一种基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统的制作方法

本发明涉及一种分布式光纤传感系统，具体涉及用于长跨距物理安全监测的、上行传输扰动监测信号时分复用和空分复用结合的岸基探测的一种基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统。

背景技术：

海底光缆是铺设在海底的通信传输线缆，是国际互联网和其他水下光网络的重要组成部分。但是海底光缆很容易受损，如地震、船锚及渔网等均有可能破坏海底光缆，甚至还可能有人为破坏。目前有电中继海底光缆的每一段都接有一个中继放大器，以补偿光信号在此段光纤上的传输损耗，将光信号放大至原有功率水平。此类有电中继海底光缆一般采用cotdr(coherentdetectionotdr相干检测光时域反射计，otdropticaltimedomainreflectometer，光时域反射仪)实现光纤链路的健康检测，具有检查整个光纤链路上各放大器的信号增益、光缆是否断裂以及对断点定位等功能。

但cotdr不能实现类似φ-otdr的光缆扰动监测功能，也就无法对破坏行为实时预警，无法为制止破坏行为提供技术保障。

当前陆地上使用的光缆扰动监测技术，最大仅支持约100km的监测范围，双端检测也仅能达到200km,无法跨过海底光缆的中继放大器，无法满足有电中继海底光缆超长跨距监测范围的要求。

光频域反射仪ofdr是1990年代逐步发展起来的一种高分辨率的光纤测量技术，与常用的光时域反射仪otdr不同的是，otdr通过发射时域脉冲信号、检测脉冲飞行时间、利用脉冲飞行时间和目标距离成正比的关系进行光纤诊断测量，而ofdr通过发射连续调频激光信号、检测目标反射光与本振光的差拍频率、利用差拍频率和目标距离成正比的关系进行光纤诊断测量。ofdr比otdr灵敏度高、分辨率高，但ofdr的调频光源技术难度大、成本高，扰动信号的相位解调难度大，因此目前尚未见用于海底光缆扰动监测的报道。

目前研发的基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统，采用ofdr技术，岸基光源发射的探测光信号跨中继下行传输，分段检测海底光缆扰动，每段分别以数字采样回传的方式，实现了1000km以上的长跨距有电中继海底光缆的扰动监测。其中，采用调频连续波技术的水下采样有中继海底光缆扰动监测系统比otdr延伸技术的下行探测光信号的平均功率大，光信号放大的信噪比更高，更适合跨中继的长距离探测。然而，使用数字采样回传，将不得不在海底中继放大器或水下节点内增加有源模块，降低了海底中继器或水下节点的可靠性。

目前研发的基于岸基探测的有中继海底光缆扰动监测系统，采用多波长调频脉冲光源作为下行探测光信号，以扰动监测的模拟光信号直接回传，相邻各分段采用交替选择扰动监测信号波长的方式与扰动监测信号时分复用相结合上行传输，避免了各分段扰动监测光信号差拍频谱及光波长重叠、单纤无法进行复用的问题，仅占用一对光纤的几个光波长信道就实现了dwdm模式下的海缆跨中继扰动监测。但是，因为需要配置使用多波长的调频脉冲光源，故存在海底光缆扰动监测设备成本高昂的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统，本时分复用和空分复用的有电中继海底光缆扰动监测系统基于ofdr技术，探测光源输出调频脉冲光信号接入下行传输光纤，每个中继段的下行传输光纤在下行中继放大器之后接有光纤干涉仪，然后经下行传输光纤连接至下一段的下行中继放大器。探测光信号在每个中继段下行传输光纤中产生后向瑞利散射信号,与光纤干涉仪的本地光信号相干，产生该中继段海底光缆的扰动监测信号，接入此中继段的滤波器，再经此中继段的光纤耦合器进入上行传输光纤的一根上行光纤进入该上行光纤所接的本段上行中继放大器，最终由上行光纤回传到解调设备。调频激光脉冲的宽度是海缆中继段往返延时的n倍,上行传输光纤中含至少n根上行光纤，n根上行光纤空分复用回传海底光缆各中继段的扰动监测信号，解调设备根据不同的上行光纤及脉冲前沿时间区分各段的扰动监测信号，并对数据分析解调，预警各中继段海底光缆的安全状态。本发明实现分段检测海底光缆扰动、并通过时分复用和空分复用将扰动监测光信号直接回传到岸基解调设备，实现了1000km以上的长跨距有电中继海底光缆的扰动监测和定位。

本发明设计的一种基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统，包括探测光源、中继放大器、下行传输光纤、光纤干涉仪、上行传输光纤和解调设备，探测光源输出的探测光信号接入海底光缆下行传输光纤，所述下行传输光纤每一段先接一个下行中继放大器，将探测光信号放大至探测光源发射的功率水平，以保证长距离传输；下行中继放大器之后接有光纤干涉仪，然后连接本段下行传输光纤；两个相邻下行中继放大器之间的光纤长度小于或等于100km，称为中继段；本系统的各中继段还包括滤波器和光纤耦合器，滤波器的透射波长与探测光源的中心波长一致；所述探测光源为单波长调频脉冲光源，探测光信号的调频脉冲宽度为n倍的海底光缆一个中继段的往返延时，n为2至8的整数；调频脉冲周期大于待监测的有中继海底光缆的全长的往返延时；所述各中继段的上行传输光纤中含至少n根上行光纤；探测光源发出的探测光信号进入某中继段的光纤干涉仪分为两束，一束沿本段下行传输光纤进行下行传输，另一束作为本地光信号；在该中继段下行传输光纤产生的后向瑞利散射信号在光纤干涉仪与本地光信号相干，产生该中继段海底光缆的扰动监测信号，本段光纤干涉仪输出的扰动监测信号接入此中继段的滤波器，滤波器仅透射扰动监测信号，滤波器的输出端经此中继段的光纤耦合器连接上行传输光纤中的一根上行光纤，之后接入该上行光纤连接的上行中继放大器。n个连续的中继段的扰动监测信号按序依次选择上行传输光纤中的第一根至第n根上行光纤上行回传，下一组n个连续的中继段的扰动监测信号再按序依次选择上行传输光纤中的第一根至第n根上行光纤上行回传，避免了同一根上行光纤内的相邻扰动监测信号在时域上重叠。上行传输光纤回传的各中继段的扰动监测信号经采样设备的n个采样通道分别数字采样后传输到解调设备，采样设备包括光电转换和模数转换模块，将光信号光电转换为电信号，再模数转换为数字信号。解调设备区分各中继段的扰动监测信号，并对数据分析解调，预警各中继段海底光缆的安全状态。

因为各个中继段下行传输光纤各点的后向瑞利散射信号的相干外差积分时间与距离各光纤干涉仪的长度之间呈反向比例关系，即距离越远，其相干外差积分时间越短，不利于中继段内与光纤干涉仪距离较远的光纤的扰动探测，为此本发明采用时分复用和空分复用结合的方案。

探测光信号在某个中继段的下行传输光纤产生的后向瑞利散射信号与本地光信号相干，探测光信号的脉冲上升沿进入光纤干涉仪，输出扰动监测光信号，当探测光信号的脉冲下降沿进入光纤干涉仪，相当于本地光信号不复存在，因此相干产生的扰动监测信号是与探测光源的探测光信号脉冲宽度相等的脉冲信号，由于脉冲的宽度大于海底光缆一个中继段往返的延时，保证了海底光缆某一中继段最远处的后向瑞利散射信号也能相干接收。

所述上行传输光纤至少含有n根上行光纤，参与上行传输海底光缆扰动检测信号的上行光纤为n根，n等于探测光源的脉冲宽度相对于海底光缆一个中继段往返延时的倍数。1至n个中继段的滤波器透射滤波所得的各段扰动监测信号，本段滤波器连接本段的1×2光纤耦合器，第x个中继段的1×2光纤耦合器选择第y根上行光纤进行合束，y＝xmodn，即y为x除以n所得余数，但y≠0，当x被n整除时y＝n，y为1至n。同一根上行光纤的不同中继段扰动监测信号，因中继段的位置不同故脉冲时延不同。相邻中继段的扰动监测信号脉冲的前沿相差一个中继段往返延时差。本发明通过1至n个中继段选择上行传输光纤第一至第n根上行光纤传输扰动监测脉冲信号，避免波长相同、脉冲宽度大于相邻中继段脉冲延时差的扰动监测脉冲信号在时域叠加，即经空分复用和时分复用将各中继段的扰动监测信号复用于n根上行光纤。解调设备根据不同的上行光纤和脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号。

所述探测光源、采样设备、解调设备以及第ⅰ中继段的下行中继放大器、光纤干涉仪、滤波器、光纤耦合器和上行中继放大器为本端的岸基设备。

最佳方案n＝2，探测光信号的调频脉冲宽度为2倍的海底光缆一个中继段的往返延时，上行传输光纤第一至第n根上行光纤含至少2根上行光纤。各段滤波器连接本段的1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器选择连接与本中继段相隔一个中继段的滤波器所接的那根上行光纤进行合束。

探测光源的脉冲宽度稍小于中继段往返延时的n倍，脉冲宽度与n倍中继段往返延时的差为20纳秒至1微秒。以使相邻中继段的探测光信号的脉冲之间保留一定的时间缝隙，避免相邻中继段扰动监测信号的脉冲重叠，便于区分不同中继段的扰动监测信号。

所述光纤干涉仪为mz光纤干涉仪(mach-zehnder干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪)，包括光纤分路器、光纤环形器和3db光纤耦合器，光纤分路器的分光比为(5/95)～(50/50)，探测光信号在光纤分路器分为2路，其中一路大分光比的探测光信号接入光纤环形器的第一端口，之后由光纤环形器第二端口输出，接入下行传输光纤继续下行传输；光纤分路器输出的小分光比的探测光信号作为本地光信号接入3db光纤耦合器；下行传输光纤上产生的后向瑞利信号由光纤环形器第二端口返回到光纤环形器，并由光纤环形器的第三端口接入所述3db光纤耦合器与本地光信号相干，3db光纤耦合器输出本中继段下行传输光纤的海底光缆扰动监测信号。

所述mz光纤干涉仪在光纤分路器连接3db光纤耦合器的本振光的干涉臂和光纤环形器连接3db光纤耦合器的后向瑞利散射信号的干涉臂上，在进入3db光纤耦合器之前，分别接入一个消偏器，以降低偏振调制的影响，提高相干性能。

本系统增加分支海光缆的扰动监测支路。主干海底光缆的某个中继段接入分支海光缆，上行传输光纤对应增加1根或2根上行光纤以用于分支海光缆扰动监测信号的传输，探测光信号在下行传输光纤上的1×2光纤分路器分为2路，一路沿下行传输光纤继续下行传输，进入本中继段的光纤干涉仪；另一路进入分支缆光纤干涉仪，探测光信号经过分支缆光纤干涉仪后沿分支海光缆继续下行传输，在分支海光缆上产生的后向瑞利散射信号与其本地光信号在分支海光缆光纤干涉仪相干，得到该分支海光缆的扰动监测信号，分支海光缆的扰动监测信号经分支缆滤波器透射滤波后经主干海底光缆的1×2光纤耦合器接入上行传输光纤中传输分支海光缆扰动监测信号的上行光纤，上行传输至岸基采样设备，再接至解调设备。

当主干海光缆上串联有n台分支设备，所述n小于本系统中继段的总数；当连接各分支设备的分支海光缆的长度小于或等于主干海底光缆中继段长、相邻两台分支设备之间的距离大于2倍的主干海底光缆中继段长时，仅需增加一根上行光纤，采用时分复用方法传输各分支海光缆的扰动监测信号；当连接各分支设备的分支海光缆的长度小于或等于主干海底光缆中继段长、相邻两台分支设备之间的距离大于主干海底光缆中继段长、小于2倍的主干海底光缆中继段长时，需增加2根上行光纤，采用空分复用和时分复用结合的方法传输各分支海光缆的扰动监测信号；以避免两台相邻分支设备分支海光缆的扰动监测信号的脉冲不会重叠在一起。

与现有技术相比，本发明基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统的有益效果是：1、克服了海底光缆扰动监测系统不能透过海底光缆各段的中继器的问题，将海底光缆扰动监测系统的探测距离从100km以内提高到数千公里，满足了长跨距海底光缆物理安全实时监测的要求；2、无需数字采样模块，也就不需要增加海底的有源设备，本监测系统为水下全程光信号传输；3、探测光源仅使用一个波长，降低了设备成本；4、下行调频脉冲信号仅占用一根下行光纤的1个信道，可以与其他数字通信业务信号波分复用；上行的海缆监测信号仅占用n根上行光纤的各自1个信道，也可以与其他数字通信业务信号波分复用；5、支持海底光缆的分支海光缆的扰动监测；完成主干缆扰动监测的同时实现对其分支海光缆的扰动监测；6、基于ofdr技术的本发明方案不仅可以完全替代cotdr设备，还可完成实时扰动监测定位和海缆故障点定位，本设备在单位时间内的相干积分时间是cotdr相干积分时间的1000倍以上，可以在秒级时间内完成相干信号的采样和信号处理，相对于cotdr的十分钟量级的响应速度，本设备大大提升了设备的响应速度和响应灵敏度。

附图说明

图1为本基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1的结构示意图；

图2为本基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1的单波长扰动监测脉冲时域结构示意图；

图3为本基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1的mz光纤干涉仪结构示意图；

图4为本基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例2的结构示意图。

具体实施方式

基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1

本基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1结构示意图如图1所示，探测光源输出的探测光信号接入海底光缆下行传输光纤，所述下行传输光纤每一段先接一个下行中继放大器，下行中继放大器之后接有光纤干涉仪，然后连接本段下行传输光纤；本例两个相邻下行中继放大器之间的下行传输光纤长度为100km，称为中继段。本例探测光源为单波长窄线宽调频脉冲光源，探测光信号的调频脉冲宽度为2倍的海底光缆一个中继段的往返延时，调频脉冲周期大于待监测的有中继海底光缆的全长的往返延时。

本例各中继段的上行传输光纤含2根上行光纤参与传输各中继段的扰动监测信号。

图1所示为本例第ⅰ中继段和第ⅱ中继段的结构示意图，探测光源输出的探测光信号接入第ⅰ中继段的第ⅰ下行中继放大器——下行edfaⅰ，再接入光纤干涉仪ⅰ，之后连接第ⅰ段下行传输光纤，探测光信号在第ⅰ中继段下行传输光纤产生的后向瑞利散射信号与光纤干涉仪ⅰ的本地光信号相干，产生的该中继段海底光缆的扰动监测信号，光纤干涉仪ⅰ输出的扰动监测信号接入第ⅰ中继段的滤波器ⅰ，滤波器ⅰ透射第ⅰ段海光缆的扰动监测信号经第ⅰ中继段的光纤耦合器ⅰ进入上行传输光纤ⅰ中的上行光纤a的上行edfaⅰa，最终由上行光纤a回传到采样设备的a采样通道，经数字采样输出到解调设备。第ⅱ中继段的光纤干涉仪ⅱ的结构与第ⅰ中继段的光纤干涉仪ⅰ相同，光纤干涉仪ⅱ输出的扰动监测信号接入第ⅱ中继段的滤波器ⅱ，滤波器ⅱ透射扰动监测信号经第ⅱ中继段的光纤耦合器ⅱ进入上行光纤ⅱb的上行edfaⅱb，最终由上行光纤b回传到采样设备的b采样通道，经数字采样输出到解调设备。上行传输光纤中的一根上行光纤a传输ⅰ、ⅲ、ⅴ、ⅶ等中继段的扰动监测信号，另一根上行光纤b传输ⅱ、ⅳ、ⅵ、ⅷ等中继段扰动监测信号。解调设备根据不同上行光纤和信号脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号。本例2根上行光纤传输扰动监测信号的脉冲时域结构示意图如图2所示。

本例ⅰ、ⅲ、ⅴ、ⅶ等中继段的扰动监测信号合束于上行光纤a，ⅱ、ⅳ、ⅵ、ⅷ等中继段的扰动监测信号合束于上行光纤b。

本例探测光源的脉冲宽度稍小于2倍的海底光缆中继段的往返延时，即为2ms-0.5μs。

本例光纤干涉仪为mz干涉仪，如图3所示，包括光纤分路器、光纤环形器和3db光纤耦合器，分路器的分光比为90:10，探测光信号在光纤分路器分为2路，其中一路大分光比的探测光信号接入光纤环形器的第一端口①，之后由光纤环形器第二端口②输出，接入下行传输光纤继续下行传输；分路器输出的小分光比的探测光信号作为本地光信号接入3db光纤耦合器；下行传输光纤上产生的后向瑞利信号由光纤环形器第二端口②返回到光纤环形器，并由光纤环形器的第三端口③接入所述3db光纤耦合器与本地光信号相干，3db光纤耦合器输出本中继段下行传输光纤的海底光缆扰动监测信号。

本例mz光纤干涉仪在光纤分路器连接3db光纤耦合器的本振光的干涉臂和光纤环形器连接3db光纤耦合器的后向瑞利散射信号的干涉臂上，在进入3db光纤耦合器之前，分别接入一个消偏器，本例采用lyot消偏器。

基于时分空分复用的有中继海底光缆扰动监测系统实施例2

本系统的基本结构与实施例1相似，但增加连接分支设备的分支海光缆的扰动监测支路。图3所示为主干海底光缆的某个连接分支设备的中继段的结构示意图，本例主干海光缆上串联有5台分支设备，当每台分支设备所接的分支海光缆的长度均小于或等于主干海底光缆中继段长、相邻两台分支设备之间的距离大于2倍的主干海底光缆中继段长时，仅需增加一根上行光纤c采用时分复用的方法传输5条分支海光缆的扰动监测信号。图3中该中继段经1台分支设备连接1条分支海光缆。探测光信号在1×2光纤分路器分为2路，一路沿主干海底光缆的下行传输光纤继续下行传输，另一路接入分支缆光纤干涉仪，探测光信号经过分支缆光纤干涉仪后沿该分支海光缆继续下行传输，在该分支海光缆上产生的后向瑞利散射信号与其本地光信号在分支缆光纤干涉仪相干，得到此中继段上该分支海光缆的扰动监测信号，分支海光缆的扰动监测信号经分支缆滤波器送入分支缆光纤耦合器，与上行传输光纤中传输分支海光缆扰动监测信号的上行光纤c的信号合束，上行传输至分支海光缆采样设备采样通道c，采样后送入解调设备。

如果主干海光缆上串联的5台分支设备，每台分支设备所接的分支海光缆的长度小于或等于主干海底光缆中继段长同时相邻两台分支设备之间的距离大于主干海底光缆中继段长、小于2倍的主干海底光缆中继段长时，需增加2根上行光纤，即增加上行光纤c和上行光纤d，采用空分复用和时分复用结合的方法传输5条分支海光缆的扰动监测信号；以确保两台相邻分支设备的扰动监测信号的脉冲不会重叠在一起。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。