基于光纤分布式声波/温度梯度传感的超长距离海缆在线状态监测系统研究

Offshore wind power operators are increasingly demanding the stability of wind farm infrastructure, especially key cables. Therefore, it is necessary to improve the maintenance level of submarine cables. At present, the conventional optical fiber distributed sensing technology cannot fully meet the needs of on-line state detection and location of long-distance submarine cables. Although the distributed acoustic sensing technology DAS can make up for some of its shortcomings, the current indicators of DAS still have the shortcomings of short sensing distance, low response bandwidth and poor real-time processing ability. Therefore, it is necessary to make use of the most of the existing fiber in submarine cables. The mechanism between multi-frequency pulses and distributed amplification pumps, power optimization and noise dynamic model analysis are studied by means of the newly developed optical fiber distributed acoustic sensing technology. The ultra-long-distance DAS with high linearity, high spatial sampling density and high response bandwidth are obtained. Utilizing the character of the strain of optical fibers is fast changed by ultrasound and the refractive index of fiber is slowly changed by temperature, the two kinds of signal can be separated after multi-resolution analysis method. Then DAS is upgraded to distributed acoustic/temperature gradient sensor (DATGS), and the goal of on-line condition monitoring and fault location of ultra-long submarine cable is achieved ultimately.

海上风电运营商对风电场配套基础设施尤其是关键电缆的稳健性要求越来越高，因此需要提高海底电缆的维护水平。而目前常规的光纤分布式传感技术仍无法完全满足长距离海底电缆的在线状态检测与定位的需求，虽然分布式声波传感技术DAS可以弥补其部分短板，但DAS目前的指标仍然存在传感距离短、声波采样带宽低、实时处理能力差的问题，因此有必要利用目前海底电缆中最常用的XLPE电缆中的既有光纤资源，以目前新兴的光纤分布式声波传感技术为测量手段，研究多频脉冲与分布式放大泵浦之间的作用机理以及功率优化与噪声动态模型分析，得到高线性度、高空间采样密度、高响应带宽的超长距离DAS，并利用温度缓慢改变光纤应变，超声快速改变光纤应变的特性对差分相位信息中超高频超声信号与超低频温度梯度信号分离，将DAS技术提升为分布式声波/温度梯度传感(DATGS)，最终达到超长距离海底电缆局放在线检测与定位的目标。

海上风电运营商对风电场配套基础设施尤其是关键电缆的稳健性要求越来越高，因此需要提高海底电缆的维护水平。而目前常规的光纤分布式传感技术仍无法完全满足长距离海底电缆的在线状态检测与定位的需求，虽然分布式声波传感技术DAS可以弥补其部分短板，但DAS目前的指标仍然存在传感距离短、传感精度低、实时处理能力差的问题，因此有必要利用目前海底电缆中最常用的XLPE电缆中的既有光纤资源，以目前新兴的光纤分布式声波传感技术为测量手段，研究多频脉冲与分布式放大泵浦之间的作用机理以及功率优化与噪声动态模型分析。取得的成果以及指标如下：.1. 实现了高灵敏度、高线性度、高空间采样密度、高响应带宽的超长距离DAS，设计开发了实验样机，指标为 传感距离100公里、空间分辨率±2米、频响10kHz、采样密度达到0.4米、本底噪声达到5.5 pε/√Hz，整体指标较好。.2. 解决了DAS在强振动噪声进行有效信号的识别和提取问题；.3. 实现了DAS在短时间窗口（ms量级上），实现对信号进行预处理的能力；.4. 通过超简易换能器结构，使DAS实现超灵敏度空气声传感的能力，可对电缆接头这类重点监测区域进行高灵敏度的空气声传感。.5. 实现了超高灵敏度的温度梯度传感。.本项目的研究内容在软硬件方面均取得很好的进展，硬件方面达到的指标更高了，可以应对更多对性能要求更高的场合；在软件方面的改进使得系统具备了更强的信号处理和模式识别的能力，可以更快更准确的识别振动事件；.未来预期在超长距离海缆在线监测、长距离地震监测、城市电缆监测等电气设备监测领域所重点关注的领域获得较好的应用。