随着海洋资源开发、环境监测与军事防务等任务的进一步开展,对通信系统在可靠性、宽带容量以及适用性等方面的要求正日益增长。水下通信技术作为获取水下信息、实施远程控制的重要基础手段,主要分为有线和无线等通信技术。有线通信技术以其稳定可靠、传输速率高以及不受水下多径效应和电磁干扰等优势,广泛应用于海底观测网、海上能源平台以及远程遥控系统中。
现有的水下有线通信方式有3种通信路径:水下电力电缆通信、水下光纤通信和光电复合缆通信,分别面向不同场景的电能输送、信息传输与系统集成需求。水下电力电缆采用铜线作为导体传输电波,在中等距离的控制与供电任务中得到了广泛应用。然而,由于导体和绝缘材料等因素的限制,其在较高频率下的完整性、衰减以及服役可靠性等方面仍面临较大挑战
[1]。相比之下,光纤通信凭借超高带宽、超低时延、超强抗干扰能力等特点在跨洋干线、固定式海底观测中发挥着不可替代的作用
[2]。“海斗一号”等典型案例已实现万米深海高清视频实时回传
[3]。然而,水下环境中的压力腐蚀、海流扰动等因素会导致其信号衰减严重、弯曲损耗增加,以及长期使用中的潜在风险,这些因素共同限制了其进一步推广。光电复合缆作为一种融合型系统,实现了供电与通信功能的一体化集成,为多功能海底平台、传感网络及能源装置的协同运行提供了有力支撑,正逐步成为智能水下基础设施发展的重要方向。
因此,现系统梳理水下有线通信的三大主要路径:电力电缆通信、光纤通信与光电复合缆通信,并总结其关键技术进展与发展趋势,为构建新一代高可靠、低能耗的深海信息网络提供关键支撑。
1 水下有线通信的现有技术
水下有线通信按照传输介质与信号类型的不同,可分为水下电力电缆通信、光纤通信与光电复合缆通信3类。如
图1所示,水下电力电缆通信采用铜导体传输电信号,技术成熟、抗干扰性强,广泛应用于传统的水下远程控制场景,适用于距离中等、环境复杂但对带宽要求不高的任务。光纤通信则通过光导纤维传输光信号,具备超高带宽、低延迟和强抗电磁干扰能力,是现代深海观测网、海底基站等对通信质量要求极高的系统的首选方案,然而其敷设与维护成本相对较高
[4]。复合缆通信结合了电缆与光缆的优势,在一条缆内同时实现了电源供应与信号传输的功能,通过集成设计简化了布线结构,既保证了高性能又兼顾了工程实用性,已成为深远海复杂任务中实现通信与供电一体化部署的关键手段。
对上述3种不同通信类型在水下领域的关键技术进行总结,主要从结构设计、信号衰减控制、建模与补偿方法、智能感知与融合应用等方面进行归纳分析,旨在为后续新型水下高可靠有线通信系统的研究有所贡献。
1.1 水下电力电缆通信
水下电力电缆是开发海洋可再生能源(如海上风能)的关键基础设施。随着电力传输网络向深海延伸的趋势加速,其重要性日益凸显
[5]。据国际能源署统计,全球海底电缆总长度已超过100万km,承担着97%的洲际数据传输和40%的离岸风电输送任务
[6]。这些电缆在离岸可再生能源项目中占比显著且维护成本高昂,其可靠性和性能直接关系到能源供应的安全。伴随全球海洋资源开发加速推进(如中国HEPS和SHINE项目),对水下电缆的需求将持续增长。
近年来,随着海上油气平台、海上风电并网送出、海洋牧场与深海观测网络等工程需求快速增长,海底电缆已从单一“供电/通信通道”演进为“能源-信息-感知”一体化关键基础设施。以海上平台为典型场景,海底电缆不仅承担平台与陆地间的电力与通信“生命线”功能,其长期稳定运行也直接关联海洋工程系统可靠性与运维成本
[7]。相关研究指出,中国海底电缆市场需求在近年呈现快速增长态势,工程应用反过来推动了面向状态监测、健康评估与风险预警的关键技术研究不断深化。然而,水下电力线信道被公认为最恶劣的通信信道之一。其非屏蔽结构带来的高衰减、深海环境导致的材料老化以及负载波动引起的强噪声,均严重制约了通信速率与可靠性。为了系统性地解决上述问题,如
图2所示的综合研究框架揭示了从物理底层的结构防护出发,经由老化机理的演化分析,最终通过数学建模与算法补偿实现可靠通信的逻辑闭环。按照此框架的3个主要阶段展开综述。
1.1.1 水下电力电缆通信系统结构与防护
随着海电设备和深海海缆系统的日益使用,海缆系统在海洋电力和控制通信中起着不可替代的作用,面临的主要问题包括:深海高压腐蚀严重、多源载荷干扰、结构复杂性增加导致的失效率高等。
在结构设计方面,如
图3所示,李健等
[8]为高压海底电缆(如500 kV交流电缆)设计了一种多层同心圆结构。该结构从内到外依次包括导体、屏蔽层、绝缘层、内护套、外护套、防水层和防腐层等,以抵御海水腐蚀、机械压力和电气损耗。 Ringsberg 等
[9]通过动力学计算,验证柔性结构能够抵御波动载荷。此外,Hsieh等
[10]通过模拟研究证实,三芯交流电缆在高电压下能够保持良好的抗扭转刚度,提高稳定性。刘召见等
[11]提出“结构阻水”技术,通过分层阻水带和径向阻水层设计,如高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)护套+铝套组合,解决水下电缆长期渗水问题。目前高压直流电缆导体多采用铜/铝材质,绝缘材料以交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)为主。王少华等
[12]在500 kV XLPE海缆的基础上提出了考虑“本体+接线+运维”的设计理念,缓冲层的加入、界面电场的减小使得缆线结构设计更为可靠。Zhang等
[13]进一步指出,35~220 kV级三芯交流电缆需结合生产设备升级与性能验证,以实现XLPE绝缘工艺稳定性。同时,Munro等
[14]证实乙丙橡胶(EPR)与聚丙烯填充层组合可提高机械和防水效果,在极端环境的防护方面有新的突破。
针对深海高压环境下的信号注入难题,现有研究主要依据物理连接方式将耦合结构分为电容式接触耦合(contact-based capacitive coupling)与电感式非接触耦合(non-contact inductive coupling)两大类,如
图4所示,而中压/高压(MV/HV)接口的设计则是决定系统电气安全与长期可靠性的关键物理节点
[15]。在追求高带宽传输的深海观测网与脐带缆应用中,电容式耦合结构因其低插入损耗特性而占据主导地位。Zhang等
[16]与Yang等
[17]提出利用高压电容构建高通滤波回路,以实现低损耗的信号注入。但这种侵入式设计对物理接口提出了严苛要求。为了解决高压导体引入通信模块时的电场畸变问题,现有设计广泛采用应力锥(stress cone)结构与压力平衡充油(pressure balanced oil filled, PBOF)技术。根据CIGRE技术报告
[18],通过优化几何非线性应力控制结构,可均匀发散绝缘切断处的电场集中;而PBOF技术则利用绝缘油填充接口间隙,以平衡深海静水压力并消除引发局部放电的气隙。尽管物理防护技术不断进步,但赵军涛等
[19]的最新研究仍强调,电缆接头处XLPE在“电-热-力”多场耦合作用下,其微观界面的老化速率显著加快,界面电树枝引发的击穿仍是制约接触式耦合寿命的主要瓶颈。
相比之下,电感式耦合技术因具备天然的电气隔离优势,在海缆在线监测领域得到了广泛应用。根据Jensen
[20]的研究,采用罗氏线圈(Rogowski coil)或高频电流互感器(high frequency current transformer)的非接触式结构,可在不破坏电缆主绝缘的前提下实现信号提取,具有天然的电气隔离优势。针对海底电缆大电流工况下的磁饱和难题,Zhang
[21]提出了基于功率载波技术的水下感应耦合通信方案以提升传输速度并降低比特错误率,为高速通信和低功耗水下通信系统提供了实用的设计方法。综上所述,近年来的研究表明,耦合结构的选择已从单纯的性能指标转向“性能与全寿命周期安全”的综合考量:电容式结构依赖于先进的非线性应力控制接口,适用于新建的高速主干网;而电感式结构依托于新材料磁芯与智能化套管技术,更适用于对安全裕度极高的在线监测场景。
针对深海敷设中电缆自重与海床接触引发的疲劳与下垂问题,Martinez-Puente等
[22]基于HDPE模块,设计了一种浮力段结构。Li等
[23]验证了聚苯乙烯球能够减小海床阻力、改善系统稳定性。Le等
[24]提出了一种系统级电-结构一体化设计方法,为电缆的遥控无人潜水器(remotely operated vehicle, ROV)等的设计提供了新思路。李碧波等
[25]通过静态悬链线分析等方法,对不同环境条件下悬浮段水下电缆的载荷进行建模研究,发现潮流流速是影响水下电缆位移与受力的关键因素。程志远等
[26]基于三维有限元法,分析了抛石保护层对电缆抗锚害能力的增强作用,结果表明厚度合理的碎石层可有效降低拖锚作用力峰值,为深海高压布缆区段的防护设计提供了理论依据。
1.1.2 水下电力电缆信号衰减与老化机制
水下电力电缆的信号传输特性并非静态不变,而是在深海复杂环境与长期运行电应力的双重作用下呈现出显著的动态衰退趋势。近年来的研究已从单一的环境因素分析,转向了多物理场耦合下的材料老化与信道参数演化机制探讨。
深海静水压力与温度循环构成了独特的机械-热老化机制。如
图5所示,李庆和等
[27]通过大量测试证明,温度对于导体部分电阻、介质部分介电常数、损耗角正切tan
δ影响较大,用“定值衰减温度系数”校正的方式,不能很好地校正非20 ℃的水下情况,提出“温度函数型衰减校正系数”。Zou等
[28]指出,深海静水压力(hydrostatic pressure)会压缩绝缘材料的自由体积,虽然在一定程度上抑制了电树枝的起始,但会导致材料的介电常数实部增大。根据传输线理论,这将直接导致电缆分布电容
C增加,进而降低信号的相速度并增加特性阻抗的不匹配度。同时,祝茂宇等
[29]强调了填充部件在维持电缆截面圆整度方面的核心作用。在深海动态工况下,确保电缆在反复拉伸与弯曲负荷中不发生结构畸变或塌陷,是维持传输线分布参数稳定、避免因几何形变导致阻抗失配和信号衰减的物理基础。
其次,水环境渗透引发的介质劣化是导致信号衰减的根本原因。传统的观点仅关注水分对等效介电常数的改变,而最新的微观研究表明,海水在高压电场作用下会侵入XLPE绝缘层形成水树枝(water treeing)。水树会增大XLPE绝缘材料的介电系数和损耗角(tan
δ),破坏XLPE绝缘材料的绝缘强度,如
图6所示,Brown等
[30]也建立相关的水树加速老化试验标准,以水树来表征绝缘材料的长期性能。水树更重要的是通过形成树枝状结构而产生部分高电场,加速电化学反应过程,加剧绝缘材料劣化,导致传输损耗
[31]。因此,水下电力电缆传输损耗是环境与水树老化物理机制共同作用劣化性能的结果。通过选择和结构合理的材料设计避开环境侵蚀,开发有效的衰减修正模型,是确保水下电缆传输性能与长期安全传输的重要前提。
1.1.3 水下电力电缆信号衰减补偿与建模方法
当前针对水下电力电缆信号衰减补偿与建模研究主要围绕主动补偿技术和精确建模方法两大方向展开。
在信号的衰减补偿技术的研究方面,大多是对主动补偿方案进行研究如
图7和
图8所示,Xu等
[32]提出了一种基于抑制电场衰减优化补偿电流的电-磁-热耦合模型,发现当补偿电流为40 mA时,可衰减水下电场峰值50%以上,有效增加了稳定性,通过调节参数,平衡了电场衰减抑制与能耗增加之间。Wang等
[33]提出了一种分段式的电缆补偿设计,在需要补偿的地方使用压电传感器,当环境压力发生变化时,压电传感器进行补偿,在补偿频率范围内补偿率可以达到90%以上。Zhu等
[34]通过序贯二次规划(sequential quadratic programming, SQP)方法,在电缆近海侧进行感性补偿,优化了无功功率补偿容量。
在对信号的衰减建模中,研究者们提出准确高效、快速高效等模型和算法。Guo等
[35]为U形槽漏水同轴电缆建立了基于等效电路的模型,考虑了弱耦合系数来模拟外模,并通过仿真分析得到衰减随频率(10~500 MHz)的增大而呈增大趋势,且模型对隧道等半封闭水域适用。邵天宇等
[36]基于RLCG电路提出了三导体电缆模型,能准确预测传输过程中衰减受趋肤效应和介电效应的影响的高频传输。MacNeill等
[37]利用双端口网络原理对水下电力电缆进行了离散参数建模,得到了集总参数模型。韩云峰等
[38]利用MATLAB/Simulink模型对脐带缆长度及频率对衰减的影响进行了研究,并指出下行传输衰减会高于上行。就快速算法而言,Patel等
[39]提出的用于多层介质(海水+泥沙)计算的快速频域阻抗的MoM-SO值的传播常数
γ建模能够有极高的精度,对于趋肤/邻近效应的建模精度也远高于FEM。Tang等
[40]中的TLS-ESPRIT算法确定反射点且自动计算了总最小二乘估计的频率依赖衰减系数,这是首个经验-统计学模型,用于多段海底电缆的局部衰减规律建模。
当前水下电力电缆技术已形成较为成熟的多层复合结构设计,该设计有效平衡了高压传输性能与动态环境下的机械强度要求,同时,通过浮力控制技术优化电缆布局,进一步减少了摩擦损耗。在信号管理方面,发展了主动补偿技术及高精度建模方法来抑制衰减。然而,该技术仍面临显著不足:首先,严苛的深海环境(高压、盐蚀、生物附着)会加剧材料老化,特别是XLPE绝缘层的水树现象导致介电常数和损耗角正切上升,严重威胁长期可靠性,且深海高压本身就会显著增加信号衰减。其次,海水高导电性引发的高频(5 GHz)阻抗失配问题,导致信号抖动加剧,限制了带宽提升。最后,敷设与维护的高昂成本,以及在动态海流等极端环境下的故障率急剧上升,依然是工程应用面临的主要难题。
1.2 水下光纤通信研究进展
1985年世界上第一条海底光缆由AT&T公司研制成功
[41],取代了原来的水下电缆通信技术,以光波的形式在光纤中进行通信。海底光缆的建设在全世界得到了蓬勃的发展。与传统技术相比,海底光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优点,在通信领域,尤其是国际通信中起到重要作用。为了突破现有技术瓶颈,构筑下一代海底信息高速公路,研究重点正聚焦于3个相互耦合的关键维度,如
图9所示。首先在物理底层,需通过革新水下光纤结构设计与开发低损耗材料来逼近传输衰减的理论极限;其次在系统层面,依赖海底光缆传输容量演进与光放大技术创新以拓展可用光谱带宽并延长无中继距离;最后在信号处理层面,则需利用先进的水下光纤调制优化与信道编码抗干扰技术,在复杂的海洋信道环境中最大限度地提升频谱效率与传输可靠性。这3个方面的协同突破,共同决定了未来水下光通信系统的性能边界。
1.2.1 水下光纤结构设计与低损耗材料
水下光纤是支撑全球互联网和通信网络的关键基础设施,其结构设计和材料选择直接关系到信号传输的低损耗、高可靠性和长寿命。
姬可理等
[42]围绕海底光缆,侧重分析浅海光缆采用多层铠装(抗张强度达 400 kN)、金属抗压管(耐 80 MPa 水压)、防腐蚀处理(合金镀层钢丝)并指出未来发展趋势为大芯数、松结构、小型化海底光缆。张宁等
[43]回顾了中国海底光缆的发展历程,分析了其结构演变从骨架式、中心束管式发展为不锈钢松套式,铠装从镀锌钢丝升级为锌-铝-镁钢丝。目前传统石英光纤的传输损耗低,但特定波长处也存在显著吸收损耗。因此,在提高石英纯度的同时尽可能降低金属离子、OH
-等离子杂质含量,可以实现光纤吸收损耗的降低
[44]。例如,针对G.657.B3光纤的设计,吴椿烽等
[45]通过优化折射率剖面和气相轴向沉积(vapor phase axial deposition, VAD)工艺,成功将其在1 383 nm处的水峰(OH
-吸收峰)衰减降低至0.278 dB/km。这一进展对于实现万公里级海底光缆的超低损耗传输至关重要。郭士生等
[46]通过对比了蓝宝石光纤和石英光纤在 280 ℃ 高温、932 psi(1 psi=6.89 kPa)高压环境下的渗水率。得出蓝宝石光纤的在1 390 nm 处渗水率要大大低于石英光纤,是一种应用于恶劣环境的有效光纤。近期研究表明,通过进一步降低“虚构温度”(fictive temperature)可以实现超低损耗的无锗纯硅芯光纤。例如,在1 566 nm波长处,已实现0.139 7 dB/km的创纪录低损耗,在1 550 nm波长处达到0.140 6 dB/km的损耗
[47]。这种通过控制材料微观结构来减少瑞利散射损耗的策略是实现超低损耗光纤的关键。另一方面,氟化物玻璃和硫系玻璃都是非石英类的材料,由于其红外吸收率较高,可作为备选方案。其中,氟化物玻璃在3 μm波段的理论损耗可低至10~3 dB/km,在可见光波段,氟掺杂纤芯的光纤已报告了更好的抗辐射效果,但在电信波长(1 310、1 550 nm)下进行的核反应堆堆芯实验表明,即使在高达数十兆戈瑞(MGy)的剂量水平下,纯硅芯光纤仍能保持优异性能
[48]。除了优化材料,使用波导结构的材料也是减少光纤传输损耗的方法之一。空芯光纤通过将光场限制在空气介质中传播,从本质上避免了固体材料的吸收损耗。在海底通信应用研究中,Meseguer等
[49]在海底通信系统中使用空芯光纤与多芯光纤进行对比,认为空芯光纤可以降低海底系统的传播时延,并在有限的资源条件下达到使用多芯光纤时的容量。在水下声学传感领域,Abdallah等
[50]利用HC-PBF和MSF的声压传感特性,证实了空芯结构的光子晶体光纤比传统的单模光纤结构具有优越的声压传感特性。此外,深海环境对光纤系统构成极端挑战,其稳态工程设计必须在原子尺度材料响应、宏观结构力学行为之间实现精密协同。当前抗氢损涂层方面,最新研究已从被动阻隔升级为主动钝化与动态自修复双机制协同。致密纳米复合氧化物涂层(如Al
2O
3/TiO
2原子层沉积ALD涂层)通过形成亚纳米级晶界网络,将H
2分子渗透路径延长至理论极限,实测氢致损耗在1 310/1 550 nm波段降低至<0.02 dB/(km·a)
[51]。
1.2.2 海底光缆传输容量演进与光放大技术创新
海底光缆承载了全球超过40%的国际数据流量,全球超过30%的年度流量用于4K/8K流媒体视频、元宇宙和物联网
[52],面临传输流量的问题,光放大技术是解决传输流量的关键,成为海底网络发展的先驱。
过去十多年海底系统容量主要沿DWDM(dense wavelength division multiplexing)+EDFA(erbium-doped fiber amplifier)路线增长,但近年的核心矛盾越来越集中在“单位泵浦功率可承载的信息量”(capacity per pump power)与“可供给的系统总电功率预算”上
[53]。跨洋距离长、海底中继器必须超高可靠、供电电流需长期稳定,使得系统扩容不能简单靠“更大光功率。因此围绕中继器放大器效率、泵浦冗余与共享,成为容量继续演进的关键抓手。传统单模光纤频谱效率已经接近极限,空间分割复用(space division multiplexing,SDM)通过引入空间信道,实现容量线性提升
[54],如
表1所示:Morita等
[55]实现了跨洋140 Tbit/s的传输,容量距离积达到1 Exabit/(s·km),验证了SDM的可行性。2022年,Papapavlou等
[56]实验研究了海底光网络SDM的现有高容量系统(Dunant),泵浦共用SDM达到250 Tbit/s的传输容量,相比单芯提升了70%。与此同时日本KDDI研发的超低串扰四芯MCF(<-40 dB)和32×四芯达到1.7 Pbit/s传输容量(单模光纤的8倍)
[57]。
除此之外,光纤放大器方面也还有其他创新如
图10所示:掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier, EDFA)方面,KDD研究所
[58]采用光纤光栅/FP滤波器平坦增益谱和980 nm LD代替1 480 nm LD来实现<4 dB的噪声指数;Nortel Networks无制冷泵浦激光器体积超小、功率超低,实现了74 FIT故障率(1 FIT=10
-9故障/h)、±1 nm温漂(适合海底<100 FIT),具有低功耗和小尺寸等特点,可用于掺铒光纤放大器
[59];拉曼放大器(Raman fiber amplifier, RFA)有泵浦功率高,在高压和低温环境下的放大深度及传输距离长等特点,Rashed等
[60]将RFA与10 000信道深度>8 000 m时非线性及传感距离进行对比,证明RFA能够成功地克服布里渊光时域反射技术(Brillouin optical time-domain analyzer, BOTDA)传感距离的局限性,将传感距离拓展到200 km;混合放大器方面,2022年Sun等
[61]采用混合放大器解决了传感距离问题将BOTDA传感距离拓展到>200 km。现在海底光缆光放大正从纯EDFA向混合放大+复用转变,来满足海底光缆光放大的传输需求。
1.2.3 水下光纤调制优化与信道编码抗干扰技术
近年来,随着对深海信息通信需求的日益增长,水下有线光纤通信系统尤其是海底光缆系统对于高频谱效率、高可靠性、强抗干扰能力、大容量等提出了越来越高的要求,研究者从调制格式及信道编码抗干扰两方面对系统超远距离传输问题和非线性干扰问题进行了大量的优化设计与算法研究,如
表2所示。
在调制优化方面,Papapavlou等
[56]对调制优化方面也进行了大量的研究工作,在基于SDM的海底光网络系统综述分析时,认为多芯光纤结合相干调制格式(如DP-16QAM,DP-64QAM),在非线性受限条件下比传统密集波分复用(DWDM)系统的频谱使用效率更高。Chen等
[62]在抗扰-调制方面,提出采用4D/8D-GS多维度几何整形调制结合软判决前向纠错译码来抑制非线性噪声累积,提高水下光路系统误比特率(BER)和系统容限。
马国明等
[63]重点介绍海底电缆状态分布式光纤监测技术,其中利用脉冲编码,分布式放大等方法增强信号、降低噪声,拓展距离与精度。针对信道编码,为适应高阶调制码字误差要求,传统的RS(reed-solomon)码和软判决FEC被低密度奇偶校验码(low-density parity-check code,LDPC) 代替。Schmalen等
[64]评估了LDPC 码(SC-LDPC)的优点和缺点,并利用其基于滑动窗口译码在低译码复杂度下获得接近香农限的纠错能力,用于长距离和高可靠性的海底链路。Smith
[65]总结了光纤通信中常用的卷积码、Turbo 码、BCH码级、联码和码不同类型的特点和不同场合下不同编码的采用和适用范围,为海洋光纤通信中的水下系统中的 FEC 编码使用提供了一些借鉴。
综上所述,水下光纤通信技术在低损耗光纤材料、超大容量传输架构、光放大技术以及调制与编码优化方面取得了显著进展。高纯度石英光纤、新型非石英材料(如氟化物玻璃)和空芯光纤的应用,有效降低了传输损耗;通过SDM技术、多芯光纤的应用以及相干检测技术的结合,已经实现了单缆传输容量达到Pbit/s量级的突破。EDFA、拉曼放大器及其混合系统拓展了传输距离;而高阶调制技术与LDPC/SC-LDPC等前向纠错编码增强了系统的抗干扰性能。然而,当前技术仍面临多方面挑战:首先,新型低损耗光纤材料尚未实现大规模工程化应用,制造成本与工艺难度较高;其次,SDM系统在实际部署中仍存在串扰控制不足与接口兼容性差等问题;再次,深海复杂环境对光放大器的能耗控制与长期可靠性提出更高要求;此外,高阶调制与复杂译码算法虽提升了系统性能,但也显著增加了计算负荷与功耗负担,限制了其在资源受限设备中的推广。
1.3 水下光电复合缆通信
近些年来,水下光电复合缆(submarine optical-electro composite cable,SOECC)在深海观测、海底油气开发、军用通信和水下智能装备等领域的需求日益增大,凭借兼具光通信的低延迟和超高可靠性,SOECC真正达到了“一缆多用”,成为构建新一代水下信息-能源综合传输系统的底层基础设施。随着海洋技术与应用的进一步发展,SOECC的架构与材料、光电通信耦合传输技术、极端环境适生能力、智能感知综合传输能力等研究方向进一步发展,SOECC向更高、更强、更智能的方向发展。如
图11所示,水下光电复合缆正从单一“传输管道”向“智能中枢”转型。水下光电复合缆结构设计优化、光电协同传输技术和水下复合缆智能感知与多模态融合技术这3个维度的协同演进,将最终实现水下光电复合缆从被动承载向“通-导-感-算”一体化智能装备的跨越。
1.3.1 水下光电复合缆结构设计优化
深海复杂环境对水下光电复合缆提出更高要求。常规金属铠装缆扭矩大、损耗高且易疲劳磨损,限制了其在高压、高腐蚀环境下的应用。美国 MBARI 采用尼龙纤维组合铠装,在兼顾重量与机械强度的条件下,实现了3 000 m深海作业
[66]。Zhao等
[67]设计的多层复合电缆含光纤单元、XLPE 绝缘、金属屏蔽及双层钢丝兼顾了电性能与机械性能。Mei等
[68]在 DC500 kV 光纤复合海底电缆中基于有限元优化导体结构与尺寸,提高载流能力与稳定性。靳志杰等
[69]通过结构优化及温度循环、弯曲、扭转试验,突破了纵向水密电缆不能动态使用的限制。张少伟等
[70]采用高强纤维承载的新型四层铠装结构,降低浮标系留浮力并增强抗张抗扭性能。针对海流冲刷引起的涡激振动(vortex-induced vibration, VIV),Tan等
[71]基于流固耦合分析计算结构固有频率与流场应力,为结构设计提供理论依据。尹锋雷等
[72]详述了一种适用于湖泊底部及浅海的水下光电复合缆的设计与制造,其结构包含光单元、电单元、抗拉单元及护层。窦方芹等
[73]设计了一种轻型水下光电复合缆,用非金属材料芳纶替代传统铠装钢丝作为加强单元,通过缆芯阻水膏+阻水带及芳纶绞合时添加超强吸水聚合物(super absorbent polymer, SAP)实现纵向阻水。
1.3.2 光电协同传输技术
由于面对复杂的水下环境,水下光通信一般使用传统纯光纤通信,但光通信无法解决海底供电和机械保护问题;若使用纯电力电缆则通信速率无法满足数据传输需求。光电复合缆采用光缆与导体组合的形式,各方面性能均得到了很大提升:Shu等
[74]提出海底光电复合缆作为海底观测网的海底基础设施,需要支持供电、通信拓扑方式(如直线型、环型、星型与网状结构)的多样性和高压直流供电方式与双向功率、信号循环布线,以提高系统的总体传输效率并提高可靠性;Mazur等
[75]提出通过时域实时相干收发器对跨洋海底光纤进行实时相干收发与偏振传感,如
图12所示, 既可以感知通信信道状态也可以感知环境扰动,保证传输链路的稳定性;Lu等
[76]使用VMD和Bi-LSTM神经网络识别光电复合缆电压或电流信号,故障识别率达到95.3%,定位误差不足50 m。针对MAXMACCA方法在海水中海水温度和材料参数的不确定性导致海底光电复合缆的故障判别结果不佳的问题,Tabi Fouda等
[77]利用布里渊分布式温度和应变传感BOTDA+IPC对海底光电复合缆的热电性能建模及载流量进行准确估计。
1.3.3 水下复合缆智能感知与多模态融合技术
随着对海底观测及智能运维的需求日益增长,水下复合缆也将由“传输单一化”发展为通信-供电-感知-计算的智能复合缆;在光电复合缆基础上,将不同传感器集成到复合缆中,通过不同数据分析与智能算法,构建自主感知、自主判断的智能复合缆
[78]成为研究热点。
Masoudi等
[79]研制了嵌入式光纤海底电缆状态感知系统——分布式振动传感器(distributed vibration sensor,DVSS)系统,该系统基于瑞利散射与相位敏感光时域反射技术(phase sensitive-optical time domain reflectometry,
Ф-OTDR)能够有效地感知到电缆沿线动态应力-应变信息,可用于水下电缆敷设、服役过程中的应力监测。
而实际中,海底实时监视系统一般是部署在海缆的中继端或子模块,对海缆的各种光纤传感器(如FBG、布里渊、OTDR等)进行分布式传感,融合感知海洋的声速、振动、温度、压强、微震等物理量。例如,Liu等
[80]在珠江出海口海域进行海试,验证了部署于海底的传感器的声速、压强、温度等物性传感器的灵敏度和准确度高,适用于复杂的海洋应用场景。针对多源数据融合算法,Pereira等
[81]利用传统传感的方式提出了相干OTDR(COTDR)、BOTDA融合算法,实现了在同一监测框架下对外界扰动以及电缆结构应变退化进行辨识,提高了系统识别故障的能力和可靠性。
目前,复合缆已完成了从“通信+供电”到“感知+算力”的智能升级,具有集环境依赖度低、多功能于一体的优点,但也面临诸多局限性。比如多源传感信息融合问题,易受海底噪声和延时干扰问题;智能分析模型多源于陆地场景,海底的长期稳定性和适用性有待验证;嵌入式传感器的融合与供电问题也限制了系统正常工作等。
2 水下有线通信技术发展趋势
2.1 水下电力电缆通信的发展趋势
水下电力电缆通信技术未来将在材料性能及耐久性研究、智能检测及故障预警等方面进行深入研究,将开发新的高性能材料提高电缆抗腐蚀性、提高深海电缆寿命,如研发击穿强度更高、耐水耐腐蚀性能更好的绝缘材料及具有更高耐腐蚀性的金属外壳材料,切实有效提高电缆使用寿命、节省检修费用;在智能检测方面,使用分布式光纤探测器等智能设备,结合大数据、机器学习技术等,实时检测电缆温度、应力、电阻等物理状态量和电缆绝缘强度等电气状态量,及时报警、准确定位故障,提高管理维护效率
[82-83]。此外,在传输效率及质量方面,提高传输效率和传输速率也是未来需要重点关注研究的一项内容,从而能够满足大容量数据传输需求。
2.2 水下光纤通信的发展趋势
凭借通信容量大、传输时延低、抗干扰能力强等传输优势,水下光纤是构筑深海观测网、远程控制等系统的核心技术。超低损耗、大有效面积的纤维逐步成为研究焦点,用于抵消系统非线性效应,提升传输距离和容量。如模分复用与波分复用技术结合,充分利用多模光纤传输特性,实现更高数据速率、更高信道利用率等
[84]。此外,水下光纤网络逐渐向“全光网络结构”演变,摆脱电中继器束缚,迈向光放大、光交换、光处理等光传输模式,实现更加节约、高效、节能等。人工智能算法的应用,可实现海底网络自适应调用、故障补偿、资源调配等,大大推动网络自愈、性能稳定。
2.3 光电复合缆通信的发展趋势
水下光电复合缆是集通信和光电传感为一体的,近几年广泛应用于深海探测、智能装备互联和军用通信等领域。发展趋势主要有结构集成和智能感知两大方向,结构上集成一体化、高强重比,提高光波协同布线的强度和深水布放,如采用高模量复合质材料或软护套模块化布缆等方式,兼顾通信强度质量和维护便利性。感知方面主要是复合缆向综合化及智能感知方向发展,集成分布式光纤传感器、电学传感器、振动、温度、湿度等,综合感知电缆运行工况和周边环境,进行多参量感知,通过边缘计算+云端分析,实现故障自检、运行情况、通信质量预测,便于深海长期部署值守通信。
2.4 跨技术融合与协同发展方向
水下有线通信技术的发展已由单一链路性能提升,逐步向多模态融合与系统协同方向演进。面对复杂多变的海洋环境,单一通信体制难以兼顾带宽、覆盖与环境适应性等需求,构建多信道异构融合体系已成为重要趋势。当前,水下有线通信正与水声通信、无线光通信等技术相结合,形成优势互补的综合架构。
在中国水下通信领域,水声通信网络的信道建模与系统仿真已形成较为系统的研究基础,仿真方法由早期的传播损失建模逐步发展为融合多径结构、频率依赖衰减及协议耦合机制的综合平台
[85]。这为异构通信系统的协同设计提供了理论支撑。在实际应用中,可由有线通信承担高速稳定的主干链路,而以水声或光通信实现灵活组网与动态中继,从而提升网络覆盖率与容错能力。
同时,水下有线通信已与AUV、UUV及海底传感网等装备深度融合,为其提供低时延控制与高带宽数据回传通道。随着人工智能技术的引入,深度学习与图神经网络等方法被用于信道预测与误码检测,进一步提升系统的智能化与自适应能力。
3 结论
随着海洋信息基础设施建设的加速推进,水下有线通信技术在深海观测、能源开发、智能装备控制等领域发挥着不可替代的作用。从电力电缆通信、光纤通信与光电复合缆三大技术体系出发,系统梳理了其关键技术现状与发展趋势,得出以下结论。
(1)海底电力电缆通信已形成以“多层复合结构 + 浮力控制 + 智能建模”为核心的工程体系,确保了高压输电的稳定性和机械结构的可靠性。通过引入电-磁-热耦合建模与主动信号补偿机制,在一定程度上抑制了深海环境下的信号衰减。然而,其长期运行仍面临严峻挑战,尤其是XLPE绝缘层的水树老化、电缆阻抗失配与结构疲劳等问题,制约了系统的寿命与带宽拓展,亟须在材料抗老化、结构可靠性和智能监测方面持续突破。
(2)水下光纤通信技术依托低损耗光纤材料(如高纯度石英、氟化物玻璃、空芯光纤)、大容量复用架构(如SDM、MCF)以及高阶调制与信道编码技术(如LDPC、SC-LDPC),已成为深海大带宽、低延迟传输的核心支撑方案。其未来发展将聚焦于新型光纤的工程化应用、全光网络架构构建及基于AI的自愈优化调度,但仍面临器件功耗、复杂译码运算量大和深海能效等实际问题。
(3)水下光电复合缆通信通过将电力传输与光信号传输功能集成于单缆,实现了“一缆多用”的系统集成优势,显著提升了深海通信系统的部署效率与运维能力。近年来,随着传感器嵌入、状态监测与边缘计算技术的融合,光电复合缆正迅速向集通信、供电、感知、智能于一体的多功能集成方向迈进,成为构建智能化深海基础设施的关键支撑。然而,在传感器封装技术、能量调配策略以及多模态数据融合方面,光电复合缆仍面临一定的工程挑战和瓶颈。
总体而言,水下有线通信技术正从功能独立向系统融合,单一介质传输向多模态协同演进。未来的发展应进一步聚焦于材料科学、智能感知、系统集成与人工智能技术的深度融合,推动构建自适应、高可靠、低功耗的下一代深海信息网络体系。
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