黃毓華 李 辰 孫廷璽

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

0 引言

海島供電是海島基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要構(gòu)成部分，它撐持海島經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。我國海岸線漫長，島嶼繁多，隨著國家逐步推進(jìn)“振興海洋，開發(fā)海洋”發(fā)展戰(zhàn)略以及整體經(jīng)濟(jì)水平的提高，電能需求也與日俱增，海纜建設(shè)得到了前所未有的發(fā)展。海纜整個生命周期幾乎都在海底運(yùn)行，所處環(huán)境惡劣，長期遭受海水侵蝕、洋流沖刷，裸露、懸空海纜易發(fā)生異常形變，海纜運(yùn)行時本體溫度會受環(huán)境水溫、載流量變化和表面絕緣劣化的綜合影響而發(fā)生變化；同時我國海洋開發(fā)活動日益活躍，傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以對海纜遭受錨害、漁業(yè)捕撈破壞等情形進(jìn)行及時預(yù)警[1]。

新型海底光纖復(fù)合電力電纜（簡稱光電復(fù)合海纜）將通信用光纖植入傳統(tǒng)海纜中。光電復(fù)合海纜的出現(xiàn)，使同時傳輸電能和光信號成為可能，它是近年來海纜整體發(fā)展的趨勢，也為海纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)帶來了跨領(lǐng)域的突破契機(jī)。

分布式光纖傳感技術(shù)在新型光電復(fù)合海纜中的應(yīng)用既可以避免傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器所存在的布置量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及監(jiān)測局限性等問題，又能全方位、實(shí)時地對整條海纜的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息進(jìn)行監(jiān)測[2-3]，在海纜發(fā)展中具有較大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

1 海纜溫度、應(yīng)變監(jiān)測

海纜的溫度、應(yīng)力等信息，就如同海纜的“脈搏”，可以反應(yīng)海纜的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)海纜發(fā)生缺陷或者故障時，海纜局部就會產(chǎn)生溫升，溫升會導(dǎo)致絕緣老化進(jìn)一步加劇甚至失效。同時海纜在裸露、懸空的情況下易受側(cè)壓力、拉伸、彎曲以及扭轉(zhuǎn)的影響而導(dǎo)致?lián)p壞，這些信息都可以通過應(yīng)力反映出來，因此監(jiān)測海纜的溫度及應(yīng)力分布對監(jiān)測海纜的運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義。

1.1 布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，以光纖為媒質(zhì)，用于探知并傳導(dǎo)外界輸入信號的新型傳感技術(shù)。當(dāng)光波在光纖中傳播時，由于在外界環(huán)境因素（例如溫度、應(yīng)力、電場、磁場以及位移等）的影響下，光纖會引起表征光波特征的參量（例如強(qiáng)度、波長、相位以及偏振態(tài)等）的變化，因此通過測量光波參量的變化，可以獲取光纖外界環(huán)境的變化信息，從而實(shí)現(xiàn)光纖傳感器的功能。光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性好、抗電磁干擾性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)鞲泄饫w放置在待測量物體的內(nèi)部或方便測量的地方，從而實(shí)現(xiàn)對被測物的實(shí)時監(jiān)測。其中，布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)（BOTDR）的顯著特點(diǎn)是可以精確地感知、測量光纖上任意點(diǎn)溫度、應(yīng)變信息的變化。布里淵散射是光在不均勻介質(zhì)中傳播時發(fā)生的一種散射現(xiàn)象[4-5]，布里淵散射具有入射光與散射光頻率不同的特點(diǎn)，2 種光之間的頻差被稱為布里淵頻移。布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度與介質(zhì)所在環(huán)境的溫度和應(yīng)變有關(guān)，通過測量散射光的頻移或強(qiáng)度就可以推算介質(zhì)的溫度或應(yīng)變參數(shù)。

1.1.1 溫度、應(yīng)變與光信號的對應(yīng)關(guān)系

BOTDR 利用布里淵散射譜的參數(shù)對光纖溫度和應(yīng)變的依賴性[6]，實(shí)現(xiàn)溫度及應(yīng)變傳感測量的關(guān)鍵在于建立布里淵散射譜的參數(shù)與溫度和應(yīng)變的對應(yīng)模型和函數(shù)關(guān)系。布里淵散射是入射光場與介質(zhì)中的聲波場相互作用產(chǎn)生的非彈性散射，其散射光的頻移和強(qiáng)度與介質(zhì)的彈性力學(xué)和熱彈性力學(xué)特性有關(guān)。光纖的溫度或應(yīng)變變化都會導(dǎo)致介質(zhì)相關(guān)特性的改變，進(jìn)而影響布里淵散射的頻移和強(qiáng)度。

光纖中的布里淵頻移如公式（1）所示。

式中：n為光纖折射率；c為真空中光速；Va為聲速；ωp為光波場的角頻率。

其中ωp如公式（2）所示。

式中：ω為入射光角頻率；θ為散射角。

聲速Va如公式（3）所示。

光纖具有彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)，當(dāng)光纖自身溫度或應(yīng)變發(fā)生變化，會導(dǎo)致光纖折射率n、楊氏模量E、泊松比k和介質(zhì)密度ρ等參量也隨之改變。由公式（1）和公式（3）可得光纖的布里淵頻移vB與溫度T和應(yīng)變ε的函數(shù)關(guān)系如公式（4）所示。

1.1.1.1 布里淵頻移隨溫度的變化

當(dāng)海纜環(huán)境溫度發(fā)生改變時，熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)將分別導(dǎo)致光纖的密度和折射率發(fā)生改變。同時，光纖的自由能隨著環(huán)境溫度改變而變化，又會導(dǎo)致光纖中的楊氏模量和泊松比發(fā)生變化。如果是一段處在松弛狀態(tài)下的傳感光纖，即忽略光纖此時所受應(yīng)變對它的影響，則在光纖的應(yīng)變ε=0 的理想狀態(tài)下，布淵頻移與溫度的函數(shù)關(guān)系如公式（5）所示。

式中：CT為布里淵頻移的溫度系數(shù)。

當(dāng)參考溫度Tr為 20 ℃、入射光波長為 1 550 nm 時，普通單模光纖的布里淵頻移約為11 GHz，此時布里淵頻移與溫度呈線性關(guān)系，溫度每變化1 ℃，布里淵頻移隨之變化1.1 MHz。

根據(jù)上述頻移關(guān)系，由BOTDA 測得某點(diǎn)m的布里淵頻移vB(Tm,0)，設(shè)m點(diǎn)的參考溫度為Trm，可以得到該點(diǎn)的實(shí)際溫度，如公式（6）所示。

由公式（5）可以得到m=1，2， …，M，其對應(yīng)的溫度值為T1，T2， …，TM，進(jìn)而組成一條完整的基于布里淵的溫度分布曲線。如圖1 所示，是一條完整的溫度曲線，圖中X為十字光標(biāo)所處位置橫坐標(biāo)值，Y為十字光標(biāo)所處位置縱坐標(biāo)值，Y1為溫度曲線在橫坐標(biāo)值為X時對應(yīng)的縱坐標(biāo)值，ΔY=Y1-Y。

圖1 布里淵溫度曲線

1.1.1.2 布里淵頻移隨應(yīng)變的變化

當(dāng)光纖所受應(yīng)變改變時，光纖折射率受光彈效應(yīng)的影響也發(fā)生變化。與此同時，光纖的楊氏模量和泊松比也受光纖內(nèi)部原子間的相互作用勢變化的影響而改變。假設(shè)參考溫度Tr=20 ℃且維持恒定，可得布里淵頻移隨應(yīng)變的變化關(guān)系如下：

式中：Cε為布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)。

設(shè)參考應(yīng)變εr=0。由公式（6）可知，在溫度不變時，布里淵頻移與應(yīng)變呈線性關(guān)系。當(dāng)入射光波長為1 550 nm 時，普通單模光纖在無應(yīng)變、常溫的理想條件下，其布淵頻移約為11 GHz，因此應(yīng)變每變化1με 所引起的布里淵頻移變化約為0.05 MHz。

1.1.2 溫度應(yīng)變解耦

利用泰勒級數(shù)和二項(xiàng)式展開公式對公式（3）進(jìn)行變換，可以列出布里淵頻移與應(yīng)變和溫度的線性方程如公式（8）所示。

式中：vB（T，ε）為處于溫度T和應(yīng)變ε 下的布里淵頻移；vB（T0，ε0）為處于初始溫度T0和初始應(yīng)變ε0下的布里淵初始頻移；Cvε是布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)；CvT為布里淵頻移的溫度系數(shù)。

通過標(biāo)定方法可獲得以上3 個參數(shù)。因此，使用布里淵測量設(shè)備實(shí)時監(jiān)測光纖各處的布里淵頻移vB（T，ε），可以推算光纖的實(shí)時應(yīng)變和溫度，進(jìn)而對沿線光纖的狀態(tài)進(jìn)行判斷。但是，由于應(yīng)變和溫度的變化均會改變布里淵頻移，因此筆者無法直接利用布里淵頻移的變化辨別應(yīng)變和溫度的具體變化量。

區(qū)分溫度和應(yīng)變的方法主要有以下3 種：1） 利用布里淵頻移分別計算并行排列的松緊度不同的2 根光纖的溫度和應(yīng)變。2） 利用拉曼散射信號和布里淵頻移分別測算溫度和應(yīng)變。3） 利用布里淵散射信號對特種光纖（例如大有效面積光纖、保偏光纖以及光子晶體光纖）中的多峰現(xiàn)象進(jìn)行解析，推算溫度和應(yīng)變。方法一需要在工程應(yīng)用前設(shè)計預(yù)留額外的傳感光纖結(jié)構(gòu)；方法二可有效區(qū)分溫度和應(yīng)變，須使用單模光纖測量溫度的拉曼設(shè)備；方法三采用的特種光纖成本高，在工程中的應(yīng)用還不成熟。綜上所述，筆者對方法一和方法二進(jìn)行討論。

利用并行排列的松套和緊套2 根光纖解耦松套光纖，用于測溫工作，可認(rèn)為應(yīng)變是不變的。布里淵頻譜直接對應(yīng)溫度變化，但由于松套光纖與海纜實(shí)際長度都是按比例留有余量的，因此在 BOTDA 測量時，須按照比例系數(shù)對測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行抽點(diǎn)，使溫度曲線與海纜實(shí)際長度對應(yīng)。由于已經(jīng)通過測量得到了溫度T，因此公式（8）中的CvT、?T就變成已知量，那么可得應(yīng)變?nèi)绻剑?）所示。

由此可以得到光纖各個位置的應(yīng)變分布曲線。

利用布里淵頻移和拉曼散射信號解耦由單模拉曼測溫設(shè)備直接測得的單模光纖上的溫度分布。使用公式（9）對測得的溫度T進(jìn)行計算，可以得到獨(dú)立的應(yīng)變ε，進(jìn)而求得整段海纜的應(yīng)變分布曲線。

1.2 海纜溫度與應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)

布里淵光時域分析技術(shù)（簡稱BOTDA）采用普通單模通信光纖為傳感器，“傳”、“感”合一，可對長達(dá)數(shù)十公里的光纖的溫度與應(yīng)變進(jìn)行分布式測量。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括脈沖激光光源、連續(xù)激光光源、傳感光纖以及信號探測電路。其中，脈沖光源和連續(xù)光源位于傳感光纖的兩端，相向入射；傳感光纖一般由雙芯光纖構(gòu)成探測回路，既是傳感器，又是傳輸介質(zhì)，安裝過程簡單方便。如圖2 所示。

圖2 BOTDA 基本結(jié)構(gòu)

在光纖的兩端分別注入脈沖光信號（probe 光）和連續(xù)光信號（pump 光），當(dāng)脈沖光與連續(xù)光的頻率差等于光纖中某個區(qū)段的布里淵頻移時，該區(qū)段就會發(fā)生受激布里淵放大效應(yīng)（Brillouin scattering），在2 束光之間開始產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)。根據(jù)光纖布里淵頻移與光纖應(yīng)變、溫度之間的關(guān)系，連續(xù)地對2 束激光的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，光纖各小區(qū)段上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時，可以通過監(jiān)測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光功率來確定相應(yīng)的頻率差，并進(jìn)一步解析溫度和應(yīng)變參數(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式測量。系統(tǒng)由激光器模組、布里淵光路模塊、微弱光電轉(zhuǎn)化、放大電路模塊、光纖質(zhì)量監(jiān)測模塊、光偏振模塊、高速信號采集卡和頻率計組成，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1.2.1 分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB）激光器快速調(diào)諧技術(shù)

半導(dǎo)體激光器的工作溫度與驅(qū)動電流同時對波長產(chǎn)生影響。其中：溫度調(diào)諧方式的調(diào)諧范圍寬，但響應(yīng)時間較慢；電流調(diào)諧方式調(diào)諧范圍小，但響應(yīng)時間快。系統(tǒng)選擇內(nèi)置熱電制冷器（TEC）的DFB 激光器，精確調(diào)節(jié)TEC 的溫度，實(shí)現(xiàn)對波長溫度的調(diào)諧，溫度調(diào)諧范圍為±30 pm（±4 GHz），溫度調(diào)諧精度為15 pm/℃。DFB 激光器波長快速調(diào)諧采用電流調(diào)諧方式，電流調(diào)諧范圍為4 pm（500 MHz），電流調(diào)諧精度為0.45 pm/mA（50 MHz/mA），激光器電流電流調(diào)諧響應(yīng)時間為10 ms。

1.2.2 短脈沖、高消光比電光調(diào)制技術(shù)

脈沖寬度直接影響B(tài)OTDA 系統(tǒng)的空間分辨率，系統(tǒng)中采用FPGA 技術(shù)設(shè)計了脈寬為10 ns 的驅(qū)動脈沖，驅(qū)動電流達(dá)150 mA，適用于驅(qū)動低阻抗的電光調(diào)制器（EOM），10 ns的脈寬使系統(tǒng)的空間分辨率達(dá)1 m。另外，EOM 輸出脈沖的消光比對BOTDA 系統(tǒng)測量的精度有直接影響，系統(tǒng)采用了溫度自適應(yīng)的方式使EOM 直流偏置輸出始終保持在最小值，脈沖消光比大于30 dB。

1.2.3 小信號放大技術(shù)

當(dāng)探測光與泵浦光信號經(jīng)過80 km 的長光纖后，信號正常情況下會出現(xiàn)明顯的衰減，系統(tǒng)采用小信號放大技術(shù)將布里淵散射信號放大至采集卡所要求的輸入電平范圍。小信號放大技術(shù)使用高性能的運(yùn)算放大芯片，設(shè)計了具有微弱信號的低噪聲、高速寬帶放大電路，增益達(dá)20 dB，帶寬高達(dá)100 MHz，保證了BOTDA 系統(tǒng)的空間分辨率和溫度精度。

1.2.4 對海纜溫度的快速檢測技術(shù)

系統(tǒng)實(shí)施了基于高斯曲線的布里淵增益譜快速擬合算法，并且綜合考慮海底環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)了對海纜溫度的快速檢測，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時性。

2 海纜擾動監(jiān)測

2.1 相位敏感型OTDR（φ-OTDR）原理

φ-OTDR 對振動點(diǎn)位置的定位主要是通過檢測傳感光纖線路中后向瑞利散射光干涉效果的振幅變化來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)傳感光纖線路受外界擾動影響時，該位置的光相位會隨對應(yīng)位置的光纖折射率的變化而變化，并最終影響后向的瑞利散射光干涉效果，從而反映振動點(diǎn)的位置信息。由于光度恒定，因此利用脈沖光輸入、接收信號的時間差就可以推算出發(fā)生振動的準(zhǔn)確位置。然而，實(shí)際情況下，激光器會存有頻移，因此在φ-OTDR 系統(tǒng)中，必須選用頻移速度較低（即頻率特別穩(wěn)定）的激光器，滿足該要求的激光器具有窄線寬、功率大的特點(diǎn)。此時注入傳感光纖線路中的光具有極強(qiáng)的相干性，光脈沖寬度范圍內(nèi)全部后向瑞利散射光光強(qiáng)的相干疊加就是光電探測器所探測到的光強(qiáng)，更加微弱的振動信號也可以被捕捉。因此基于φ-OTDR 技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)比一般的OTDR 傳感系統(tǒng)具有更高的靈敏性。

2.2 分布式聲傳感技術(shù)原理

分布式聲傳感技術(shù)（Distributed Acoustic Sensing，DAS）作為一種分布式光纖測量和分布式光纖傳感的核心技術(shù)和核心裝置，它利用相干瑞利散射光的相位而非光強(qiáng)來探測音頻范圍內(nèi)的聲音或振動等信號，不僅可以利用相位幅值的大小來提供聲音或振動事件強(qiáng)度的信息，還利用線性定量測量值來實(shí)現(xiàn)對聲音或振動事件相位和頻率信息的獲取。DAS廣泛應(yīng)用于分布式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中，可以在光纜電纜的防開挖、周界安防、石油管線監(jiān)測以及長距離海纜檢測等應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.3 海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建思路如圖4 所示。激光模塊發(fā)射出一系列的激光，經(jīng)過耦合器后分成2 路，其中一路為探測光，另一路為參考光。探測光以脈沖化的形式輸入到被測光纖中，反射回來的信號光就攜帶了待測光纖的相關(guān)信息（外界對光纖某點(diǎn)產(chǎn)生的振動信息），另一路的參考光作為本地光，通過本地光與瑞利散射回波進(jìn)行相干耦合，相干后的光進(jìn)入光電檢測模塊，光電轉(zhuǎn)換后的信號通過采集系統(tǒng)對其進(jìn)行采集處理，最后通過上位機(jī)完成時域、頻域波形顯示以及實(shí)現(xiàn)模式識別等相關(guān)功能。光學(xué)部分使散射回的光信號與本振光相干，可以增強(qiáng)信號，實(shí)現(xiàn)分布式振動的測量。光學(xué)器件主要有窄線寬激光模塊、耦合器、聲光調(diào)制模塊、光放大模塊、光環(huán)形器以及相干檢測模組等。硬件電路主要用于控制光學(xué)系統(tǒng)中的有源光器件，使其處于正常工作狀態(tài)。

圖4 海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光模塊發(fā)出的一系列的光經(jīng)過調(diào)制，運(yùn)用超短脈沖測量數(shù)據(jù)提升了系統(tǒng)定位的精度；高速A/D 模塊采用高速數(shù)據(jù)采集卡對散射光進(jìn)行相干接收，通過小波變換和快速FFT等數(shù)據(jù)處理算法，將大量時域數(shù)據(jù)變換到頻域，可測量從0.2 Hz～200.0 Hz 的極寬的頻率范圍系統(tǒng)，對偏振光進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)擾動的同時識別，并且能夠?qū)Χ帱c(diǎn)擾動同時進(jìn)行定位和頻率檢測。采用高功率超窄線寬激光器和光相干檢測的技術(shù)，在不影響系統(tǒng)精度的前提下，極大地增加了系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測距離，單通道超長監(jiān)測距離≥50 km，也極大地拓展了系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

3 結(jié)論

利用分布式光纖傳感技術(shù)，將布里淵散射和瑞利散射技術(shù)應(yīng)用于海底電纜溫度、應(yīng)變、擾動實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測中，建立海纜運(yùn)行狀態(tài)與散射光參量的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過光散射信號解析，獲取海纜狀態(tài)信息，將布里淵散射和瑞利散射技術(shù)充分應(yīng)用于對海底電纜的溫度、應(yīng)變和擾動的高精度監(jiān)測中，能幫助實(shí)現(xiàn)對海纜的有效實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測。在該基礎(chǔ)上可以建立海纜故障綜合診斷系統(tǒng)，根據(jù)所監(jiān)測的多參量數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)平臺從多個角度對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提前預(yù)警和定位船只掛纜、落錨引起的海纜擾動，利用光纖溫度評估海纜載流量和動態(tài)增容可行性，為運(yùn)維人員提供重要數(shù)據(jù)參考和決策支持，幫助運(yùn)維人員對海纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險評估，減少運(yùn)維工作量，提高海纜運(yùn)維效率，降低海纜運(yùn)行風(fēng)險，全面提高海纜狀態(tài)監(jiān)測的水平。