光纖傳感技術在海底電纜監測中的研究及應用

主要創新點：

基于光纖布里淵光時域反射儀（BOTDR）研究光纖布里淵散射頻移和強度與海纜應變和溫度變化的作用規律，獲取海纜正常工作狀態和故障狀態下的應變與溫度數據；研究了光纖應變和溫度數據與海纜運行狀態的關系，為海纜的故障判斷提供理論依據，并確定科學的故障判據。采用有限元技術實現海纜應變和溫度的建模與分析，建立了海纜和光纖的應變/溫度關系，為海纜應變/溫度的準確測量、預警和報警閾值的科學設定提供了理論依據（見圖1）。

通過收集分析BOTDR、海纜地理和路由數據，建立了海纜光纖長度與“經緯度-深度”三維信息數據庫,為了提高數據庫信息的準確度,結合海纜鋪設沿線地形圖、海纜路由剖面圖及海纜路由竣工圖等實際情況對數據庫進行必要的修正，并盡可能多地提取海纜路由、海底地形和海底地質結構特征點作為標定依據。

一旦海纜發生故障，BOTDR測試數據會有非常明顯的變化，系統軟件將會發生故障報警，將故障時海纜數據與該通道測試標準曲線相比對，通過查找數據庫，立即獲得故障點的經緯度和深度信息，從而準確確定故障點位置，為海纜修復和快速打撈提供依據（見圖2）。

應用分布式光纖應變測量技術,測量海纜復合光纖的實時應變分布，當錨害發生時BOTDR對應海纜部位的應變數據超過報警閾值時，系統報警并由應變數據確定報警點在光纖上的位置；利用光纖和海纜的長度關系換算出報警點在海纜上的位置，再根據施工路由圖中的海纜地理坐標和深度數據得出報警點的地理坐標；由AIS自動識別系統實時記錄海纜上方過往船只的航速、時間、經緯度、航向、船號等數據，調取錨害發生時段內的AIS信息，確定肇事船只；岸邊攝像頭根據地理坐標和肇事船只當前地理坐標計算攝像頭偏轉角，拍攝肇事船只影像作為肇事逃逸的理賠證據，彌補錨害造成的巨大損失。

利用結合了紅外熱成像儀與長焦大鏡頭可見光攝像機組成的視頻監控系統，錄像海纜上方過往船只。結合BOTDR應變報警數據和AIS接收機接收進入警戒區船舶的AIS信息進行融合判斷，通過GPS對監視海域進行網格劃分并設置攝像機預置位，以自動控制攝像機轉動跟蹤肇事嫌疑船只。后臺軟件對視頻、AIS信息進行融合實現系統聯動，實現對海纜上方海域過往船舶的全天候、不間斷安全監控。當發現異常情況時及時預警、驅離可能肇事船舶，提高了海纜故障防范主動性，確保了跨海電網安全穩定運行，并可為后期肇事理賠提供船舶肇事的有力證據。

首先利用BOTDR或光時域反射儀(OpticalTimeDomainReflectometry，OTDR)對海纜斷點距離進行理論定位，然后在海纜登陸點利用直流電源、海纜銅芯及海水構造直流回路，以增強海纜周邊磁場的異常分布；再利用磁力儀在海纜斷點理論位置附近進行磁場掃描探測，根據磁異常分布判斷海纜斷點位置的經緯度，通過移植光纖光柵譜峰高精度快速尋峰方法至海纜磁探測曲線峰值探測。

光電復合海纜監測系統集光纖傳感、船舶識別、視頻監控、信息通信等前沿技術于一體，實現了從海纜本體實時監測到海面過往船舶全方位跟蹤監視，從海纜故障事前預警診斷到事后搶修理賠等全過程管控。并與電力在線監測診斷中心系統聯網，實現了對海纜全天候、全方位、網絡化的遠程實時監測、故障診斷和維護管理。

隨著構建全球能源互聯網的戰略實施和海上風電等清潔能源的大規模開發利用，海纜在跨?？缪竽茉?、信息互聯互通上的作用將越來越大。利用目前廣泛應用的光電復合海底電纜的光纖作為分布式傳感元器件，實現對海纜運行狀態在線監測和故障診斷預警的技術研究，這將是光纖在通信傳輸領域發揮重大作用后，在傳感技術領域又一里程碑式的應用創舉。