基于ROV 脐带缆的高压光纤测试平台设计与实现

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

光纤作为全海深ROV 脐带缆的重要组成部分，是ROV 设备控制信号和视频信息传递的主要途径，万一出问题会导致ROV 失控等严重问题[1]；现代ROV 高清摄像、高精度的图像声呐等设备传输时工作频率高、数据量庞大，所以ROV 系统对信号传输的带宽和可靠性要求均较高。

由于中大型ROV 系统的传输链路中存在较多的光接口，每个接口都会对信号造成一定衰减，并且在高压下，光纤自身也会产生衰减，累积到一定程度就可能导致光模块接收到的光信号功率过低而不适合水下大数据量的传输，因此对光纤的衰减测试和通信性能测试显得尤为重要。

光纤在国内非常普及，在陆地上的常压测试很多并且比较成熟，不过在高压下的测试目前仅国内七〇二所、沈自所等单位研制的ARV 等有对其微细光缆做了相关试验，最大压力试验为70 MPa，并给出了光纤衰减测试结果[2]，国外美国“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11 000 m 水深，不过关于纯光纤在高压下的性能测试平台的搭建并无相关描述。

基于光纤在高压下的通信性能测试需求，设计并搭建相关平台用于进行ROV 光纤测试，并结合实例对纯光纤衰减情况和传输情况进行了分析。

1 平台总体设计方案

1.1 平台分析

1.1.1 被测对象

平台需要测试的是脐带缆内部的光纤段性能，而所需测试的光纤长度一般多达几千甚至上万米，若采用实际脐带缆进行测试，考虑到弯曲半径和体积，所需的加压设备尺寸过大难以制造且成本高昂。为了使测试效果尽量契合实际，这里采用带不锈钢管的单模光纤被作为测试光纤，被测光纤要求特性均匀。

1.1.2 平台设计目的

平台设计主要目的是测试出被测光纤在高压下的衰减值和数据传输能

1.2 平台总体方案

根据平台分析，设计两种测试平台。所获得的数据和技术将为脐带缆的研制提供关键数据，并为ROV系统信号传输与控制模拟试验系统的建立奠定基础。

1.2.1 光纤衰减测试平台

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。实现高质量的光纤通信，首要问题是尽可能地降低光纤损耗。

平台需要测试光纤在高压下的衰减值和变化趋势，主要包括手动加压设备、压力罐、光纤衰减测试仪器、光纤穿舱接头，高精度压力表等，总体平台组成和连接关系如图1 所示。

1.2.2 光纤传输性能测试平台

ROV 脐带缆要通过光纤传输信号，传输性能的测试对ROV 控制系统设计是重要一环。基于此，设计一个典型大数据量设备在高压环境下的传输测试平台。

图1 光纤衰减测试平台总体图

由于ROV 高清视频一般占用光通道比率高，对光损失比较敏感，因此这里选用1080P HD-SDI 高清视频信号作为大数据传输设备。

该平台需研制用于高清视频传输的水面及水下专用光端机、控制系统，并需压力舱、光纤穿舱接头、显示器等，其中HD-SDI 光端机能够将速度为1.485 Gb/s 的信号快速的转换为光信号，通过光纤穿舱接头传递给压力罐下的被测试光纤，然后通过光纤穿舱接头传回给光端机接收端。平台组成和总体连接关系如图2 所示。

图2 光纤传输性能测试平台总体

该平台和光纤衰减测试平台组成大体相同，只是增加了数据传输和控制设备，可以在线监测高清视频的传输信号。

2 平台设计

基于两种平台总体设计方案，对测试平台的主要组成进行设计。

2.1 光 纤

由于压力筒尺寸所限，在不影响光纤的衰减前提下选择尽可能小直径的缆盘。光纤缆盘设计方案如图3所示，测试前必须将穿舱接头利用光纤熔接机与缆盘等设备熔接在一起，方便试验安装。

图3 光纤缆盘架

2.2 光衰减测试设备

要排除光纤测试链路中其他环节诸如光耦合器、光纤穿舱接头、弯曲或挤压造成的影响，测试出纯光纤段在压力下的衰减值。

根据这个选型设计要求，选择OTDR 光时域反射仪作为光衰减值测试设备。OTDR主要应用于光纤损耗、连接断裂点等的检测[3]，具有分段测试衰减的能力，因此可以测量纯光纤在高压下的衰减值。

2.3 压力测量设备

本平台测试光纤长为1 000～12 000 m 不等，即对应压力在10～120 MPa。考虑平台通用性，所选的压力表参数如下：

表盘直径200 mm，精度0.4，刻度300，满刻度压力值160 MPa。

2.4 压力罐设计

考虑通用性以及光纤的缆盘架尺寸，压力罐主要由单层厚壁压力筒、密封环、凸肩头盖、挡圈螺纹等组成，其中单层厚壁压力筒的主要设计参数如下：

设计压力150 MPa，罐内径800 mm，长2 000 mm。

压力筒的材料采用高强度合金钢锻造而成，设计计算采用Faupel 经验公式，采用爆破失效准则计算验证，并且爆破安全系数大于等于2.5，全屈服安全系数大于等于2，屈服安全系数大于等于1.5[4]。其中Faupel 公式计算爆破压力如下：

其中，PB为爆破压力，σS为材料屈服强度，σb为材料抗拉强度。

压力罐总体设计结构如图4 所示。

图4 压力罐结构装配图

2.5 光纤穿舱接头

光纤卷筒需要放置在压力罐中，需要通过光纤穿舱接头引出至罐外，该穿舱接头主要由光纤、光纤丝、密封树脂、封盖、固定环组成，与罐体通过法兰密封固定，设计的结构如图5 所示。

为防止高压泄露，该接头内部的光纤丝需要剥掉外层保护套，采用了一种特殊的密封树脂进行灌胶，树脂具有一定弹性，在高压时可适度变形而不损伤光纤丝。该接头产生的光纤衰减值随着压力变化基本不变，已通过多次试验优化并最终通过光衰减性能测试。

2.6 光纤高清图像传输系统设计

通过构建一套HD-SDI 高清数字图像的光纤高清图像传输系统，将速率为1.485 Gb/s 的高清数字图像信号通过处于高水压环境下的光纤传输到显示终端，通过实时显示图像的质量，检验光纤在高水压环境下传输高清图像信号的能力，从而验证光纤在高水压环境下传输宽带数字信号的有效性。

图5 光纤穿舱接头设计

光纤高清图像传输系统由HD-SDI 高清摄像机、HD-SDI 光端机、光纤、显示及控制设备等组成，如图6 所示。

图6 光纤高清图像传输系统方框图

3 测试实例

为仿真分析1 000 mROV 脐带缆的光纤功能，制造了试验光纤，长度2 500 m，与1 000 m ROV 脐带缆提供的缆长相同。测试压力为25 MPa，测试介质为水。

3.1 光纤衰减测试

光纤采用1 310 nm 波段，利用OTDR 设备对数据进行分析和处理，测试出纯光纤在压力变化下的衰减值，结果如图7 所示。

图7 2 500 m 光纤随压力变化的光衰减变化曲线

最大测试压力为25 MPa，从测试结果看，在0 MPa 即常压状态下，2 500 m 光纤的光衰减值为0.4 dB。分析图7数据可知，光的衰减值变化和压力变化趋势一致，压力达到25 Mpa 时、光纤自身产生的衰减值最大，为0.58 dB。

假设2 500 m 长光纤在常压下（0 MPa）的损耗为rn，在25 MPa 高压下的损耗为RN,单位光纤因压力变化产生的损耗为Fs,光纤总长度为LN，可得出单位光纤损耗的计算公式如下：

从测试结果可知，LN=2 500 m，rn=0.4 dB，RN=0.58 dB， 将数据代入式（1），可得出Fs=0.072 dB/km。

结合光纤传输性能试验，可量化出水下系统在高压下大数据传输能力。

3.2 光纤的传输性能测试

经设计并搭建的光纤传输性能测试平台如图8所示。

图8 光纤传输性能测试平台

经传输性能测试平台测试，结果如下：

压力逐步加压和泄压，最高测试压力25 MPa，现场实时观测，加卸压过程始终有视频输出，视频显示正常，反映出被测试光纤自身传输是可靠且良好的。

4 结 论

本文设计了用于测试光纤衰减值和通信性能的两个平台，通过搭建平台测试了2 500 m 单模光纤，成功获取相关试验数据，为ROV 脐带缆的后续建造提供了重要技术支持。

通过测试2 500 m 光纤的结果分析，可知该平台具备一定合理性和通用性，组成和控制简单。不过从试验过程来看，光纤测试平台操作较复杂，基本是靠人工操作，并且传输性能测试过程中无法在线测试各个环节的衰减值，只能通过衰减测试平台测试衰减值，后期需要继续改进和优化。