光电复合海缆中多芯光纤的在线检测

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公   司：上海珑登信息科技有限公司

作   者：任尚今  姜兆公

摘   要：在光电复合海缆生产过程中需要用OTDR检测缆中的光纤，在分析了离线单纤监测的不足之处后，本文介绍了多芯光纤（目前最大96芯）在线实时检测系统，可在意外发生的第一时间就能够提醒当班人员及时进行处置、修正。

关键词：光电复合海缆；OTDR；缆静端；离线检测；在线连续检测

一、前言

光电复合海缆包含了电和光的部件，通常是在海底电缆结构中植入光单元（或光缆）组成。海底电缆和光单元（光缆）的结构和生产工艺很成熟，但并不是它们的简单相加。在复合缆生产和敷设过程中，仍可能会因一些意外导致光电复合海缆质量受损（尤其是相对脆弱的缆中光纤），严重情况可能导致光电复合海缆整体报废。

为了控制缆中光纤在生产过程中的变化，当前主要采用离线的光时域反射仪（OTDR）定时对缆中的一根或几根光纤进行监测。由于生产过程是连续倒班的，通常在倒班刚上班时检测一次，临近下班时再检测一次，两次检测时间间隔较长，有可能不能及时发现故障。

在海缆敷设中，通常是用常规OTDR抽检缆中某一根或某几根光纤，有可能不能及时发现未检光纤异常。也可以串联所有光纤，但光纤长度可能接近或超出OTDR有效检测范围，不但耗时还导致检测精度下降。

采用离线检测设备通常只能一芯一芯地对光纤进行逐芯检测，单次检测时间较长，每次检测需花费较长准备时间，对于芯数较多的光缆需要花费较多的人力和检测时间。多次连结光纤会导致数据可靠性降低，可能出现漏判或误判，难以把控质量关。

因此，有必要开发和引入多纤实时在线监测系统，在光电复合海缆的生产、敷设及修复过程中，在意外发生的第一时间就能够提醒当班人员及时进行处置、修正，保证了光电复合海缆的生产、敷设、维修质量，同时又能减少因意外导致的损失。

二、光电复合海缆简介

一个典型的单芯光电复合海缆结构示于图1。

图1 典型的单芯光电复合海缆结构示意图

从图1可见，如果忽略缆结构中的光缆（图中的8），该典型的光电复合海缆是经典的海底电缆。而光缆（光单元）是复合在海底电缆的铠装层内（图中的9和13），铠装层外是缆的外被层。

也就是说，该光电复合海缆是在一条合格并含已包括PE护套（图中的1～7部件）的电力电缆外加上由防腐沥青填充的铠装（含光缆）层和PP外被层。

从图1还可知，处于铠装层中的光缆通常是与铠装金属线材等径（或略小）、含有多芯光纤和阻水纤膏的不锈钢管光单元，其物理性能与金属铠装线材不能相提并论。

众所周知，光单元中的光纤必须有合适的余长。如果在加工过程中光单元受到扭转及过度的压/张力则光纤的衰减会增大甚至断裂，而光单元又是必须与铠装金属线同步绞合的，绞合过程中存有一定的风险。

通常，铠装绞合和PP外被层及沥青涂覆工装设备是串联的，由于铠装金属线和PP绳都是有限长度，在生产过程中必停车换盘和接线，而光单元是连续长度，不允许接续。多次停车和启动，必须对光单元采取保护措施。

加工完毕后已经是光电复合海缆的成品通过桥架等设施输送至储缆池（井），由盘缆工用人工盘留，见图2。

图2 光电复合海缆在储缆池中的盘留

从图2可见，缆池中光电复合海缆的端头为相对位置固定的“静端”。在此端头上，可用光时域反射仪（OTDR）对光纤进行检测。

三、OTDR技术简介

1、基本原理

OTDR的测试有赖于图3所示的瑞利散射（Rayleigh scattering）和图4所示的菲涅尔反射（Fresnel reflection)。

图3 瑞利散射（左）、  图4 菲涅尔反射（右）

OTDR将一束短的光脉冲注入光纤一端，然后分析返回到输入端的背向散射光以及反射光信号；随后，接收到的光信号被绘制成背向散射X/Y坐标轴曲线（dB vs距离）；最后执行事件点分析，以形成测试结果表，如图5所示。

图5 OTDR曲线图例

2、测量距离及定位

OTDR的距离检测原理基于“时间”，即测量输入光纤中的每个光脉冲的来回全程时间。

当已知光在真空中传播的速度和待测光纤介质的折射率，则可以通过（式1）计算出光纤的长度，其结果如图6所示。

                   （式1）

式中：

d—光纤长度；

c—光在真空中传播的速度；

t—时间；

n—折射率。

图6 OTDR测试距离显示图

3、衰减测量及分布

衰减也叫做光纤损耗，以dB或dB/km表示。

OTDR能沿光纤长度和损耗分布斜率计算出总损耗和任意两点间的衰减系数，如图7所示。

图7 OTDR典型衰减波形图

4、事件损耗

所谓事件，一般是指沿光纤长度上的损耗异常点，即事件点前后的光功率水平之差，以dB表示。

如图8所示，当光纤受到外力压迫（如钢管变形等）和过度张力、弯曲等产生的一些额外损耗点（事件），也包括被测光纤线路中的熔接点或连接器等产生的损耗和反射。

图8 典型事件波形图

四、光电复合海缆的离线检测

为了控制缆中光纤在生产过程中的变化，当前主要采用离线的光时域反射仪（OTDR）定时在静端对缆中的一根或几根光纤进行监测。

所谓“离线”，是指由专业测试人员（非盘缆工）在缆的静端用便携式OTDR作定时或临时检测。

一般的OTDR每次只能测一根光纤，对多根光纤检测需多次进行光纤耦合，如缆中光纤芯数较多，则不但费工费时，还由于多次反复耦合导致重复性变差而数据不连续和可靠性下降。

由于生产过程是连续倒班的，通常在倒班刚上班时由专业人员检测一次，临近下班时再检测一次，两次检测时间间隔较长。或者在停车接铠装线、PP绳时临时增加抽检频次，由于检测是有间歇不连续的且不包括未检测到的光纤，所以往往不能及时发现故障。

1、光电复合缆中光纤的在线连续监测方案简介

如图9所示，光电复合海缆中光纤的在线检测系统设置在电缆井（缆池）内，将正在生产中的光电复合海缆头部（静端）的所有光纤（目前最大至96芯）一次性熔接光纤尾纤（保证了光纤耦合状态），将所有光纤尾纤接入到多通道机箱接入系统，进行全部光纤连续不间断循环检测。

由于缆池中的缆静端远离光电复合海缆生产线，当检测系统发现光纤异常时，在缆池中的监测系统除显示和发出明显的声光报警信号外，还可同时将数据和报警信号通过5G或wifi网络传送给生产线（或智慧生产平台），以便及时处置。

图9 光电复合海缆中光纤的在线检测系统示意图

本方案利用在线OTDR实现了集测试、分析、告警、定位、信息管理功能于一体的光缆在线监控系统，是传统OTDR使用方式和维护体制进一步的发展和革新，极大提升了缆的生产和维护效率及水平。 

本系统主要由多路光矩阵、光时域反射分析仪（OTDR）和系统软件组成。告警信息目前分为光纤单点（事件）损耗过大、光纤整体损耗过大和光纤断裂三类。

2、系统主要性能指标

本系统主要性能指标见表1。

表1 系统主要性能指标

3、系统配置和应用

系统使用前，首先需要对表2所示的系统基本测试参数进行配置，配置参数可根据实际测试情况进行修订。通常，基本参数配置完成后不需要过多修改。

表2 系统参数配置说明

4、主要功能

光缆在线检测系统会自动识别接入的多通道模块的光纤芯数，用户可根据实际情况进行自定义检测光纤芯的名称并选择加入测试或取消测试。

配置完成后点击启动测试，系统即自动开始按照配置的光纤芯数进行循环测试；点击停止，即完成本次测试。

（1）光纤异常报警及上报

光缆在线检测系统目前具有3项自动报警功能，无需配置。

当系统检测到待测光纤发生断裂、单点损耗超阈值、光纤整体损耗超阈值时，系统会自动产生告警，并按照系统配置的报警输出方式（声光、短信、智慧生产平台等）进行及时告警。

（2）光缆检测数据查询及生成检测报告功能

系统实时记录每芯光纤每次完整的检测数据，可根据时间和通道号进行查询，并可生成本次检测报告。系统整体的检测报告可根据用户的设计表格生成；单芯光纤的常规检测数据报告见图10。

图10 单芯光纤检测数据报告

五、结论

在光电复合海缆生产中需要用OTDR检测缆中的光纤，在分析了单纤离线监测的不足之处后，本文介绍了已研发成功的多芯光纤在线实时检测系统（目前最大为96芯），利用在线OTDR实现了集测试、分析、告警、定位、信息管理功能于一体，是传统OTDR使用方式和维护体制进一步的发展和革新。 

本系统主要由多路光矩阵、光时域反射分析仪(OTDR)和系统软件组成。告警信息目前分为光纤单点（事件）损耗过大、光纤整体损耗过大、光纤断裂三类。

该系统用于光电复合海缆的生产，可在意外发生的第一时间就能够以声光、5G和wifi等形式向当班人员和智慧生产平台提供信息和报警，从而及时进行处置、修正，提升了智能化生产和产品质量水平及成品率。

该系统还能用于光电复合海缆的施工敷设和维护，对其他光缆的智能化生产、施工和维护有一定参考价值。

参考文献：

[1]张晓龙， 宫贺， 余晶晶，等. 基于光纤网的光缆线路故障告警技术研究[J]. 智能电网：汉斯， 2018， 008（001）：P.87-95

[2]徐略红， 郑钧议， 伍顺有，等. 基于GIS系统的电力光缆网多通路在线监测与故障定位系统[J]. 电子世界， 2019， No.560（02）：184-186.

[3]张浩， 张煜. 通信光缆的在线监测系统研究与应用[J]. 通讯世界， 2018， 341（10）：45-46