基于分布式光纤振动传感器系统识别海底光电复合缆监测

　　摘 要： 随着科学技术的进步，海洋经济成了各国经济发展的关键发展项目。在此过程当中，海底光缆的应用十分广泛，在海上风电、岛屿开发以及石油平台等多种海上项目都需要海底光缆的应用。海底具有较地底更为复杂的环境，如何保证海底光缆安全运行，实时监测海底光缆动态，定位光缆故障点，成为亟须解决的问题。通过分布式光纤振动传感器，借助Φ?OTDR技术，设计海底光电复合缆的监测系统。最终借助时空谱图进行故障点与非故障点的信号变化表征，实现海底光缆故障点的实时监测与定位。

　　关键词： 海底光缆; 光缆监测; 系统设计; 分布式光纤振动传感器; 故障点识别; 定位监测

　　0 引 言

　　在海洋经济不断发展的过程当中，海底电缆的应用成为其关键的组成部分。保证海底电缆正常运行的首要前提是绝缘。海底电缆的绝缘材料通常采用交联聚乙烯支撑，使用到一定的市场，会发生电树或者是水树等各种劣化，在其绝缘击穿之后，会造成电缆的故障。通过分布式光纤传感振动系统，结合Φ?OTDR技术，进行海底光电复合缆人为故障点的试验，以期探究出能够对海底光电复合缆进行实时地故障点定位监测的方案。

　　1 光纤传感器简述

　　1.1 光纤传感器的构成

　　光纤传感器，即以光纤为介质将光束进行相对距离的传播，并传输到对应的调制器，在调制器当中，以外界所需测量参数为基本参照，进行对应的光信号的调制，而后经由解调器将其发射得到对应的测量参数[1]。通常来说，光纤传感器的组成部分包括光的解调器以及调制器、光探测器、入射光纤、光源以及出射光纤。光导纤维也即光纤，是主要的光传导工具，是以塑料或者玻璃为原料制成的纤维[2]。光导纤维的主要构成成分为包层以及纤芯。通常纤芯的折射率要高于包层的折射率。光在光纤当中的传播主要是依据光的全反射原理。同时，光纤传感器的实现是以光弹效应为基础依据[3]。光弹效应也即由于介质当中存在应力波时，介质的光折射率或者介电常数受其影响而改变，导致光的传播特性由此而改变。

　　1.2 光纤传感器的传感原理

　　基于光弹效应，当如压力、温度等外界因素介入时，光纤中所传输光的性质会以一定的规律发生变化[4]。若光纤对应的长度为N，则出射光波的对应相位可以表示为：

　　在光纤参数不变的前提下，[P11]，[P12]，n以及[β]作为常量保持不变，相位角的变化量[Δφ]只受压力M的影响，也即[Δφ∝M]。由此表达式可以实现光学参量以及力学参量的相互转化，做出精准的外界应力测量，达到对应的光纤振动传感。

　　通俗来说，光纤传感器就是将光源所发射光纤经由光纤输送到调制器[6]。同时，受外界测量参量应力影响，使得所传输光纤某些参数发生对应的变化，而后通过解调器对处理后的信号光进行解调，在解调器分析处理之后，得到对应的外界测量参量。依据这一基本原理，光纤传感器可以概括成两类：一类光纤传感器在能够通过自身对外界信息做出反应的同时，也能够作为传输介质，通过光的传输信息，这类传感器集“传”和“感”的功能于一身，称为传感型的光纤传感器;另一类传感器不能够直接感知外界信息，需要通过外部补偿器件实现对应功能，传感器本身仅实现媒介作用，此类传感器称为传光型的光纤传感器[7]。两种传感器在一同具备媒介作用的同时，由于其功能的不同产生了对应的区别。主要区别在于传感型传感器由于自身对外界信息的感知作用，能够进行相应的调制作用并且是连续的;传光型传感器由于需要外部功能性元件的介入才能实现对应的传感功能，因此不表现出连续性。

　　1.3 分布式光纖传感器简述

　　分布式光纤传感器以光纤在三维空间上表现出来的空间特性为基础依据，其主要传感原理是通过实时连续地对光纤线缆附近的外界参量进行测量，在此过程中，所测量物理参量作为光纤的位置长度所对应的函数。通过测量及分析，获得外界参量的实时变化和三维空间当中的分布形式[8]。具体来讲，分布式光纤传感系统以监测区域为基础依据划分，可以分为全分布式和准分布式两类。在准分布式当中，光纤不实现传感功能，仅执行传光功能。准分布式光纤传感器通过耦合器将多个独立光纤传感器串联或者并联到一根光纤，借助计算机技术以及对应的光电探测器对解调信号进行分析处理，以此得到监测范围内所测参量的空间状态分布。其主要原理如图1所示。准分布式光纤传感器对于空间当中不同分布的外界测量函数进行测量时，具备较强的准确性，能够更好地分析其对应的状态信息。其缺点是由于其自身结构复杂使得探测范围受到一定限制，在具体探测当中仍然存在一定的盲区，往往需要进行多个传感器间的相互耦合，因此存在投资成本相对较高，结构繁复等缺点[9]。

　　全分布式传感器将整个系统集中到一个传感型的光纤传感器上，光纤隔断在作为信息传输的媒介的同时，也能够被看作独立的感应器件使用。因此，全分布式光纤传感器相比于准分布式光纤传感器来说，不存在所谓的检测盲区，监测范围更广，并且兼具传感功能。在投资成本上，由于系统集中在一个光纤上，因此投资成本相对来说要低很多。鉴于此，全分布式传感器的适用范围更为广泛。全分布式传感器的主要原理结构如图2所示。

　　光纤在传输光的过程中，会产生光的散射，其产生主要的三种散射分别是布里渊散射、拉曼散射以及瑞利散射[10]，其散射示意如图3所示。对系统用到的瑞利散射进行简要介绍。瑞利散射也即分子散射，在分布式光纤系统中，它是由光纤本身所产生的一种特质。光纤材料无法做到长度范围内的绝对均匀，因此光线的折射率并非绝对的，而是在特定范围内无规则变化的。瑞利散射也因此产生。瑞利散射是光纤材料与光波之间相互作用所得的弹性散射，因此不发生对应的频移变化。

　　2 Φ?OTDR技术简述

　　2.1 Φ?OTDR技术基本原理简述

　　Φ?OTDR技术首先向分布式光纤振动传感器的光纤中打入脉冲光，而后通过光电探测器对脉冲光经由光纤所过位置进行对应的瑞利散射的探测。与传统的OTDR技术不同的是，Φ?OTDR技术所用的光源探测器是窄线宽形式的激光器，其相关性很强，因此其响应能力更强，灵敏度更高[11]。

　　对Φ?OTDR技术基本原理的阐述，借助其离散数学模型来完成。在图4中，将整体分布式传感光纤长度设置为D，并将长度为D的光纤均匀分为Q段，各段长度为[ΔD=DQ]，同时各段长度应当保证与脉冲宽度的一致。在离散数学模型中，由Q个反射镜形成对应的后向散射过程，当脉冲光传输到各个反射镜中时，总有能够反射到入射点的一部分光，经过Q个反射镜反射之后，各反射镜能够被看作各小段，也即[ΔD]当中各零散散射体相对应的矢量和。由于后向散射光的相位和幅值在分布上的随机性，零散散射体的矢量和在复平面内随机分布。

　　若[ΔD]长度范围内的光纤存在P个在分布上相互独立、均匀且随机的散射体，同时其偏振态相同时，n段长度范围内光纤当中P个散射体所对应的场矢量和可以用以下表达式求出。

　　式中，脉冲光对应脉冲宽度第n段长度范围的光纤中的P个散射体的幅值矢量和用[rn]表示，其相位矢量和用[φn]表示;[ΔD]长度范围内光纤的第a个散射体的幅值用[ca]表示，相位值用[Ωa]表示。[Ωa]和[ca]相互独立，同时[rn]，[φn]，[Ωa]，[ca]均定义为随机变量，同时对于任何第a个散射体，各变量的分布均相同，在[-π，π]上，[Ωa]满足均匀分布。因此，对于Q个反射镜相位[φ]以及反射率r对应概率密度函数的算式可表示为：

　　式中，[σ2]是约为[10-72]的常量。不难发现相位[φ]以及反射率r同时满足均匀分布以及瑞利分布。第n段长度范围内光纤的后向散射受入射光强相干光的影响，会产生相互间的干涉，叠加后场强表达式为：

　　式中：入射脉冲光所对应的电场用[E0]表示;光纤传感器所对应的损耗系数用[α]表示。若各散射体对应的幅值均为a，则后向散射光由光电探测器所探测出的干涉强度可表示如下：

　　通过上述表达式，能够通过对后向散射对应的光强变化，探测出光纤在外界应力影响下的相位变化。

　　2.2 Φ?OTDR技术的主要性能参数简述

　　2.2.1 灵敏度

　　Φ?OTDR技术的灵敏度体现在Φ?OTDR系统对于外界的扰动因素的反应能力上。决定Φ?OTDR技术灵敏度的主要因素是对应的光源线宽，越窄的线宽决定了激光光源更好的相干性[12]，使得Φ?OTDR技术对外界干扰因素的反应能力更好。传统的OTDR系统探测光源为宽带光源，线宽不够窄，无法满足对于干涉光强的测量精度，不能进行一些微弱扰动的测量。从这一角度来看，Φ?OTDR技术具有更好的测量灵敏度。

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文章名称： 基于分布式光纤振动传感器系统识别海底光电复合缆监测

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