一种海底电缆状态采集装置及方法与流程

本发明涉及光纤传感，特别是涉及一种海底电缆状态采集装置及方法。

背景技术：

1、海底电缆是一种用于跨海域传输电信和互联网数据的电缆系统，具有高带宽、长距离传输、低延迟、可靠性高、安全性好、维护成本低等优势。海底电缆在全球通信和互联网发展中起到了关键的作用，他们连接了世界各地的通信网络，实现了国际间的数据传输和通信，推动了全球信息的交流与共享。

2、然而，海底电缆也面临着一些挑战。首先，海底电缆受到海水压力、水温变化、盐度和海流等海洋环境因素的影响，这些环境因素可能导致电缆的损坏、腐蚀和断裂，影响数据传输的可靠性；其次，人为因素是海底电缆面临的最主要的威胁，尽管海底电缆铺设在海底，但仍然有可能受到人为破坏，如恶意破坏、捕捞活动或不慎的人为干扰，这些破坏行为可能导致电缆断裂或数据泄露；自然灾害也是影响海底电缆安全稳定运行的重要因素，海底地震、海啸、风暴和海洋底部活动等自然灾害可能对海底电缆造成破坏，这些灾害可能导致电缆的断裂、移位或损坏。

3、传统技术中，温度通常是通过散射光信号的频移或其他传感元件来测量的，而应变通常需要使用应变计或其他机械传感器进行监测。这些传统方法在很大程度上是离散的，需要多个传感设备来测量不同的参数，且难以实现分布式实时监测。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种海底电缆状态采集装置及方法。

2、本发明提供了一种海底电缆状态采集装置，所述装置包括激光发射器、第一支路、第二支路以及采集卡，所述第一支路和所述第二支路并联在所述激光发射器和所述采集卡之间；

3、所述第一支路包括第一声光调制器、第二声光调制器、第一掺铒光纤放大器、第一环形器、密集波分复用器、分布式拉曼放大器、第二掺铒光纤放大器、第二环形器、光纤光栅滤波器和第一光电探测器；其中，所述激光发射器与所述第一声光调制器的光信号输入端连通，所述第一声光调制器的输出端口与所述第二声光调制器的输入端口连通，所述第二声光调制器的输出端口与所述第一掺铒光纤放大器的输入端连通，所述第一掺铒光纤放大器的输出端与所述第一环形器的一号端口连通，所述第一环形器的二号端口与所述密集波分复用器的一号输入端口连通，所述密集波分复用器的另一个输入端口与所述分布式拉曼放大器的输出端连通，所述密集波分复用器的输出端适于连接待测光纤，所述第二掺铒光纤放大器的输出端与所述第二环形器的一号端口连通，所述第二环形器的二号端口与所述光纤光栅滤波器的一端连通，所述光纤光栅滤波器的另一端连接所述第一光电探测器的输入端，所述第一光电探测器的输出端连接所述采集卡的一个输入端；

4、所述第二支路包括电光调制器、偏振控制器、第二耦合器，第二光电探测器，滤波器和检波器；其中，所述激光发射器与所述电光调制器的光信号输入连通，所述电光调制器的输出端与所述偏振控制器的输入端连通，所述偏振控制器的输出端与所述第二耦合器一个输入端连通，所述第二耦合器的另一个输入端与所述第二环形器的三号端口连通，所述第二耦合器的输出端所述与第二光电探测器的输入端连通，所述第二光电探测器的输出端与所述滤波器的输入端连通，所述滤波器的输出端与所述检波器的输入端连通，所述检波器的输出端连接所述采集卡的另一个输入端；

5、所述采集卡通过所述第一支路采集瑞利散射信号，并通过所述第二支路采集布里渊光时域反射信号。

6、上述的海底电缆状态采集装置可以实现多参数传感，包括瑞利散射信号和布里渊光时域反射信号的采集。通过第一支路采集瑞利散射信号，用于监测海底电缆的温度等参数，通过第二支路采集布里渊光时域反射信号，用于检测应变等参数，这种多参数传感可以提供全面的状态监测。装置中还包括分布式拉曼放大器，用于增强信号质量和传感距离，有助于实现分布式传感，允许对海底电缆状态进行连续监测，而不仅仅是在特定点进行采集。装置还使用了多个光学元件和设备，如声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、光纤光栅滤波器、电光调制器等，以处理和分析光信号，这些光学元件有助于提高信号的质量和可靠性。由于分布式传感和多参数采集，该装置可以提供实时的、连续的状态监测，有助于及时检测和诊断潜在问题，从而增加了系统的可靠性和安全性。

7、在其中一个实施例中，还包括第一耦合器，所述第一耦合器的输入端与所述激光发射器连接，输出端分别连接所述第一声光调制器和所述电光调制器，所述激光发射器产生的连续光信号通过所述第一耦合器拆分后分别进入所述第一支路和第二支路。

8、在其中一个实施例中，所述激光发射器产生的连续光信号经所述第一耦合器后进入所述第一支路和第二支路的耦合比为90:10。

9、在其中一个实施例中，所述第二声光调制器驱动电脉冲与所述第一声光调制器驱动电脉冲同步，前沿超前5ns，后沿滞后5ns。

10、在其中一个实施例中，还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器分别连接并控制所述第一声光调制器、第二声光调制器、微波源和采集卡；

11、所述微波源连接并控制所述电光调制器。

12、在其中一个实施例中，所述电光调制器的驱动电信号为微波信号，输出的光信号为双边带调制的连续光。

13、在其中一个实施例中，所述光纤光栅滤波器的输入信号中包括瑞利散射信号以及上下两边带的布里渊散射信号，所述光纤光栅滤波器与所述下边带的布里渊散射信号对齐以透射所述瑞利散射信号并反射所述下边带的布里渊散射信号。

14、在其中一个实施例中，所述第二耦合器的耦合比为50:50。

15、本发明还提供一种海底电缆状态采集方法，所述方法包括:

16、通过拉曼光时域分析仪(dts)获取待测光纤的温度分布δtemi；

17、通过上述的海底电缆状态测量装置对所述待测光纤进行状态参量采集，获取利散射信号和布里渊频移变化量；

18、根据所述瑞丽散射信号确定所述待测光纤的振动分量，并根据所述温度分布δtemi以及所述布里渊频移变化量，确定所述待测光纤的应变状态。

19、在其中一个实施例中，所述根据所述温度分布以及所述布里渊频移变化量，确定所述光纤的应变状态，包括：

20、根据公式和所述温度分布δtemi以及所述布里渊频移变化δvb，求解所述光纤的应变参量δε，其中，和为布里渊频移的温度系数和应变系数。

21、上述的海底电缆状态采集方法可以同时获取海底电缆的振动、温度和应变信息，这是一种多参量测量的技术，它使海底电缆状态的监测更加全面。通过采用布里渊散射频移，该方法实现了高精度的海底电缆状态测量。布里渊散射频移对应用环境的温度和应变非常敏感，因此可以实现高精度的数据采集。采用光纤布里渊频移作为温度的参考点，实现了温度和应变的分离。这意味着即使在海底电缆存在温度变化的情况下，也可以准确地测量应变，而不受温度的影响。

技术特征：

1.一种海底电缆状态采集装置，其特征在于，所述装置包括激光发射器(1)、第一支路(2)、第二支路(3)以及采集卡(4)，所述第一支路(2)和所述第二支路(3)并联在所述激光发射器(1)和所述采集卡(4)之间；

2.根据权利要求1所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，还包括第一耦合器(6)，所述第一耦合器(6)的输入端与所述激光发射器(1)连接，输出端分别连接所述第一声光调制器(201)和所述电光调制器(301)，所述激光发射器(1)产生的连续光信号通过所述第一耦合器(6)拆分后分别进入所述第一支路(2)和第二支路(3)。

3.根据权利要求2所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，所述激光发射器(1)产生的连续光信号经所述第一耦合器(6)后进入所述第一支路(2)和第二支路(3)的耦合比为90:10。

4.根据权利要求1所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，所述第二声光调制器(202)驱动电脉冲与所述第一声光调制器(201)驱动电脉冲同步，前沿超前5ns，后沿滞后5ns。

5.根据权利要求4所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，还包括脉冲发生器(7)和微波源(8)，所述脉冲发生器(7)分别连接并控制所述第一声光调制器(201)、第二声光调制器(202)、微波源(8)和采集卡(4)，所述微波源(8)连接并控制所述电光调制器(301)。

6.根据权利要求1所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，所述电光调制器(301)的驱动电信号为微波信号，输出的光信号为双边带调制的连续光。

7.根据权利要求1所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，所述光纤光栅滤波器(209)的输入信号中包括瑞利散射信号以及上下两个边带的的布里渊散射信号，所述光纤光栅滤波器(209)与所述下边带的布里渊散射信号对齐以透射所述瑞利散射信号并反射所述下边带的的布里渊散射信号。

8.根据权利要求1所述的海底电缆状态采集装置，其特征在于，所述第二耦合器(303)的耦合比为50:50。

9.一种海底电缆状态采集方法，其特征在于，所述方法包括:

10.根据权利要求9所述的海底电缆状态采集方法，其特征在于，所述根据所述温度分布以及所述布里渊频移变化量，确定所述光纤的应变状态，包括：

技术总结
本发明提供了一种海底电缆状态采集装置及方法，所述装置包括激光发射器、第一支路、第二支路以及采集卡，所述激光发射器的输出端口分别连接所述第一支路的输入端口和所述第二支路的输入端口，所述采集卡的第一输入端口连接所述第一支路的输出端口，所述采集卡的第二输入端口连接所述第二支路的输出端口，所述采集卡通过所述第一支路采集瑞利散射信号，并通过所述第二支路采集布里渊光时域反射信号。本装置可以检测海底电缆的温度、应变和震动参量，能够实现分布式传感，以对海底电缆状态进行连续监测。还提供一种海底电缆状态采集方法，采用光纤布里渊频移作为温度的参考点，实现了温度和应变的分离。

技术研发人员：蔡晔,蒋道宇,岑贞锦,吕泰龙,黄小卫,王朝硕,左干清,郭强,王剑英,蔡驰,曾开宇,李晓骏,陈航伟,张世冠,朱德高,胡轶璘
受保护的技术使用者：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21