海底电缆综合监测系统

光波 在光纤 巾传输 时 ， 除 了产生拉 曼散射 以及 瑞利散 射外 ， 光纤 巾的声 学声子 和光子 还将 发生 非 弹性 碰 撞 ， 这种 非 线性 散 射过 程 称为 布 里渊 散 射 。 布里 渊散射 光 的频 率变 化与光纤 温度或应变 的变 化 成正 比 ， 因此 ， 通过测鼙布 里渊散射 光频移鼙就 能得
（ ３）
（ ４ ）
Ｒ（ ） ＝【 １ 一ｅ ｘ ｐ 【 一 ｈ ａ ｙ／ ） ］
Ｒ （ ） ＝【 ｅ ｘ ｐ （ ｈ Ａ ｖ ／ ｋ Ｔ ） 一 １ ］
的结果 ， 当光纤线路上受到外界下扰时， 对应位置处光 纤折射率将会发生变化 ， 这将 导致该位置光 相位的变 化以及相应 的相干瑞利散射信号的变化 ， 通 过探测瑞 利散射信 号有无变化可 以判断有无扰动的发乍。
Ｔ ｏ （ ） ／ （ ）
一
由于海底 电缆 对保障生产和生活 的极端 重要 性 和 出现故 障 的高修复 成本 ， 加 强海缆 监测 显得非 常 必要 。传统 的电缆振 荡波 局放测试 以及 电缆 脉 冲测
距定 位 仪等一 般 只能在停 电情况 下进行 离线 检测 ，
在 实 际 测 量 巾， 只需 要 测 出 （ Ｔ ） 、 （ Ｔ ） 、
（ ）、 （ ） ， 就能 由式 （ ８ ） 求 出温度 。 Ｒ Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ的定位 基于光时域反射技术（ Ｏ Ｔ ＤＲ） ：
当脉冲 激光在 光纤 巾 向前 传播 时 ， 不 同位 置产 生 的
后 向拉 曼散射 光 到达探测 器 的时延不 同 ， 根据 探测
本文 捉出的在线海底 电缆综 合监测 系统结 合 丫光纤
．
式 中
、 ａ ——光 纤 中斯 托 克斯 源自文库 反斯 托 克 斯散 射截面相关 的系数；
Ｖ Ｓ 、 ， ａ —— 斯托 克斯 、 反 斯托 克 斯 散 射 光 的
频 率； 联 、 ａ 。 —— 光纤 中入射光 、 斯 托克斯 光 、 反斯
三 ——光纤长 度；
托克斯光 的传输损耗； Ｒ ｓ （ Ｔ ） 、 Ｒ ａ （ ） —— 温度 时光 纤介 质低 能级 和高 能 级 上的布居 数有关 的 系数 。
当光纤温度 为任 意温度 时 ， 有： （ ） ／ （ ） 一 一 ｐ 卜 ｋ （ 、 Ｔ Ｔ） ］
ｏ
（ ７ 一 ｊ
由此 町以 得 到
一 ＝一
Ｔ ｒ ｏ ｈａｙ
上 １ １ １ — — — — — ＿ ＝ — 一
３ 海底 电缆综合监测 系统及应用
ｆ （ Ｒ｝ ８）
反斯托克斯光强可 以表示 为：
＝
Ｋａ ・ Ｓ＊ Ｖ ａ ４ ＊ ￣ ０・ （ ） ・ ｅ ｘ ｐ ［ 一 （ （ ） ＋ ａ ） ・ Ｌ ］ （ ２ ）
ｅ
的光时域反射 （ ｃ ｈ ． Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ） 技术、 基 于 Ｍ． Ｚ激光 干涉 仪 的光 纤 圈栏技术 等 。ＭＺ系统必须 通过 复杂 的 相 关运 算进 行定 位 ． 导致 定位 精度差 ， 响应 时问 慢。 Ｍ— ｚ干涉仪监测 灵敏度高 ， 但是易受外界环境 干扰 的 影响 ， 实 际使用 巾极易误报 ， 由于其很高的误报率 ， 某 些 ＭＺ设备事实上处 丁闲置状态 ， 形 同虚设 。
其巾ｈ 和ｋ 分 别为普朗克常数 种玻尔兹曼常数。
由此 可 以得 到 ：
２ ． ３ 分布式光纤应变测量技术
＝ －
惫 ・ （ ） ４ ｅ Ｇ ｘ ｐ ［ ＿ （ ｈ Ａ ｖ ／ ｋ Ｔ ） ］ 螂 ｆ Ｏ ｔ ａ － ａ ￣ Ｍ ］
（ ４） ． ｅ Ｘ ｐ ｈ ａ ｙ／ ｋ Ｔ ｏ ） ］ ￣ ｅ ｘ ｐ ［ ａ ￣ ， － ａ ｓ 】
分 布式温 度 、 扰 动 监测 系统 和基 于有 限元 算法 的 电 缆 载流量 分析 系统 ， 同时融 入 ｌ ｒ船 只 Ａ Ｉ Ｓ和 ＧＩ Ｓ系
器 检测 到光信号 的时延和光在光纤 巾的传播 速度 即
风 力绶 噻 妻
统， 使 得 对海缆 的监测 达到 全方位 、 全 天候 、 可 视 化 和集成 化的新 水平 。
且 有
Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ系统 采 用 Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ技 术定 位 ， 定位 精度
高， 响应 速 度 快 。 同常规 Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ类 似， 光 脉 冲 从 光 纤 的一端 注入 ， 通 过探测器探 测后 向瑞利散 射光 ， 但
Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ中注入光纤 的光是强相干 的， 因此该系统的
输出就是脉冲宽度范围内后 向散射瑞利光相干涉叠加
海 缆 温 度监 测 系统 也有 采 用基 丁 布里 渊散 射
效应 的分 布 式光 纤 温 度 传感 系 统（ Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ａ） ， 但 是
由于 布里 渊频移 同时对温 度 和应 变敏感 ， 因此必 须 解决 温度 和应变 的交 叉敏感 问题才 能精确测 温 ， 而 拉 曼散射光 只对温度敏感 ， 与应变无关 ， 冈此测温不 受应变影 响 ， 测量 的温度为海 缆的实际温度 ， 测温精
攘 球 嶷漉 ‰
光纤 中拉曼散射斯托克斯光强 可以表示 为：
：
可得到散射点存 光纤 中的位置信息 。
２２
．
Ｋ ｓ ￣ Ｓ ・ ｖ ・ ・ 足（ ） ・ ｅ ｘ ｐ ［ － （ ａ 【 】 ＋ ） ・ 上 】 （１ ）
分布 式光纤扰动监测技术
分布式光纤扰 动监测技 术主要有基于Ｉ ＝ ｆ ｛ 位敏感
到分布式光 纤温度或 者应 变的变化鳖 。 目前有 基于
已知光纤 温度 为 时 ， 有：
＝
（ ６）
受激 布里渊 散射效 应的光时域 分析仪 （ Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ａ） 或 者基于 自发布里渊散射效应 的布里渊光时域反射 仪 （ Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ） ， Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ａ 系统 的散射信 号 比较强 ， 系统测 量距离 和测量精度 一般要 高于 Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ 系统 。