一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统。


背景技术：

2.海底电缆高精度智能健康检测技术是当前国际海洋智能技术与装备研发领域的前沿热点，也是制约我国海上资源开发和能源信息传输的技术瓶颈。随着我国新能源行业的迅速崛起以及极为迅猛的发展势头，给海底管缆产品提供了极大的市场，同时也对海底电缆产品的实时监测能力提出了相对较高的要求。近些年来，随着海上发电的发展，海底电缆已经成为当代洲际通信的主要手段，也是岛屿和陆地、岛屿和岛屿间信息传递的重要途径。同时，海底光缆在军事领域、民用领域的通讯方面发挥着巨大的作用，尤其是在国际间的网络通讯方面，海底电缆具有不可替代的地位。因此，发展海底电缆健康监测技术，对支撑和保证海底电缆的可连续性使用具有重大的意义。
3.在海底电缆应用不断广泛的同时，海底电缆的安全性也开始成为人们开始关注的焦点。与陆地段的电缆不同，海底电缆面临的风险很多的；并且，海底电缆的维护难度更高，海底电缆的维护与海底电缆的工作的环境密不可分。海底电缆在运行的过程中，极容易出现故障，现今海底电缆出现的故障的原因大多与人密切相关的，例如：锚砸、挂钩等造成海底电缆故障的事件。综上，如何监测海底电缆的状态以及时地修复故障的海底电缆，成为了光纤传感技术领域的一个巨大挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
5.本发明解决其技术问题的解决方案是：提供一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统，用于监测海底电缆的形态，包括：监测上位机、光栅解调仪和监测系统，所述监测上位机设置在岸基上并通过互联网与所述光栅解调仪连接；
6.所述监测系统包括柔性载体和传输光纤，所述传输光纤上设有多个应变传感光栅阵列，所述传输光纤嵌入至柔性载体中，所述应变传感光栅阵列沿着海底电缆的轴向布放；
7.所述光栅解调仪用于发射光信号，所述光信号通过传输光纤送入应变传感光栅阵列中，获取并解调被应变传感光栅阵列反射的光信号，获得应变传感光栅阵列的曲率信息；
8.所述监测上位机用于根据所述曲率信息得出海底电缆的形变监测信息。
9.作为上述技术方案的进一步改进，所述传输光纤上还设有若干个温度传感光栅阵列，所述温度传感光栅阵列位于所述应变传感光栅阵列的旁侧，所述温度传感光栅阵列用于对应变传感光栅阵列进行温度补偿。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述光栅解调仪与所述传输光纤连接，所述光栅解调仪包括宽带光源和解调仪，所述宽带光源用于发射光信号至应变传感光栅阵列中，
所述解调仪用于获取并解调被应变传感光栅阵列反射的反射光。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述应变传感光栅阵列的反射光的中心波长满足公式(1)：
12.λ＝2n
eff
·
t(1)
13.其中，λ为应变传感光栅阵列的反射光的中心波长，n
eff
为应变传感光栅阵列的有效折射率，t为应变传感光栅阵列的光栅周期；
14.当应变传感光栅阵列的有效折射率不变时，当应变传感光栅阵列被拉伸时，应变传感光栅阵列接近柔性载体的外弧，应变传感光栅阵列的光栅周期增大，应变传感光栅阵列的反射光的中心波长的偏移量增大。
15.作为上述技术方案的进一步改进，所述柔性载体的中性线的长度满足公式(2)：
16.l＝r
·
α(2)
17.其中，l为柔性载体的中性线的长度，r为柔性载体的中性线的弯曲半径，α为柔性载体的中性线的弯曲角度；
18.所述柔性载体的曲率与柔性载体的中性线的弯曲角度成反比关系，所述柔性载体的曲率满足公式(3)：
[0019][0020]
其中，q为柔性载体的曲率，l为柔性载体的中性线的长度，r为柔性载体的中性线的弯曲半径，α为柔性载体的中性线的弯曲角度；
[0021]
设应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离分别为a和b(其中a《b)，当柔性载体弯曲时，应变传感光栅阵列偏移的位置为所述应变传感光栅阵列的光栅长度满足以下公式(4)：
[0022][0023]
其中，l
fbg
表示应变传感光栅阵列的光栅长度，r为柔性载体的中性线的弯曲半径，a、b分别为应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离，α为柔性载体的中性线的弯曲角度；
[0024]
结合公式(2)、公式(4)，得出应变传感光栅阵列的光栅长度变化量；其中，应变传感光栅阵列的光栅长度变化量满足以下公式(5)：
[0025][0026]
其中，δl
fbg
表示应变传感光栅阵列的光栅长度变化量，l表示柔性载体的中性线的长度，l
fbg
表示应变传感光栅阵列的光栅长度，a、b分别为应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离；
[0027]
结合公式(1)和公式(5)，所述应变传感光栅阵列的反射光的中心波长的偏移量满足公式(6)：
[0028]
δλ
∝±
(a-b)(6)
[0029]
其中，δλ表示应变传感光栅阵列的反射光的中心波长的偏移量，a、b分别为应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离，
±
(a-b)中的符号
“±”
表示应变传感光栅阵列的弯曲方向的正负，所述应变传感光栅阵列的弯曲方向反映海底电缆的弯曲方向。
[0030]
作为上述技术方案的进一步改进，所述光栅解调仪还用于设定所述应变传感光栅阵列的反射光的中心波长的偏移量与所述应变传感光栅阵列的曲率信息的对应关系，通过所述应变传感光栅阵列的反射光的中心波长的偏移量获得所述应变传感光栅阵列的曲率信息。
[0031]
作为上述技术方案的进一步改进，所述传输光纤与所述海底电缆固定，所述传输光纤与所述海底电缆的外部均包裹有钢丝铠装外壳。
[0032]
作为上述技术方案的进一步改进，所述监测上位机用于根据海底电缆上方的海面情况，输出第一控制信号或第二控制信号至光栅解调仪，所述第二控制信号用于当所述海面情况稳定时关闭光栅解调仪，所述第一控制信号用于当所述海面情况出现异变时开启光栅解调仪。
[0033]
本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统，设置有监测上位机、光栅解调仪和监测系统，监测系统包括传输光纤和柔性载体，传输光纤上设有若干个应变传感光栅阵列和若干个温度传感光栅阵列，传输光纤嵌入至柔性载体中，嵌入到柔性载体中的应变传感光栅阵列具有双向性，应变传感光栅阵列沿着海底电缆的轴向布放。本发明通过应变传感光栅阵列获得应变传感光栅阵列的反射波的中心波长偏移量，通过所述反射波的中心波长偏移量得出应变传感光栅阵列的曲率信息，监测上位机根据所述曲率信息得出海底电缆的形变监测信息；本发明能够实现海底电缆形变情况的实时监测，并实现了海底电缆的远程实时定位自检功能，提高了海底电缆的稳定性和故障修复能力。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
[0035]
图1是一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的结构示意图；
[0036]
图2是一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列的分布示意图；
[0037]
图3是一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的传输光纤、海底电缆的结构示意图；
[0038]
图4是一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的在海底电缆正常运作时柔性载体的中性线的位置、中性线的偏移位置的示意图；
[0039]
图5是一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的当应变传感光栅阵列被压缩时柔性载体的中性线的位置、中性线的偏移位置的示意图；
[0040]
图6是一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的应变传感光栅阵列被拉伸时柔性载体的中性线的位置、中性线的偏移位置的示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0042]
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0043]
参照图1至图6，一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统，用于监测海底电缆的形态，包括：监测上位机100、光栅解调仪200和监测系统300，监测上位机100设置在岸基上并通过互联网与光纤解调仪200连接；
[0044]
监测系统300包括柔性载体310和传输光纤320，传输光纤320上设有多个应变传感光栅阵列321，传输光纤320嵌入至柔性载体310中，应变传感光栅阵列321沿着海底电缆400的轴向布放；
[0045]
所述光栅解调仪200用于发射光信号、获取并解调被应变传感光栅阵列321反射的光信号，获得应变传感光栅阵列321的曲率信息并输出至监测上位机100；其中，所述光信号通过传输光纤320送入应变传感光栅阵列321中；
[0046]
所述光栅解调仪200还用于设定所述应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移量与所述应变传感光栅阵列321的曲率信息的对应关系，通过所述应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移量获得所述应变传感光栅阵列321的曲率信息。
[0047]
所述监测上位机100用于根据海底电缆400上方的海面情况，输出第一控制信号或第二控制信号至光栅解调仪200，所述第一控制信号用于当所述海面情况稳定时关闭光栅解调仪200，所述第二控制信号用于当所述海面情况出现异变时开启光栅解调仪200；
[0048]
所述监测上位机100还用于根据所述曲率信息得出海底电缆400的形变监测信息。
[0049]
本发明提供的海底电缆形变监测系统具有常闭式的工作特性，这种常闭式的工作特性可以使只能整个海底电缆形变监测系统的能耗降至最低。此外，可以通过定期启动光栅解调仪200以及时发现海底电缆400的破损情况或者所存在的安全隐患。
[0050]
所述常闭式的工作特性具体表现为：当监测上位机100判断有船舶经过海底电缆400的上方和/或有船舶抛锚时，输出第一控制信号至光栅解调仪200以控制光栅解调仪200开启；当监测上位机100判断未有船舶经过海底电缆400的上方和/或未有船舶抛锚时，输出第二控制信号至光栅解调仪200以控制光栅解调仪200关闭。
[0051]
进一步的，请参考图2，所述传输光纤320还设有若干个温度传感光栅阵列322，温度传感光栅阵列322位于应变传感光栅阵列321的旁侧，温度传感光栅阵列322用于为应变传感光栅阵列321提供温度补偿。
[0052]
本实施例中，所述传输光纤320的头部与光栅解调仪200连接，其身部被分为若干个等宽等间距的平行狭缝，其中一部分平行狭缝为应变传感光栅阵列321，另一部分平行狭缝为温度传感光栅阵列322，所述应变传感光栅阵列321和温度传感光栅阵列322均为反光面，所述反光面用于反射符合特定波长的光信号。
[0053]
所述传感光纤320嵌入至柔性载体310中，应变传感光栅阵列321和温度传感光栅阵列322分布在柔性载体310的不同位置，因此应变传感光栅阵列321和温度传感光栅阵列322均具有双向性，所述双向性是指应变传感光栅阵列的光路可逆，本发明通过具有双向性
的应变传感光栅阵列321监测海底电缆400的形态，减少了后期重构海底电缆400的形状的工作中的数据处理量的同时，在监测系统300进行监测工作时，只需使用一路的应变传感光栅阵列321即可实现监测，有效地降低了系统的制作成本和运行成本。
[0054]
由于传输光纤320嵌入柔性载体310中、应变传感光栅阵列321沿着海底电缆400的轴向布放，柔性载体310随着海底电缆400发生扭曲或形变而扭曲或形变，柔性载体310在扭曲或形变的过程中柔性载体310的中性线311的两侧发生的形变不同，本发明通过这一特性实现海底电缆400的弯曲方向的辨别。
[0055]
进一步的，请参考图3，所述传输光纤320通过橡胶树脂固定在海底电缆400上，为了方便说明，这里我们将传输光纤320与海底电缆400视作复合型管缆，海底电缆400的工作、应变传感光栅阵列321的工作、温度传感光栅阵列322的工作相互独立，不会出现干涉的现象。所述复合型管缆的外部包裹有钢丝铠装外壳500，所述钢丝铠装外壳500具有防水功能，钢丝铠装外壳500对监测系统300和海底电缆400起到保护作用；并且，对比铜丝铠装外壳，钢丝铠装外壳500的价格更低，能够有效地降低监测系统300的制作成本。
[0056]
进一步的，所述光栅解调仪200与传输光纤320连接，光栅解调仪200包括宽带光源和解调仪，所述宽带光源用于发射宽带光信号至应变传感光栅阵列321中，所述解调仪用于解调被应变传感光栅阵列321反射的反射光。
[0057]
本发明将光栅解调仪200同时作为发送光信号的宽带光源和解调应变传感光栅阵列321的反射光的解调仪，不仅简化了整体系统，还保证了光栅解调仪200和应变传感光栅阵列321的完美贴合。所述宽带光源发射光信号，光信号通过传输光纤320送入应变传感光栅阵列321中，通过精准匹配两个应变传感光栅阵列321的距离，只有符合布拉格条件的波长的光信号才会被应变传感光栅阵列321反射，而其他波长的信号不会被反射，解调仪接收符合符合布拉格条件的波长的光信号并对其进行解调，输出应变传感光栅阵列321的曲率信息。
[0058]
进一步的，所述监测上位机100连接有12伏电池组，所述12伏电池组用于为监测上位机100供电。
[0059]
请参考图4至图6，本实施例中，所述宽带光源发送光信号至应变传感光栅阵列321，在海底电缆400发生扭曲或者形变时，布放在海底电缆400不同位置的应变传感光栅阵列321会因为形变而使应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长发生变化，光栅解调仪200通过对应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长分析和处理，得到海底电缆400的曲率信息，并输出至监测上位机100，监测上位机100根据所述曲率信息得出海底电缆400的形变监测信息。
[0060]
下面以位于海底电缆的任一关键位置的应变传感光栅阵列为例，对经光栅解调仪分析和处理应变传感光栅阵列的反射光的中心波长、得到海底电缆的曲率信息进行具体说明。
[0061]
在对应变传感光栅阵列321进行二次封装后，所述二次封装指将传输光纤320嵌入至柔性载体310的中性线的偏移位置312中，而传输光纤320上设有若干个应变传感光栅阵列321和若干个温度传感光栅阵列322。当应变传感光栅阵列321接近柔性载体310的外弧时，应变传感光栅阵列321被拉伸；当应变传感光栅阵列321接近柔性载体310的内弧时，应变传感光栅阵列321被压缩。
[0062]
所述应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长满足公式(1)：
[0063]
λ＝2n
eff
·
t(1)
[0064]
其中，λ为应变传感光栅阵列的反射光的中心波长，n
eff
为应变传感光栅阵列的有效折射率，t为应变传感光栅阵列的光栅周期。
[0065]
具体地，所述应变传感光栅阵列321被拉伸或压缩会影响其光栅周期，导致应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长发生变化：若应变传感光栅阵列321被拉伸，则应变传感光栅阵列321具有更长的光栅周期，导致应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长偏移至更长的波长；若应变传感光栅阵列321被压缩，则应变传感光栅阵列321具有更短的光栅周期，导致应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移至更短的波长。
[0066]
根据上述结构特性，本发明的应变传感光栅阵列321嵌入至柔性载体310中，应变传感光栅阵列321位于柔性载体310的中性线的偏移位置312，柔性载体310的正向弯曲或柔性载体310的反向弯曲对应变传感光栅阵列321的光栅周期有不同的影响，当柔性载体310发生弯曲时，柔性载体310的中性线311的长度满足公式(2)：
[0067]
l＝r
·
α(2)
[0068]
其中，l为柔性载体的中性线的长度，r为柔性载体的中性线的弯曲半径，α为柔性载体的中性线的弯曲角度；
[0069]
所述柔性载体310的曲率与柔性载体的中性线311的弯曲半径成反比关系，所述柔性载体310的曲率满足公式公式(3)：
[0070][0071]
其中，q为柔性载体的曲率。
[0072]
由于传输光纤320嵌入由柔性材料制作的柔性载体310中，则将传输光纤320和柔性载体310视为同一个物体进行弯曲，如图4所示，设应变传感光栅阵列321到柔性载体310的两端的距离分别为a和b(其中a《b)，在所述柔性载体310弯曲时应变传感光栅阵列321偏移的位置为同时亦可以理解为应变传感光栅阵列321与柔性载体310的中性线311之间的距离，则应变传感光栅阵列321的光栅长度满足公式(4)：
[0073][0074]
其中，l
fbg
表示应变传感光栅阵列的光栅长度，r为柔性载体的中性线的弯曲半径，a、b分别为应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离，α为柔性载体的中性线的弯曲角度；
[0075]
基于公式(4)，可得到公式(4.1)和公式(4.2)：
[0076][0077]
公式(4.1)表示应变传感光栅阵列321被拉伸并偏移至接近柔性载体310的外弧的一端时应变传感光栅阵321的光栅长度；
[0078][0079]
公式(4.2)表示应变传感光栅阵列321被压缩并偏移至接近柔性载体310的内弧的一端时应变传感光栅阵列321的光栅长度。
[0080]
结合柔性载体的中性线311的长度和应变传感光栅阵列321的光栅长度，可得出应变传感光栅阵列321的光栅长度变化量。其中，应变传感光栅阵列321的光栅长度变化量满足以下公式(5)：
[0081][0082]
其中，δl
fbg
表示应变传感光栅阵列的光栅长度变化量，l表示柔性载体的中性线的长度，l
fbg
表示应变传感光栅阵列的光栅长度，a、b分别为应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离；
[0083]
基于公式(5)，可得到公式(5.1)和公式(5.2)：
[0084][0085]
公式(5.1)表示应变传感光栅阵列321被拉伸并偏移至接近柔性载体310的外弧的一端时应变传感光栅阵列321的光栅长度变化量，此时所述光栅长度增大；
[0086][0087]
公式(5.2)表示应变传感光栅阵列321被压缩并偏移至接近柔性载体310的内弧的一端时应变传感光栅阵列321的光栅长度变化量，此时所述光栅长度减小。
[0088]
通过应变传感光栅阵列321的光栅长度变化量，可知：应变传感光栅阵列321的光栅周期和柔性载体310的中性线311的弯曲角度成比例变化。
[0089]
基于上述所有公式，所述应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移量满足公式(6)：
[0090]
δλ
∝±
(a-b)(6)
[0091]
其中，δλ表示应变传感光栅阵列的反射光的中心波长的偏移量，a、b分别为应变传感光栅阵列到柔性载体两侧的距离，
±
(a-b)中的
±
表示应变传感光栅阵列弯曲方向的正负；
[0092]
基于上述，请参考图5，图5表示应变传感光栅阵列321偏移到更靠近柔性载体310的内弧的位置，此时应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移量满足δλ
∝
(a-b)，应变传感光栅阵列321的弯曲程度为正弯曲，由于柔性载体的中性线311的长度大于应变传感光栅阵列321的光栅长度，因此应变传感光栅阵列321受到压缩。
[0093]
请参考图6，图6表示应变传感光栅阵列321偏移到更靠近柔性载体310的外弧的位置，此时应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移量满足δλ
∝‑
(a-b)，应变传感光栅阵列321的弯曲程度为负弯曲，由于柔性载体的中性线311的长度小于应变传感光栅阵列321的光栅长度，因此应变传感光栅阵列321受到拉伸。
[0094]
综上，本发明通过应变传感光栅阵列321的压缩或拉伸情况可得出海底电缆400的弯曲方向。
[0095]
本发明在前期工作完成应变传感光栅阵列321的曲率校准，获得曲率和应变传感光栅阵列321的反射光的中心波长的偏移量的对应的关系，通过所述曲率与所述中心波长的偏移量的对应关系得出所述曲率信息；同时，通过温度传感光栅阵列322获取温度信息并对应变传感光栅阵列321进行温度补偿。在所述海底电缆形变监测系统运行的过程中，监测上位机100获取来自监测系统300监测到的海底电缆400的多个物理点的曲率信息，监测上
位机100利用曲率信息对海底电缆400进行曲线拟合，并通过重构算法重构海底电缆400的形状，得到海底电缆400的二维形态和海底电缆400发生故障的位置信息。
[0096]
本发明提供的一种基于传感光栅阵列的海底电缆形变监测系统的工作过程如下：
[0097]
监测系统300直接依附在海底电缆400上，监测系统300监测海底电缆400的关键部位的形态。依附在海底电缆400上的应变传感光栅阵列321采集海底电缆400的各个物理点的曲率信息，并通过传输光纤340将所述曲率信息以反射光的形式传输至光栅解调仪200；光栅解调仪200解调应变传感光栅阵列321的反射光后获得海底电缆400的各个物理点的曲率信息，并通过互联网将所述曲率信息传输至监测上位机100，监测上位机100根据所述曲率信息得出海底电缆400的形变监测信息。
[0098]
本发明能够实现海底电缆400形变情况的实时监测，并实现了海底电缆400的远程实时定位自检功能，提高了海底电缆400的稳定性和故障修复能力。
[0099]
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。