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

光纖作為全海深ROV 臍帶纜的重要組成部分，是ROV 設(shè)備控制信號(hào)和視頻信息傳遞的主要途徑，萬(wàn)一出問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致ROV 失控等嚴(yán)重問(wèn)題[1]；現(xiàn)代ROV 高清攝像、高精度的圖像聲吶等設(shè)備傳輸時(shí)工作頻率高、數(shù)據(jù)量龐大，所以ROV 系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膸捄涂煽啃砸缶^高。

由于中大型ROV 系統(tǒng)的傳輸鏈路中存在較多的光接口，每個(gè)接口都會(huì)對(duì)信號(hào)造成一定衰減，并且在高壓下，光纖自身也會(huì)產(chǎn)生衰減，累積到一定程度就可能導(dǎo)致光模塊接收到的光信號(hào)功率過(guò)低而不適合水下大數(shù)據(jù)量的傳輸，因此對(duì)光纖的衰減測(cè)試和通信性能測(cè)試顯得尤為重要。

光纖在國(guó)內(nèi)非常普及，在陸地上的常壓測(cè)試很多并且比較成熟，不過(guò)在高壓下的測(cè)試目前僅國(guó)內(nèi)七〇二所、沈自所等單位研制的ARV 等有對(duì)其微細(xì)光纜做了相關(guān)試驗(yàn)，最大壓力試驗(yàn)為70 MPa，并給出了光纖衰減測(cè)試結(jié)果[2]，國(guó)外美國(guó)“海神號(hào)”混合型無(wú)人潛水器、日本的Kaiko ROV 以及美國(guó)好萊塢導(dǎo)演卡梅隆的“深海挑戰(zhàn)者號(hào)”等潛水器到過(guò)11 000 m 水深，不過(guò)關(guān)于純光纖在高壓下的性能測(cè)試平臺(tái)的搭建并無(wú)相關(guān)描述。

基于光纖在高壓下的通信性能測(cè)試需求，設(shè)計(jì)并搭建相關(guān)平臺(tái)用于進(jìn)行ROV 光纖測(cè)試，并結(jié)合實(shí)例對(duì)純光纖衰減情況和傳輸情況進(jìn)行了分析。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 平臺(tái)分析

1.1.1 被測(cè)對(duì)象

平臺(tái)需要測(cè)試的是臍帶纜內(nèi)部的光纖段性能，而所需測(cè)試的光纖長(zhǎng)度一般多達(dá)幾千甚至上萬(wàn)米，若采用實(shí)際臍帶纜進(jìn)行測(cè)試，考慮到彎曲半徑和體積，所需的加壓設(shè)備尺寸過(guò)大難以制造且成本高昂。為了使測(cè)試效果盡量契合實(shí)際，這里采用帶不銹鋼管的單模光纖被作為測(cè)試光纖，被測(cè)光纖要求特性均勻。

1.1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)目的

平臺(tái)設(shè)計(jì)主要目的是測(cè)試出被測(cè)光纖在高壓下的衰減值和數(shù)據(jù)傳輸能

1.2 平臺(tái)總體方案

根據(jù)平臺(tái)分析，設(shè)計(jì)兩種測(cè)試平臺(tái)。所獲得的數(shù)據(jù)和技術(shù)將為臍帶纜的研制提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并為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)。

1.2.1 光纖衰減測(cè)試平臺(tái)

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)高質(zhì)量的光纖通信，首要問(wèn)題是盡可能地降低光纖損耗。

平臺(tái)需要測(cè)試光纖在高壓下的衰減值和變化趨勢(shì)，主要包括手動(dòng)加壓設(shè)備、壓力罐、光纖衰減測(cè)試儀器、光纖穿艙接頭，高精度壓力表等，總體平臺(tái)組成和連接關(guān)系如圖1 所示。

1.2.2 光纖傳輸性能測(cè)試平臺(tái)

ROV 臍帶纜要通過(guò)光纖傳輸信號(hào)，傳輸性能的測(cè)試對(duì)ROV 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重要一環(huán)?；诖耍O(shè)計(jì)一個(gè)典型大數(shù)據(jù)量設(shè)備在高壓環(huán)境下的傳輸測(cè)試平臺(tái)。

圖1 光纖衰減測(cè)試平臺(tái)總體圖

由于ROV 高清視頻一般占用光通道比率高，對(duì)光損失比較敏感，因此這里選用1080P HD-SDI 高清視頻信號(hào)作為大數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

該平臺(tái)需研制用于高清視頻傳輸?shù)乃婕八聦Ｓ霉舛藱C(jī)、控制系統(tǒng)，并需壓力艙、光纖穿艙接頭、顯示器等，其中HD-SDI 光端機(jī)能夠?qū)⑺俣葹?.485 Gb/s 的信號(hào)快速的轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纖穿艙接頭傳遞給壓力罐下的被測(cè)試光纖，然后通過(guò)光纖穿艙接頭傳回給光端機(jī)接收端。平臺(tái)組成和總體連接關(guān)系如圖2 所示。

圖2 光纖傳輸性能測(cè)試平臺(tái)總體

該平臺(tái)和光纖衰減測(cè)試平臺(tái)組成大體相同，只是增加了數(shù)據(jù)傳輸和控制設(shè)備，可以在線監(jiān)測(cè)高清視頻的傳輸信號(hào)。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于兩種平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)測(cè)試平臺(tái)的主要組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 光 纖

由于壓力筒尺寸所限，在不影響光纖的衰減前提下選擇盡可能小直徑的纜盤。光纖纜盤設(shè)計(jì)方案如圖3所示，測(cè)試前必須將穿艙接頭利用光纖熔接機(jī)與纜盤等設(shè)備熔接在一起，方便試驗(yàn)安裝。

圖3 光纖纜盤架

2.2 光衰減測(cè)試設(shè)備

要排除光纖測(cè)試鏈路中其他環(huán)節(jié)諸如光耦合器、光纖穿艙接頭、彎曲或擠壓造成的影響，測(cè)試出純光纖段在壓力下的衰減值。

根據(jù)這個(gè)選型設(shè)計(jì)要求，選擇OTDR 光時(shí)域反射儀作為光衰減值測(cè)試設(shè)備。OTDR主要應(yīng)用于光纖損耗、連接斷裂點(diǎn)等的檢測(cè)[3]，具有分段測(cè)試衰減的能力，因此可以測(cè)量純光纖在高壓下的衰減值。

2.3 壓力測(cè)量設(shè)備

本平臺(tái)測(cè)試光纖長(zhǎng)為1 000～12 000 m 不等，即對(duì)應(yīng)壓力在10～120 MPa?？紤]平臺(tái)通用性，所選的壓力表參數(shù)如下：

表盤直徑200 mm，精度0.4，刻度300，滿刻度壓力值160 MPa。

2.4 壓力罐設(shè)計(jì)

考慮通用性以及光纖的纜盤架尺寸，壓力罐主要由單層厚壁壓力筒、密封環(huán)、凸肩頭蓋、擋圈螺紋等組成，其中單層厚壁壓力筒的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力150 MPa，罐內(nèi)徑800 mm，長(zhǎng)2 000 mm。

壓力筒的材料采用高強(qiáng)度合金鋼鍛造而成，設(shè)計(jì)計(jì)算采用Faupel 經(jīng)驗(yàn)公式，采用爆破失效準(zhǔn)則計(jì)算驗(yàn)證，并且爆破安全系數(shù)大于等于2.5，全屈服安全系數(shù)大于等于2，屈服安全系數(shù)大于等于1.5[4]。其中Faupel 公式計(jì)算爆破壓力如下：

其中，PB為爆破壓力，σS為材料屈服強(qiáng)度，σb為材料抗拉強(qiáng)度。

壓力罐總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 壓力罐結(jié)構(gòu)裝配圖

2.5 光纖穿艙接頭

光纖卷筒需要放置在壓力罐中，需要通過(guò)光纖穿艙接頭引出至罐外，該穿艙接頭主要由光纖、光纖絲、密封樹(shù)脂、封蓋、固定環(huán)組成，與罐體通過(guò)法蘭密封固定，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

為防止高壓泄露，該接頭內(nèi)部的光纖絲需要?jiǎng)兊敉鈱颖Ｗo(hù)套，采用了一種特殊的密封樹(shù)脂進(jìn)行灌膠，樹(shù)脂具有一定彈性，在高壓時(shí)可適度變形而不損傷光纖絲。該接頭產(chǎn)生的光纖衰減值隨著壓力變化基本不變，已通過(guò)多次試驗(yàn)優(yōu)化并最終通過(guò)光衰減性能測(cè)試。

2.6 光纖高清圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)構(gòu)建一套HD-SDI 高清數(shù)字圖像的光纖高清圖像傳輸系統(tǒng)，將速率為1.485 Gb/s 的高清數(shù)字圖像信號(hào)通過(guò)處于高水壓環(huán)境下的光纖傳輸?shù)斤@示終端，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示圖像的質(zhì)量，檢驗(yàn)光纖在高水壓環(huán)境下傳輸高清圖像信號(hào)的能力，從而驗(yàn)證光纖在高水壓環(huán)境下傳輸寬帶數(shù)字信號(hào)的有效性。

圖5 光纖穿艙接頭設(shè)計(jì)

光纖高清圖像傳輸系統(tǒng)由HD-SDI 高清攝像機(jī)、HD-SDI 光端機(jī)、光纖、顯示及控制設(shè)備等組成，如圖6 所示。

圖6 光纖高清圖像傳輸系統(tǒng)方框圖

3 測(cè)試實(shí)例

為仿真分析1 000 mROV 臍帶纜的光纖功能，制造了試驗(yàn)光纖，長(zhǎng)度2 500 m，與1 000 m ROV 臍帶纜提供的纜長(zhǎng)相同。測(cè)試壓力為25 MPa，測(cè)試介質(zhì)為水。

3.1 光纖衰減測(cè)試

光纖采用1 310 nm 波段，利用OTDR 設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，測(cè)試出純光纖在壓力變化下的衰減值，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 2 500 m 光纖隨壓力變化的光衰減變化曲線

最大測(cè)試壓力為25 MPa，從測(cè)試結(jié)果看，在0 MPa 即常壓狀態(tài)下，2 500 m 光纖的光衰減值為0.4 dB。分析圖7數(shù)據(jù)可知，光的衰減值變化和壓力變化趨勢(shì)一致，壓力達(dá)到25 Mpa 時(shí)、光纖自身產(chǎn)生的衰減值最大，為0.58 dB。

假設(shè)2 500 m 長(zhǎng)光纖在常壓下（0 MPa）的損耗為rn，在25 MPa 高壓下的損耗為RN,單位光纖因壓力變化產(chǎn)生的損耗為Fs,光纖總長(zhǎng)度為L(zhǎng)N，可得出單位光纖損耗的計(jì)算公式如下：

從測(cè)試結(jié)果可知，LN=2 500 m，rn=0.4 dB，RN=0.58 dB， 將數(shù)據(jù)代入式（1），可得出Fs=0.072 dB/km。

結(jié)合光纖傳輸性能試驗(yàn)，可量化出水下系統(tǒng)在高壓下大數(shù)據(jù)傳輸能力。

3.2 光纖的傳輸性能測(cè)試

經(jīng)設(shè)計(jì)并搭建的光纖傳輸性能測(cè)試平臺(tái)如圖8所示。

圖8 光纖傳輸性能測(cè)試平臺(tái)

經(jīng)傳輸性能測(cè)試平臺(tái)測(cè)試，結(jié)果如下：

壓力逐步加壓和泄壓，最高測(cè)試壓力25 MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，加卸壓過(guò)程始終有視頻輸出，視頻顯示正常，反映出被測(cè)試光纖自身傳輸是可靠且良好的。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了用于測(cè)試光纖衰減值和通信性能的兩個(gè)平臺(tái)，通過(guò)搭建平臺(tái)測(cè)試了2 500 m 單模光纖，成功獲取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為ROV 臍帶纜的后續(xù)建造提供了重要技術(shù)支持。

通過(guò)測(cè)試2 500 m 光纖的結(jié)果分析，可知該平臺(tái)具備一定合理性和通用性，組成和控制簡(jiǎn)單。不過(guò)從試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，光纖測(cè)試平臺(tái)操作較復(fù)雜，基本是靠人工操作，并且傳輸性能測(cè)試過(guò)程中無(wú)法在線測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)的衰減值，只能通過(guò)衰減測(cè)試平臺(tái)測(cè)試衰減值，后期需要繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化。