基于ROV 臍帶纜的高壓光纖測試平臺設計與實現

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

光纖作為全海深ROV 臍帶纜的重要組成部分，是ROV 設備控制信號和視頻信息傳遞的主要途徑，萬一出問題會導致ROV 失控等嚴重問題[1]；現代ROV 高清攝像、高精度的圖像聲吶等設備傳輸時工作頻率高、數據量龐大，所以ROV 系統對信號傳輸的帶寬和可靠性要求均較高。

由于中大型ROV 系統的傳輸鏈路中存在較多的光接口，每個接口都會對信號造成一定衰減，并且在高壓下，光纖自身也會產生衰減，累積到一定程度就可能導致光模塊接收到的光信號功率過低而不適合水下大數據量的傳輸，因此對光纖的衰減測試和通信性能測試顯得尤為重要。

光纖在國內非常普及，在陸地上的常壓測試很多并且比較成熟，不過在高壓下的測試目前僅國內七〇二所、沈自所等單位研制的ARV 等有對其微細光纜做了相關試驗，最大壓力試驗為70 MPa，并給出了光纖衰減測試結果[2]，國外美國“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11 000 m 水深，不過關于純光纖在高壓下的性能測試平臺的搭建并無相關描述。

基于光纖在高壓下的通信性能測試需求，設計并搭建相關平臺用于進行ROV 光纖測試，并結合實例對純光纖衰減情況和傳輸情況進行了分析。

1 平臺總體設計方案

1.1 平臺分析

1.1.1 被測對象

平臺需要測試的是臍帶纜內部的光纖段性能，而所需測試的光纖長度一般多達幾千甚至上萬米，若采用實際臍帶纜進行測試，考慮到彎曲半徑和體積，所需的加壓設備尺寸過大難以制造且成本高昂。為了使測試效果盡量契合實際，這里采用帶不銹鋼管的單模光纖被作為測試光纖，被測光纖要求特性均勻。

1.1.2 平臺設計目的

平臺設計主要目的是測試出被測光纖在高壓下的衰減值和數據傳輸能

1.2 平臺總體方案

根據平臺分析，設計兩種測試平臺。所獲得的數據和技術將為臍帶纜的研制提供關鍵數據，并為ROV系統信號傳輸與控制模擬試驗系統的建立奠定基礎。

1.2.1 光纖衰減測試平臺

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。實現高質量的光纖通信，首要問題是盡可能地降低光纖損耗。

平臺需要測試光纖在高壓下的衰減值和變化趨勢，主要包括手動加壓設備、壓力罐、光纖衰減測試儀器、光纖穿艙接頭，高精度壓力表等，總體平臺組成和連接關系如圖1 所示。

1.2.2 光纖傳輸性能測試平臺

ROV 臍帶纜要通過光纖傳輸信號，傳輸性能的測試對ROV 控制系統設計是重要一環。基于此，設計一個典型大數據量設備在高壓環境下的傳輸測試平臺。

圖1 光纖衰減測試平臺總體圖

由于ROV 高清視頻一般占用光通道比率高，對光損失比較敏感，因此這里選用1080P HD-SDI 高清視頻信號作為大數據傳輸設備。

該平臺需研制用于高清視頻傳輸的水面及水下專用光端機、控制系統，并需壓力艙、光纖穿艙接頭、顯示器等，其中HD-SDI 光端機能夠將速度為1.485 Gb/s 的信號快速的轉換為光信號，通過光纖穿艙接頭傳遞給壓力罐下的被測試光纖，然后通過光纖穿艙接頭傳回給光端機接收端。平臺組成和總體連接關系如圖2 所示。

圖2 光纖傳輸性能測試平臺總體

該平臺和光纖衰減測試平臺組成大體相同，只是增加了數據傳輸和控制設備，可以在線監測高清視頻的傳輸信號。

2 平臺設計

基于兩種平臺總體設計方案，對測試平臺的主要組成進行設計。

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。光纖纜盤設計方案如圖3所示，測試前必須將穿艙接頭利用光纖熔接機與纜盤等設備熔接在一起，方便試驗安裝。

圖3 光纖纜盤架

2.2 光衰減測試設備

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

根據這個選型設計要求，選擇OTDR 光時域反射儀作為光衰減值測試設備。OTDR主要應用于光纖損耗、連接斷裂點等的檢測[3]，具有分段測試衰減的能力，因此可以測量純光纖在高壓下的衰減值。

2.3 壓力測量設備

本平臺測試光纖長為1 000～12 000 m 不等，即對應壓力在10～120 MPa。考慮平臺通用性，所選的壓力表參數如下：

表盤直徑200 mm，精度0.4，刻度300，滿刻度壓力值160 MPa。

2.4 壓力罐設計

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、凸肩頭蓋、擋圈螺紋等組成，其中單層厚壁壓力筒的主要設計參數如下：

設計壓力150 MPa，罐內徑800 mm，長2 000 mm。

壓力筒的材料采用高強度合金鋼鍛造而成，設計計算采用Faupel 經驗公式，采用爆破失效準則計算驗證，并且爆破安全系數大于等于2.5，全屈服安全系數大于等于2，屈服安全系數大于等于1.5[4]。其中Faupel 公式計算爆破壓力如下：

其中，PB為爆破壓力，σS為材料屈服強度，σb為材料抗拉強度。

壓力罐總體設計結構如圖4 所示。

圖4 壓力罐結構裝配圖

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、密封樹脂、封蓋、固定環組成，與罐體通過法蘭密封固定，設計的結構如圖5 所示。

為防止高壓泄露，該接頭內部的光纖絲需要剝掉外層保護套，采用了一種特殊的密封樹脂進行灌膠，樹脂具有一定彈性，在高壓時可適度變形而不損傷光纖絲。該接頭產生的光纖衰減值隨著壓力變化基本不變，已通過多次試驗優化并最終通過光衰減性能測試。

2.6 光纖高清圖像傳輸系統設計

通過構建一套HD-SDI 高清數字圖像的光纖高清圖像傳輸系統，將速率為1.485 Gb/s 的高清數字圖像信號通過處于高水壓環境下的光纖傳輸到顯示終端，通過實時顯示圖像的質量，檢驗光纖在高水壓環境下傳輸高清圖像信號的能力，從而驗證光纖在高水壓環境下傳輸寬帶數字信號的有效性。

圖5 光纖穿艙接頭設計

光纖高清圖像傳輸系統由HD-SDI 高清攝像機、HD-SDI 光端機、光纖、顯示及控制設備等組成，如圖6 所示。

圖6 光纖高清圖像傳輸系統方框圖

3 測試實例

為仿真分析1 000 mROV 臍帶纜的光纖功能，制造了試驗光纖，長度2 500 m，與1 000 m ROV 臍帶纜提供的纜長相同。測試壓力為25 MPa，測試介質為水。

3.1 光纖衰減測試

光纖采用1 310 nm 波段，利用OTDR 設備對數據進行分析和處理，測試出純光纖在壓力變化下的衰減值，結果如圖7 所示。

圖7 2 500 m 光纖隨壓力變化的光衰減變化曲線

最大測試壓力為25 MPa，從測試結果看，在0 MPa 即常壓狀態下，2 500 m 光纖的光衰減值為0.4 dB。分析圖7數據可知，光的衰減值變化和壓力變化趨勢一致，壓力達到25 Mpa 時、光纖自身產生的衰減值最大，為0.58 dB。

假設2 500 m 長光纖在常壓下（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生的損耗為Fs,光纖總長度為LN，可得出單位光纖損耗的計算公式如下：

從測試結果可知，LN=2 500 m，rn=0.4 dB，RN=0.58 dB， 將數據代入式（1），可得出Fs=0.072 dB/km。

結合光纖傳輸性能試驗，可量化出水下系統在高壓下大數據傳輸能力。

3.2 光纖的傳輸性能測試

經設計并搭建的光纖傳輸性能測試平臺如圖8所示。

圖8 光纖傳輸性能測試平臺

經傳輸性能測試平臺測試，結果如下：

壓力逐步加壓和泄壓，最高測試壓力25 MPa，現場實時觀測，加卸壓過程始終有視頻輸出，視頻顯示正常，反映出被測試光纖自身傳輸是可靠且良好的。

4 結 論

本文設計了用于測試光纖衰減值和通信性能的兩個平臺，通過搭建平臺測試了2 500 m 單模光纖，成功獲取相關試驗數據，為ROV 臍帶纜的后續建造提供了重要技術支持。

通過測試2 500 m 光纖的結果分析，可知該平臺具備一定合理性和通用性，組成和控制簡單。不過從試驗過程來看，光纖測試平臺操作較復雜，基本是靠人工操作，并且傳輸性能測試過程中無法在線測試各個環節的衰減值，只能通過衰減測試平臺測試衰減值，后期需要繼續改進和優化。