摘要 在分析了海底通信光缆相移法和传输功率监测法的应力应变性能，给出了BOTDR检验应力应变性能的案例后，提出了关注光单元内光纤余长的均匀性的建议。本文首次提出了海底通信光缆的张力扭矩性能的概念和试验方法，并建议开展这方面的研究。
关键词 海底通信光缆；结构；应力应变；张力扭矩
1 前言
海底通信光缆的力学性能设计和设置之重要依据之一是缆内光纤的状态，即光纤的余长和应变，因而力学性能与光学性能是直接相关的。
海底通信光缆主要的力学性能有：断裂拉伸负荷（UTS或CBL）、光纤断裂负载（FBL）、标称工作抗张强度（NOTS）、标称永久抗张强度（NPTS）、标称瞬时抗张强度（NTTS）等几项。 这些性能参数是互为相关的，它们之间的比值可以大致描述和判断缆的基本特性。
除了抗弯曲、抗冲击、耐侧压等性能外，与海光缆施工和运行维护直接相关的主要性能是缆的应力-应变特性和缆的张（应）力-扭矩特性。前者有章可循，例如可根据权威的国军标和国际作出判定；而对后者的认识和研究目前在国内几乎还是一片空白。
2 应力--应变性能
通常认为：光缆本体的应变量、光纤的应变量和光纤的附加衰减量随着缆拉伸负荷量的变化称为该缆的应力应变性能。
应力应变性能是缆的设计水平和工艺实现能力、缆的可施工性能、缆的可维护性能的综合反应。从工程的角度来观察：
标称永久抗张抗度（NPTS）牵涉到缆的设计寿命，与设计、制造、施工和运行相关，是光缆在运行中包含了缆在制造过程和施工后残留的持久张力。向光缆施加张力后，在NPTS下缆体开始产生有限应变，但不允许光纤有任何应变和附加衰减。
标称工作抗张强度（NOTS）与施工和维修有关，是缆敷设或修理时的最大平均光缆工作张力。在NOTS下缆体产生比NPTS大的应变直至控制值，光纤开始产生可恢复的有限应变，衰减开始产生可恢复的有限变化，意味着光纤余长耗尽。缆的修理时间通常为24~48小时，因此试验应至少模拟24小时。
标称瞬时抗张强度（NTTS）与施工和和维修有关，是缆在敷设或修理回收时可以施加的最大瞬间和突发张力，从某种意义上，NTTS表征了缆的抗过载能力。在NTTS张力下缆体将产生比NOTS更大的应变、光纤有可控的应变和衰减变化，但在张力解除后其性能应最好可恢复至NPTS而不是NOTS。NTTS状态对缆的寿命是有影响的，一般控制在1小时之内，因此试验应至少模拟1小时，经NTTS值拉伸试验的缆应截去，不能再用于工程。
2.1 相移法和传输功率监测法
国军标和国标建议的试验装置和要求是一致的，装置如图1所示。图2则是按图1要求的试验系统原理和接线示意图，在工厂中，该系统通常还可进行 OPGW和ADSS光缆的类似试验。
图1 GJB/GB建议的拉伸负荷试验装置
图2 试验系统原理和接线示意图
（1）对缆内光纤的附加衰减（变化）要求
国际和国军际要求：海底光缆进行机械性能试验时，光纤的附加衰减不应大于0.05dB（断裂拉伸负荷除外），试验后光纤不应有附加衰减（测量值的绝对值不大于0.03dB时，判为无附加衰减）。附加衰减测量按照GBT15972 ，4-C10A传输功率监测法进行。
（2）对缆内光纤的伸长量（应变）要求
国际和国军际要求：海底光缆进行工作拉伸负荷试验时，光纤不应有伸长量（测量值的绝对值不在于0.005%时，判为无伸长量）。在进行短暂负荷试验时，光纤的伸长量不应大于0.15%。
（3）试验实例
表1给出通光信息有限公司按照国军标和国标及国际标准、惯例的某型号海底通信光缆的主要力学性能参数，试验结果见图3。
表1 通光某型号海底通信光缆的主要力学性能
名称 单位 数值
断裂拉伸负荷 UTS/CBL KN 800
光纤断裂负载 FBL （100%UTS/CBL） KN 800
标称永久抗张强度 NPTS（24%UTS/CBL） KN 190
标称工作抗张强度 NOTS（45%UTS/CBL） KN 360（24h）
标称瞬时抗张强度 NTTS（60%UTS/CBL） KN 480（1h）
图3 通光某型号海底通信光缆的应力应变性能
试验结果表明：在NPTS下，光纤无应变、衰耗无变化；在NOTS（保持24小时）下，光纤无应变、衰耗无变化；在NTTS（保持1小时）下，光纤应变<0.15%、衰耗变化<0.04dB，满足国军标和国标的要求。
该结果是根据相关标准按图2的接线图所得出的，也就是说，把试验段内的光纤作了环接。因此，从严格意义上说，其结果是缆内光纤的平均值。如果分别检测每根光纤，平均值可能是“偏好”的，图4给出另一段光缆（UTS=400kN，NOTS=180kN）每根光纤的测量结果。
从图4可见，由于缆内光纤余长有离散性，每根光纤的应变性能并不相同、符号有可能相反，并且有一根光纤明显超过了0.04 dB。而如果把所有光纤串接，其最终结果将大大优化，如5。进一步的分析表明：这是由于光单元内光纤余长的不一致所引起。
如果光单元内光纤余长一致性好，才可以获得如图6所示的优良的应力应变特性。
因此建议：如果系统有足够的精度和分辩力，尽量考核单根光纤并关注光单元内光纤余长的离散即余长的一致性。
图4 单根光纤的应力应变特性差异 图5 串接光纤的应力应变特姓
图6 余长一致的应力应变特性
2.2 BOTDR法
相移法可以得出被测光纤缆段总的应力应变性能（实际上是该段长的平均值）无法得到光纤沿光缆长度应力应变分布状态，传输功率监测法可给出总的衰减变化（即附加衰减）。
基于光的布里渊散射原理的BOTDR法可以给出沿光纤光缆长度应力应变分布，并给出衰减沿光纤长度分布。
（1）BOTDR原理
光在光纤中传播时，沿光纤会产生如图7所示的反向散射光，该散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。
图7 光纤反向散射光谱
从图7可知：当入射光注入光纤后，将产生一个强度相对较大且与入射光波长相同的瑞利散射光，最常用的OTDR仪器就是应用光沿光纤瑞利散射性能来检测光纤损耗沿长度分布。布里渊散射的光强相对较弱且相对于入射光波长两侧产生频移。
光纤中布里渊散射光的频移变化量与光纤所受到的轴向应变存在着几乎是单纯的线性关系，如图8。据此，只要精确测量频移量，既使是光纤中微小应变量都能被检测出来。
图8 光纤布里渊散射光的光频率漂移量与光纤轴向应变关系
利用类似OTDR的成熟技术，应用光沿光纤中布里渊散射性能来检测光纤应力应变沿长度分布，这就是BOTDR的基本原理。目前的BOTDR长度分辨率可接近1m。
（2）BOTDR试验案例
图9给出海底光缆拉伸试验后应力应变沿长度分布图，由图可见沿长度方向应力应变分布是均匀的。
图9 海底光缆拉伸试验后应力应变沿长度分布图
图10和图11是海底光缆和接头盒一起进行拉伸试验的前后对比。接头盒中有一个光纤活动连接器，连接器两端各有一段软光缆。
图10和图11对比可知：试验前后光缆应力应变性能基本不变，但在活接头及软光缆段有微小变化，具体数据如下：
试验前应变值：最大值为0.0226%，最小值为-0.1596 %，差值为0.1822%；
试验后应变值：最大值为0.0186%，最小值为-0.1579%，差值为0.1765%；
试验前后应变值变化为：0.0057%。
图10 海底光缆和接头盒一起进行拉伸试验前 图11 海底光缆和接头盒一起进行拉伸试验后
（3）讨论
基于布里渊散射原理的BOTDR确实能测量并分辩沿光纤轴向分布应力，己被证明在光缆制造、施工和维护方面是有用的。
BOTDR目前主要应用在传感领域，在国际国内通信领域至今未建立相关标准和规范，因此至今还处于无章可循的境地。
另外，BOTDR价格昂贵，限制了进一步推广应用。
3 张（应）力—扭矩性能
根据绞线的特征，在制造过程不可避免地会引入残留应力，与结构设计（如绞合节距）和制造工艺（如预成型）及所用的材料特性有关。该应力表现在当缆受到张力时首先呈退扭（反转）的倾向，随着张力增大出现增扭（正转），当缆呈开端时表现尤其明显。图12给出三根缆的张力-扭矩特性示意图。
由于光缆在受到小的张力时即发生扭转，光纤并不一定会产生明显的应变量，但随着光纤状态的变化，光功率却发生波动，对传输带来危害。见图13所示：在图12中张力扭矩性能相对较差的C光缆在仅5kN张力下，光纤即产生了±0.05dB的衰耗变化；在区区10kN张力衰耗变化己达约±0.1dB。
图12 三根缆的张力-扭矩特性示意图
图13 光缆扭转引起的光功率波动
为了缩小缆径，海缆用绞线单丝的断裂强度高且是同向绞（双铠），故残留应力比通常正反绞（如OPGW）结构更大，张力扭矩特性随不同制造单位甚至在同一制造单位中，不同批次、不同材料呈分散性，该特性对施工和运行和维修影响甚大。
在图12中，三根光缆分别在a、b和c点旋转角回零，以A光缆为例，要求放线和回收张力均大于a点张力，若不满足，则容易在施工、开断或回收时发生扭转。
仍以A光缆为例，至a点的反向扭矩是以残余应力的形式而存在，在远离海岸的位置，因水压、海床磨擦力等作用，该残余应力是缓变的。若万一缆被外力钩拉、冲击或断裂，就可能产生剧变，导致残余应变量大于光纤余长值。
有资料认为：在离光缆开端50米后缆的应变量才会小于光纤余长值。但我们认为这是与缆结构、工艺等相关的。
从此意义上，在图12中A光缆的性能是较佳的。但无论如何，该残余应力是存在的，零张力收放缆或盘留时光缆的反扭转是有害的。
对缆的张力扭矩性能，我们并没有足够的认识，因此，建议开展海光缆的张力-扭转性能的研究。
3.1 卧式试验方案
卧式试验方案类似于图1和图2的装置，只是在一端的夹持装置上安装一个角度传感器即可作出如图12所示的结果，但由于海缆自重较大，卧式试验可能受重力影响较大。
3.2 立式试验方案
图14是我们首次提出的立式试验方案示意图(己申请专利)，可以像光纤拉丝塔一样，专门建立立塔架，也可利用大楼的层高建立立式拉伸试验方案。但要注意承重加固问题。
图14 立式试验方案
4 结论
CD300或CD400光纤应变测试仪可完成对海底光缆按相移法检测光缆应力应变总性能（平均值），但无法检测沿光纤长度方向的应力应变分布；还可完成按传输功率监测法检测光纤光缆总附加衰减（平均值），无法完成沿光纤长度附加衰减分布。
BOTDR仪可完成光缆沿长度应力应变分布和附加衰减分布，但目前还没有建立相应的标准和规范。
上述两种仪器互为补充，可对光缆拉伸应变等性能作深入分析。
光缆在制造过程中不可避免地会引入应力，该残留应力导致光缆在受张力时产生扭距，首先呈退扭（反转）的倾向，随着张力增大出现增扭（正转），当缆呈开端时表现尤其明显。
本文首次提出了海缆张力扭矩特性的概念和试验方法，建议应重视海底光缆的张力扭性能和试验方法研究。
