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B-OTDR在海底光缆制造与施工维护中的应用
2009-11-09 16:47
B-OTDR在海底光缆制造与施工维护中的应用
作者：陆国梁,缪国兵,罗勇
0 引言
　　海底光缆简称SOFC，敷设于浅海或深海之中，主要用于洲际之间、大陆与岛屿及岛屿之间的通信，是具有大容量、高质量、保密性能好、抗干扰能力强的特种光缆，因为制造难度大，技术要求高，俗称“光缆之王”。发展我国海缆产业具有重要的战备意义和社会效益，它既是推进全球信息化发展的主体，也是进行海洋勘测、开发和维护国家海权的保证。
　　实验室中，通常利用“光缆机械性能试验方法”来监测光缆中光纤应变，试验必须在光纤成缆后进行。那么能否有办法在每道工艺环节中、随时监测光纤的应变分布状况呢?将导致光纤受力受损的不利因素消灭在萌芽阶段;事实证明，B-OTDR(中文名称“布里渊散射光时域反射仪”)可以担此重任，其突破传统的常规OTDR衰减测试方法，可全程监测海底光缆制造、装卸、施工布放、运行维护中任何一段光纤的应力应变程度，从而直观地反应光纤在各工序中的受力状况，这对改进海底光缆的制造工艺、施工方案以及及早发现事故隐患，有着十分重要的意义。
　　1 B-OTDR测试应变的原理
　　1.1布里渊散射与频率漂移
　　光波在光纤中沿直线传播，由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤的散射主要有三种瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射。根据经典理论：任何介质在常温状态下，均存在着由其组成粒子(原子、分子或离子)自发热运动所形成的连续性力学振动，这种弹性振动引起介质密度随时间和空间周期性起伏，相应地介质内部产生一个自发的声波场。当光定向地射入介质时，它将受到介质内自发声波场的散射作用，这就是布里渊散射。如图1所示：

　　光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，可看作泵浦波、斯托克斯波、声波之间的相互作用，这种频移称为布里渊频移νB。它与光纤中的声速成正比，而声速主要依赖于光纤所受的应力。

　　1.2B-OTDR的测试过程
　　采用B-OTDR进行应变测试，是为了获得光纤任意长度上的应变分布情况和光纤在各种试验条件下的应力分布状况。B-OTDR利用如图3所示的工作原理检测沿着光纤长度上每一点的背向布里渊散射光谱：
　　某一频率的入射光被光耦合器分成探测脉冲光和参考光两路光，从光纤一端注入探测脉冲光，B-OTDR在光纤的同一端接收返回的布里渊散射光，对入射光按一定的频率进行改变。不断重复前面的测试过程，就能得到大量的不同频率处的背向布里渊散射光的功率分布，从而获得图4所示的布里渊散射光频-位置-光功率三维图。
　　光谱图的功率峰值处的频率与入射光频率之差为该位置上的布里渊频移νB，利用布里渊频移与应力的关系可得到沿着光纤长度上的应变分布曲线。

　　2 几种应变测试方法的比较。
　　目前，海缆制造厂家测试光纤应变的主要方法有：脉冲法、相移法。脉冲法是在光纤群折射率已知的情况下，通过测量光脉冲或脉冲串的传输时间进行光纤长度测定。测量程序如下：时间延迟发生器触发激光器，由激光器发出光脉冲入射进光纤，出射光由光检测器接收，并将光信号转为电信号，再由取样示波器显示脉冲到达时间，通过计算机算出时延。
　　相移法是根据光纤传输的正弦波调制光信号的相位变化来测定光纤应变，计算公式如下：

　　它们与B-OTDR测试应变的区别如下表：

　　3 B-OTDR在海底光缆上的应用
　　3.1B-OTDR在海缆生产过程中的测试
　　我们对生产过程中的不锈钢管二次被覆光纤进行试验，用B-OTDR分别测试每一根光纤的应力分布情况。设置B-OTDR初始频率为10.8GHz，每10MHz为一个扫描频率间隔，扫描频率间隔数为40次。在正常试验条件下进行扫描，得到光纤的应力分布曲线，现用B-OTDR对同一套塑管中的两根光纤测试图形进行叠加分析，得出图5：

　　从图5中可以看出：
　　1)因二次被覆光纤余长主要是放线张力起作用，在油膏填充度均匀的情况下，处于同一套管中的不同光纤，其应力分布基本上是一致的。
　　2)从Maker1~Maker2之间的长度约为163m，从Maker5~Maker6之间的长度约为102m，而且是逐渐减小的。经分析这是松套管在盘上每层换向的地方受挤压，光纤在该点的应力较集中，曲线在这些位置上有较明显的尖峰。这在普通OTDR上是无法反映出来的。
　　3)光纤全长度上应力分布也有不同，有的段落明显，有的不明显。这是因光纤二次被覆生产过程中光纤局部受力不均匀造成的(即使是0.01%微小的受力应变亦能明显表现)。
　　从试验中，B-OTDR能敏感的发现光纤在盘上的应力分布情况，尽管这种应力很小，但我们都能一目了然地看到光纤在不同长度上的应力分布，这对我们在改善光缆制造工艺、完善运输包装等方面非常有意义。
　　3.2B-OTDR在光缆拉伸试验中的测试
　　用B-OTDR测试光纤应变与拉伸试验测试光纤的应变情况各有特点，我们在光缆拉伸试验的过程中，采用B-OTDR对光纤的受力状况进行监测，以便能从实例中分析两者的区别。

　　从图6和图7中可以看出：
　　1)在一定的拉力条件下，采用B-OTDR和CD400测出的光纤应变值是一致的，两者都能判断光纤受拉力后的应变情况。
　　2)使用B-OTDR测量的曲线上明显地看出光纤在拉伸过程中的不同受力状况。靠近滑轮的地方和滑轮上的光纤受力较大，而在平行部分受力则较小。试验中能较直观地反映光纤在拉伸过程中的局部受力状况。
　　3)从Maker1至Maker2之间约为25m，从Maker3至Maker4之间也约为25m，这从图7中可以看出，用B-OTDR能准确地进行光缆受试长度分析。
　　通过CD400和B-OTDR监测的图形可以发现，传统的拉伸试验只能获得光纤受试长度上的平均应变情况，而B-OTDR不仅能反映光纤受试长度内的平均应变，还能详细地反映各受试部位的应变情况。虽然CD400在局部应力测试方面不及B-OTDR，但它可以对多根光纤同时进行监测，这是B-OTDR做不到的。
　　3.3 B-OTDR在海缆生产过程中光纤应力监测
　　中天科技海缆有限公司注重海缆品质的控制，在海缆生产过程中利用B-OTDR对生产过程进行监测。图8就是某根海缆生产过程中监测到的光纤应力分布状况图，通过该图结合海缆生产过程，我们分析出四点：
　　1)标记1～标记2是海缆生产过程中的一段，海缆外铠装钢丝绞合过程中，缆中光纤受到的应力较大，变化幅度达到0.25%,可见光缆绞合过程对光纤产生应变还是比较明显的。
　　2)标记1之前的光纤为已绞合成缆光纤，光纤应变较小，变化幅度小于0.005%,说明光缆在绞合过程对光纤产生的应力经收线后已基本消除。

　　图8B-OTDR在海缆生产过程中光纤应力监测
　　3)标记2之后的部分是没有绞合的缆芯中的光纤，应变呈下降趋势，这是由于光缆放线时有一定的放线张力。
　　4)除绞合点外的每一段光纤的应变都小于001%，表明海缆的生产工艺是成熟的，生产中的每一工序均能控制的很好，光纤在海缆中处于比较好的状态。
　　3.4B-OTDR在海缆施工过程中光纤应力监测
　　由于海缆的特殊性，其施工过程不同于普通陆地光缆，海缆的施工比陆缆具有更高的技术性，施工过程中不确定性因素也较多，为了确保施工过程中对海缆通信质量不造成不必要的影响，在施工过程中必须对海缆进行全程监测。
　　海缆施工过程必须通过先进的设备来控制，主要参考指标：埋设深度、敷设张力、敷设速度等。施工过程中，除了对上述指标的监测外，我们更应从光缆中的传输元件——光纤入手，监测光纤的损耗和应力，来综合分析海缆施工质量的好坏。
　　埋设过程中有时使用导缆笼，以消除在施工过程中可能存在的弯曲和扭转对海缆的影响。埋设过程中对海缆性能影响较大的因素是牵引力的大小，理论上海缆在埋设过程中处于不受力的状态，实际施工过程中或多或少都会受到一些力的影响。

　　图9 B-OTDR在海底光缆施工过程的测试
　　某海缆施工单位在对某一条海缆进行施工埋设过程中，海缆埋设犁碰到不明障碍物，海缆的埋设张力由10KN猛增至120KN，由于力值大幅度的变化，使得海缆在该处受到力的作用，用B-OTDR进行测试，可明显地看出光纤的受力分布状况，如图9。
　　图中标记1～标记2之间的长度为100m，在这100m的范围内光纤有0.03%的应变，与施工记录进行对比，海缆埋设犁碰到不明障碍物的地点也就是在这100m的范围之内，可见在施工过程中的外力变化对施工产生了一定的影响。所以，在海缆施工中要尽量放慢速度，有特殊情况时才能及时进行调整。
　　海缆登陆会受到风浪、潮讯的影响，海缆承受一定的张力后光纤就会产生较明显的应变，如图10所示，该海缆在登陆端都有受力现象。

　　图10 B-OTDR对海底光缆登陆点的测试
　　在海缆登陆时，施工船可利用高潮水位时尽可能靠近登陆点，选择在流速、风速小的时候登陆;登陆过程中，尽可能减少外力对海缆的作用，登陆结束后及时对登陆段海缆进行埋设，使海缆得到保护，而且海缆登陆段要留足余量，以便控制敷设后的光纤残余应变。
　　海缆装船、运输的质量也是保证海缆施工的重要环节，所以在海缆的装船过程、施工前要用B-OTDR对海缆进行测试，以保证在装船和运输过程中不影响海缆质量。
　　由图11可见，在整条曲线上每隔一定的距离就有一个较小的尖峰，这些尖峰都反映了该处光纤处于受力状态。经过对海缆装船的盘线外径、排线状况进行仔细分析，发现所有的受力点都是在海缆的转向角上，在转向的地方海缆受轻微的侧压力作用，而且随着层数的增加，光纤的受力也越来越大，但在海缆施工后这些受力点均消失。

　　4 B-OTDR的优势
　　1)OTDR的测试只是从一个侧面反映衰减变化情况，而B-OTDR能直观地反映光缆工艺结构是否合理等状况，能为光缆生产提供科学、准确的指导数据。
　　2)传统的拉伸试验方法是在光缆的局部进行的，而光缆全长度上的应力分布不一定是一致的，当整盘光缆上的光纤应力分布不一致时，拉伸试验就无法准确地进行测量。而B-OTDR能测试光纤全长度上的应力分布，弥补了拉伸试验测量光缆应变的不足。
　　3)传统的光缆拉伸试验方法是在实验室内进行的，无法测试运行线路上光纤的应变状况。而B-ODTR采用的是布里渊散射原理、OTDR技术，可在野外或海上进行，方便快速。
　　4)传统的拉伸试验只能从光纤衰减中看出光纤的受力变化，测试误差较大，而使用B-OTDR能很直观地测出光纤应变情况，测试误差很小
　　5)B-OTDR能有效地运用于特种光缆的监测中，尤其针对海底光缆制造、装卸、施工和维护的全过程在线监测，B-OTDR可提供大量、更为直观科学的数据分析。
　　6)B-OTDR作为敏感的光纤传感器的监测手段，还可广泛应用于对大型建筑、桥梁安全及地球地壳运动变化的监测。
　　5 结束语
　　随着光纤光缆应用领域的拓展和普及，运行单位对光缆质量要求也越来越高，测试检验技术也要不断提升，B-OTDR采用布里渊散射的原理，大大提高了光缆应变检测的精度，为海底光缆的制造、装卸、敷设和运行维护提供准确的应力分布数据，并可以对运行中的海底光缆进行24小时的在线测量。

2 几种应变测试方法的比较。
　　目前，海缆制造厂家测试光纤应变的主要方法有：脉冲法、相移法。脉冲法是在光纤群折射率已知的情况下，通过测量光脉冲或脉冲串的传输时间进行光纤长度测定。测量程序如下：时间延迟发生器触发激光器，由激光器发出光脉冲入射进光纤，出射光由光检测器接收，并将光信号转为电信号，再由取样示波器显示脉冲到达时间，通过计算机算出时延。
　　相移法是根据光纤传输的正弦波调制光信号的相位变化来测定光纤应变，计算公式如下：

　　它们与B-OTDR测试应变的区别如下表：

　　3 B-OTDR在海底光缆上的应用
　　3.1B-OTDR在海缆生产过程中的测试
　　我们对生产过程中的不锈钢管二次被覆光纤进行试验，用B-OTDR分别测试每一根光纤的应力分布情况。设置B-OTDR初始频率为10.8GHz，每10MHz为一个扫描频率间隔，扫描频率间隔数为40次。在正常试验条件下进行扫描，得到光纤的应力分布曲线，现用B-OTDR对同一套塑管中的两根光纤测试图形进行叠加分析，得出图5：

　　从图5中可以看出：
　　1)因二次被覆光纤余长主要是放线张力起作用，在油膏填充度均匀的情况下，处于同一套管中的不同光纤，其应力分布基本上是一致的。
　　2)从Maker1~Maker2之间的长度约为163m，从Maker5~Maker6之间的长度约为102m，而且是逐渐减小的经分析这是松套管在盘上每层换向的地方受挤压，光纤在该点的应力较集中，曲线在这些位置上有较明显的尖峰。这在普通OTDR上是无法反映出来的。
　　3)光纤全长度上应力分布也有不同，有的段落明显，有的不明显。这是因光纤二次被覆生产过程中光纤局部受力不均匀造成的(即使是0.01%微小的受力应变亦能明显表现)。
　　从试验中，B-OTDR能敏感的发现光纤在盘上的应力分布情况，尽管这种应力很小，但我们都能一目了然地看到光纤在不同长度上的应力分布，这对我们在改善光缆制造工艺、完善运输包装等方面非常有意义。
　　3.2B-OTDR在光缆拉伸试验中的测试
　　用B-OTDR测试光纤应变与拉伸试验测试光纤的应变情况各有特点，我们在光缆拉伸试验的过程中，采用B-OTDR对光纤的受力状况进行监测，以便能从实例中分析两者的区别。

　　从图6和图7中可以看出：
　　1)在一定的拉力条件下，采用B-OTDR和CD400测出的光纤应变值是一致的，两者都能判断光纤受拉力后的应变情况。
　　2)使用B-OTDR测量的曲线上明显地看出光纤在拉伸过程中的不同受力状况。靠近滑轮的地方和滑轮上的光纤受力较大，而在平行部分受力则较小。试验中能较直观地反映光纤在拉伸过程中的局部受力状况。
　　3)从Maker1至Maker2之间约为25m，从Maker3至Maker4之间也约为25m，这从图7中可以看出，用B-OTDR能准确地进行光缆受试长度分析。
　　通过CD400和B-OTDR监测的图形可以发现，传统的拉伸试验只能获得光纤受试长度上的平均应变情况，而B-OTDR不仅能反映光纤受试长度内的平均应变，还能详细地反映各受试部位的应变情况。虽然CD400在局部应力测试方面不及B-OTDR，但它可以对多根光纤同时进行监测，这是B-OTDR做不到的。
　　3.3 B-OTDR在海缆生产过程中光纤应力监测
　　中天科技海缆有限公司注重海缆品质的控制，在海缆生产过程中利用B-OTDR对生产过程进行监测。图8就是某根海缆生产过程中监测到的光纤应力分布状况图，通过该图结合海缆生产过程，我们分析出四点：
　　1)标记1～标记2是海缆生产过程中的一段，海缆外铠装钢丝绞合过程中，缆中光纤受到的应力较大，变化幅度达到0.25%,可见光缆绞合过程对光纤产生应变还是比较明显的。
　　2)标记1之前的光纤为已绞合成缆光纤，光纤应变较小，变化幅度小于0.005%,说明光缆在绞合过程对光纤产生的应力经收线后已基本消除。

　　图8B-OTDR在海缆生产过程中光纤应力监测
　　3)标记2之后的部分是没有绞合的缆芯中的光纤，应变呈下降趋势，这是由于光缆放线时有一定的放线张力。
　　4)除绞合点外的每一段光纤的应变都小于0.01%，表明海缆的生产工艺是成熟的，生产中的每一工序均能控制的很好，光纤在海缆中处于比较好的状态。
　　3.4B-OTDR在海缆施工过程中光纤应力监测
　　由于海缆的特殊性，其施工过程不同于普通陆地光缆，海缆的施工比陆缆具有更高的技术性，施工过程中不确定性因素也较多，为了确保施工过程中对海缆通信质量不造成不必要的影响，在施工过程中必须对海缆进行全程监测。
　　海缆施工过程必须通过先进的设备来控制，主要参考指标：埋设深度、敷设张力、敷设速度等。施工过程中，除了对上述指标的监测外，我们更应从光缆中的传输元件——光纤入手，监测光纤的损耗和应力，来综合分析海缆施工质量的好坏。
　　埋设过程中有时使用导缆笼，以消除在施工过程中可能存在的弯曲和扭转对海缆的影响。埋设过程中对海缆性能影响较大的因素是牵引力的大小，理论上海缆在埋设过程中处于不受力的状态，实际施工过程中或多或少都会受到一些力的影响。

　　图9 B-OTDR在海底光缆施工过程的测试
　　某海缆施工单位在对某一条海缆进行施工埋设过程中，海缆埋设犁碰到不明障碍物，海缆的埋设张力由10KN猛增至120KN，由于力值大幅度的变化，使得海缆在该处受到力的作用，用B-OTDR进行测试，可明显地看出光纤的受力分布状况，如图9。
　　图中标记1～标记2之间的长度为100m，在这100m的范围内光纤有0.03%的应变，与施工记录进行对比，海缆埋设犁碰到不明障碍物的地点也就是在这100m的范围之内，可见在施工过程中的外力变化对施工产生了一定的影响。所以，在海缆施工中要尽量放慢速度，有特殊情况时才能及时进行调整。
　　海缆登陆会受到风浪、潮讯的影响，海缆承受一定的张力后光纤就会产生较明显的应变，如图10所示，该海缆在登陆端都有受力现象。

　　图10 B-OTDR对海底光缆登陆点的测试
　　在海缆登陆时，施工船可利用高潮水位时尽可能靠近登陆点，选择在流速、风速小的时候登陆;登陆过程中，尽可能减少外力对海缆的作用，登陆结束后及时对登陆段海缆进行埋设，使海缆得到保护，而且海缆登陆段要留足余量，以便控制敷设后的光纤残余应变。
　　海缆装船、运输的质量也是保证海缆施工的重要环节，所以在海缆的装船过程、施工前要用B-OTDR对海缆进行测试，以保证在装船和运输过程中不影响海缆质量。
　　由图11可见，在整条曲线上每隔一定的距离就有一个较小的尖峰，这些尖峰都反映了该处光纤处于受力状态。经过对海缆装船的盘线外径、排线状况进行仔细分析，发现所有的受力点都是在海缆的转向角上，在转向的地方海缆受轻微的侧压力作用，而且随着层数的增加，光纤的受力也越来越大，但在海缆施工后这些受力点均消失。

　　4 B-OTDR的优势
　　1)OTDR的测试只是从一个侧面反映衰减变化情况，而B-OTDR能直观地反映光缆工艺结构是否合理等状况，能为光缆生产提供科学、准确的指导数据。
　　2)传统的拉伸试验方法是在光缆的局部进行的，而光缆全长度上的应力分布不一定是一致的，当整盘光缆上的光纤应力分布不一致时，拉伸试验就无法准确地进行测量。而B-OTDR能测试光纤全长度上的应力分布，弥补了拉伸试验测量光缆应变的不足。
　　3)传统的光缆拉伸试验方法是在实验室内进行的，无法测试运行线路上光纤的应变状况。而B-ODTR采用的是布里渊散射原理、OTDR技术，可在野外或海上进行，方便快速。
　　4)传统的拉伸试验只能从光纤衰减中看出光纤的受力变化，测试误差较大，而使用B-OTDR能很直观地测出光纤应变情况，测试误差很小。
　　5)B-OTDR能有效地运用于特种光缆的监测中，尤其针对海底光缆制造、装卸、施工和维护的全过程在线监测，B-OTDR可提供大量、更为直观科学的数据分析。
　　6)B-OTDR作为敏感的光纤传感器的监测手段，还可广泛应用于对大型建筑、桥梁安全及地球地壳运动变化的监测。
　　5 结束语
　　随着光纤光缆应用领域的拓展和普及，运行单位对光缆质量要求也越来越高，测试检验技术也要不断提升，B-OTDR采用布里渊散射的原理，大大提高了光缆应变检测的精度，为海底光缆的制造、装卸、敷设和运行维护提供准确的应力分布数据，并可以对运行中的海底光缆进行24小时的在线测量。