光纖技術在水下高帶寬數據傳輸中的應用

曾溥陽，郭　駿，郝偉修，劉太元

(中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519050)

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光纖技術在水下高帶寬數據傳輸中的應用

曾溥陽，郭駿，郝偉修，劉太元

(中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519050)

高帶寬數據傳輸技術主要應用于大數據量的傳輸。由于光纖所固有的可靠性和穩定性，使得光纖技術被廣泛應用于水下數據通信。隨著海洋工程開發的快速發展，水下光纖系統互連得到了長足的發展。光纖信號傳輸的距離遠超標準以太網電信號，水下光纖信號將標準以太網信號的跳線接口從100m擴展到了10km以上。

數據傳輸；帶寬；光纖；光纖連接器；以太網

隨著對油藏管理及數字化油田要求的不斷增加，新型的儀表儀器，如水下多相流量計、水下攝像機及井底分布式溫度檢測系統等逐步應用到水下生產系統，這些新型的儀器儀表產生的數據量龐大，需要更高的帶寬和傳輸速度，以實現檢測數據從水下到水上的傳輸。

由于應用于水下環境科學研究傳感器數量的增加，對應于傳感器數據的傳輸量也隨之增加。傳感器收集的數據將傳輸至海洋研究處理中心，并在中心進行數據的處理及應用。

得益于光纖在信號傳輸中所特有的長傳輸距離、高帶寬、低衰減及受電磁干擾小等特點，光纖開始逐步應用到深水油氣田和海洋科學研究的傳輸系統中。

1　高帶寬數據傳輸

本文介紹了水下高帶寬數據傳輸的各種方法，其中包括調制解調傳輸(也叫電力載波通信技術)、高速數字用戶線路(DigitalSubscriberLine-DSL)傳輸、電以太網傳輸和光以太網傳輸。

傳統調制解調器能夠進行遠距離的數據傳輸，是水下遠距離數據傳輸技術中最成熟的一種方式。然而，該技術所能傳輸的最大速率不宜>20kb/s。高速DSL技術在一定的距離范圍內可以傳輸高于調制解調傳輸技術的數據帶寬，但是隨著傳輸距離的增加，該技術也不能提供足夠的帶寬(200～3000kb/s，15km)。電以太網技術可以提供可靠及穩定的高帶寬數據傳輸，但是該技術傳輸的距離<100m，因此這種電以太網跳線技術常應用于水下油氣開發中短距離的水下從式布置油氣井口[1]。如果要進行長距離和高帶寬的數據傳輸，應首選光以太網技術。光以太網技術以高可靠性、高帶寬及遠距離特性被廣泛應用于水下油氣開發，但同時也帶來了更高的投資預算，這種高預算除了光纜本身的成本，還包括各種水下光接頭。水下傳輸模式特點如圖1所示。

損耗是傳輸介質的重要特性，它決定了傳輸信號所需中繼的距離。光纖作為光信號的傳輸介質具有低損耗的特點，如使用62.5～125μm的多模光纖，850nm波長的衰減約為3.0db/km，1 300nm波長的衰減更低，約為1.0db/km。如果使用9～25μm單模光纖，1 300nm波長的衰減僅為0.4db/km，1 550nm波長的衰減為0.3db/km，所以一般的LD光源可傳輸15～20km。

在水下生產控制系統中，選用9～25μm單模光纖中1 550nm這一波長作為傳輸信道，滿足50km以上的傳輸需求。

光纖的頻寬可達1GHz以上，一般圖像的帶寬約為6MHz，所以用一芯光纖傳輸一個通道的圖像綽綽有余。光纖高頻寬的好處不僅可以同時傳輸多通道圖像，還可以傳輸語音、控制信號或接點信號，有的甚至可以用一芯光纖通過特殊的光纖被動元件達到雙向傳輸功能[2]。

2　水下光纖接頭的可靠性

由于水下油氣井口和光纖的快速發展，水下光纖接頭大量應用于海洋油氣開發。據統計，海洋油氣開發工程中所使用的水下光纖接頭約占整個水下光纖接頭使用領域的68%，海洋科學研究所用光纖接頭約占15%。

水下光纖接頭在過去幾十年中的使用引起了海洋業界的廣泛關注。盡管各類水下接頭發展迅速，但是我們更多是關注于海洋科學研究和海洋石油工業中使用水下光纖接頭的可靠性。

水下光纖接頭的可靠性包含很多方面的因素。由于量少光和電接頭混合使用過程中出現的問題，導致了部分油氣工業不再使用水下光纖接頭，然而相對其他水下系統部件而言，水下光纖接頭還是保持了極高的穩定性和可靠性[3]。根據海洋可靠性統計表明，水下光纖接頭保持了較高可靠性，具體數據見表1。

表1　水下設備部件可靠性統計

3　擴展以太網技術

目前，水下高帶寬數據傳輸可以通過轉換電以太網來實現，但是這種技術最致命的缺陷是傳輸距離太短，不超過100m。為了開發出高帶寬、長距離傳輸系統，出現了光電轉換技術，把電以太網信號轉換為光以太網信號，并利用光信號長距離傳輸的物理特性。通過該種方法，光以太網技術把傳輸距離從100m提升到了10km以上。擴展以太網飛纜如圖2所示。

圖2　擴展以太網飛纜

光電轉換技術用于海洋科學研究，可以設置分支節點，該節點遠離中心節點，這樣可以避免相互間的干擾和影響。擴展以太網非常適合這類海洋科學研究裝置的連接。

在一個單純的光通信系統中，光電轉換裝置設置于光接頭中。如果采用擴展以太網技術，所有的接口均為標準電氣接口，光電轉換設置于光電轉換器中，那么它將大大降低整個光通信系統的造價，并提高標準化率。內部光電連接如圖3所示。

圖3　內部光電連接

如果考慮更高的可靠性，可以在飛纜的兩端增加冗余的轉換器。對于復雜水下控制網絡系統模塊，擴展以太網技術可以降低整個系統的復雜程度，提高系統的可靠性。

4　結語

隨著深水海洋石油的發展，水下插拔連接器已經成為不可缺少的一部分，可通過遠程遙控水下機器人對其進行操作、維護，達到快速、高效和可靠施工的目標，使整個系統的可靠性和可維護性大大提高[4]。

光纖的加入極大地提升了水下開放式系統的傳輸速率，許多新型的水下儀表不再因為產生的數據量過大和帶寬要求過高而無法得到應用。在水下系統的功能得到極大提升的同時，整個水下系統的功能性與可靠性也得到增強。基于光纖的開放式水下傳輸系統將在未來海洋水下系統中發揮越來越重要的作用[5]。

[1] 曹靜.荔灣3-1氣田水下設施布置設計中的一些考慮[J].中國造船，2010，51(2)：246-254.

[2]劉華建.淺談水下生產控制系統控制與監測傳輸模式[J].中國海洋平臺，2015,30(5):5-8,12.

[3]葉楊高，朱家遠，李錦華.國外水下插拔光纖連接器的發展[J].光纖與電纜及其應用技術，2008(2)：1-4.

[4] 劉太元，霍成索，李清平，等.水下生產系統在我國南海深水油氣田開發的應用與挑戰[J].中國工程科學，2015，17(1)：51-55.

[5]劉太元，郭宏，閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構水下生產控制系統研究及應用[J].化工自動化及儀表，2011，39(2)：209-211.

責任編輯鄭練

SubseaHighBandwidthDataTransferUsingFiberOpticTechnologies

ZENGPuyang,GUOJun,HAOWeixiu,LIUTaiyuan

(CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.,Ltd.,Zhuhai519050,China)

Thehighbandwidthdatatransferiscriticalinapplicationswherelargequantitiesofinformationarebeingtransmitted.Fiberoptictechnologyhasbeenwidelyadoptedinsubseacommunicationsduetotheinherentreliabilityandthepassivenatureoffiberoptics.TheopticalsignalcanthenbetransmittedoverdistancefarexceedingstandardsubseaelectricalEthernetcapabilities.Inthisway,opticalEthernetperformancecanbeachievedwithstandardelectricalEthernethardwareinterfacesextendingthestepoutdistancefrom100mto10km.

datatransfer,bandwidth,fiberoptics,wet-mateconnector;Ethernet

TN929.11

B

曾溥陽(1971-)，男，工程師，南海深水天然氣項目組IT/EDIS經理，主要從事海洋工程等方面的研究。

2016-01-20