基于光纖振動監(jiān)測的海纜入侵事件識別及定位系統(tǒng)

張寧

摘要：海上風電近年來在我國迅速發(fā)展，海底電纜安全對海上風電效益至關重要。海底電纜埋于海底泥面下1.5-3m，由于敷設海底形態(tài)復雜多樣，海底沙丘沖刷運移頻繁往往造成海纜埋深變化和裸露，海上風電場海纜路由所屬海域漁船、工程船舶活動頻繁，常發(fā)生船舶在海纜路由區(qū)域拋錨、拖拽漁網等情況，拋錨引起海纜損壞國內外偶有發(fā)生，海纜修復，具有施工周期長、檢修難度大、經濟損失大等特點。針對傳統(tǒng)的船舶人工巡檢、側掃聲納巡檢以及在線監(jiān)測系統(tǒng)，上述方式在周期、難度、覆蓋率、成本等方面存在諸多困難。利用相干光時域反射（C-OTDR）技術，研發(fā)基于光纖振動監(jiān)測的海纜入侵事件識別及定位系統(tǒng)，針對船舶錨損、漁網拖拽、高灘開挖等入侵事件進行識別、定位，大大提高巡檢效率，降低了海纜損壞概率，保障了海纜地長期安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：海纜；錨損；入侵監(jiān)測；C-OTDR

1 確定敏感參數：

海底電纜入侵事件特征參量表

海纜入侵事件特征參量選擇的優(yōu)劣對比，我們可知根據振動差異特性來識別海底電纜入侵事件是更為有效的。

2 光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)：

針對光纖振動監(jiān)測裝置的選擇，發(fā)現利用瑞利散射原理的分布式傳感技術具有良好的振動監(jiān)測以及定位功能。相對于布里淵散射和拉曼散射等其他散射，瑞利散射的能量更大，這意味著振動信號和位置信息更容易被提取和檢測。其中常見的基于瑞利散射的全分布式光纖傳感技術主要有光時域反射（OTDR）技術、相干光時域反射（C-OTDR）技術、相位光時域反射（Φ-OTDR）技術以及偏振光時域反射（P-OTDR）技術等。

利用相干光時域反射（C-OTDR）技術對海底光電復合纜進行振動監(jiān)測，除了用于探測的信號光，還有用高相關性的窄帶寬光源注入的參考光，通過傳感光纖反射回的后向瑞利散射光作為信號光，信號光與參考光經環(huán)行器耦合到光電探測器中，經過光電探測器將混合光產牛的拍頻信號轉換為電信號后，經相關處理，即可獲得差頻信號。由于差頻信號與光纖狀態(tài)，如折射率波動、光波長和環(huán)境因素等有著良好的線性關系，所以就可以解調出光電復合纜的振動參數變化。具體如下：在陸上集控中心設置一臺分布式聲波監(jiān)測儀DAS，實現對海底光電復合纜的船舶拋錨、拖拽漁網、開挖入侵事件監(jiān)測。

分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)包括：監(jiān)測儀、地理信息系統(tǒng)（GIS）、視頻監(jiān)控、模式識別等系統(tǒng)處理軟件，通過監(jiān)測光纖沿線的振動獲取事件源，通過數據分析發(fā)現潛在威脅，實現提前預警，監(jiān)測并定位入侵事件。

3技術方案

3.1 振動事件性能

對于光纖監(jiān)測到的挖掘機挖掘、拖拽漁網、船舶拋錨振動信號，對其進行短時能量與短時過零率分析，不同原因引起的振動在短時過零率及平均短時能量上存在較大的差異。船舶拋錨振動信號，短時能量較高，但能量譜較窄；拖拽漁網振動信號，其強度較低、過零率低、且短時能量也低；挖掘機振動信號強度較大，且影響的范圍比較大；挖掘機振動信號的短時能量較高，且能量譜較寬；振動事件識別的測量閾值通過軟件設置，并進行自動識別，振動事件識別率≥90%。

3.2 定位告警模塊定位顯示模塊：位置信息顯示形象直觀，定位精度3m。

3.3自動識別算法

根據分析對應關系，建立了海纜入侵事件的故障模型，并將算法設計與仿真，且進行代碼編寫。通過計算實時測量振動數據進行數據處理、監(jiān)測分析組建事件模型，并于入侵事件模型做對比，做出入侵事件判斷。

通過研制該系統(tǒng)，實現了江蘇東臺海上風電項目全程34km海纜入侵事件識別與定位，并保持入侵事件識別在90%以上，空間分辨率性能在3m以內，測量穩(wěn)定、數據可靠性高。

4結語

基于光纖振動監(jiān)測的海纜入侵事件識別及定位系統(tǒng)，實現了海底電纜入侵事件識別及定位，對船舶拋錨、拖拽漁網、開挖等事件提前預警，提升了海底電纜的安全運行監(jiān)測水平，保障了海上風電送出通道安全運行可靠性。從經濟性來看如由于入侵事件擴大造成海纜破損，僅從維修費用就超過300萬/次。目前國家海上風電處于迅速發(fā)展期，相信該系統(tǒng)在今后海上風電行業(yè)中會產生更大效益。

參考文獻

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（作者單位：魯能集團江蘇新能源公司）