光纖技術(shù)在水下高帶寬數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

曾溥陽，郭　駿，郝偉修，劉太元

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519050)

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光纖技術(shù)在水下高帶寬數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

曾溥陽，郭駿，郝偉修，劉太元

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519050)

高帶寬數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量的傳輸。由于光纖所固有的可靠性和穩(wěn)定性，使得光纖技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水下數(shù)據(jù)通信。隨著海洋工程開發(fā)的快速發(fā)展，水下光纖系統(tǒng)互連得到了長足的發(fā)展。光纖信號傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電信號，水下光纖信號將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)信號的跳線接口從100m擴(kuò)展到了10km以上。

數(shù)據(jù)傳輸；帶寬；光纖；光纖連接器；以太網(wǎng)

隨著對油藏管理及數(shù)字化油田要求的不斷增加，新型的儀表儀器，如水下多相流量計、水下攝像機(jī)及井底分布式溫度檢測系統(tǒng)等逐步應(yīng)用到水下生產(chǎn)系統(tǒng)，這些新型的儀器儀表產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，需要更高的帶寬和傳輸速度，以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)從水下到水上的傳輸。

由于應(yīng)用于水下環(huán)境科學(xué)研究傳感器數(shù)量的增加，對應(yīng)于傳感器數(shù)據(jù)的傳輸量也隨之增加。傳感器收集的數(shù)據(jù)將傳輸至海洋研究處理中心，并在中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用。

得益于光纖在信號傳輸中所特有的長傳輸距離、高帶寬、低衰減及受電磁干擾小等特點，光纖開始逐步應(yīng)用到深水油氣田和海洋科學(xué)研究的傳輸系統(tǒng)中。

1　高帶寬數(shù)據(jù)傳輸

本文介紹了水下高帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N方法，其中包括調(diào)制解調(diào)傳輸(也叫電力載波通信技術(shù))、高速數(shù)字用戶線路(DigitalSubscriberLine-DSL)傳輸、電以太網(wǎng)傳輸和光以太網(wǎng)傳輸。

傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，是水下遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中最成熟的一種方式。然而，該技術(shù)所能傳輸?shù)淖畲笏俾什灰?20kb/s。高速DSL技術(shù)在一定的距離范圍內(nèi)可以傳輸高于調(diào)制解調(diào)傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)帶寬，但是隨著傳輸距離的增加，該技術(shù)也不能提供足夠的帶寬(200～3000kb/s，15km)。電以太網(wǎng)技術(shù)可以提供可靠及穩(wěn)定的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，但是該技術(shù)傳輸?shù)木嚯x<100m，因此這種電以太網(wǎng)跳線技術(shù)常應(yīng)用于水下油氣開發(fā)中短距離的水下從式布置油氣井口[1]。如果要進(jìn)行長距離和高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)首選光以太網(wǎng)技術(shù)。光以太網(wǎng)技術(shù)以高可靠性、高帶寬及遠(yuǎn)距離特性被廣泛應(yīng)用于水下油氣開發(fā)，但同時也帶來了更高的投資預(yù)算，這種高預(yù)算除了光纜本身的成本，還包括各種水下光接頭。水下傳輸模式特點如圖1所示。

損耗是傳輸介質(zhì)的重要特性，它決定了傳輸信號所需中繼的距離。光纖作為光信號的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點，如使用62.5～125μm的多模光纖，850nm波長的衰減約為3.0db/km，1 300nm波長的衰減更低，約為1.0db/km。如果使用9～25μm單模光纖，1 300nm波長的衰減僅為0.4db/km，1 550nm波長的衰減為0.3db/km，所以一般的LD光源可傳輸15～20km。

在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，選用9～25μm單模光纖中1 550nm這一波長作為傳輸信道，滿足50km以上的傳輸需求。

光纖的頻寬可達(dá)1GHz以上，一般圖像的帶寬約為6MHz，所以用一芯光纖傳輸一個通道的圖像綽綽有余。光纖高頻寬的好處不僅可以同時傳輸多通道圖像，還可以傳輸語音、控制信號或接點信號，有的甚至可以用一芯光纖通過特殊的光纖被動元件達(dá)到雙向傳輸功能[2]。

2　水下光纖接頭的可靠性

由于水下油氣井口和光纖的快速發(fā)展，水下光纖接頭大量應(yīng)用于海洋油氣開發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，海洋油氣開發(fā)工程中所使用的水下光纖接頭約占整個水下光纖接頭使用領(lǐng)域的68%，海洋科學(xué)研究所用光纖接頭約占15%。

水下光纖接頭在過去幾十年中的使用引起了海洋業(yè)界的廣泛關(guān)注。盡管各類水下接頭發(fā)展迅速，但是我們更多是關(guān)注于海洋科學(xué)研究和海洋石油工業(yè)中使用水下光纖接頭的可靠性。

水下光纖接頭的可靠性包含很多方面的因素。由于量少光和電接頭混合使用過程中出現(xiàn)的問題，導(dǎo)致了部分油氣工業(yè)不再使用水下光纖接頭，然而相對其他水下系統(tǒng)部件而言，水下光纖接頭還是保持了極高的穩(wěn)定性和可靠性[3]。根據(jù)海洋可靠性統(tǒng)計表明，水下光纖接頭保持了較高可靠性，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1　水下設(shè)備部件可靠性統(tǒng)計

3　擴(kuò)展以太網(wǎng)技術(shù)

目前，水下高帶寬數(shù)據(jù)傳輸可以通過轉(zhuǎn)換電以太網(wǎng)來實現(xiàn)，但是這種技術(shù)最致命的缺陷是傳輸距離太短，不超過100m。為了開發(fā)出高帶寬、長距離傳輸系統(tǒng)，出現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，把電以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為光以太網(wǎng)信號，并利用光信號長距離傳輸?shù)奈锢硖匦?。通過該種方法，光以太網(wǎng)技術(shù)把傳輸距離從100m提升到了10km以上。擴(kuò)展以太網(wǎng)飛纜如圖2所示。

圖2　擴(kuò)展以太網(wǎng)飛纜

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)用于海洋科學(xué)研究，可以設(shè)置分支節(jié)點，該節(jié)點遠(yuǎn)離中心節(jié)點，這樣可以避免相互間的干擾和影響。擴(kuò)展以太網(wǎng)非常適合這類海洋科學(xué)研究裝置的連接。

在一個單純的光通信系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)換裝置設(shè)置于光接頭中。如果采用擴(kuò)展以太網(wǎng)技術(shù)，所有的接口均為標(biāo)準(zhǔn)電氣接口，光電轉(zhuǎn)換設(shè)置于光電轉(zhuǎn)換器中，那么它將大大降低整個光通信系統(tǒng)的造價，并提高標(biāo)準(zhǔn)化率。內(nèi)部光電連接如圖3所示。

圖3　內(nèi)部光電連接

如果考慮更高的可靠性，可以在飛纜的兩端增加冗余的轉(zhuǎn)換器。對于復(fù)雜水下控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊，擴(kuò)展以太網(wǎng)技術(shù)可以降低整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

4　結(jié)語

隨著深水海洋石油的發(fā)展，水下插拔連接器已經(jīng)成為不可缺少的一部分，可通過遠(yuǎn)程遙控水下機(jī)器人對其進(jìn)行操作、維護(hù)，達(dá)到快速、高效和可靠施工的目標(biāo)，使整個系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性大大提高[4]。

光纖的加入極大地提升了水下開放式系統(tǒng)的傳輸速率，許多新型的水下儀表不再因為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量過大和帶寬要求過高而無法得到應(yīng)用。在水下系統(tǒng)的功能得到極大提升的同時，整個水下系統(tǒng)的功能性與可靠性也得到增強(qiáng)。基于光纖的開放式水下傳輸系統(tǒng)將在未來海洋水下系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用[5]。

[1] 曹靜.荔灣3-1氣田水下設(shè)施布置設(shè)計中的一些考慮[J].中國造船，2010，51(2)：246-254.

[2]劉華建.淺談水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制與監(jiān)測傳輸模式[J].中國海洋平臺，2015,30(5):5-8,12.

[3]葉楊高，朱家遠(yuǎn)，李錦華.國外水下插拔光纖連接器的發(fā)展[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2008(2)：1-4.

[4] 劉太元，霍成索，李清平，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國南海深水油氣田開發(fā)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J].中國工程科學(xué)，2015，17(1)：51-55.

[5]劉太元，郭宏，閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2011，39(2)：209-211.

責(zé)任編輯鄭練

SubseaHighBandwidthDataTransferUsingFiberOpticTechnologies

ZENGPuyang,GUOJun,HAOWeixiu,LIUTaiyuan

(CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.,Ltd.,Zhuhai519050,China)

Thehighbandwidthdatatransferiscriticalinapplicationswherelargequantitiesofinformationarebeingtransmitted.Fiberoptictechnologyhasbeenwidelyadoptedinsubseacommunicationsduetotheinherentreliabilityandthepassivenatureoffiberoptics.TheopticalsignalcanthenbetransmittedoverdistancefarexceedingstandardsubseaelectricalEthernetcapabilities.Inthisway,opticalEthernetperformancecanbeachievedwithstandardelectricalEthernethardwareinterfacesextendingthestepoutdistancefrom100mto10km.

datatransfer,bandwidth,fiberoptics,wet-mateconnector;Ethernet

TN929.11

B

曾溥陽(1971-)，男，工程師，南海深水天然氣項目組IT/EDIS經(jīng)理，主要從事海洋工程等方面的研究。

2016-01-20