用于检测和定位海底线缆上的外部攻击的系统和装置的制作方法

背景技术：

本公开的实施方案涉及光通信系统的领域。更具体地，本公开涉及一种用于检测和定位海底光缆上的外部攻击的系统和装置。

相关领域的讨论

在海底光纤通信系统中，许多光缆可沿海床以各种方向布置。由于光缆暴露于海底环境，所以可能发生对光缆的外部损伤，该外部损伤中的一些可能由不同物体造成。例如，拖网渔船可能沿海洋底部拖曳或牵拉拖网，并且无意地切割或以其他方式损伤光缆。此外，沿着海底拖动的锚可造成对线缆的外部损伤。这些类型的外部损伤可称为外部攻击。

当外部攻击发生在光缆上时，重要的是快速定位和修复该攻击，使得沿该线缆的数据发射可恢复。然而，因为光缆跨越较大的距离，所以精确定位(pinpointing)外部攻击的位置(或甚至大体附近)可能是繁琐且耗时的任务。

可以为光缆配备可感测外部攻击的传感器。然而，该方法存在至少两个问题。首先，与为每根光缆(在通信系统的许多光缆中)配备必要数量的传感器相关联的成本可能非常高并且难以证明是合理的。第二，许多政府和监管机构可能不允许线缆配备有外部传感器并且在其司法管辖区内着陆。

因此，需要一种系统，该系统可在不在光缆上使用任何新传感器或海底设备的情况下提供该光缆上发生外部攻击的早期警告和该外部攻击的位置(或大约位置)。

技术实现要素：

本公开的实施方案涉及一种用于检测和定位至少一根光缆上的外部攻击的系统。该系统可包括第一接收器，该第一接收器具有存储器和一个或多个处理器以接收从第一发射器发射的第一信号并对该第一信号执行分析以恢复与该第一信号相关联的第一偏振状态(sop)。该第一接收器的该一个或多个处理器进一步确定在该第一sop的该恢复期间是否发生第一快速偏振变化，其中该第一快速偏振变化指示在光缆上已发生外部攻击，并且该一个或多个处理器还确定与该第一快速偏振变化的发生对应的第一时间或第一时间段。

此外，该系统包括第二接收器，该第二接收器具有存储器和一个或多个处理器以接收从第二发射器发射的第二信号并对该第二信号执行分析以恢复与该第二信号相关联的第二sop。该一个或多个处理器进一步确定在该第二sop的该恢复期间是否发生第二快速偏振变化，其中该第二快速偏振变化指示在光缆上已发生外部攻击，并且进一步确定与该第二快速偏振变化的发生对应的第二时间或第二时间段。

系统可确定分别与第一快速偏振变化和第二快速偏振变化的发生对应的第一时间与第二时间之间或者第一时间段与第二时间段之间的时间偏移，并且至少部分地基于所确定的时间偏移来估计外部攻击在光缆上的位置。

本公开的另一个实施方案涉及一种用于检测和定位至少一根光缆上的外部攻击的装置。该装置可包括存储器和一个或多个处理器以接收信号并对该信号执行分析以恢复与该信号相关联的偏振状态(sop)。该装置还确定在该sop的恢复期间是否发生第一快速偏振变化，其中该第一快速偏振变化指示在至少一根光缆上已发生外部攻击，并且还确定与该第一快速偏振变化的发生对应的第一时间或第一时间段。可由该装置确定时间偏移以估计外部攻击的位置。

本公开的又一个实施方案涉及一种用于检测和定位至少一根光缆上的外部攻击的方法。该方法可包括：从发射器接收信号；对该信号执行分析以恢复与该信号相关联的偏振状态(sop)；确定在该sop的恢复期间是否发生第一快速偏振变化，其中该第一快速偏振变化指示在至少一根光缆上已发生外部攻击；确定与该第一快速偏振变化的发生对应的第一时间或第一时间段；以及至少部分地基于对应于第一快速偏振变化的发生的第一时间或第一时间段与对应于第二快速偏振变化的发生的第二时间或第二时间段之间的时间偏移来估计外部攻击在该至少一根光缆上的位置。

附图说明

图1示出了根据本公开的一个或多个实施方案的示例性光通信系统。

图2示出了根据本公开的一个或多个实施方案的传输光纤的示例性输入偏振和输出偏振。

图3示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用于检测和定位外部攻击的示例性数据发射器和接收器。

图4示出了根据本公开的一个或多个实施方案的示例性偏振恢复部件。

图5示出了根据本公开的一个或多个实施方案在海底光通信系统的线缆上的示例性外部攻击。

图6示出了根据本公开的一个或多个实施方案的两个快速波动测量之间的时间偏移的示例性估计。

具体实施方式

本发明涉及一种用于在不向现有光纤通信系统添加任何新部件、设备或成本的情况下实时或基本上实时地检测和定位海底光缆上的外部攻击的系统和装置。根据实施方案，在双向光通信系统中，位于相对端子处的相干转发器的每个接收器可检测和分析连接在两者之间的至少一个光纤对上发射的一个或多个信号的偏振状态(sop)。基于该分析，每个接收器可确定sop中是否已发生快速波动或快速偏振变化，该快速波动或快速偏振变化的发生可指示线缆上的外部攻击。通过观察两个传播方向之间的偏振扰动(例如，快速偏振变化)的时间偏移，可估计外部攻击的位置。例如，如果时间偏移为零或约零，则外部攻击的位置可在线缆的中心处或附近。

如上所述，为光缆配备传感器以检测外部攻击造成了各种问题，诸如与成本和合规性相关的问题。本文所公开的涉及用于识别和定位一根或多根海底线缆上的外部攻击的新的和新型的系统的一个或多个实施方案、示例和/或方面有利地不需要线缆上的任何新的设备、部件、传感器等。

现在将在下文中参考附图更完整地描述本发明，附图中示出了本发明的优选的实施方案。然而，本发明能够以许多不同的形式来体现，并且本发明不应该被理解为仅限于本文阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开周密且完整，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在整个附图中，类似的数字是指类似的元件。

参见附图，图1示出了示例性双向光通信系统101。双向光通信系统101可使用高带宽光纤以在长距离上发射大量数据。双向数据发射可通过在线缆内构造成对的光纤路径并且每个光纤对传输一个或多个波分复用通道来实现。

如图所示，光通信系统101可包括由两个单向光路径111、121连接的端子103和105，该两个单向光路径一起形成双向光路径对。光路径111可沿一个方向(例如，向右)将信息从端子103处的发射器113传输到端子105处的接收器115。光路径121可沿另一方向(例如，向左)将信息从端子105处的发射器125传输到端子103处的接收器123。相对于端子103，光路径111为出向路径(outboundpath)并且光路径121为入向路径(inboundpath)。光路径111可包括光纤117-1至117-n和光放大器119-1至119-n，并且光路径121可包括光纤127-1至127-n和光放大器129-1至129-n。应当理解的是，在一些示例中，发射器113和接收器123可一起作为转发器容纳在端子103处，并且类似地，发射器115和接收器125也可一起作为转发器容纳在端子105处。

光路径对(例如，光路径111、121)可被配置为中继器131-1至131-n内的一组放大器对119-1至119-n和129-1至129-n，这些中继器由成对的光纤117-1至117-n和127-1至127-n连接，这些成对的光纤可以与支撑附加路径对的光纤一起包括在光纤线缆中。每个中继器131可包括用于每个光纤对的一对放大器119、129，并且可包括用于附加路径对的附加放大器。光放大器119、129可利用edfa或其他稀土掺杂纤维放大器、拉曼放大器或半导体光放大器。耦接路径133-1至133-n可耦接在例如中继器131-1至131-n中的一个或多个中的光路径111、121之间。

虽然示出和描述了光通信系统101的示例性实施方案，但光通信系统101的变型在本公开的范围内。光通信系统101可包括例如更多的光路径对和更多或更少的中继器。另选地，光通信系统101可不包括任何光放大器，或者可包括适于通过在连接中继器的光纤内进行拉曼放大来实现光学增益的光泵电源来替代光放大器。

此外，应当理解的是发射器、接收器、包含发射器和接收器的转发器、或用于发射和接收数据的任何其他合适的设备可包括至少一个存储器和一个或多个处理器(例如，cpu、asic、fgpa、任何常规处理器等)以执行存储在存储器中的指令，例如以基于偏振状态(sop)分析来识别和定位外部攻击，如将在下文进一步所述。

图2示出了传输光纤201的示例性输入偏振和输出偏振。根据一个实施方案，传输光纤201可以是海底光通信系统的单模传输光纤。可以理解的是，单模传输光纤不保持偏振状态(sop)。因此，光纤本身可以是用于检测或识别外部攻击的有效传感器，因为任何机械和/或热扰动引起发射信号上的偏振变化。

例如，如图2所示，在传输光纤201的发射端206处的输入偏振204(其由虚线箭头示出)可具有与垂直轴线(例如，y轴)平行的初始位置。在传输光纤201的接收端208处，输出偏振210(也由虚线箭头示出)具有不同于输入偏振204的初始位置的位置，例如，输出偏振210相对于垂直轴线成角度地定位。这种类型的观察到的在输入偏振204的输入sop与输出偏振210的输出sop之间的变化(例如，快速变化)可指示在传输光纤201上已发生机械和/或热扰动。通过观察输出sop的突然或异常变化，诸如输出sop的快速波动，可以确定可能已发生外部攻击。

图3示出了用于检测和定位外部攻击的示例性发射器-接收器系统300。根据一个实施方案，发射器-接收器系统300可使用或实现例如以预定的传输速率(例如，每个波长通道100gb/s)操作的双偏振正交相移键控(dp-qpsk)调制格式，其中独立数据流在两个不同的偏振(例如，x偏振和y偏振)上传输。如图所示，发射器是可位于第一位置(例如，第一端子)处的dp-qpsk发射器301，并且接收器是可位于第二位置(例如，第二端子)处的dp-qpsk接收器321。应当理解的是，发射器-接收器系统300可以是双向光通信系统的一部分，并且因此第二dp-qpsk发射器(未示出)可位于第二端子处并且被配置为将数据发射到位于第一端子处的第二dp-qpsk接收器(未示出)。每个端子处的发射器-接收器对可作为相干转发器包括在同一外壳中。

dp-qpsk发射器301可包括两种不同的qpsk调制器302和304。qpsk调制器302可接收两个二进制数据流，并且使用至少激光器306调制y偏振上的数据流。类似地，qpsk调制器304还可接收两个二进制数据流，但是qpsk调制器304的不同之处在于其可使用激光器306调制x偏振上的数据流。可将两种不同的偏振输入到组合器308中以提供双偏振信号，该双偏振信号在传输光纤的一个端部处输入。

dp-qpsk接收器321可包括至少90度移位器326(诸如90度光学桥接器(opticalhybrid))、二极管对328、330和数字信号处理器(dsp)332。虽然图2示出了布置在dp-qpsk接收器321外部的本地振荡器(lo)324，但是在一些实施方案中，lo324可被包括在dp-qpsk接收器321中。如图所示，在传输光纤的另一端处输出的输出偏振可连同来自本地振荡器(lo)324的信号一起被输入到90度移位器326，该90度移位器输出四个经移位的信号。二极管对328和330可接收这些信号，并且例如提取调制。然后dsp332可对信号执行处理，使得该信号中包含的信息可被进一步处理、显示、分析或转换成可使用的另一信号。例如，dsp332可包括偏振恢复部件或特征，如下文将进一步所述。应当理解的是，dsp332可包括用于存储(多个)程序和数据两者的存储器、一个或多个计算引擎(例如，处理器)，以及用于与外部部件(诸如二极管对328、330)进行交互的输入/输出(i/o)。

因为如在dp-qpsk接收器321的本地参考坐标系(localreferenceframe)中所观察到的，沿着发射器-接收器系统300的随机双折射扰动可将数据流或通道混合在一起(例如，水平和竖直偏振)，所以接收器321可使用dsp332和用于实时(或基本上实时)dsp“低外差(intradyne)”技术的其他合适硬件来实现信号检测过程的“相干”方面。因此，“低外差接收器(intradynereceiver)”可使用光学器件和高速数字信号处理的组合来检测在两个偏振中发射的数据。此外，如上所述，当所接收的sop表现出sop的快速波动或任何其他观察到的快速偏振变化时，dp-qpsk接收器可能能够检测到在传输光纤上已发生外部攻击。

图4示出了根据实施方案的示例性偏振恢复部件401。如上所述，偏振恢复部件401可被实现为软件和/或硬件，并且可被包括在发射器-接收器系统的相干接收器的数字信号处理器中或者作为其一部分。为了便于解释，将关于图3的部件和特征来描述偏振恢复部件401。应当理解的是，在一个示例中，图4所示和本文所述的偏振恢复特征可被配置为根据接收器321处接收的信号重新创建和/或恢复发射器301处的x偏振和y偏振上的原始发射信号，如在水平偏振和竖直偏振的本地参考坐标系中所测量的。

如图所示，由dp-qpsk接收器321接收和检测的水平偏振和竖直偏振可被输入到四个不同轴提取分量“x-x”、“x-y”、“y-x”和“y-y”中。可通过加法器将“x-x”分量和“y-x”分量的输出加在一起，以由dp-qpsk发射器301根据在x偏振上调制的两个二进制数据流恢复数据。此外，可以通过不同的加法器将“x-y”分量和“y-y”分量的输出加在一起，以根据在y偏振上调制的两个二进制数据流恢复数据。因此，偏振恢复部件401(其可以是dp-qpsk接收器321的dsp332的一部分)可将随机变化的所接收的sop(例如，水平偏振和竖直偏振)变换或恢复回到由发射器301发射到接收器321的原始基础组(例如，x偏振和y偏振)。

应当理解的是，偏振恢复部件401中的恢复过程的速度可能需要快于信号的偏振的任何预期突然变化，这可能需要预定的偏振恢复带宽，诸如50khz。

图5示出了根据实施方案的在海底光通信系统500的光缆上的示例性外部攻击。为了便于解释，通信系统500可包括一个光纤对，以及在端子502与506之间的一个双向光通道。每个端子502和506可具有至少一个转发器，该至少一个转发器包括发射器(例如，发射器301)和接收器(例如，具有偏振恢复部件401的接收器321)以用于沿光纤对进行通信，如由虚线双头箭头所指示。如图所示，端子502可位于位置504(例如，陆块)处，并且端子506可位于位置508(例如，陆块)处。此外，海底光通信系统500可包括两个分支单元510和512，该两个分支单元允许例如经由位于不同陆块处的端子516和518将其他通信部件分支连接到通信系统500。

沿海底拖动或拉动拖网的船530(诸如渔船)可能无意中切割或以其他方式损伤光缆，这会导致外部攻击540。如图所示，攻击540可能发生在分支单元510与512之间的线缆上的一位置处(例如，更靠近分支单元510)。

根据一个实施方案，位于端子502和506处的相干接收器可观察每个方向上的所接收的sop，该所接收的sop可由3空间中的斯托克斯向量(例如，s502至504和s504至502)表示。因此，外部攻击540可导致每个接收器中所接收的sop的快速波动。

图6示出了根据实施方案的两个快速波动测量之间的时间偏移的示例性估计。如图所示，曲线图602表示每个斯托克斯向量的一部分(例如，s1参数)在502至504方向上所恢复或所接收的sop。曲线图606将s1参数在504至502方向上所恢复或所接收的sop绘制成图表。在sop恢复过程期间的任何一个方向上，可观察到快速偏振变化604和608，这些快速偏振变化均在特定时间或时间段处。快速偏振变化604和608可指示在光缆上可能已存在外部攻击(例如，外部攻击540)。快速偏振变化可被理解为意指偏振波动的速率增加，例如，在预定时间段中阈值数量的偏振波动。

通过观察与信号传播的两个方向之间的快速偏振变化604和608对应的时间或时间段的时间偏移或时间移位，可基于一个或多个已知参数(例如，信号沿单模光纤行进的速度(例如，五微秒/千米)、光纤的长度)来估计沿光缆发生外部攻击的位置。例如，如果时间偏移或时间移位为零，则攻击的位置可能在线缆的中心处。在示例中，为了精确定位与快速偏振变化相关联的特定时间，可使用发生快速变化的时间段或时间范围的平均值、中值等。

应当理解的是，可存在用于估计时间差的许多合适的信号处理技术。例如，可对s502至504和s504至502向量进行高通滤波和互相关，以估计给出最大相关性的时间偏移。此外，应当理解的是可以在一个端子侧处执行时间偏移计算，例如，接收器可以从(多个)其他接收器接收快速波动数据或其他类型的sop相关数据并估计时间偏移，并由此估计外部攻击的估计位置。另选地，计算可由一个或多个“中央”计算设备(诸如服务器计算机)执行，该一个或多个“中央”计算设备在中央位置处并且被配置为接收所有相关数据并执行计算。

应当理解，本文的附图和对应的描述仅是示例，并且/或者可为了便于解释而被简化。在海底光通信系统中，可能有数百个被配置为检测若干光纤对上的多个信号sop的并联接收器。因此，可对所接收的偏振进行更多的观察以改善对外部攻击的位置的估计。

例如，在波分复用(wdm)系统中，可以存在若干光纤对，每个光纤对携带数百个不同的通道，这可能意味着进行“数百次”观察来执行多变量交叉相关。如上所述，相干接收器可具有约50khz的偏振恢复带宽，这意味着可存在约1/50khz或20微秒分辨率以找到攻击的位置。应当理解，50khz仅仅是示例，并且可以是任何合适的偏振恢复带宽值。在一些示例中，光信号可以在单模光纤中行进约五微秒/千米，因此可以在几千米内定位外部攻击的位置。

此外，应当理解的是由外部攻击引起的所接收信号的偏振变化可在线缆的物理移动期间以随机间隔开始、保持和/或停止。可观察时间偏移的估计过程并对若干周期取平均，以获得一定水平的估计准确度。估计过程可在对光纤通信系统上的客户流量没有任何干扰的情况下连续运行，这有利地提供了用于检测和定位外部攻击的实时(或基本上实时)监测系统，而无需向该系统添加任何附加的成本或设备。

本文公开了用于检测和定位光缆上的外部攻击的新型且具有创造性的系统、装置和技术。本公开的范围不受本文所述具体实施方案的限制。实际上，除了本文所述那些之外，本公开的其他各种实施方案和修改对于本领域普通技术人员来说从前面的描述和附图中将是显而易见的。

因此，这种其他实施方案和修改旨在落入本公开的范围内。另外，尽管本文出于特定目的在特定环境中的特定实施方式的背景下描述了本公开，但本领域普通技术人员将认识到其用途不限于此，并且本公开可以出于任何数量的目的在任何数量的环境中有益地实现。因此，下面提出的权利要求书应当根据本文所述的本公开的全部广度和精神来理解。