基于萬米級ROV 臍帶纜的超高壓光纖衰減性能試驗研究

平 偉

（上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司，上海 200231）

0 引言

全海深ROV 是全海深作業體系重要組成部分。而研制全海深ROV 首先需要突破ROV 與母船連接的臍帶纜關鍵技術，一般傳統ROV 采用金屬鎧裝臍帶纜，因受其強度/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 的研發瓶頸。全海深ROV 臍帶纜的研究作為國家重點研發計劃在國內剛剛起步，開展全海深ROV 臍帶纜的相關關鍵技術研究迫在眉睫[1]。

現在的ROV 系統一般采用多光纖通道，光端機會根據信號光纖信號好壞自動切換，以提高光纖信號傳輸數據的穩定性[2]。光信號傳輸的可靠性和穩定性對ROV臍帶纜的研制至關重要，光纖在常壓下的特性已經比較成熟并且得到廣泛應用，而光纖在超高壓下的傳輸性能研究在國內基本屬于空白，國內七〇二所研制的海箏Ι型ARV 對其微細光纜做了相關試驗，最大壓力試驗為70MPa，并給出了光纖衰減測試結果，國外只有美國“海神號”混合型無人潛水器、日本的Kaiko ROV 以及美國好萊塢導演卡梅隆的“深海挑戰者號”等潛水器到過11000米水深，不過相關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論述。

基于以上研究和分析，搭建了專門的測試平臺進行萬米級ROV 臍帶纜的光纖衰減測試，通過試驗技術研究，來獲取光纖傳輸的關鍵數據和技術資料，包括高壓下的光纖衰減值。

1 測試模型建立

在實際的試驗中，因無法和實際的應用場景完全吻合，需建立一個靠譜模型，并對模型進行相關假設和優化，為后續測試平臺搭建提供參考和依據，進而獲得更準確的測試數據和結果以便分析處理。

假設如下：

（1）測試對象采用12000 米帶不銹鋼管光纖卷盤，與實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，不會因為測試時半徑變化影響光衰減；

（5）每次手動加壓速度和保壓時間一致。

（6）測試設備的光纖接頭和光纖穿艙接頭等衰減值固定。

2 測試平臺搭建

為了測試萬米光纖在超高壓下的數據傳輸性能和衰減性能，基于以上模型，設計了測試平臺，獲得的數據和技術將用來為全海深臍帶纜的研制提供數據支撐，為萬米級ROV 系統信號傳輸與控制模擬試驗系統的建立奠定基礎。

光信號經光纖傳輸后，由于吸收、散射、壓力等原因會引起光功率的減小。光纖損耗是光纖傳輸的重要指標，對光纖通信的傳輸距離有決定性的影響。實現光纖通信，一個重要的問題是盡可能地降低光纖的損耗。

本測試平臺主要目的是測試萬米光纖在高壓下的衰減情況：

測試對象：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：水。

一般單模光纖在1310nm 波長傳輸時約在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，設計建造一種專用測試平臺，該平臺由手動試壓泵、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備。

圖2 超高壓光纖衰減測試連接示意圖

3 測試結果

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

3.1 測量基礎

實際中利用OTDR 光時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 （光時域反射儀）是根據光學原理的菲涅爾反射及瑞利散射進行工作的，通過將某種波長的光信號注入被測量光纖，利用光傳輸時產生的瑞利散射；如果光纖在傳輸信號的過程中出現連接或斷裂，則光纖中會產生菲涅爾反射，于是，測試設備就會接收和分析反射回來的背向散射光，經設備數據處理分析可得出被測光纖線路的性能。

根據測試目標，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生的損耗都不應在計算之內。因為OTDR 可以分段測試各個環節的衰減值，所通過OTDR 設備可以實現純光纖衰減值的測試。

3.2 超高壓光纖衰減情況

為了得出較為準確的結果，利用圖2所搭建的測試平臺對光纖做了多次的測試，本次測試利用OTDR 對數據進行分析和處理，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，從測試結果來看，在0MPa即常壓狀態下，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減小，多次試驗結果相似。在128MPa 的最大測試壓力下，光衰減值達到4.8dB，對應常壓下的光衰減值，計算得出1310nm 光纖由于壓力變化而產生的衰減值約為0.08dB/km。

4 結束語

萬米光纖的光衰減情況是全海深臍帶纜的研制的關鍵技術之一，基于信號傳輸與控制需求，建立了專門的測試平臺，測試了12000米單模光纖，獲取了重要試驗數據和關鍵參數。

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 時達到峰值，而在減壓過程中，衰減值會不斷減少，直至恢復到常壓時的數值，該結果在測試中多次重現。

由于ROV 對高清視頻和其他大數據設備需求已經越來越高，4K 甚至8K 相機已出現，并將逐步搭載在未來ROV 上，因此ROV 的信號傳輸對光纖的性能要求會更加苛刻。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外，還和溫度、彎曲半徑、長度、中間光纖接頭數量有關。綜上，ROV 傳輸視頻和控制信號的能力的提高，需要對光的衰減情況深入研究并嚴格把控光纖傳輸的各個環節，需要更多的研究者參與和重視這方面的相關研究，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。