海底光缆工程设计简介

海底光缆工程设计简介

摘要 从海缆的设计内容和方法、海缆系统远端供电系统的设计要求和海缆系统APS保护倒换方式等方面，详细介绍了海缆数字传输系统工程设计的要点。

0、前言

随着我国经济的发展和加入世界贸易组织（WTO），我国经济与世界一体化进程不断加速，国内地区间和国际间大容量、宽带化、高速率的通信要求日益迫切。作为社会的基础设施、国民经济发展的先导性产业、现代社会信息流通主渠道的通信产业迅猛发展，各类跨海峡、跨大洋海底光缆（下称海缆）工程项目日益增多。本文将介绍海缆数字传输系统工程设计的要点，供广大通信工程设计人员借鉴。

1、海缆系统设计内容及方法

海缆系统的设计首先需综合考虑容量需求和海缆路由长度等方面因素，确定海缆的建设类型，即是有中继型还是无中继型海缆，二者在设计思路上有较大差别。

一般来说国内跨海峡地区间的海缆由于距离较短（站间距一般在400 km以下），往往采用更经济的无中继型海缆方式，而国际间跨洋海缆由于距离很长，往往采用中继型海缆方式。海缆的建设类型确定之后，根据现有海缆技术水平和业务量需求预测，对海缆路由进行勘测、海缆芯数做出选择，确定出经济、合理的海缆建设方案。

1.1 海缆路由设计

海缆登陆点和海缆路由的设计好坏直接决定了海缆的安全、可靠性，因此路由设计是海缆设计的重点之一，其中路由方案是关键。

海缆路由调查是海缆系统工程设计和工程建设的基础，需先对岸滩地形、地貌、地物的现场进行察看，走访海洋、航道、地质、水文、航运、渔业、海产养殖、建设规划、军事及通信等部门，收集与海缆工程有关的各方面资料，进行比较分析，初步确定出海缆登陆点和路由方案；然后采用先进的技术手段和设备进行海缆路由勘测，以便选择安全、可靠的海缆登陆点和路由，确定出经济合理的敷设海缆技术方案，确保海缆通信的安全稳定；最后根据勘察确定出路由，并选用相应的光缆和施工方式进行施工布放。

1.1.1 海缆路由调查流程

海缆路由调查流程如图1所示。

注：勘测包括测量和调查收集资料。

图1 海缆路由调查流程

1.1.2 海缆路由调查主要项目及方法

对预选的海缆登陆点和路由的地形、地貌、底质、水深、潮流、障碍物及人类开发活动等情况进行勘测。

按所调查的不同海水深度划分海缆路由所需调查的项目，具体如表1所示。

表1 不同水深的调查项目

1）布设测线和测站（大陆架和近岸调查）

测量海缆路由宽度，按满足水深、旁侧声纳和浅地层剖面探测等多波束全覆盖测量布设测线及测站。根据水深布设数量不等的测线，测线平行于路由中心线，并在垂直方向上布设足够的横向测线，以校验测深和导航精度。

2）导航定位（所有调查内容）

测量采用DGPS（深海区域精度应小于20 m。大陆架区域精度应小于10 m）进行实时差分定位，导航采用图像导航软件系统，所有导航系统同计算机系统联机。路由勘测应采用墨卡脱投影方式，WGS-84座标系，以海图基准面（CD）为高程基准。所有定位数据均采用计算机自动记录并存储、打印。

3）水深测量（深海、大陆架和近岸调查）

近岸段测深：采用双频测深仪测量和多波束回声探测系统或相位测量系统或同相位干涉声纳测量系统，同时在作业区附近设站进行同步检测，经过声速改正、水位改正测得实际水深。

远海段测深：采用多波速探测系统进行全覆盖测量，测量中应布设适当数量的声速剖面站（测量时空上均匀分布，并能控制声速的区域变化），通过声速剖面仪进行改正，所有测深数据采用数字磁带记录，保证测量精度。

4）海底地貌及障碍物勘测（大陆架和近岸调查）

近岸段测量：使用双频侧扫声纳系统等仪器与水深、浅地层剖面同步进行全覆盖测量，同时进行模拟和数字记录，绘制地貌图。

远海段测量：使用侧扫声纳／浅地层剖面仪组合系统和多波束回声探测系统或相位测量系统或同相位干涉声纳测量系统，同步进行全覆盖测量，测量时拖曳声纳系统拖曳位置或水下机器人（ROV）控制在水深约2/3处，模拟和数字同时记录，并能绘制出海底地貌图。

5）海底底质（浅地层剖面）测量（大陆架和近岸调查）

近岸段测量：使用浅地层剖面仪和数据采集系统等，与水深、侧扫声纳等进行同步探测，采集数据。进行模拟记录，进行初步分析。

远海段测量：使用侧扫声纳／浅地层剖面仪组合系统，侧扫探测与多波束测量等进行同步测量，同时进行模拟和磁带记录，将浅地层剖面绘制出图。

6）海底取样与探测（大陆架和近岸调查）

在上述测量的同时，还使用柱状重力活塞取样器隔一定距离对海底土壤进行样品采集，取样点设在勘测的中心线上，采集间隔视调查时所见的条件而变化，但每条测线采样点不少于3点。取样长度为2 m，不足2 m时，再采用蚌式取泥器取表层样品，位置用GPS定位。先对样品的顶、底部进行十字板扭力试验，作PH值、H2S、总含硫、总C1以及其他必要分析。然后进行土质类型、颜色、结构的目测描述和拍照，视情况进行样品弃存。

采用质子磁力仪，对已有或侧声纳发现的水下缆线、沉船等异物进行探测、定位和标记，在水深小于3 m的浅海近岸区域必要时还要派潜水员下水探摸。

7）岸滩和登陆点测量（岸端调查）

在海缆登陆区埋设2根相互通视，相距小于2 km的水泥标志桩，建立测量基线，使用D-GPS定位系统和智能型全站仪进行标志桩、登陆点附近的岸滩地形、地物测量，绘制出1:1000地形图，标出标志桩、海陆缆接头入孔和路由位置。另外，测量中还应用手持钢钎进行地层土质和沉积物厚度调查，做好描述记录。

8）海洋开发活动调查（所有调查内容）

在上述勘测过程中，尚需对海缆路由区附近出现的海洋开发活动进行调查（如港口、航线、锚地、渔场、养殖区、旅游区、军事训练区、倾废区、已敷设海缆和管道等内容），并做详细记录。

目前海缆80%以上的故障都是人类对海洋的开发活动造成的，如捕鱼和拖锚行船等，因此调查海洋开发活动作为勘测主要内容之一，尤其是易遭受船锚和渔网破坏地段的海缆路由调查。通过试验，有的捕鱼固定网带1.2 t锚作业，入土深度能达到2.0 m，对于埋深1.0 m左右的海缆危害极大，故在调查中要着重收集海洋活动的性质、内容、特征、作业规律及范围、损坏海缆的历史等资料，并根据综合分析，在海缆施工中必要的路由段落可采用绕避、深埋或有效保护等措施保障海缆的安全。

综上所述，海缆工程勘测内容主要为水深、潮流、地形、地貌、浅地层剖面、障碍物、路由定位等；特点是各项内容进行同步全覆盖测量，将测量旁扫和浅剖面等资料通过计算机有序地整理排列，并绘制出直方图，对海缆路由状况进行同位显示及说明，真实、直观、明了。

1.1.3 海缆登陆点、登陆滩地的路由的选择

选定的海缆登陆点及登陆滩地应满足以下条件：

a）至海缆登陆站距离较近的岸滩地点；

b）避免有岩石，选择登陆潮滩较短（主要方便海缆登陆施工）以及有盘留余缆区域的地点；

c）全年风浪比较平稳，海潮流比较小的岸滩地区；

d）沿岸流砂少，地震、海啸及洪水灾害等不易波及的地段；

e）登陆滩地附近避开其他设施或海底障碍（如电力电缆、水管、油管及其他海缆等）；

f）便于今后海缆登陆作业和建成后维护的地点；

g）将来不会在沿岸进行治水、护岸和修建港湾的地点。

1.1.4 海缆线路路由选择

海缆线路路由应避开有下列特征的地形和区域：

a）河道的入口处；

b）岩石地带；

c）避免横越海谷；

d）火山地带附近；

e）大于30°的陡峭斜面，通常应为15-20°；

f）陡崖下面；

g）2条平行海缆之间的距离应不小于2 n mile（3.704 km），与其他设施的距离应符合国家的有关规定；

h）尽量减少与其他海缆或管线的交越；

i）捕捞作业区和其他特殊作业区；

j）各类锚地。

1.2 海缆芯数设计

海缆芯数与海缆类型有很大关系，无中继型海缆的芯数可以较大，有中继型海缆的芯数一般不超过8芯，其芯数主要是受以下2方面的限制：

a）远供设备功率：光放大器功耗平均为P，海缆的芯数为2n（目前海缆芯数均为偶数），海缆站间共有K个光放大器，则此段海缆系统全开通运行时功耗为Pnk，即海缆芯数与功耗是成正比的。这些光放大器完全是由在岸端的远供设备（PFE）来提供的，故有中继型海缆的芯数不能太大。

b）维修时间：有中继型海缆往往是跨洋国际海缆，海缆站间的距离较大，海缆穿越了大洋深海区域，因而在海缆抢修时更易遭遇过多的恶劣天气。在深海区域，当抢修船只将海缆打捞上来并修复时，可能被海浪的颠簸将修复中的海缆直接挂断，这种情况在海缆的抢修中并不鲜见，因此若海缆芯数过大，则海缆熔接时间就长，被海浪挂断海缆的几率就大，这也是有中继型海缆的芯数不能太大的原因之一。

1.3 海缆设计方法

传输系统的设计方法有最坏值设计法与统计值设计法2种。

目前国内陆上光缆传输系统中继段和陆缆+局部无中继海缆传输系统的计算一般采用最坏值设计法，即将所有的参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布和组合如何。这种计算方法简便可靠，在排除人为和外界自然因素后，整个系统在寿命终了且所有富余度用完的极端情况下仍能完全保证系统的性能要求。但采用最坏值设计法所考虑的富余度比实际情况要大，计算结果过于保守，光放大距离较短，系统的总成本偏高，并且当系统中有海底光放大器时，采用最坏值设计法，还需注意考虑接收光功率接近或超过过载点电平的因素。

有中继型海缆传输系统通常采用统计值设计法，即按预先确定要求足够小的系统先期失效概率根据相关的统计分布概率取定的参数进行系统设计。

1.4 海缆系统设计中需考虑的因素

海缆系统的总体设计需考虑的因素与陆地光缆系统相似，主要考虑系统的BOL和EOL性能和可用性要求、Q值和光通OSNR、系统误码性能、系统抖动性能、FEC配置、色散补偿方式、系统可靠性、网管系统配置、施工和维护余量、供电系统配置。