光纤技术在水下高带宽数据传输中的应用

曾溥阳，郭　骏，郝伟修，刘太元

(中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519050)



光纤技术在水下高带宽数据传输中的应用

曾溥阳，郭骏，郝伟修，刘太元

(中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519050)

高带宽数据传输技术主要应用于大数据量的传输。由于光纤所固有的可靠性和稳定性，使得光纤技术被广泛应用于水下数据通信。随着海洋工程开发的快速发展，水下光纤系统互连得到了长足的发展。光纤信号传输的距离远超标准以太网电信号，水下光纤信号将标准以太网信号的跳线接口从100m扩展到了10km以上。

数据传输；带宽；光纤；光纤连接器；以太网

随着对油藏管理及数字化油田要求的不断增加，新型的仪表仪器，如水下多相流量计、水下摄像机及井底分布式温度检测系统等逐步应用到水下生产系统，这些新型的仪器仪表产生的数据量庞大，需要更高的带宽和传输速度，以实现检测数据从水下到水上的传输。

由于应用于水下环境科学研究传感器数量的增加，对应于传感器数据的传输量也随之增加。传感器收集的数据将传输至海洋研究处理中心，并在中心进行数据的处理及应用。

得益于光纤在信号传输中所特有的长传输距离、高带宽、低衰减及受电磁干扰小等特点，光纤开始逐步应用到深水油气田和海洋科学研究的传输系统中。

1　高带宽数据传输

本文介绍了水下高带宽数据传输的各种方法，其中包括调制解调传输(也叫电力载波通信技术)、高速数字用户线路(DigitalSubscriberLine-DSL)传输、电以太网传输和光以太网传输。

传统调制解调器能够进行远距离的数据传输，是水下远距离数据传输技术中最成熟的一种方式。然而，该技术所能传输的最大速率不宜>20kb/s。高速DSL技术在一定的距离范围内可以传输高于调制解调传输技术的数据带宽，但是随着传输距离的增加，该技术也不能提供足够的带宽(200～3000kb/s，15km)。电以太网技术可以提供可靠及稳定的高带宽数据传输，但是该技术传输的距离<100m，因此这种电以太网跳线技术常应用于水下油气开发中短距离的水下从式布置油气井口[1]。如果要进行长距离和高带宽的数据传输，应首选光以太网技术。光以太网技术以高可靠性、高带宽及远距离特性被广泛应用于水下油气开发，但同时也带来了更高的投资预算，这种高预算除了光缆本身的成本，还包括各种水下光接头。水下传输模式特点如图1所示。

损耗是传输介质的重要特性，它决定了传输信号所需中继的距离。光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点，如使用62.5～125μm的多模光纤，850nm波长的衰减约为3.0db/km，1 300nm波长的衰减更低，约为1.0db/km。如果使用9～25μm单模光纤，1 300nm波长的衰减仅为0.4db/km，1 550nm波长的衰减为0.3db/km，所以一般的LD光源可传输15～20km。

在水下生产控制系统中，选用9～25μm单模光纤中1 550nm这一波长作为传输信道，满足50km以上的传输需求。

光纤的频宽可达1GHz以上，一般图像的带宽约为6MHz，所以用一芯光纤传输一个通道的图像绰绰有余。光纤高频宽的好处不仅可以同时传输多通道图像，还可以传输语音、控制信号或接点信号，有的甚至可以用一芯光纤通过特殊的光纤被动元件达到双向传输功能[2]。

2　水下光纤接头的可靠性

由于水下油气井口和光纤的快速发展，水下光纤接头大量应用于海洋油气开发。据统计，海洋油气开发工程中所使用的水下光纤接头约占整个水下光纤接头使用领域的68%，海洋科学研究所用光纤接头约占15%。

水下光纤接头在过去几十年中的使用引起了海洋业界的广泛关注。尽管各类水下接头发展迅速，但是我们更多是关注于海洋科学研究和海洋石油工业中使用水下光纤接头的可靠性。

水下光纤接头的可靠性包含很多方面的因素。由于量少光和电接头混合使用过程中出现的问题，导致了部分油气工业不再使用水下光纤接头，然而相对其他水下系统部件而言，水下光纤接头还是保持了极高的稳定性和可靠性[3]。根据海洋可靠性统计表明，水下光纤接头保持了较高可靠性，具体数据见表1。

表1　水下设备部件可靠性统计

3　扩展以太网技术

目前，水下高带宽数据传输可以通过转换电以太网来实现，但是这种技术最致命的缺陷是传输距离太短，不超过100m。为了开发出高带宽、长距离传输系统，出现了光电转换技术，把电以太网信号转换为光以太网信号，并利用光信号长距离传输的物理特性。通过该种方法，光以太网技术把传输距离从100m提升到了10km以上。扩展以太网飞缆如图2所示。

图2　扩展以太网飞缆

光电转换技术用于海洋科学研究，可以设置分支节点，该节点远离中心节点，这样可以避免相互间的干扰和影响。扩展以太网非常适合这类海洋科学研究装置的连接。

在一个单纯的光通信系统中，光电转换装置设置于光接头中。如果采用扩展以太网技术，所有的接口均为标准电气接口，光电转换设置于光电转换器中，那么它将大大降低整个光通信系统的造价，并提高标准化率。内部光电连接如图3所示。

图3　内部光电连接

如果考虑更高的可靠性，可以在飞缆的两端增加冗余的转换器。对于复杂水下控制网络系统模块，扩展以太网技术可以降低整个系统的复杂程度，提高系统的可靠性。

4　结语

随着深水海洋石油的发展，水下插拔连接器已经成为不可缺少的一部分，可通过远程遥控水下机器人对其进行操作、维护，达到快速、高效和可靠施工的目标，使整个系统的可靠性和可维护性大大提高[4]。

光纤的加入极大地提升了水下开放式系统的传输速率，许多新型的水下仪表不再因为产生的数据量过大和带宽要求过高而无法得到应用。在水下系统的功能得到极大提升的同时，整个水下系统的功能性与可靠性也得到增强。基于光纤的开放式水下传输系统将在未来海洋水下系统中发挥越来越重要的作用[5]。

[1] 曹静.荔湾3-1气田水下设施布置设计中的一些考虑[J].中国造船，2010，51(2)：246-254.

[2]刘华建.浅谈水下生产控制系统控制与监测传输模式[J].中国海洋平台，2015,30(5):5-8,12.

[3]叶杨高，朱家远，李锦华.国外水下插拔光纤连接器的发展[J].光纤与电缆及其应用技术，2008(2)：1-4.

[4] 刘太元，霍成索，李清平，等.水下生产系统在我国南海深水油气田开发的应用与挑战[J].中国工程科学，2015，17(1)：51-55.

[5]刘太元，郭宏，闫嘉钰.基于光纤的开放式架构水下生产控制系统研究及应用[J].化工自动化及仪表，2011，39(2)：209-211.

责任编辑郑练

SubseaHighBandwidthDataTransferUsingFiberOpticTechnologies

ZENGPuyang,GUOJun,HAOWeixiu,LIUTaiyuan

(CNOOCDeepwaterDevelopmentCo.,Ltd.,Zhuhai519050,China)

Thehighbandwidthdatatransferiscriticalinapplicationswherelargequantitiesofinformationarebeingtransmitted.Fiberoptictechnologyhasbeenwidelyadoptedinsubseacommunicationsduetotheinherentreliabilityandthepassivenatureoffiberoptics.TheopticalsignalcanthenbetransmittedoverdistancefarexceedingstandardsubseaelectricalEthernetcapabilities.Inthisway,opticalEthernetperformancecanbeachievedwithstandardelectricalEthernethardwareinterfacesextendingthestepoutdistancefrom100mto10km.

datatransfer,bandwidth,fiberoptics,wet-mateconnector;Ethernet

TN929.11

B

曾溥阳(1971-)，男，工程师，南海深水天然气项目组IT/EDIS经理，主要从事海洋工程等方面的研究。

2016-01-20