海底通信光纜故障的定位與維修

　　海底通信光纜(以下簡稱海纜)通信具有通信質量穩(wěn)定可靠，保密性好，隱蔽性好，抗毀、抗干擾能力強等特點，無論是平時，還是戰(zhàn)時，作為跨海通信手段，都具有其它任何通信手段所無法替代的優(yōu)勢。隨著海纜在全球范圍內的廣泛使用和上百萬公里海纜線路的鋪設，大容量海纜系統(tǒng)在現代社會的信息超高速公路中扮演了非常重要的角色。海纜故障對社會的影響是很大的，因此故障點必須盡可能快速修復，要做到這一點，故障點必須快速準確的定位，但是一旦海纜系統(tǒng)發(fā)生故障，在茫茫大海中，從深達幾百米，甚至幾千米的海床上打撈起直徑不到10cm的海纜，就如問大海撈針，因而海纜故障的定位及維修有很強的特殊性。

　　許多原來應用于陸地光纜的維護測試方法已經不再適用。在海纜維修、維護整個過程中，故障點的測量和海纜故障點精確定位是關鍵技術。故障的定位有兩個內容：一是從岸端測試海纜故障點的距離;二是在海上對故障點進行精確定位。

　　一、海纜故障點的測量

　　海纜故障點的探測方法很多，常用的方法有光時域反射儀（OTDR）測試法、電壓測試法、電容測試法、音頻測試法、線路監(jiān)控系統(tǒng)測試法。

　　（一）OTDR測試法

　　光時域反射儀（OTDR）通過發(fā)送光脈沖進人輸人光纖，由于受到散射粒子的散射，或遇到光纖斷裂面產生菲涅爾反射，利用光束分離器將其中的菲涅爾反射光和瑞利背向散射光送入接收器，再變成電信號并隨時間的變化在示波器上顯示，如圖1所示。

　　探測故障時，利用OTDR中的定時裝置可以測出從脈沖發(fā)出到脈沖返回的時間t，假設光纖纖芯的折射率為n，真空中的光速為c，則斷點與測量點的距離L為：

　　這種方法雖然精度高，但只能測試從海纜岸端的終站或始站（以下簡稱海纜站）到第一個光中繼器之間的海纜線路，或是無中繼段的海纜段。

　�。ǘ�）電壓測試法

　　電壓測試法是通過一個恒流供電電源，得到海纜站到故障點間的電位差，由電壓與電流之比可得到從海纜站到故障點間的電阻，從而得到海纜站與故障點之間的距離L，即：

　　式中，Uo為故障發(fā)生時海纜供電設備（PFE）上的輸出電壓（V）；n為中繼器的數量；UR為中繼器的壓降（V）；m為分支器的數量；U。為分支器的壓降（V）；I為海纜的恒定供電電流（A）；R為海纜單位長度的電阻（Ω/km）。

　　在實際使用中，只需將已知的海纜系統(tǒng)故障時的電壓、電流和電阻（其中中繼器和分支器的電壓可參考設備廠提供的產品技術參數）代人式（l），就可得到海纜故障點的大致距離。由于式（1）未考慮故障點的大地電阻值，而且每個故障點的電阻值也各不相同，因此這種測試方法的測試必然存在較大的誤差。

　　（三）電容測試法

　　電容測試法是通過測試海纜站到故障點之間的供電導體（銅導體）和接地體（海水、大地）電容，將測試的電容值與海底光纜出廠時的參數柑比較后，即可得到故障點與測試點之間距離L：

　　式中，n1為中繼段的數量（無中繼器時n1＝0）；Lc為每個中繼段的海底光纜長度（km）；Cx為電容的測試值（μF）；Cc為海底光纜單位長度的電容值（μF/km）。

　�。ㄋ模┮纛l測試法

　　音頻測試法是將一持續(xù)音頻電脈沖從海纜一端的供電導體輸入，維修船可用探測儀追蹤此信號，沿海纜探測，在故障點處，由于供電導體與海水的接地，測試脈沖信號消失，從而得到故障點位置。這種方法更多地用于維修船在故障發(fā)生的水域尋找海纜。這種方法的測試范圍一般小于300km。

　�。ㄎ澹┚�路監(jiān)控系統(tǒng)測試法

　　線路監(jiān)控系統(tǒng)測試法是利用線路監(jiān)控設備周期性地對所有的中繼器進行測試并與紀錄進行比較，當一個中繼段內的光纜發(fā)生故障使光纖受到輕微損傷或斷裂時，線路監(jiān)控設備會立刻顯示中繼器中相應的指標變化的狀況，即可自動告警。這種方法的測試范圍是一個中繼段。

　�。�六）測試方法的比較

　　上述這幾種方法的測試范圍、測試精度見表I。

　　二、海纜故障點的海上精確定位

　　海纜的故障點的距離經過測量后，海纜修理船應在最短的時間內趕到修理現場。由于測算點與實際故障點有一定的差異，還需要進一步的精確定位。

　　為了在茫茫大海上準確找出海纜的具體位置，常見的有兩種方法：有源法和無源法。有源法實現技術較簡單，設備操作使用方便。本文介紹一種有源法深測技術--雙三維探頭陣列探測。

　　在端站向被測海中加人25Hz的交流信號，在海纜附近海水中就會存在圍繞海纜的電磁場，并向周圍傳播，當一個諧振于25Hz的探頭在海纜附近時；就會因電磁感應而產生一個接收信號，此接收信號的大小既與探頭本身的一些因素（如線圈匝數、磁棒材料等）有關，還與探頭所在點的磁場大小及探頭與磁場方向的夾角有關。

　　在海纜探測踉蹤過程中，僅知一點的場矢量方向，并不能定出海纜的位置。當采用三個相同的探頭x1、y1、z1相互成正交位置，組成基陣Ⅰ；x2、y2、z2相互成正交位置，組成基陣Ⅱ，兩個這樣的基陣組成一個探頭陣列，就可能定出海纜的位置、埋設深度及走向，如圖2所示。

　　通過分析可得到海纜埋設深度h、偏距OP和海纜與Y軸偏角θ的計算式；即式（1）-式（3），詳細的推導過程及說明可參見文獻。

　　同樣，根據海纜與陣列位置的各種情況，都可通過分析得出海纜的埋設深度、偏距和偏角的計算式。

　　根據上述原理，我們選擇了一個開闊且有一條已埋海底電纜的海域作為水下試驗場，并進行了試驗，測試結果見表l。由表1數據中可以看出：當海纜位于兩探測陣列正下方以內時，系統(tǒng)能準確地測量其各項埋設參數（路由，埋設深度，偏距，偏角），由于原有的水下已埋海纜原實際位置（埋設深度、偏距、偏角）無法獲知，即使表1中埋設深度h=1～1.5m，也是為以往的施工檔案提供的數據，因此、無法將其與測試結果作比較。

　　通過試驗可知：該系統(tǒng)能在較大范圍內探測到海纜，并確走其方位情況，然后根據方位移動探測系統(tǒng)，使系統(tǒng)橫跨在埋設海纜的上方，即可準確地測量出各項埋設參數。

　　三、電纜故障的維修

　　為了確定海纜是否多處受損（例如：由于拖網和錨造成的損傷），應從海纜的兩端（岸站）進行測試。海纜維修過程一般步驟如圖3所示。

　　當載有備纜、抓鉤設備、回收設備、中繼設備；接頭設備和測試設備的海纜船到達維修地點后；確定海纜的回收方式時應該考慮海纜的敷設方式（鋪設或深溝埋設）、水深和海床條件。

　　如果維修地點離登陸地點很近，或由于故障在石質海床上，進行抓錨作業(yè)很困難，則采取從岸灘人井拉出海纜可能更有效。如果水深小于30m，而且海纜在海床上是可見的，那么讓潛水員去回收海纜是最簡單放方法。

　　如果海纜鋪設的時間較長，并且是被拖錨損壞，即使原來不是深溝埋設的，海纜有可能已被很厚的沉積物所覆蓋，這種情況下，建設使用開挖抓鉤回收海纜，這樣會減少回收時間。如果海纜是埋設并且有遙控車（ROV）的話，用ROV將海纜挖出，然后在估計的故障點將海纜切斷，并在纜端固定浮標或牽引線，以便于回收海纜。

　　在進行打撈海纜時首先要選擇合適的打撈錨�；厥蘸＠|后，需要為纜端作測試準備，以保證纜端到陸地上終端纜的機械和光學的連續(xù)性。然后用海纜終結器或夾具對纜端進行密封，并固定海纜浮標。

　　維修船沿著海纜路徑方向重復回收程序，找到第二個纜端，確定它到終端方向的纜完好無損后，并不放回纜，準備第一次接續(xù)。接續(xù)時可能需要十幾個小時。將備用海纜接續(xù)到原來的海纜上后，仍需要檢查接續(xù)的質量，然后按照原來規(guī)劃的路徑敷設備纜。

　　敷設備纜時須保證足夠的余纜，值得注意的是，從理論上講海底光纜每次修理的長度為2.5倍修理區(qū)域的水深，但是實際修理使用的海底光纜遠大于理論值，因此，每次修理所準備的海底光纜需留有足夠的余量。如果維修的是中繼海纜，還必須滿足海纜供貨單位對中繼功率預算的計算，如果需要，還應增加一個中繼器。

　　海纜船到達第一個纜端位置后，將海纜浮標拉到船上，將第一個纜端與備纜的一端進行最終接續(xù)，接續(xù)時，維修船必須保持穩(wěn)定的位置，接續(xù)結束后，需要確認海纜是否已修好開通。如果需要還應將敷設的海纜重新埋設到海床下。

　　維修船返回后，應該提交一份維修報告，包括第一接續(xù)點、最終接續(xù)點的位置及海纜路徑等。

　　綜上所述，通過對海纜故障點的測量、海上精確定位和修理時良好的合作，將最大限度地降低修理時間。