攘球嶷漉‰ 光纤中拉曼散射斯托克斯光强可以表示为： 可得到散射点存光纤中的位置信息。 ：Ｋｓ￣Ｓ・ｖ ・ ・足（ ）・ｅｘｐ［－（ａ【】＋ ）・上】 反斯托克斯光强可以表示为： （１） ２
．２分布式光纤扰动监测技术
＝Ｋａ・Ｓ＊Ｖａ４＊￣０ｅ・ （ ）・ｅｘｐ［一（ （）＋ａ ）・Ｌ］ （２）
式中 、 ａ——光纤中斯托克斯、反斯托克斯散 射截面相关的系数； ＶＳ、 ，ａ——斯托克斯、反斯托克斯散射光的 频率； 联 、ａ。——光纤中入射光、斯托克斯光、反斯 托克斯光的传输损耗； 三——光纤长度； Ｒｓ（Ｔ）、Ｒａ（ ）——温度 时光纤介质低能级和高能 级上的布居数有关的系数。 且有 Ｒ（ ）＝【１一ｅｘｐ【一ｈａｙ／ ）］ （３） Ｒ （ ）＝【ｅｘｐ（ｈＡｖ／ｋＴ）一１］ （４） 其巾ｈ和ｋ分别为普朗克常数种玻尔兹曼常数。 由此可以得到： －＝惫・（ ）４ ｅＧｘｐ［＿（ｈＡｖ／ｋＴ）］螂 ｆＯｔａ－ａ￣Ｍ］ （４） 已知光纤温度为 时，有： ＝ ．ｅＸｐ ｈａｙ／ｋＴｏ）］￣ｅｘｐ［ ａ，￣－ａｓ 】 （６） 当光纤温度为任意温度 时，有： 一ｐ卜 ｋ（Ｔ Ｔｏ）］（７ｊ （ ）／ （ ） 一 、 一 由此町以得到 上１１１Ｔ ｒｏ ｈａｙ Ｔｏ （８）一＝一— ————＿＝—一ｆ Ｒ｝ （）／ （ ） 一 在实际测量巾，只需要测出 （Ｔ）、 （Ｔ）、 （ ）、 （ ），就能由式（８）求出温度 。 Ｒ ＯＴＤＲ的定位基于光时域反射技术（ＯＴＤＲ）： 当脉冲激光在光纤巾向前传播时，不同位置产生的 后向拉曼散射光到达探测器的时延不同，根据探测 器检测到光信号的时延和光在光纤巾的传播速度即 分布式光纤扰动监测技术主要有基于Ｉ＝ｆ｛位敏感 的光时域反射（ｃｈ．ＯＴＤＲ）技术、基于Ｍ．Ｚ激光干涉 仪的光纤圈栏技术等 。ＭＺ系统必须通过复杂的 相关运算进行定位．导致定位精度差，响应时问慢。 Ｍ—ｚ干涉仪监测灵敏度高，但是易受外界环境干扰的 影响，实际使用巾极易误报，由于其很高的误报率，某 些ＭＺ设备事实上处丁闲置状态，形同虚设。
．ＯＴＤＲ系统采用ＯＴＤＲ技术定位，定位精度 高，响应速度快。同常规ＯＴＤＲ类似，光脉冲从光 纤的一端注入，通过探测器探测后向瑞利散射光，但 ＯＴＤＲ中注入光纤的光是强相干的，因此该系统的 输出就是脉冲宽度范围内后向散射瑞利光相干涉叠加 的结果，当光纤线路上受到外界下扰时，对应位置处光 纤折射率将会发生变化，这将导致该位置光相位的变 化以及相应的相干瑞利散射信号的变化，通过探测瑞 利散射信号有无变化可以判断有无扰动的发乍。
２．３分布式光纤应变测量技术 光波在光纤巾传输时，除了产生拉曼散射以及 瑞利散射外，光纤巾的声学声子和光子还将发生非 弹性碰撞，这种非线性散射过程称为布里渊散射。 布里渊散射光的频率变化与光纤温度或应变的变化 成正比，因此，通过测鼙布里渊散射光频移鼙就能得 到分布式光纤温度或者应变的变化鳖。目前有基于 受激布里渊散射效应的光时域分析仪（ＢＯＴＤＡ）或 者基于自发布里渊散射效应的布里渊光时域反射仪 （ＢＯＴＤＲ），ＢＯＴＤＡ系统的散射信号比较强，系统测 量距离和测量精度一般要高于ＢＯＴＤＲ系统。
３海底电缆综合监测系统及应用 由于海底电缆对保障生产和生活的极端重要性 和出现故障的高修复成本，加强海缆监测显得非常 必要。传统的电缆振荡波局放测试以及电缆脉冲测 距定位仪等一般只能在停电情况下进行离线检测， 本文捉出的在线海底电缆综合监测系统结合丫光纤 分布式温度、扰动监测系统和基于有限元算法的电 缆载流量分析系统，同时融入ｌｒ船只ＡＩＳ和ＧＩＳ系 风力绶噻妻 统，使得对海缆的监测达到全方位、全天候、可视化 和集成化的新水平。
３．１系统组成 海底电缆综合在线监测系统主要包括海底电缆 温度监测系统、海底电缆扰动监测系统、船只ＡＩＳ识 别预警系统以及海底电缆载流餐分析系统，视情况 还可以加入海底电缆应变监测系统。 其中，利用光纤巾后向传输的散射光的环境敏 感特性实现对海缆温度、扰动的在线监测，同时利用 ＯＴＤＲ实现空间定位；船只ＡＩｓ系统对海域船只的 位置、速度、航向、船舶注册信息等参数进行实施监 测；海缆载流量分析系统利用温度监测系统测量到 的海底电缆表断温度数据．结合电流数据，实时计算 海缆 线温度，同时预测海缆动态负荷。 系统通过综合监测平台将海底电缆本体的监测 信息、周边船只信息集成到－个界面实现集中嗡测， 并利用地理信息系统（ＧＩＳ）通过电子海图展示监测 结果，系统框幽如图１所示。 集中监澳ｌ电脑 数据服务器 图１海底电缆综合在线监测系统框图 ３．２分布式光纤监测设备特点 海缆扰动监测系统基于相位敏感的光时域反射 技术（ｃＩ）．ＯＴＤＲ），当海缆受到扰动，比如被船锚钩住 发生晃动或者锚链在海缆上拖曳情况下，系统可自 动检测报警并定位扰动位置，系统响应时间小于１ｓ， 定位精度小于２０ｍ．监测距离可达６０ｋｍ。 海缆温度监测系统采用基于拉曼散射效应的分 布式光纤温度传感系统（Ｒ ＯＴＤＲ），系统采用ＡＳＩＣ 运算处理芯片，并选用高性能嵌入式操作系统，体积 小、功耗低、运算速度快，稳定性高。系统内嵌Ｗｅｂ 服务器，支持浏览器访问和远程访问。 海缆温度监测系统也有采用基丁布里渊散射 效应的分布式光纤温度传感系统（ＢＯＴＤＡ），但是 由于布里渊频移同时对温度和应变敏感，因此必须 解决温度和应变的交叉敏感问题才能精确测温，而 拉曼散射光只对温度敏感，与应变无关，冈此测温不 受应变影响，测量的温度为海缆的实际温度，测温精 度更高。由丁海缆敷设完毕后，海缆的应变和温度 每处都不相同，ＢＯＴＤＡ系统无法给出绝对的温度 和应变值，只能给出布里渊频移的相对变化量，而且 该相对变化餐到底是温度引起还是应变引起，目前 的技术尤法进行精确分离。另外，Ｒ．ＯＴＤＲ实际 １ 程应用案例远远多于ＢＯＴＤＡ系统，Ｒ．ＯＴＤＲ已大 键应用于发电厂、变电站等领域的高压电缆测温。 自２００７年《线型光纤感温火灾探测器》囝家标准 颁布以来，前后已经有４Ｏ多个厂家、数十种型号的 Ｒ—ＯＴＤＲ系统通过国家标准的型式检验，但是无任 何一例采用ＢＯＴＤＡ或者ＢＯＴＤＲ测温系统通过型 式检验或者送检，充分说明了在分布式光纤测温领 域，基于拉曼散射效应的Ｒ—ＯＴＤＲ的使用更加广泛， 更具有先进性。在传感距离方面，商用化的ＢＯＴＤＡ 系统可以达到５０ｋｍ（环路长度１ＯＯｋｍ），Ｒ．ＯＴＤＲ可 以达到３０ｋｍ．Ｒ．ＯＴＤＲ可以通过往海缆两端分别设 嚣测温主机，电就是两头对测的方式将传感距离加 倍，达到６０ｋｍ的传感距离，Ｒ—ＯＴＤＲ还具有低成本 的优势，详细对比见表Ｉ。
表１ ＢＯＴＤＡ和Ｒ．ＯＴＤＲ的对比 对比项目／传 感系统 ＢＯＴＤＡ Ｒ—ＯＴＤＲ
原理 柿里渊散射 拉曼散射 敏感物理量 温度＋应变，交叉敏感 仅仅对温度敏感 无法同时测量温度 与噍变无关，准确 传感特点 和应变 测量温度
应用案例 几十 数千 成本 非常高 低 需要两根光纤，光纤 传感光纤 仅需单根光纤 一去一回构成环状
５０ｋｉｎ（环路，一点一回 ３０１，ｍａ．对测方式： 传感距离 总长１００ｋｍ） ６０ｋｍ
无任何厂家送检 数十个Ｊ 家，数十 国家标准枪验 或苕通过 个型号通过检验
布里渊散射光频移量的变化同时受到光纤上应
一 匪面 按零蜜漉 变和温度的影响： ＡｖＢ＝ＣｚＡＴ＋ＣｕＡｅ 式巾 Ｄ ——布里渊频移变化量；
——温度变化量； △ｓ——应变的变化量； ｃｓ——布里渊频移温度系数； Ｃ’Ｔ——布里渊频移应变系数。 如果试图采用ＢＯＴＤＡ来测量应变，通常的做 法是使用两条光纤，一条是紧套光纤感受应变和温 度的变化，一条是松套光纤用来测餐温度，再用松套 光纤的溢度来解 紧套光纤的应变．该方法的计算 公式如下： Ｘ＝ａ ｊ十６ Ｔｌ Ｙ＝Ｘ＝ａｙｅ２＋ｂｙＴ２ 光纤布里渊频率移动随温度和应变的变化系 数ａ 、ｂ 、ａ 、ｂ 町以事先标定知道，布 渊频率移动 与ｙ通过设备测量得到，假定 ＝ Ｓ１＝。，８２＝０ （松套光纤），通过解上述方程得出应变ｓ与温度 的大小。 由于受目前海缆生产工艺水平的制约，很难在 海缆中加入紧套光纤．相反海缆生产厂家为了保护 光纤免受海缆应变的影响，一般在生产光纤单冗时 会加入一定的余长，目的是当海缆本体发生应变变 形时，光纤单元本身不会受到应力而发生变化，这样 光纤尤法或者很难感测到海缆虚变的变化．难以达 到通过ＢＯＴＤＡ系统来测量海缆应变的目的。如果 要测量应变，还是要敷设紧套光纤提高光纤的应变 灵敏度，但是因为海缆厂 家 ｌ＾艺的原因很难布没紧 套光纤，所以目前的条件下，ＢＯＴＤＡ系统很难对海 缆的应变做出灵敏的反应，只可能往海缆受到很大 的应变．比如海床移动导致海缆受力变形等极端情 ７兄下才能测量出应变的变化， 此需要视实际情况 考虑是否需要加入海缆应变监测系统，否则很难使 其起到应有的作用。 另外，松套光纤的应变也不可能处处为零， 此 假定光纤完全不受应变的条件来训‘算温度也是错误 的，必然带来温度测量的误差，为此需要采用特殊的 技术解决温度、应变的交差敏感问题，日前提出来的 方法有：基于布里渊散射谱的双参数矩阵法、基于特 种光纤的双频移矩阵法、基于ＬＰＲ方法，但是这些 方法无 例外都会导致测量精度下降、误差变大等 问题 。本文采用Ｒ ＯＴＤＲ与ＢＯＴＤＡ相结合的办 法：利用Ｒ—ＯＴＤＲ技术测量海缆温度，将温度引起 的频移量从布里渊总的频移量中去除，从而得｝｛Ｊ应 变引起的频移，实现温度和应变的独立测量，同时测 量精度不会下降。
３Ｉ３海底电缆载流量分析系统 载流量是指在特定的电缆敷设条件、环境温度 条件 ，电缆能承载而其温度不超过给定的正常ｌ 作温度的最大电流。计算载流量的方法有热路法、 有限差分法和有限元法。由于电缆的敷设环境・般 很复杂，有电缆隧道、直埋、排管等，载流量计箅的边 界条件各不桐同，电缆的结构复杂多变，热路法巾的 近似方法很难适虚复杂的敷设环境和各种不同的电 缆结构，因此本文采用有限元算法。该算法将电缆 和敷设环境的截面戈４分为很多很小的ｉ角形单元， 在每・个单元格内部的温度认为是三角形顶点温度 的线性组合，微分方程通过转换变为变分方程的极 值问题并离散化，加上边界条件，～个末知顶点的温 度将得到Ａ，个矩阵方程，然后对矩阵方程求解就可 以求出Ⅳ个顶点的温度值。图２是■ 电缆在排管 中敷设的温度计算结果，３芯电缆位嚣颜色越深代 表温度越高，三角形单元为有限元网格。
图２三芯电缆排管敷设下温度计算结果 载流量分析系统具有如下功能： （１）实时监测：通过分布式光纤测温系统测得 的海缆内衬层温度并结合电流数据，根据海缆结构 和热参数以及环境参数实时计算出海缆芯线温度。