摘 要： 隨著科學技術的進步，海洋經濟成了各國經濟發展的關鍵發展項目。在此過程當中，海底光纜的應用十分廣泛，在海上風電、島嶼開發以及石油平臺等多種海上項目都需要海底光纜的應用。海底具有較地底更為復雜的環境，如何保證海底光纜安全運行，實時監測海底光纜動態，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，設計海底光電復合纜的監測系統。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，實現海底光纜故障點的實時監測與定位。
關鍵詞： 海底光纜; 光纜監測; 系統設計; 分布式光纖振動傳感器; 故障點識別; 定位監測
0 引 言
在海洋經濟不斷發展的過程當中，海底電纜的應用成為其關鍵的組成部分。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聚乙烯支撐，使用到一定的市場，會發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，結合Φ?OTDR技術，進行海底光電復合纜人為故障點的試驗，以期探究出能夠對海底光電復合纜進行實時地故障點定位監測的方案。
1 光纖傳感器簡述
1.1 光纖傳感器的構成
光纖傳感器，即以光纖為介質將光束進行相對距離的傳播，并傳輸到對應的調制器，在調制器當中，以外界所需測量參數為基本參照，進行對應的光信號的調制，而后經由解調器將其發射得到對應的測量參數[1]。通常來說，光纖傳感器的組成部分包括光的解調器以及調制器、光探測器、入射光纖、光源以及出射光纖。光導纖維也即光纖，是主要的光傳導工具，是以塑料或者玻璃為原料制成的纖維[2]。光導纖維的主要構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。光在光纖當中的傳播主要是依據光的全反射原理。同時，光纖傳感器的實現是以光彈效應為基礎依據[3]。光彈效應也即由于介質當中存在應力波時，介質的光折射率或者介電常數受其影響而改變，導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，當如壓力、溫度等外界因素介入時，光纖中所傳輸光的性質會以一定的規律發生變化[4]。若光纖對應的長度為N，則出射光波的對應相位可以表示為：
在光纖參數不變的前提下，[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光學參量以及力學參量的相互轉化，做出精準的外界應力測量，達到對應的光纖振動傳感。
通俗來說，光纖傳感器就是將光源所發射光纖經由光纖輸送到調制器[6]。同時，受外界測量參量應力影響，使得所傳輸光纖某些參數發生對應的變化，而后通過解調器對處理后的信號光進行解調，在解調器分析處理之后，得到對應的外界測量參量。依據這一基本原理，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的同時，也能夠作為傳輸介質，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對應功能，傳感器本身僅實現媒介作用，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生了對應的區別。主要區別在于傳感型傳感器由于自身對外界信息的感知作用，能夠進行相應的調制作用并且是連續的;傳光型傳感器由于需要外部功能性元件的介入才能實現對應的傳感功能，因此不表現出連續性。
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出來的空間特性為基礎依據，其主要傳感原理是通過實時連續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的函數。通過測量及分析，獲得外界參量的實時變化和三維空間當中的分布形式[8]。具體來講，分布式光纖傳感系統以監測區域為基礎依據劃分，可以分為全分布式和準分布式兩類。在準分布式當中，光纖不實現傳感功能，僅執行傳光功能。準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或者并聯到一根光纖，借助計算機技術以及對應的光電探測器對解調信號進行分析處理，以此得到監測范圍內所測參量的空間狀態分布。其主要原理如圖1所示。準分布式光纖傳感器對于空間當中不同分布的外界測量函數進行測量時，具備較強的準確性，能夠更好地分析其對應的狀態信息。其缺點是由于其自身結構復雜使得探測范圍受到一定限制，在具體探測當中仍然存在一定的盲區，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，結構繁復等缺點[9]。
全分布式傳感器將整個系統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的媒介的同時，也能夠被看作獨立的感應器件使用。因此，全分布式光纖傳感器相比于準分布式光纖傳感器來說，不存在所謂的檢測盲區，監測范圍更廣，并且兼具傳感功能。在投資成本上，由于系統集中在一個光纖上，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構如圖2所示。
光纖在傳輸光的過程中，會產生光的散射，其產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，在分布式光纖系統中，它是由光纖本身所產生的一種特質。光纖材料無法做到長度范圍內的絕對均勻，因此光線的折射率并非絕對的，而是在特定范圍內無規則變化的。瑞利散射也因此產生。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，因此不發生對應的頻移變化。
2 Φ?OTDR技術簡述
2.1 Φ?OTDR技術基本原理簡述
Φ?OTDR技術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由光纖所過位置進行對應的瑞利散射的探測。與傳統的OTDR技術不同的是，Φ?OTDR技術所用的光源探測器是窄線寬形式的激光器，其相關性很強，因此其響應能力更強，靈敏度更高[11]。
對Φ?OTDR技術基本原理的闡述，借助其離散數學模型來完成。在圖4中，將整體分布式傳感光纖長度設置為D，并將長度為D的光纖均勻分為Q段，各段長度為[ΔD=DQ]，同時各段長度應當保證與脈沖寬度的一致。在離散數學模型中，由Q個反射鏡形成對應的后向散射過程，當脈沖光傳輸到各個反射鏡中時，總有能夠反射到入射點的一部分光，經過Q個反射鏡反射之后，各反射鏡能夠被看作各小段，也即[ΔD]當中各零散散射體相對應的矢量和。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平面內隨機分布。
若[ΔD]長度范圍內的光纖存在P個在分布上相互獨立、均勻且隨機的散射體，同時其偏振態相同時，n段長度范圍內光纖當中P個散射體所對應的場矢量和可以用以下表達式求出。
式中，脈沖光對應脈沖寬度第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對應概率密度函數的算式可表示為：
式中，[σ2]是約為[10-72]的常量。不難發現相位[φ]以及反射率r同時滿足均勻分布以及瑞利分布。第n段長度范圍內光纖的后向散射受入射光強相干光的影響，會產生相互間的干涉，疊加后場強表達式為：
式中：入射脈沖光所對應的電場用[E0]表示;光纖傳感器所對應的損耗系數用[α]表示。若各散射體對應的幅值均為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的光強變化，探測出光纖在外界應力影響下的相位變化。
2.2 Φ?OTDR技術的主要性能參數簡述
2.2.1 靈敏度
Φ?OTDR技術的靈敏度體現在Φ?OTDR系統對于外界的擾動因素的反應能力上。決定Φ?OTDR技術靈敏度的主要因素是對應的光源線寬，越窄的線寬決定了激光光源更好的相干性[12]，使得Φ?OTDR技術對外界干擾因素的反應能力更好。傳統的OTDR系統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技術具有更好的測量靈敏度。
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