CN115096471A - 一种长距光纤方式的海缆监测温度应变分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长距光纤方式的海缆监测温度应变分离方法，将海缆分为登陆段、平坦段、升压站段，在BOTDA测量温度和应变的共同变化量的基础上，登陆段和升压站段增加使用基于ROTDR原理的DTS设备进行海缆温度测量，完成温度和应变的物理分离；平坦段首先将基于ROTDR原理的DTS设备测得的进入平坦段的海缆温度作为温度基线，然后将点式布里渊频移变化作为海缆绝缘不良产生的温度变化，段式变化布里渊频移变化作为外力引起的应变变化，完成温度和应变的判断分离。本发明在海缆监测系统应用中实现温度和应力的分离，给出相应的海缆铜芯温度和外力影响引起的应力变化值，提高海缆在线监测性能。
Description
技术领域
本发明针对分布式光纤海缆监测系统，尤其涉及一种长距光纤方式的海缆监测温度应变分离方法。
背景技术
海底电缆敷设在海底，其运行环境较恶劣，受渔业、石油业及海底地质条件的影响，使得海底电缆可能发生应变类的机械故障。同时，海底电缆绝缘的老化也会引发局部放电，可能引起故障位置的温度升高。目前，海底电缆多采用复合光纤作为传感元器件，对海底电缆温度、扰动和应变等信息进行监测。基于受激布里渊散射原理的布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等分布式光纤传感技术可以同时测量海缆的温度和应变变化，因此受到了广泛的关注。然而由于布里渊散射光的频移与应变和温度均有线性关系，温度和应变的交叉敏感性使得海缆的温度和应变信息难以同时解调，限制其传感应用。因此如何将温度和应变分离得到了许多关注。
目前常见的温度应变分离方法主要有如下几种：一是增加一根松弛状态的光纤作为参考光纤来独立测量温度，再和紧套光纤测得的温度和应变信息相结合实现温度应变分离；二是将布里渊频移和布里渊光强度相结合，联立方程解调温度和应变；三是采用特殊设计的光纤中存在的多个布里渊峰不同的温度应变系数，联立方程解调温度和应变；四是将布里渊散射和拉曼散射相结合，利用拉曼散射的应变不敏感特性来测量温度实现温度应变分离。但是上述方法中方法一和三需要特殊敷设的光缆，限制了实际工程应用；方法一和四则受限于信噪比问题，不适用长距离的场景。
因此急需一种适用于长距离海缆的温度应变分离策略，以能够有效地实现温度和应变的同时测量，提高海缆在线监测性能。
发明内容
如前所述，本发明的目的就是提供一种长距离海缆监测温度应变分离方法，以能够有效地分离温度和应变，提高海缆在线监测性能。为此，本发明采用以下技术方案：
一种长距光纤方式的海缆监测温度应变分离方法，其特征在于将敷设后的海缆分为不同海缆段，不同海缆段使用不同的方法进行温度应力分离，对于其中的登陆段和升压站段，由于两者距离都比较短，在BOTDA测量温度和应变的共同变化量的基础上，增加使用基于ROTDR的DTS设备进行温度测量，用于监测这两个区域内的海缆温度，BOTDA和ROTDR两者相结合即可实现温度和应变的物理分离。
对于平坦段，由于距离较长，即使在平坦段的两边都加上基于ROTDR的DTS设备，也难以直接测量全部海缆段的温度。对于平坦段海缆而言，绝缘不良产生的温度通常表现为点式变化，外力引起的应变变化表现为段式变化，因此针对长距离海缆的平坦段温度检测问题采用点式变化和段式变化相结合的分离策略。在平坦段首先将基于ROTDR原理的DTS设备测得的进入平坦段的海缆温度作为温度基线，然后将点式布里渊频移变化作为海缆绝缘不良产生的温度变化，段式变化布里渊频移变化作为外力引起的应变变化，完成温度和应变的判断分离。
更进一步地，对于平坦段，将基于ROTDR的DTS设备测得的已经进入平坦段的海缆温度作为平坦段海缆的温度基线，然后设定长度小于一定范围的明显布里渊频移变化视为温度变化，优选地，可设定为3倍空间分辨率。而大于这一长度的明显布里渊频移变化视为应变变化(可能是铺设自然沉降引起)。其中，明显布里渊频移变化是指布里渊频移发生显著变化，可根据当前设备的温度或应变精度进行界定，优选地，可设定为温度或应变精度的3倍。
本发明对海缆温度、应力情况按照区域进行分析。本发明将海缆敷设后主要分为三个区域：登陆段、平坦段、升压站。三个区域的起始位置应当根据海缆敷设地点的水深来界定。登陆段的起始位置为陆上集控中心；平坦段起始位置为海缆延伸至平均水深处；升压站段起始位置为J型管前一定距离，优选地，该距离为50m～1km。
以下，进一步详细说明本发明的技术方案：
登陆段无水或者水深较浅，海缆温度主要受天气变化、海缆通电产生的温升、海缆自身不良产生的温度变化三种因素影响。第一项作用于整个登陆段的海缆中，并且随着水深的变化渐变、与天气变化趋势相符，通过长期观测能够发现天气和水文变化对温度的影响；第二项表现为不通电时温升为0，通电时在整个登陆段上产生相同的温升(不良点除外)；第三项主要由于海缆绝缘不良(引起局部放电发热)或者局部电阻较大(引起局部功耗大发热)引起的发热，表现为点式发热，即使考虑到沿导体传导，也不会影响几米。登陆段船只到达的可能性很小，因此该段不会产生锚害；登陆段海缆埋设在泥沙里，也不易受极端天气的影响，所以认为在敷设沉降稳定后，应力基本不会变化；施工等应力变化情况也可预知，故可不作考虑。另外，由于登陆段距离集控中心较近，一般小于3km，故考虑与ROTDR技术复合实现温度应变分离。
平坦段的水深比较深，受外界温度影响较小，海缆温度主要受海缆通电产生的温升、海缆绝缘不良(引起局部放电发热)或者局部电阻较大(引起局部功耗大发热)引起的发热影响。第一项表现为不通电时温升为0，通电时在整个平坦段上产生相同的温升(不良点除外)。第二项表现为点式发热，即使考虑到沿导体传导，也不会影响几米。因此在光电复合缆在没有通电的情况下，理论上平坦段的温度几乎是不变的。平坦段水深较深，距离比较长，海面上船只通往较多，产生锚害的风险较大。若产生了锚害，一是锚直接砸到海缆上方，海缆没有明显位移，此时表现为点式伤害(影响范围有限)，这时会引起海缆应变(短时应变或者长期塑性形变)，但是一定会引起海缆的振动；二是锚挂到了海缆上，产生了拖拽，海缆有明显的位移，由于海缆强度较大，此时表现为一定范围内的海缆都收到拖曳的影响，此时引起海缆应变(短时应变或者长期塑性形变)会影响10m以上，并且伴随长时间的扰动变化。另外，平坦段离集控中心和升压站较远，故考虑采用点式变化和段式变化结合实现温度应变分离。
升压站段的温度变化由于海缆通电产生的温升、海缆绝缘不良(引起局部放电发热)或者局部电阻较大(引起局部功耗大发热)引起的发热。第一项表现为不通电时温升为0，通电时在整个升压站段上产生相同的温升(不良点除外)。第二项表现为点式发热。该段始端的温度理论上接近于平坦段的温度，末端温度与登陆段温度接近。升压站段由于J型管悬挂，受海浪与洋流影响大，扰动较登陆段和平坦段大，产生短时应变或者长期塑性形变的可能大。另外，由于升压站段可以部署设备，故考虑与ROTDR技术复合实现温度应变分离。
最后通过分析结合相对应的分离策略对海缆不同铺设段进行温度应力分离，为设备维护人员提供温度、应力监测数据，提高海缆在线监测性能。
根据本发明目的的第二个方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述海缆监测温度应变分离方法的步骤。
根据本发明目的的第三个方面，本发明一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述海缆监测温度应变分离方法的步骤。
综上，本发明提出一种用于海缆监测系统的温度和应变分离方法。本发明根据分析海缆温度应力成因与影响，选择组合判断的分离策略对海缆不同敷设段的温度应力进行分离，可在海缆监测系统应用中实现温度和应力的分离，给出相应的海缆铜芯温度和外力影响引起的应力变化值，提高海缆在线监测性能。
附图说明
图1为敷设海缆分段方法示意图；
图2为本发明一个较佳实施例的长距光纤海缆监测温度应变同时测量系统示意图；
图3为本发明的温度和应变分离策略示意图。
具体实施方式
本发明的长距光纤方式的海缆监测温度应变分离方法主要通过对敷设海缆按照温度、应力情况进行分段，然后结合物理分离和判断分离策略来实现温度和应变的分离。以下结合附图对本发明的较佳实施例进行说明。
图1为敷设海缆分段方法示意图。登陆段为从陆上集控中心到入海后水深小于平均水深的区域；平坦段为深度达平均水深到升压站前J型管前50m～1km的区域；升压站段为升压站前J型管前50m～1km到升压站接头处的区域。
图2为本发明一个较佳实施例的长距光纤海缆监测温度应变同时测量系统示意图。在陆上集控中心部署BOTDA设备和ROTDR设备，两者通过耦合器连接并接入传感光纤一端，在升压站部署ROTDR设备，接入传感光纤另一端。
图3为本发明的温度和应变分离策略示意图。对于登陆段、升压站段，由于两者距离都比较短，故在BOTDA测出温度和应变的共同变化量的基础上，增加基于ROTDR技术的DTS设备用于监测这两个区域内的海缆温度。将BOTDA和ROTDR两者测量结果相结合即可实现温度和应变的物理分离。
对于平坦段，由于距离较长，即使在平坦段的两边都加上ROTDR原理的DTS设备，也难以直接测量全部海缆段的温度。由于平坦段的外界温度基本保持不变，仅需考虑内部温度变化和应力变化。海缆绝缘不良产生的温度通常表现为点式变化，外力引起的应变变化表现为段式变化，因此可以通过布里渊频移点式和段式变化实现判断分离。首先将基于ROTDR的DTS设备测得的已经进入平坦段的海缆温度作为平坦段海缆的温度基线，然后设定长度小于3倍空间分辨率的明显布里渊频移变化视为温度变化，大于这一长度的明显布里渊频移变化视为应变变化(可能是铺设自然沉降引起)。所述判断分离可以由计算机执行。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明的设施可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。本发明的实施例可以使用现有的处理器来实现，或者由被用于此目的或其他目的用于适当系统的专用处理器来实现，或者由硬接线系统来实现。本发明的实施例还包括非暂态计算机可读存储介质，其包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质；这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或任何其他可用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所需的程序代码，并可被由通用或专用计算机或其它带有处理器的机器访问的介质。当信息通过网络或其他通信连接(硬接线、无线或硬接线或无线的组合)传输或提供给机器时，该连接也被视为机器可读介质。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种长距光纤方式的海缆监测温度应变分离方法，其特征在于将敷设后的海缆分为登陆段、平坦段、升压站段，在BOTDA测量温度和应变的共同变化量的基础上，登陆段和升压站段增加使用基于ROTDR原理的DTS设备进行海缆温度测量，完成温度和应变的物理分离；在平坦段首先将基于ROTDR原理的DTS设备测得的进入平坦段的海缆温度作为温度基线，然后将点式布里渊频移变化作为海缆绝缘不良产生的温度变化，段式变化布里渊频移变化作为外力引起的应变变化，完成温度和应变的判断分离。
2.根据权利要求1所述的长距离光纤方式的海缆监测温度应变分离方法，其特征在于，登陆段为从陆上集控中心到入海后水深小于平均水深的区域；入海后水深达平均水深到升压站前J型管前50m～1km的区域为平坦段；升压站前J型管前50m～1km到升压站接头处区域为升压站段。
3.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，设定长度小于3倍空间分辨率的布里渊频移变化视为点式变化；大于该长度的布里渊频移变化视为段式变化。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述的海缆监测温度应变分离方法的步骤。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求3至5任一项所述的海缆监测温度应变分离方法的步骤。
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