使用环回来延伸海底电缆中的DAS范围的制作方法

使用环回来延伸海底电缆中的das范围
技术领域
1.本公开的实施例涉及光学通信系统的领域。更具体地，本公开至少涉及用于使用环回来延伸海底光缆中的分布式声学传感(das)的范围的技术。


背景技术：

2.在分布式声学传感(das)系统中，光缆可用于提供实时或近实时分布式应变传感。换言之，光缆本身可用作传感元件以在das环境(例如，陆地环境、海底环境)中检测或监测不同类型的中断、干扰、奇异性、活动、自然发生事件、声学振动等。为此，一种耦合到das系统中的光缆的光电设备可以在das环境中的特定距离上检测和处理反射光信号(例如声频应变信号)。
3.例如，das系统可以基于瑞利(rayleigh)散射(另外，也被称为基于瑞利散射的das系统)。在该系统中，相干激光脉冲可以沿着光纤传送，并且光纤内的散射部位可以致使光纤充当分布式干涉仪，例如具有近似等于脉冲长度的标距长度的分布式干涉仪。任何反射光的强度可以被测量为激光脉冲的传输之后的时间函数，这被称为相干瑞利光学时域反射测量(cotdr)。
4.当激光脉冲已经行进了光纤的整个长度并且返回时，下一激光脉冲可以沿着光纤传送。来自相同的光纤区域中的连续激光脉冲的反射强度的变化可以是由光纤的该区段的光路长度的变化造成的。基于瑞利散射的das系统通常对光纤中的应变和温度两者的变化敏感，并且因此，测量可以在光纤中的所有区段处几乎同时由光电设备进行。
5.在基于瑞利散射的das系统中，激光脉冲可以随着其沿着光纤传播而衰减，其中典型的衰减可以针对在1550纳米上工作的单模光纤，表现出每千米大约0.2db的光学损耗。因为激光脉冲必须沿着光纤进行两次穿过，所以每千米的光缆长度可以引起大约0.4db的光学损耗。因此，das系统中的光电设备的“最大范围”对应于：在反射脉冲的振幅变得过低时，使得光电设备不可能从中获得或解密清除信号。最大范围通常上为距离所耦合的光电设备的大约40至50km之间，或者无论何时范围达到大约10至12db的总光学损耗时。因此，das系统中的das范围和传感能力被显著地限制了，并且在大多数情况下，传感范围受限于单个光纤跨度。
6.为了考虑这种限制，常规的das解决方案可以将许多独立的光电设备连串或链接在一起以覆盖期望的范围，其中每个独立的光电设备监测其相应的范围受限的光纤跨度。因此，光电设备及其所耦合的光纤中的每个实际上形成并且充当分离的das系统。这种常规的解决方案不但极其昂贵(例如，由于延伸期望的范围需要越来越多的独立的光电设备及相关组件)，而且其设计在水下或海底的环境或应用中也是禁止和不切实际的(或甚至是不可能的)。


技术实现要素：

7.提供了用于延伸海底光缆中的分布式声学传感(das)范围的技术。例如，通过沿着
第一光纤的多个跨度发送和放大das信号，将das信号经由高损耗环回架构从第一光纤路由或旁路到与第一光纤不同的第二光纤，并且沿着相同的多个跨度返回和放大das信号回到das设备，可以延伸das范围。然后，das设备可以接收和处理das信号，以检测das环境中的任何变化。环回配置可以基于不同类型的环回架构。
8.在一个实施例中，一种系统可以包括：第一光纤，其中第一光纤可以提供分布式声学传感(das)信号在第一方向上传播的发送路径；以及第二光纤，其中第二光纤可以提供das信号在与第一方向相反的第二方向上传播的返回路径。系统可以进一步包括至少第一光学放大器，其被耦合到第一光纤并且沿着第一光纤布置；至少第二光学放大器，其被耦合到第二光纤并且沿着第二光纤布置；以及具有第一端和第二端的环回光纤，其中环回光纤的第一端可以在第一耦合点处被耦合到第一光纤，并且其中环回光纤的第二端可以在第二耦合点处被耦合到第二光纤。
9.在另一实施例中，一种方法可以包括：由分布式声学传感(das)设备沿着第一光纤发送das信号；由das设备经由第二光纤接收das信号；并且由das设备对所接收的das信号执行处理。例如，所发送的das信号可以经由具有第一端和第二端的环回光纤从第一光纤被路由或旁路到第二光纤，其中环回光纤的第一端可以在第一耦合点处被耦合到第一光纤，并且其中环回光纤的第二端可以在第二耦合点处被耦合到第二光纤。
10.在又另一实施例中，一种装置可以包括：至少第一光学放大器，其中第一光学放大器可以具有第一输入、第一输出和在第一方向上的放大路径；以及至少第二光学放大器，其中第二光学放大器可以具有第二输入、第二输出和在与第一方向相反的第二方向上的放大路径。装置可以进一步包括具有第一端和第二端的环回光纤，其中环回光纤的第一端可以在与第一光学放大器相关联的第一耦合点处被耦合，并且其中环回光纤的第二端可以在与第二光学放大器相关联的第二耦合点处被耦合。
附图说明
11.图1示出了示例光学通信系统。
12.图2示出了有限的das范围的示例。
13.图3示出了第一示例环回架构。
14.图4示出了第二示例环回架构。
15.图5示出了延伸的das范围的第一示例。
16.图6示出了延伸的das范围的第二示例。
17.图7示出了第一示例流程图。
具体实施方式
18.本发明涉及用于使用环回技术延伸海底光缆中的分布式声学传感(das)的范围的技术。根据实施例，das信号(例如光信号)可以由das设备(例如das询问器)从光缆的第一端发送。该das信号可以被称为发送das信号。发送das信号可以沿着光缆的双向光纤对中的第一光纤在第一方向上传播，并且可以由沿着光纤间隔开的一个或多个光学放大器周期性地放大。
19.在沿着光缆的预定义距离处(例如，在沿着光缆的“第n个”放大器之后)，通过使用
高损耗环回架构将das信号路由或旁路到光缆的双向光纤对中的第二光纤，发送das信号可以被返回到das设备。被路由或旁路的发送das信号可以被称为返回das信号。返回das信号可以沿着第二光纤在与第一方向相反的第二方向上传播，并且还可以沿着光纤由一个或多个光学放大器放大。
20.如将在下面进一步详细描述的，das信号可以基于不同的高损耗环回架构，从双向光纤对的第一光纤被路由或旁路到第二光纤。在一个示例中，路由或旁路可以基于输出到输出的环回架构，其中环回光纤的第一端被耦合到第一光纤的放大器的输出，并且环回光纤的第二相反的端被耦合到第二光纤的放大器的输出。在另一示例中，路由或旁路可以基于输出到输入的环回架构，其中环回光纤的第一端被耦合到第一光纤的放大器的输出，并且环回光纤的第二相反的端被耦合到第二光纤的放大器的输入。
21.通过至少(i)沿着第一光纤的多个跨度发送和放大das信号，(ii)将das信号经由高损耗环回架构从第一光纤路由或旁路到与第一光纤不同的第二光纤，并且(iii)沿着相同的多个跨度返回和放大das信号回到das设备，可以采用相对于现有解决方案显著有利和改进的方式来延伸das范围。在常规的解决方案中，das范围通常上受限于单个光纤跨度(例如，范围不能延伸超出第一放大器)，但是本文中描述的das范围延伸技术将das范围至少延长超过单个光纤跨度。有利地，范围延伸长度是灵活且多变的，例如，das范围延伸长度可以根据各种使用实例来设计和调整。此外，至少环回架构允许具有延伸范围的das系统在海底应用中使用，这是因为与包括许多das设备的常规的das系统不同，其仅需要单个das设备。
22.因此，由延伸的das范围所提供的更宽广的覆盖允许das系统更好地监测在海底的相关活动。例如，延伸的das系统中的光缆可以用于监听或监测地震、海床运动、舰船特性、舰船过往、抛锚、拖渔网等。至少为此，光缆实际上充当麦克风以监测可能在海底发生的潜在问题或难题，诸如对在海底的光学通信系统中的光缆的侵害或潜在侵害。
23.参考附图，现在将在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明中的优选实施例。然而，本发明可以具体体现为许多不同的形式，并且不应当被解释为受限于本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员更全面地传达本发明的范围。在附图中，相同的标记始终指代相同的元件。
24.参考附图，图1示出了示例性双向光学通信系统101，其可以使用高带宽光纤以经由长距离传输海量的数据。因此，双向光学通信系统101可以被认为是长距光学通信系统。双向数据传输可以通过构造光缆内的光纤对并且每个光纤对传输一个或多个信道(例如波分多路复用信道)来实施。
25.如图所示，光学通信系统101可以包括由两个单向光路111、121连接的终端103和105，两个单向光路111、121共同形成双向光纤对。光路111可以在一个方向(例如向右)上从终端103处的发送器113向终端105处的接收器115传输一个或多个信号、数据、信息等。光路121可以在另一个方向(例如向左)上从终端105处的发送器125向终端103处的接收器123传输一个或多个信号、数据、信息等。
26.关于终端103，光路111是出站路径并且光路121是入站路径。光路111可以包括光纤117-1至117-n和光学放大器119-1至119-n，并且光路121可以包括光纤127-1至127-n和光学放大器129-1至129-n。如图所示，光纤117-1至117-n和光纤127-1至127-n可以分别是单个光纤117和单个光纤127中的单独的区段，其中区段通过将放大器耦合到光纤117和127
的方式形成。
27.在示例中，光学放大器119-1至119-n和129-1至129-n中的一个或多个可以是掺铒光纤放大器(edfa)。可以理解的是，在一些示例中，发送器113和接收器123可以被容纳在一起作为终端103处的应答器或收发器，并且类似地，发送器115和接收器125可以被容纳在一起作为终端105处的应答器或收发器。
28.光路对(例如，光路111、121)可以被配置为由成对的光纤117(例如，经由117-1至117-n)和127(例如，经由127-1至127-n)与其相连接或耦合的中继器131-1至131-n内的放大器对119-1至119-n和129-1至129-n的集合，光纤117(例如，经由117-1至117-n)和127(例如，经由127-1至127-n)可以与支持额外的路径对的其它光纤或光纤对一起被包括在光纤电缆中。每个中继器131可以包括放大器119、129中的至少一对以用于每个路径对，并且可以包括额外的放大器以用于额外的路径对。
29.光学放大器119、129可以利用edfa，或其它掺稀土光纤放大器，例如拉曼(raman)放大器、半导体光学放大器(soa)。耦合路径133-1至133-n可以被耦合在光路111、121之间，例如在中继器131-1至131-n中的一个或多个。可以理解的是，如本文中使用的术语“耦合”或“被耦合”广义上是指无论直接或间接或者有线或无线的连接的任何连接，连接到、耦合、链接或链接到，并且不一定暗示着相耦合的组件或元件彼此直接连接。
30.虽然示出和描述了光学通信系统101的示例性实施例，但是光学通信系统101的变型仍然在本公开的范围内。例如，光学通信系统101可以包括更多的光路对以及或多或少的中继器。可替换地，光学通信系统101可以不包括任何光学放大器，或可以包括代替光学放大器的光泵电源，其适合于由在光纤连接中继器内或在一个或多个中继器131内所包含的光纤内的拉曼(raman)放大器来实施光学增益。还可以理解的是，具有发送和/或接收能力(或用于发送和接收数据的任何其它合适的设备)的发送器、接收器、应答器、收发器等都可以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。
31.此外，如将在下面进一步描述的，终端103、105中的一个或多个可以包括或可以被耦合到至少一个分布式声学传感(das)设备(诸如das询问器)。例如，das设备可以被配置为在出站路径(其在das的上下文中可以被称为发送路径)上发送一个或多个das信号，并且在入站路径(其可以被称为返回路径)上接收一个或多个das信号。发送和返回路径可以由如在光学通信系统101中所示的光纤117和127提供，或可以由das专用光纤对中的分开的光纤提供，其还可以连接或耦合到中继器131-1至131-n(类似于光纤117和127)。
32.图2示出了根据实施例的有限的das范围的示例200。示例200示出了常规的das系统当在海底应用(诸如长距海底光学通信应用)中实施时的局限性。如图所示，光缆的一端可以连接到第一位置(例如第一陆块)处的终端。终端可以包括用于发送和接收das信号的das设备，或者可替换地，das设备可以单独地被容纳且耦合到光缆。光缆可以沿着大陆架202铺设并且进一步沿着海床204铺设，直到光缆的另一端达到第二位置(例如第二陆块)处的终端，其在图2中未示出。
33.为了解释信号衰减，许多的光学中继器可以被耦合到光缆并且沿着光缆布置在两个相对的终端之间的预定义的间隔处，以放大沿着光纤的纤维进行传播的一个或多个信号。在常规的das系统中，das设备可以发送das信号，其可以沿着出站光纤路径行进直到das
信号达到中继器206(例如，布置在如图所示的第一陆块处的最靠近终端的中继器)。其后，das信号可以被反射回到并且可以沿着相同的光纤路径传播回到das设备。
34.因此，das范围仅受限于单个光纤跨度(例如，das设备与中继器206之间的光纤跨度)，并且因此，das范围不会且不能延伸超出中继器206。这是因为被耦合到放大器的特定无源组件(诸如光学放大器)允许光信号仅在一个方向(例如出站方向)上传播。至少为此，当das信号穿过中继器206时，信号不能准确地反射并且返回到das设备。额外地，可以理解的是，das范围不能延伸超出大约50km的典型das范围限制。因此，即使将中继器206布置得距离das设备比50km更远，das范围也将实际上受限于大约50km。
35.因为有限的das范围，所以在这样的范围之外或超出这样的范围发生的活动不能被准确地检测或监测。例如，舰船220可能沿着大陆架202拖锚，但是常规的das系统将不能够检测或监测这样的活动，并且恰当地确定对光缆的侵害的可能性。
36.图3示出了根据实施例的示例环回架构300。如上所述，可以利用高损耗环回架构，以将das信号从第一光纤路由或旁路到第二光纤，以便克服上面关于图2所描述的范围限制问题。
37.例如，das询问器302可以被配置为发送das信号，接收das信号，并且对所接收的信号执行处理，以至少部分地基于处理来提取海底环境中的声学特性或特征。至少在这方面上，das询问器可以包括适当的硬件组件，诸如存储器、一个或多个处理器、接口等，以生成、发送、接收和分析das信号。das询问器302可以被包括并且容纳在终端中，或者可替换地，das询问器302可以是独立的设备。
38.如图所示，das询问器302可以被耦合到提供发送路径的第一光纤。当das信号由das询问器发送时，信号沿着发送路径传播并且由edfa 303和305周期性地放大。如图进一步所示，可以提供环回光纤306。例如，环回光纤306的第一端可以在耦合点处耦合到第一光纤，并且环回光纤306的第二端可以在耦合点处耦合到第二光纤，其中环回光纤306提供用于das信号的返回路径。在示例中，环回光纤306被配置为和/或提供高损耗环回路径。因此，如图所示，经由环回光纤306，发送路径上的das信号被路由或旁路到第二光纤——返回路径，使得das信号沿着返回路径传播并且至少由edfa 311放大，并且返回到das询问器302。
39.可以理解的是，分别提供发送和返回路径的第一和第二光纤可以被包括在双向光纤对中或形成双向光纤对。该光纤对可以是独立的das专用光纤对，或者可替换地，该光纤对可以是有效载荷承载光纤对，在这种情况下，das信号可以具有有效载荷信道波长以外的波长，以便das信号不会干扰有效载荷信号。可以进一步理解的是，每个“第n个”相对的放大器集合(例如，耦合到第一光纤的第n个放大器与耦合到第二光纤的第n个放大器)可以被配对并且容纳在相同的中继器(例如，类似于如图1所示的中继器)中。
40.如图3进一步所示，环回架构300可以基于输出到输出的架构。例如，环回光纤306的第一端到第一光纤的耦合点可以在edfa 305的输出处，并且环回光纤306的第二端到第二光纤的耦合点可以在edfa 309的输出处。这确保了例如，在将作为返回das信号的信号路由或旁路到第二光纤并且最终回到das询问器302之前，至少das信号由edfa 305放大。因此，基于输出到输出的环回架构，在返回到das询问器302之前，das信号经由edfa 305和edfa 311被增强或放大至少两次。
41.如将在下面进一步详细描述的，环回光纤306的第一和第二端的耦合点的位置可
以确定das范围的延伸长度。例如，如果edfa 305是“第n个”中继器，则das范围延伸至少“n个”光纤跨度。因此，通过提供双向光纤对以经由环回光纤306发送和返回das信号，可以显著延伸das范围。
42.图4示出了根据实施例的示例环回架构400。为了便于解释，在上面关于图3所描述的环回架构300的组件将被用于描述图4中的环回架构400。如图所示，除环回光纤306及其耦合之外，环回架构400中的组件和配置基本上与如上所述的架构300中的组件和配置相类似。
43.例如，环回架构400可以基于输出到输出的架构。如图所示，环回光纤306的第一端到第一光纤的耦合点可以在edfa 305的输出处。但是在该架构中，环回光纤306的第二端到第二光纤的耦合点可以在edfa 309的输入处。至少在这方面上，架构400确保了在将作为返回das信号的信号路由或旁路到第二光纤并且最终回到das询问器302之前，至少das信号由edfa 305、edfa 309和edfa 311放大。因此，输出到输入的环回架构在das信号返回到das询问器302之前将其增强了至少三次。在一些示例或用例中，由于例如das系统中的增加的信噪比(snr)问题，输出到输入的环回架构可以是优选的。
44.虽然图3和图4仅仅是示出了环回光纤306，但是其它额外的组件，诸如耦合器、滤波器、调谐器等都可以被用于(或在一些示例中，被需要)促进环回光纤306的耦合和准确地允许高损耗环回特征正常地运行。
45.图5示出了根据实施例的延伸的das范围的示例500。为了便于解释，图2中所示出的海底环境和应用将用于描述示例500中的延伸的das范围。例如，经由至少一个环回光纤的高损耗环回架构(例如，输出到输出、输出到输入)可以被配置在与中继器510相关联的位置处。
46.通过这样做，das信号可以从das询问器(位于海岸处)被发送，其沿着第一光纤传播并且由中继器506、508和510中的edfa周期性地放大，并且经由至少一个环回光纤被路由或旁路到第二光纤，以便das信号可以在相反的方向被放大并且返回到das询问器。因此，位于与中继器510相关联的位置处的环回光纤的配置允许大约达到中继器510的延伸的das范围。因此，舰船520(例如舰船声学特征)、其活动(例如拖锚、拖渔网)以及其可能对海底通信系统的光缆造成的潜在侵害可以至少通过延伸的das范围的方式来监测，这与图2所示的常规的有限的das范围相比是有利的。
47.图6示出了根据实施例的延伸的das范围的示例600。如图所示，除了环回光纤可以被配置在与比中继器510更远的中继器相关联的位置处，示例600与示例500相类似，这更进一步地延伸了das范围。例如，高损耗环回光纤可以被耦合在与中继器514相关联的位置处的第一与第二光纤之间。因此，发生在大陆架502之外的活动可以由das询问器监测。如图所示，如果例如舰船520在更远的海洋中进行捕鱼活动，则那些活动可以至少通过进一步延伸的das范围的方式来有效地监测和分析。
48.图7示出了根据实施例的使用环回技术的das的示例流程图700。例如，流程图700中所示出的分布式声学传感可以由das询问器执行，其可以被耦合到双向光纤对(例如，专用das光纤对、现有光学系统有效载荷承载光纤对)。在方框702处，das询问器可以经由双向光纤对的第一光纤发送das信号。如上所述，das信号可以沿着第一光纤传播，并且由一个或多个放大器周期性地放大，直到信号经由高损耗环回光纤被路由或旁路到双向光纤对的第
二光纤。环回光纤可以根据不同的环回架构耦合，诸如如上所述的输出到输出和输出到输入。
49.返回das信号可以被路由或旁路到第二光纤，其中返回das信号由一个或多个放大器放大并且在返回路径上传播，直到das信号返回到das询问器。并且在方框704处，das询问器可以经由第二光纤接收das信号。
50.在方框706处，das询问器可以对返回das信号执行处理。在示例中，所述处理可以基于任何基于das的反射测量和/或干涉测量分析等，以用于至少确定、识别、提取或解密das环境中的声学信息。可以理解的是，das信号可以是光信号(例如激光脉冲)或诸如此类。基于处理，das询问器能够监测das环境以预测或确定例如，响应于海底环境的各种声学特征或特性，诸如与舰船有关的噪声或声响、海床运动、地震、抛锚、拖锚、拖渔网等，是否有可能发生对das环境中的光缆的侵害。
51.在本文中，公开了用于使用环回技术延伸光缆中的das范围的新颖性和创造性的技术。本公开不限于本文中所描述的具体实施例的范围。实际上，从前面的描述以及附图中，对于本领域普通技术人员而言，除了本文所描述的那些之外，本公开的其它各种实施例以及对本公开的修改将是显而易见的。
52.因此，这样的其它实施例以及修改旨在落入本公开的范围内。此外，虽然本文出于特定目的在特定环境中的特定实施方式的上下文中已经描述了本公开，但是本领域普通技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可以有利地实施在任何数量的环境中以用于任何数量的目的。因此，下面所阐述的权利要求书应当鉴于本文所述的本公开的全部范围和精神进行解释。