection LI Rong-wei, LI Y ong-too (Dept. of Electronics and Communication Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003, China) Abstract: This paper analyses the principle of the Br llouin back-scattering effect based on sensing and the positioning principle based on OTDR (Optical Time-Domain Reflectometry). A new type of optical fiber named carbon hermetically coated optical fiber which is used in the temperature and strain measurement of the complex submarine system is discussed. Meanwhile, the anti-corrosion and anti-fatigue properties and other applications of carbon hermetically coated optical fibers are analysed, and the installation method for sensing optical fiber of submarine optical cable is also introduced in the paper. Key words: submarine cable; distributed optical sensing; Brillouin scattering; carbon coated optical fiber
