海底通信光缆故障的定位与维修

  一、引言

    海底通信光缆（以下简称海缆）通信具有通信质量稳定可靠，保密性好，隐蔽性好，抗毁、抗干扰能力强等特点，无论是平时，还是战时，作为跨海通信手段，都具有其它任何通信手段所无法替代的优势。随着海缆在全球范围内的广泛使用和上百万公里海缆线路的铺设，大容量海缆系统在现代社会的信息超高速公路中扮演了非常重要的角色。海缆故障对社会的影响是很大的，因此故障点必须尽可能快速修复，要做到这一点，故障点必须快速准确的定位，但是一旦海缆系统发生故障，在茫茫大海中，从深达几百米，甚至几千米的海床上打捞起直径不到10cm的海缆，就如问大海捞针，因而海缆故障的定位及维修有很强的特殊性。许多原来应用于陆地光缆的维护测试方法已经不再适用。在海缆维修、维护整个过程中，故障点的测量和海缆故障点精确定位是关键技术。故障的定位有两个内容：一是从岸端测试海缆故障点的距离；二是在海上对故障点进行精确定位。

    二、海缆故障点的测量

    海缆故障点的探测方法很多，常用的方法有光时域反射仪（OTDR）测试法、电压测试法、电容测试法、音频测试法、线路监控系统测试法。

    （一）OTDR测试法

    光时域反射仪（OTDR）通过发送光脉冲进人输人光纤，由于受到散射粒子的散射，或遇到光纤断裂面产生菲涅尔反射，利用光束分离器将其中的菲涅尔反射光和瑞利背向散射光送入接收器，再变成电信号并随时间的变化在示波器上显示，如图1所示。

    探测故障时，利用OTDR中的定时装置可以测出从脉冲发出到脉冲返回的时间t，假设光纤纤芯的折射率为n，真空中的光速为c，则断点与测量点的距离L为：

    这种方法虽然精度高，但只能测试从海缆岸端的终站或始站（以下简称海缆站）到第一个光中继器之间的海缆线路，或是无中继段的海缆段。

    （二）电压测试法

    电压测试法是通过一个恒流供电电源，得到海缆站到故障点间的电位差，由电压与电流之比可得到从海缆站到故障点间的电阻，从而得到海缆站与故障点之间的距离L，即：

    式中，Uo为故障发生时海缆供电设备（PFE）上的输出电压（V）；n为中继器的数量；UR为中继器的压降（V）；m为分支器的数量；U。为分支器的压降（V）；I为海缆的恒定供电电流（A）；R为海缆单位长度的电阻（Ω/km）。

    在实际使用中，只需将已知的海缆系统故障时的电压、电流和电阻（其中中继器和分支器的电压可参考设备厂提供的产品技术参数）代人式（l），就可得到海缆故障点的大致距离。由于式（1）未考虑故障点的大地电阻值，而且每个故障点的电阻值也各不相同，因此这种测试方法的测试必然存在较大的误差。

    （三）电容测试法

    电容测试法是通过测试海缆站到故障点之间的供电导体（铜导体）和接地体（海水、大地）电容，将测试的电容值与海底光缆出厂时的参数柑比较后，即可得到故障点与测试点之间距离L：

    式中，n1为中继段的数量（无中继器时n1＝0）；Lc为每个中继段的海底光缆长度（km）；Cx为电容的测试值（μF）； Cc为海底光缆单位长度的电容值（μF/km）。

    （四）音频测试法

    音频测试法是将一持续音频电脉冲从海缆一端的供电导体输入，维修船可用探测仪追踪此信号，沿海缆探测，在故障点处，由于供电导体与海水的接地，测试脉冲信号消失，从而得到故障点位置。这种方法更多地用于维修船在故障发生的水域寻找海缆。这种方法的测试范围一般小于300km。

    （五）线路监控系统测试法

    线路监控系统测试法是利用线路监控设备周期性地对所有的中继器进行测试并与纪录进行比较，当一个中继段内的光缆发生故障使光纤受到轻微损伤或断裂时，线路监控设备会立刻显示中继器中相应的指标变化的状况，即可自动告警。这种方法的测试范围是一个中继段。

    （六）测试方法的比较

    上述这几种方法的测试范围、测试精度见表I。

    三、海缆故障点的海上精确定位

    海缆的故障点的距离经过测量后，海缆修理船应在最短的时间内赶到修理现场。由于测算点与实际故障点有一定的差异，还需要进一步的精确定位。

    为了在茫茫大海上准确找出海缆的具体位置，常见的有两种方法：有源法和无源法。有源法实现技术较简单，设备操作使用方便。本文介绍一种有源法深测技术--双三维探头阵列探测。

    在端站向被测海中加人25Hz的交流信号，在海缆附近海水中就会存在围绕海缆的电磁场，并向周围传播，当一个谐振于25Hz的探头在海缆附近时；就会因电磁感应而产生一个接收信号，此接收信号的大小既与探头本身的一些因素（如线圈匝数、磁棒材料等）有关，还与探头所在点的磁场大小及探头与磁场方向的夹角有关。  

    在海缆探测踉踪过程中，仅知一点的场矢量方向，并不能定出海缆的位置。当采用三个相同的探头x1、y1、z1相互成正交位置，组成基阵Ⅰ；x2、y2、z2相互成正交位置，组成基阵Ⅱ，两个这样的基阵组成一个探头阵列，就可能定出海缆的位置、埋设深度及走向，如图2所示。

    通过分析可得到海缆埋设深度h、偏距OP和海缆与Y轴偏角θ的计算式；即式（1）-式（3），详细的推导过程及说明可参见文献。

    同样，根据海缆与阵列位置的各种情况，都可通过分析得出海缆的埋设深度、偏距和偏角的计算式。

    根据上述原理，我们选择了一个开阔且有一条已埋海底电缆的海域作为水下试验场，并进行了试验，测试结果见表l。由表1数据中可以看出：当海缆位于两探测阵列正下方以内时，系统能准确地测量其各项埋设参数（路由，埋设深度，偏距，偏角），由于原有的水下已埋海缆原实际位置（埋设深度、偏距、偏角）无法获知，即使表1中埋设深度h=1～1.5m，也是为以往的施工档案提供的数据，因此、无法将其与测试结果作比较。

    通过试验可知：该系统能在较大范围内探测到海缆，并确走其方位情况，然后根据方位移动探测系统，使系统横跨在埋设海缆的上方，即可准确地测量出各项埋设参数。

    四、电缆故障的维修

    为了确定海缆是否多处受损（例如：由于拖网和锚造成的损伤），应从海缆的两端（岸站）进行测试。海缆维修过程一般步骤如图3所示。

    当载有备缆、抓钩设备、回收设备、中继设备；接头设备和测试设备的海缆船到达维修地点后；确定海缆的回收方式时应该考虑海缆的敷设方式（铺设或深沟埋设）、水深和海床条件。

    如果维修地点离登陆地点很近，或由于故障在石质海床上，进行抓锚作业很困难，则采取从岸滩人井拉出海缆可能更有效。如果水深小于30m，而且海缆在海床上是可见的，那么让潜水员去回收海缆是最简单放方法。

    如果海缆铺设的时间较长，并且是被拖锚损坏，即使原来不是深沟埋设的，海缆有可能已被很厚的沉积物所覆盖，这种情况下，建设使用开挖抓钩回收海缆，这样会减少回收时间。如果海缆是埋设并且有遥控车（ROV）的话，用ROV将海缆挖出，然后在估计的故障点将海缆切断，并在缆端固定浮标或牵引线，以便于回收海缆。

    在进行打捞海缆时首先要选择合适的打捞锚。回收海缆后，需要为缆端作测试准备，以保证缆端到陆地上终端缆的机械和光学的连续性。然后用海缆终结器或夹具对缆端进行密封，并固定海缆浮标。

    维修船沿着海缆路径方向重复回收程序，找到第二个缆端，确定它到终端方向的缆完好无损后，并不放回缆，准备第一次接续。接续时可能需要十几个小时。将备用海缆接续到原来的海缆上后，仍需要检查接续的质量，然后按照原来规划的路径敷设备缆。

    敷设备缆时须保证足够的余缆，值得注意的是，从理论上讲海底光缆每次修理的长度为2.5 倍修理区域的水深，但是实际修理使用的海底光缆远大于理论值，因此，每次修理所准备的海底光缆需留有足够的余量。如果维修的是中继海缆，还必须满足海缆供货单位对中继功率预算的计算，如果需要，还应增加一个中继器。

    海缆船到达第一个缆端位置后，将海缆浮标拉到船上，将第一个缆端与备缆的一端进行最终接续，接续时，维修船必须保持稳定的位置，接续结束后，需要确认海缆是否已修好开通。如果需要还应将敷设的海缆重新埋设到海床下。

    维修船返回后，应该提交一份维修报告，包括第一接续点、最终接续点的位置及海缆路径等。

    综上所述，通过对海缆故障点的测量、海上精确定位和修理时良好的合作，将最大限度地降低修理时间。