基于萬米級(jí)ROV 臍帶纜的超高壓光纖衰減性能試驗(yàn)研究

平 偉

（上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司，上海 200231）

0 引言

全海深ROV 是全海深作業(yè)體系重要組成部分。而研制全海深ROV 首先需要突破ROV 與母船連接的臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)，一般傳統(tǒng)ROV 采用金屬鎧裝臍帶纜，因受其強(qiáng)度/水下靜載荷比限制，最大使用水深一般都在6000米以淺，超過6000米甚至全海深ROV 使用的臍帶纜在國際上都很稀少，是制約我國全海深ROV 的研發(fā)瓶頸。全海深ROV 臍帶纜的研究作為國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃在國內(nèi)剛剛起步，開展全海深ROV 臍帶纜的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究迫在眉睫[1]。

現(xiàn)在的ROV 系統(tǒng)一般采用多光纖通道，光端機(jī)會(huì)根據(jù)信號(hào)光纖信號(hào)好壞自動(dòng)切換，以提高光纖信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[2]。光信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性對(duì)ROV臍帶纜的研制至關(guān)重要，光纖在常壓下的特性已經(jīng)比較成熟并且得到廣泛應(yīng)用，而光纖在超高壓下的傳輸性能研究在國內(nèi)基本屬于空白，國內(nèi)七〇二所研制的海箏Ι型ARV 對(duì)其微細(xì)光纜做了相關(guān)試驗(yàn)，最大壓力試驗(yàn)為70MPa，并給出了光纖衰減測試結(jié)果，國外只有美國“海神號(hào)”混合型無人潛水器、日本的Kaiko ROV 以及美國好萊塢導(dǎo)演卡梅隆的“深海挑戰(zhàn)者號(hào)”等潛水器到過11000米水深，不過相關(guān)的光纖全海深測試工作，尤其是排除穿艙件和光連接器的衰減測試并沒有詳細(xì)論述。

基于以上研究和分析，搭建了專門的測試平臺(tái)進(jìn)行萬米級(jí)ROV 臍帶纜的光纖衰減測試，通過試驗(yàn)技術(shù)研究，來獲取光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵數(shù)據(jù)和技術(shù)資料，包括高壓下的光纖衰減值。

1 測試模型建立

在實(shí)際的試驗(yàn)中，因無法和實(shí)際的應(yīng)用場景完全吻合，需建立一個(gè)靠譜模型，并對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)假設(shè)和優(yōu)化，為后續(xù)測試平臺(tái)搭建提供參考和依據(jù)，進(jìn)而獲得更準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)和結(jié)果以便分析處理。

假設(shè)如下：

（1）測試對(duì)象采用12000 米帶不銹鋼管光纖卷盤，與實(shí)際臍帶纜的衰減和傳輸性能基本一致。

（2）ROV 光纖傳輸采用單模9/125μm 光纖，測試波段選用ROV 傳輸常用的1310nm。

（3）光纖特性均勻，可用單位長度的衰減反映光纖的衰減性能的好壞。

（4）測試光纖彎曲半徑足夠，不會(huì)因?yàn)闇y試時(shí)半徑變化影響光衰減；

（5）每次手動(dòng)加壓速度和保壓時(shí)間一致。

（6）測試設(shè)備的光纖接頭和光纖穿艙接頭等衰減值固定。

2 測試平臺(tái)搭建

為了測試萬米光纖在超高壓下的數(shù)據(jù)傳輸性能和衰減性能，基于以上模型，設(shè)計(jì)了測試平臺(tái)，獲得的數(shù)據(jù)和技術(shù)將用來為全海深臍帶纜的研制提供數(shù)據(jù)支撐，為萬米級(jí)ROV 系統(tǒng)信號(hào)傳輸與控制模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的建立奠定基礎(chǔ)。

光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，由于吸收、散射、壓力等原因會(huì)引起光功率的減小。光纖損耗是光纖傳輸?shù)闹匾笜?biāo)，對(duì)光纖通信的傳輸距離有決定性的影響。實(shí)現(xiàn)光纖通信，一個(gè)重要的問題是盡可能地降低光纖的損耗。

本測試平臺(tái)主要目的是測試萬米光纖在高壓下的衰減情況：

測試對(duì)象：采用的是12000米波長為1310nm 的單模光纖（帶不銹鋼管套）。

測試壓力：0-128MPa。

測試介質(zhì)：水。

一般單模光纖在1310nm 波長傳輸時(shí)約在0.35dB/km（常壓下），如圖1所示。

圖1 普通單模常壓下光纖衰減值

而關(guān)于光纖在110MPa 以上超高壓下的光衰減情況則比較少。為測試萬米光纖在超高壓下的具體衰減情況，設(shè)計(jì)建造一種專用測試平臺(tái)，該平臺(tái)由手動(dòng)試壓泵、壓力表、大直徑全海深壓力筒、穿艙接頭、萬米光纖以及光纖測試儀器（OTDR）組成，按如圖2所示連接光纖與各測試設(shè)備。

圖2 超高壓光纖衰減測試連接示意圖

3 測試結(jié)果

12000米光纖在超高壓壓力筒內(nèi)，通過光纖穿艙接頭引出到艙外，進(jìn)行了光纖在超高壓環(huán)境下的衰減測試。為了更好的理解測試結(jié)果，需要對(duì)測試全過程進(jìn)行一定的分析和研究。

3.1 測量基礎(chǔ)

實(shí)際中利用OTDR 光時(shí)域反射儀測量萬米光纖在高壓下的衰減值，并且采用超高壓表測量壓力值。

OTDR 工作原理：

OTDR （光時(shí)域反射儀）是根據(jù)光學(xué)原理的菲涅爾反射及瑞利散射進(jìn)行工作的，通過將某種波長的光信號(hào)注入被測量光纖，利用光傳輸時(shí)產(chǎn)生的瑞利散射；如果光纖在傳輸信號(hào)的過程中出現(xiàn)連接或斷裂，則光纖中會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射，于是，測試設(shè)備就會(huì)接收和分析反射回來的背向散射光，經(jīng)設(shè)備數(shù)據(jù)處理分析可得出被測光纖線路的性能。

根據(jù)測試目標(biāo)，只需要測試12000米純光纖的損耗，而壓力筒的穿艙接頭，以及水面的光纖接頭產(chǎn)生的損耗都不應(yīng)在計(jì)算之內(nèi)。因?yàn)镺TDR 可以分段測試各個(gè)環(huán)節(jié)的衰減值，所通過OTDR 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)純光纖衰減值的測試。

3.2 超高壓光纖衰減情況

為了得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，利用圖2所搭建的測試平臺(tái)對(duì)光纖做了多次的測試，本次測試?yán)肙TDR 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，測試出12000米長光纖在壓力變化下的衰減值，如圖3所示。

圖3 波長1310nm隨壓力變化時(shí)的光衰減變化曲線

從上圖可看出，最大測試壓力為128MPa，采用的是OTDR 測量12000米光纖的衰減值，從測試結(jié)果來看，在0MPa即常壓狀態(tài)下，12000米光纖的光衰減值為3.9dB，即0.325dB/km，從圖中可以明顯看出，光的衰減值隨著壓力增加而增加，隨著壓力減小而相應(yīng)減小，多次試驗(yàn)結(jié)果相似。在128MPa 的最大測試壓力下，光衰減值達(dá)到4.8dB，對(duì)應(yīng)常壓下的光衰減值，計(jì)算得出1310nm 光纖由于壓力變化而產(chǎn)生的衰減值約為0.08dB/km。

4 結(jié)束語

萬米光纖的光衰減情況是全海深臍帶纜的研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于信號(hào)傳輸與控制需求，建立了專門的測試平臺(tái)，測試了12000米單模光纖，獲取了重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)。

通過以上測試了解到，在不斷加壓過程中，光纖的衰減值不斷增加，并且在128MPa 時(shí)達(dá)到峰值，而在減壓過程中，衰減值會(huì)不斷減少，直至恢復(fù)到常壓時(shí)的數(shù)值，該結(jié)果在測試中多次重現(xiàn)。

由于ROV 對(duì)高清視頻和其他大數(shù)據(jù)設(shè)備需求已經(jīng)越來越高，4K 甚至8K 相機(jī)已出現(xiàn)，并將逐步搭載在未來ROV 上，因此ROV 的信號(hào)傳輸對(duì)光纖的性能要求會(huì)更加苛刻。光纖的傳輸性能由光衰減值決定，而光纖的衰減值除和壓力直接相關(guān)外，還和溫度、彎曲半徑、長度、中間光纖接頭數(shù)量有關(guān)。綜上，ROV 傳輸視頻和控制信號(hào)的能力的提高，需要對(duì)光的衰減情況深入研究并嚴(yán)格把控光纖傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)，需要更多的研究者參與和重視這方面的相關(guān)研究，保證ROV 等潛器更快速地朝著智能化、高可靠性的方向不斷邁進(jìn)。