第 31 卷第 10 期2023 年 5 月
Vol.31 No.10
May 2023光学精密工程
Optics and Precision Engineering
光纤传感用于海缆扰动探测的试验研究
邢炜光*，赵赞善，邢锰，甘维明，李光炬
（中国科学院声学研究所南海研究站，海南海口 570105）
摘要：海缆是海缆基础设施供电和通信的关键载体，海缆监测对于保障海缆基础设施安全稳定运行具有重要工程意义。针对海缆扰动监测需求开展海缆扰动探测试验研究。首先，搭建基于分布式光纤传感技术的海缆扰动探测试验系统，并接入南海深海海底观测网试验系统海缆暗光纤进行扰动探测试验，试验结果表明本系统能够有效探测铁锹拍击、车辆振动、海水冲刷及台风影响引起的海缆扰动。然后，根据海缆光纤瑞利背向散射（Rayleigh Backscattering， RBS）幅度信号特征，提出一种基于双向长短期记忆（Bidirectional Long Short-Term Memory， BiLSTM）神经网络的海缆扰动定位方法，本方法以海缆
光纤RBS幅度信号的谱熵和瞬时频率作为特征参量输入，使用海缆光纤RBS幅度信号样本对本方法进行测试，结果表明本方法对海缆沿线扰动信号和非扰动信号的平均检测准确率高于99.6%。将海缆扰动探测试验系统与海缆扰动定位方法结合应用于海缆监测可有效探测海缆沿线扰动。
关键词：分布式光纤传感；海缆扰动探测试验；扰动定位方法
中图分类号：TN818；P75 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233110.1432
Experimental research on submarine cable disturbance detection
with optical fiber sensing
XING Weiguang*，ZHAO Zanshan，XING Meng，GAN Weiming，LI Guangju
（Hainan Acoustics Laboratory, Institute of Acoustics， Chinese Academy of Sciences， Haikou 570105， China）* Corresponding author， E-mail： xwg@mail.ioa.ac
Abstract：Submarine cables are key carriers of electrical power and communication signals in submarine cable infrastructure， and the monitoring of such cables is essential to ensure the safety and stable operation of submarine cable infrastructure. In this study， experimental research on the
detection of submarine cable disturbances was conducted according to the requirements of submarine cable monitoring. First， a subma‑rine cable disturbance detection experimental system based on distributed optical fiber sensing technology was built and coupled to the dark fiber of the seafloor observation network in the South China Sea. Experi‑ments were performed， and the results indicated that submarine cable disturbances induced by spade beat‑ing，vehicles，ocean waves，and typhoons could be detected by the proposed system.Following this，a submarine cable disturbance localization method based on the bidirectional long short-term memory neural network in terms of the submarine cable Rayleigh backscattering （RBS） amplitude signal features was de‑veloped， and its input features included the spectral entropy and instantaneous frequency of the submarine cable fiber RBS amplitude signal. These submarine cable fiber RBS amplitude signal samples were used to 文章编号1004-924X（2023）10-1432-11
收稿日期：2022-11-07；修订日期：2022-12-07.
基金项目：海南省重大科技计划资助项目（No.ZDKJ2020010）；海南省重点研发计划资助项目（No.ZDYF2020201）
第 10 期邢炜光，等：光纤传感用于海缆扰动探测的试验研究
test the detection accuracy of the proposed method， and the results indicated that the average detection ac‑curacy of disturbance and non-disturbance signals along the submarine cable was >99.6%. Thus， distur‑bances along submarine cables can be effectively detected with the combination of the proposed submarine cable disturbance detection experimental system and the proposed disturbance localization method.
Key words： distributed optical fiber sensing；submarine cable disturbance detection experiment；distur‑bance localization method
1 引言
海底光电复合缆（简称“海缆”）是海缆基础设施供电和通信的关键媒介，在长期运行过程中面临着诸多安全威胁，主要包括船锚或渔网钩挂和拖拽、洋流冲刷及海底地形变化等因素破坏，造成海缆绝缘性能下降、短路和断路故障。南海海域某海底海缆被渔网缠绕拖拽引起钢丝铠装断裂、聚乙烯绝缘层破损进而导致绝缘击穿，事故发生后经海底路由巡查发现受损坏段海缆路由被渔网缠绕拖拽偏离原布放路由位置接近300 m。使用海缆工程中常用的海缆电学故障测试仪Tinsley5910和光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer， OTDR）对该海缆进行测试均无法准确定位故障位置，其局限性在于：（1）Tinsley5910用于测试海缆系统的回路电阻R1，海水阻值忽略不计，则海缆绝缘故障
位置L= R1/R2（R2为海缆出厂时的导体电阻系数）。当海缆绝缘层尚未完全击穿、缆沿线有多个绝缘异常点以及海缆系统接地阻值波动变化时，R1的实测值波动较大，此次海缆故障期间使用Tins‑ley5910测试得到的故障位置与实际故障路由位置偏差超过了20km，故无法准确计算故障位置；（2）OTDR故障定位的前提是海缆光纤发生严重折弯或存在断裂面。由于光纤位于海缆轴心位置，具有多层防护且具有冗长，因此当海缆受船锚或渔网钩挂拖拽使缆体弯曲或绝缘击穿时，光纤受到的影响较小，无法通过OTDR进行故障定位。如果没有采取有效的技术手段监测海缆故障信息，那么后期一般只能通过在岸向海缆导体持续加载特定频率电流，施工船在海上布放搭载有TSS350系统探头的水下机器人下潜到海底，贴近海床沿着海缆路由搜寻故障点［1-3］，施工难度大、周期长、费用高。
基于相位敏感型光时域反射仪（Phase-sensi‑tive Optical Time Domain Reflectometer， φ-OT‑DR）的分布式光纤扰动传感技术较早由Taylor 等人提出，在不改变光纤物理结构的前提下将光纤等效为一系列反射镜，光纤沿线扰动引起的光纤瑞利背向散射（Rayleigh Backscattering， RBS）变化信息经由对应反射镜反射回光纤首端，通过解调判定是否存在扰动并定位扰动位置［4］。分布式光纤扰动传感技术具有监测距离长、灵敏度高、定位精度高等优势［5-6］，将其应用于海缆扰动监测是近些年来海缆监测领域的研究热点之一。董向华通过试验验证了基于φ-OTDR技术的海缆扰动监测系统可对船锚落锚和钩挂拖拽引起的海缆扰动的预警和定位［7］。汪洋等人向有绝缘缺陷的海缆注入高压脉冲使
其发生击穿，采用基于φ-OTDR技术的海缆振动监测系统采集绝缘击穿时的信号并进行时频分析，实现对海缆绝缘击穿振动的检测和定位［8］。Lv A等人将基于φ-OTDR的光纤振动监控系统接入35 kV三芯海缆光纤并开展外力振动探测实验，分析了海缆无外力入侵、船锚在海缆敷设路由附近落锚和拖行三种场景下海缆的扰动能量、幅度差异［9］。Ali Masoudi等人将基于φ-OTDR技术的分布式光纤振动传感系统接入XLPE海缆进行冲击和循环弯曲试验，定量计算XLPE海缆受冲击和循环应力作用时的应变位置及其应变水平［10］。Nathan‑iel J. Lindsey等人将分布式声波传感系统接入美国Monterey Accelerated Research System （MARS）海底观测网海缆暗光纤，采集海缆扰动信息，研究和分析了台风期间海底沉积物迁移和潮水涌动对海缆造成的扰动规律［11］。张旭苹等人设计了一种融合φ-OTDR和相干光时域反射仪的海缆在线监测系统，并有效监测到水流冲击和锚害拖拽海缆事件［12］。
目前，国内关于较深水域（水深>100 m）填埋海缆的扰动监测试验和应用鲜有报道。本文submarine
1433
第 31 卷
光学 精密工程
将基于分布式光纤传感的扰动探测系统接入南海深海海底观测网海缆，开展海缆扰动探测试验和扰动定位方法设计研究。海缆扰动探测试验结果表明本系统能够探测近、远岸端由车辆、海浪和台风引起的扰动。通过海缆扰动和非扰动信号样本对海缆扰动定位方法进行测试，测试结果表明海缆扰动定位方法具有较高的准确率，可用于海缆监测实现外力入侵扰动的准确检测和定位。
2 海缆扰动探测试验系统
2.1　分布式光纤扰动传感原理
在基于直接探测型φ-OTDR 的分布式光纤扰动传感结构中，光纤等效为一系列空间长度相等的反射镜。在一个脉冲宽度内，光电探测器探测距离传感光纤首端m ΔL 处的RBS 干涉场E RBS 可表示为［4］：E RBS (m ΔL )=E 0
∑
k =m
m +N -1P k r k exp j (θk +φk )e -ακΔL ，
（1）
其中：
E 0为入射光幅度，r k ，φk 和P k 分别第k 个反射镜的反射率、相位和偏振。θk 是第k 个反射镜因扰动引起的相位变化，
α和ΔL 分别是传输衰减系数和单个反射镜的空间长度，
N 为单位空间分辨率内的反射镜数量。当光纤受到外力扰动时，θk 将发生变化，导致E RBS 的值也发生相应的变
化，通过分析E RBS 的变化可实现光纤沿线上的扰动探测。
2.2　海缆扰动探测系统搭建
本文搭建的海缆扰动探测试验系统基于直接探测型φ-OTDR 结构，超窄线宽激光源（中心波长1 550.12 nm ，线宽3 kHz ，输出功率约13 dBm ）输出的连续光被声光调制器（工作波长1 530~1 565 nm ，频移200 MHz ）调制成脉冲光，经掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifi‑er ， EDFA ）放大和滤波器滤波后经由光环形器进入海缆光纤，海缆光纤的RBS 幅度信号朝着光环形器传输，拉曼放大器（工作波长1 450 nm ，输出功率约25 dBm ）用于对RBS 幅度信号进行放大，RBS 幅度信号经过光环形器后被EDFA 放大和滤波器滤波，再被光电探测器转换后由高速采集卡（通道位数16 bit ，
采样率设置为10 MS/s ）采集并输出到工控机进行计算。有外力扰动海缆时，对应位置光纤的RBS 幅度信号将受外力扰动发生变化，通过对海缆对应位置光纤的RBS 幅度信号进行时频分析可定性探测扰动信号。
海缆扰动探测试验研究依托南海深海海底观测网试验系统平台开展，南海深海海底观测网试验系统以海南为登陆岸，通过150 km 的
海底光电复合海缆连接深海海底系列科学观测平台，用于观测海底地球物理、海底动力等数据，海缆
布放最大水深1 800 m ［13］。海缆结构（以
双
图1　海缆扰动探测试验系统结构
Fig.1　Submarine cable disturbance detection experimental system structure
1434
第 10
期邢炜光，等：光纤传感用于海缆扰动探测的试验研究
铠装海缆为例）如图2所示，从外到内依次为外被层、钢丝铠装、聚乙烯（Polyethylene ， PE ）内护层、铜导体和不锈钢光纤单元，单模通信光纤位于海缆轴心位置。
在海缆登陆岸内，将海缆扰动探测试验系统接入南海深海海底观测网试验系统海缆冗余暗光纤，
在岸机房内搭建的试验环境如图3所示。由于接入对应的海缆光纤长度不超过100 km ，可设定系统模拟调制脉冲重复周期1 kHz ，根据奈奎斯特采样定理，系统的理论扰动探测频响范围为0~500 Hz 。海缆扰动探测试验过程中采用差分方法对海缆光纤RBS 幅度信号进行处理，差分方法通过对相邻时域的海缆光纤RBS 幅度信号帧进行差分计算，再利用阈值对差
分结果进行判断是否存在扰动，根据信号采样率和光纤有效折射率换算得到海缆扰动位置相对于岸的距离。
3 海缆扰动探测试验
3.1　铁锹扰动
海缆登陆岸途经沙滩，距离岸约450 m 处，海缆埋设于沙滩下约1 m 深处。图4所示为试验人员手持铁锹拍击沙滩表面时系统探测到的海缆扰动时域信号和频谱，扰动频率范围约0~175 Hz 。
3.2　车辆扰动
海缆登陆岸途经公路，距离岸约390 m 处，海缆位于公路下方深约1 m 的缆道内。图5所示为不同车辆在不同时刻经过公路时系统探测到的海缆扰动时域信号和频谱。轿车在第
15 s 至第17 s 经过，系统探测到的海缆扰动信号频率范围约为0~20 Hz ，最大扰动幅值约145。环卫车在第10 s 至第14 s 经过，系统探测到的海缆扰动信号频率范围约为0~40 Hz ，最大扰动幅值约260。公交车在第3 s 至第8 s 经过，系统
探
图2　海缆结构
Fig.2　
Submarine cable structure
图3　机房内搭建的试验环境
Fig.3　
Indoor experimental environment
图4　铁锹拍击沙面时的海缆扰动时域信号
Fig.4　Disturbance signal of submarine cable as spade beat the beach surface
1435
第 31 卷
光学精密工程
测到的海缆扰动信号频率范围约为0~100 Hz，最大扰动幅值约为500。
三种车辆的重量从大到小依次为公交车、环卫车、轿车，三种车辆经过时引起海缆扰动的剧烈程度从大到小依次为公交车、环卫车、轿车。此外，重量最大的公交车造成的海缆扰动频率范围最宽，环卫车次之，轿车最窄。
3.3　海水冲刷扰动
距离岸约900 m处，海缆位于沙滩和海水交界区域，此段海缆有套管保护并填埋在沙面下，随着涨潮和落潮，海浪来回冲刷进而扰动海缆。图6所示为系统在不同时刻探测到该位置海缆的扰动时域信号和频谱。2021年9月6日10：29，海面较为平静时，海浪冲刷引起的海缆扰动频率范围约为0~26 Hz。2021年10月13日12：53，受台风“圆规KOMPASU”影响，海浪冲刷引起的海缆扰动程度比较剧烈，扰动频率范围约为0~255 Hz。
3.4　台风影响
台风“圆规KOMPASU”于2021年10月12日移入南海，13日下午以台风级登陆海南省琼海市博鳌镇沿海。在台风“圆规KOMPASU”影响和登陆期间，利用本文搭建的海缆扰动探测试验系统对海缆沿线扰动连续长时间观测，
发现海缆
图5　不同车辆经过引起的海缆扰动信号
Fig.5　Disturbance signal of submarine cable induced by different vehicles
1436

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。