基于万米级ROV 脐带缆的超高压光纤衰减性能试验研究

平 伟

（上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司，上海 200231）

0 引言

全海深ROV 是全海深作业体系重要组成部分。而研制全海深ROV 首先需要突破ROV 与母船连接的脐带缆关键技术，一般传统ROV 采用金属铠装脐带缆，因受其强度/水下静载荷比限制，最大使用水深一般都在6000米以浅，超过6000米甚至全海深ROV 使用的脐带缆在国际上都很稀少，是制约我国全海深ROV 的研发瓶颈。全海深ROV 脐带缆的研究作为国家重点研发计划在国内刚刚起步，开展全海深ROV 脐带缆的相关关键技术研究迫在眉睫[1]。

现在的ROV 系统一般采用多光纤通道，光端机会根据信号光纤信号好坏自动切换，以提高光纤信号传输数据的稳定性[2]。光信号传输的可靠性和稳定性对ROV脐带缆的研制至关重要，光纤在常压下的特性已经比较成熟并且得到广泛应用，而光纤在超高压下的传输性能研究在国内基本属于空白，国内七〇二所研制的海筝Ι型ARV 对其微细光缆做了相关试验，最大压力试验为70MPa，并给出了光纤衰减测试结果，国外只有美国“海神号”混合型无人潜水器、日本的Kaiko ROV 以及美国好莱坞导演卡梅隆的“深海挑战者号”等潜水器到过11000米水深，不过相关的光纤全海深测试工作，尤其是排除穿舱件和光连接器的衰减测试并没有详细论述。

基于以上研究和分析，搭建了专门的测试平台进行万米级ROV 脐带缆的光纤衰减测试，通过试验技术研究，来获取光纤传输的关键数据和技术资料，包括高压下的光纤衰减值。

1 测试模型建立

在实际的试验中，因无法和实际的应用场景完全吻合，需建立一个靠谱模型，并对模型进行相关假设和优化，为后续测试平台搭建提供参考和依据，进而获得更准确的测试数据和结果以便分析处理。

假设如下：

（1）测试对象采用12000 米带不锈钢管光纤卷盘，与实际脐带缆的衰减和传输性能基本一致。

（2）ROV 光纤传输采用单模9/125µm 光纤，测试波段选用ROV 传输常用的1310nm。

（3）光纤特性均匀，可用单位长度的衰减反映光纤的衰减性能的好坏。

（4）测试光纤弯曲半径足够，不会因为测试时半径变化影响光衰减；

（5）每次手动加压速度和保压时间一致。

（6）测试设备的光纤接头和光纤穿舱接头等衰减值固定。

2 测试平台搭建

为了测试万米光纤在超高压下的数据传输性能和衰减性能，基于以上模型，设计了测试平台，获得的数据和技术将用来为全海深脐带缆的研制提供数据支撑，为万米级ROV 系统信号传输与控制模拟试验系统的建立奠定基础。

光信号经光纤传输后，由于吸收、散射、压力等原因会引起光功率的减小。光纤损耗是光纤传输的重要指标，对光纤通信的传输距离有决定性的影响。实现光纤通信，一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。

本测试平台主要目的是测试万米光纤在高压下的衰减情况：

测试对象：采用的是12000米波长为1310nm 的单模光纤（带不锈钢管套）。

测试压力：0-128MPa。

测试介质：水。

一般单模光纤在1310nm 波长传输时约在0.35dB/km（常压下），如图1所示。

图1 普通单模常压下光纤衰减值

而关于光纤在110MPa 以上超高压下的光衰减情况则比较少。为测试万米光纤在超高压下的具体衰减情况，设计建造一种专用测试平台，该平台由手动试压泵、压力表、大直径全海深压力筒、穿舱接头、万米光纤以及光纤测试仪器（OTDR）组成，按如图2所示连接光纤与各测试设备。

图2 超高压光纤衰减测试连接示意图

3 测试结果

12000米光纤在超高压压力筒内，通过光纤穿舱接头引出到舱外，进行了光纤在超高压环境下的衰减测试。为了更好的理解测试结果，需要对测试全过程进行一定的分析和研究。

3.1 测量基础

实际中利用OTDR 光时域反射仪测量万米光纤在高压下的衰减值，并且采用超高压表测量压力值。

OTDR 工作原理：

OTDR （光时域反射仪）是根据光学原理的菲涅尔反射及瑞利散射进行工作的，通过将某种波长的光信号注入被测量光纤，利用光传输时产生的瑞利散射；如果光纤在传输信号的过程中出现连接或断裂，则光纤中会产生菲涅尔反射，于是，测试设备就会接收和分析反射回来的背向散射光，经设备数据处理分析可得出被测光纤线路的性能。

根据测试目标，只需要测试12000米纯光纤的损耗，而压力筒的穿舱接头，以及水面的光纤接头产生的损耗都不应在计算之内。因为OTDR 可以分段测试各个环节的衰减值，所通过OTDR 设备可以实现纯光纤衰减值的测试。

3.2 超高压光纤衰减情况

为了得出较为准确的结果，利用图2所搭建的测试平台对光纤做了多次的测试，本次测试利用OTDR 对数据进行分析和处理，测试出12000米长光纤在压力变化下的衰减值，如图3所示。

图3 波长1310nm随压力变化时的光衰减变化曲线

从上图可看出，最大测试压力为128MPa，采用的是OTDR 测量12000米光纤的衰减值，从测试结果来看，在0MPa即常压状态下，12000米光纤的光衰减值为3.9dB，即0.325dB/km，从图中可以明显看出，光的衰减值随着压力增加而增加，随着压力减小而相应减小，多次试验结果相似。在128MPa 的最大测试压力下，光衰减值达到4.8dB，对应常压下的光衰减值，计算得出1310nm 光纤由于压力变化而产生的衰减值约为0.08dB/km。

4 结束语

万米光纤的光衰减情况是全海深脐带缆的研制的关键技术之一，基于信号传输与控制需求，建立了专门的测试平台，测试了12000米单模光纤，获取了重要试验数据和关键参数。

通过以上测试了解到，在不断加压过程中，光纤的衰减值不断增加，并且在128MPa 时达到峰值，而在减压过程中，衰减值会不断减少，直至恢复到常压时的数值，该结果在测试中多次重现。

由于ROV 对高清视频和其他大数据设备需求已经越来越高，4K 甚至8K 相机已出现，并将逐步搭载在未来ROV 上，因此ROV 的信号传输对光纤的性能要求会更加苛刻。光纤的传输性能由光衰减值决定，而光纤的衰减值除和压力直接相关外，还和温度、弯曲半径、长度、中间光纤接头数量有关。综上，ROV 传输视频和控制信号的能力的提高，需要对光的衰减情况深入研究并严格把控光纤传输的各个环节，需要更多的研究者参与和重视这方面的相关研究，保证ROV 等潜器更快速地朝着智能化、高可靠性的方向不断迈进。