CN110932775A - 一种两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，探测光源的调频探测光信号经下行中继放大器、光纤干涉仪进入下行传输光纤。探测光信号在每个中继段光纤中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两路扰动监测信号，分别经此中继段的滤波器和光纤耦合器复用进入两根上行传输光纤，经上行中继放大器中继传输，回传到解调设备。解调设备根据波长或脉冲前沿时间区分各段的扰动监测信号，根据两根不同的上行传输光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号，并对数据分析解调，预警各段海底光缆的安全状态。本发明降低了基于OFDR技术的跨中继有电中继海底光缆扰动监测的虚警率。
Description
技术领域
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、波分复用、时分复用再结合空分复用上行传输扰动监测信号的岸基探测的一种两路相位差回传信号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(Coherent Detection OTDR相干检测光时域反射计，OTDR Optical TimeDomain Reflectometer，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，该方案不支持基于3×3光纤耦合器的光纤干涉仪输出信号的传输，也就无法实现包含相位信息的信号解调，在光缆扰动信号类型的模式识别中存在待分析信息量不足的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其基于OFDR技术，探测光源输出调频的探测光信号接入下行传输光纤，每个中继段的下行传输光纤在中继放大器之后接有含3×3光纤耦合器的光纤干涉仪，然后经下行传输光纤连接至下一个中继放大器。探测光信号在每个中继段下行传输光纤中产生的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两路120°相位差的扰动监测信号，分别接入此中继段的两个滤波器，再经此中继段的两个光纤耦合器进入两根上行光纤的上行中继放大器，最终由两根上行光纤回传到解调设备。解调设备根据波长或脉冲前沿时间区分各段的扰动监测信号，根据两根不同的光纤区分同一中继段扰动监测信号的两路相位差120°的信号，并对数据分析解调，预警各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。
本发明设计的一种两路相位差回传信号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；所述各中继段的上行传输光纤中含至少2根上行光纤；本系统所述光纤干涉仪为包含3×3光纤耦合器的光纤干涉仪；探测光源发出的探测光信号进入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本段光纤干涉仪与本地光信号相干产生扰动监测信号，光纤干涉仪输出两路相位差120°的该中继段海底光缆的扰动监测信号，分别接入此中继段的两个滤波器，滤波器选择透射的本段相应波长的扰动监测信号分别经此中继段的两个光纤耦合器进入上行传输光纤中的两根上行光纤，分别经两根上行光纤上的上行中继放大器回传，经采样设备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。解调设备区分各段的扰动监测信号，并对数据分析解调，预警各段海底光缆的安全状态。
所述探测光源为窄线宽调频连续波光源，波长数等于海底光缆中继段的数量n，其光纤内的相干长度大于2倍的海底光缆中继段长；所述各中继段的滤波器共为n种，透射n种不同波长；按照探测光信号下行传输的顺序安排第1～n个中继段的滤波器为透射第1～n种波长的滤波器，每个中继段的滤波器选择透射一种波长的扰动监测信号，即每个中继段的扰动监测信号都是某种波长的连续光信号。每个中继段相同波长的两路相位差120°的扰动监测信号被该段的两个光纤耦合器或者两个光分插复用器(OADM)波分复用于上行传输光纤中的两根上行光纤。同一上行光纤上的光纤耦合器或者光分插复用器(OADM)则将波长不同的扰动监测信号合束，即经波分复用将各中继段的扰动监测信号复用于同一上行光纤，两路相位差120°的扰动监测信号由各段的两个光纤耦合器或者两个光分插复用器(OADM)分别复用于两根上行光纤。解调设备根据波长分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号。
或者，所述探测光源为单波长脉冲调频光源，探测光源的脉冲宽度为海底光缆中继段的往返延时；脉冲周期大于待监测的有中继海底光缆的全跨距的往返延时；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，由于脉冲的宽度与海底光缆中继段往返的延时相等，保证了海底光缆中继段最远处的后向瑞利散射信号也能相干接收。且由于光信号在各中继段往返传输长度不同，产生的延时不同，相邻中继段的扰动监测信号脉冲的前沿相差一个脉冲宽度，各中继段的两路相位差120°的扰动监测信号分别由各段的两个光纤耦合器依次合束于两根上行光纤，拼接成为两个一连串的不重叠的脉冲信号，解调设备根据脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号。
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。为此采用波分复用和时分复用结合的方案。
所述探测光源为m个波长调频脉冲光源，2≤m＜n，探测光源的脉冲宽度为m倍的海底光缆中继段的往返延时；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；m种滤波器依次循环配置于各中继段，各中继段的滤波器选择透射本段波长的扰动监测信号，同一中继段相同波长的两路相位差120°的扰动监测信号被本段的两个光纤耦合器复用于上行传输光纤中的两根上行光纤。同一上行光纤内相同波长的扰动监测信号因所处中继段的位置不同故脉冲时延不同，避免相同波长的监测脉冲信号的相邻扰动在时域叠加。同一上行光纤上的光纤耦合器将各中继段波长不同、时延不同的扰动监测信号合束，即经波分复用和时分复用将各中继段的扰动监测信号复用于同一上行光纤，两路相位差120°的扰动监测信号由各段的两个光纤耦合器分别波分复用和时分复用于两根上行光纤。解调设备根据波长和脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号。
最佳方案为所述探测光源为双波长调频脉冲光源，探测光源的脉冲宽度为2倍的海底光缆中继段的往返延时。
探测光源的脉冲宽度稍小于中继段往返延时，脉冲宽度与中继段往返延时的差为10纳秒至0.5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。
各中继段下行传输光纤的长度为60～100km。
所述光纤干涉仪为包括3×3光纤耦合器和光纤反射镜的迈克尔逊干涉仪。探测光信号经消偏器接入3×3光纤耦合器的第1端口，分为3束，其中一束由3×3光纤耦合器的第4端口输出，接入下行传输光纤继续下行传输，所产生的后向瑞利散射信号由该第4端口返回3×3光纤耦合器；3×3光纤耦合器分出的另两束探测光信号中的一束由3×3光纤耦合器的第5或第6端口输出到达光纤反射镜被反射回第5或第6端口作为作为本地光信号，在3×3光纤耦合器本地光信号与后向瑞利散射信号相干，所得干涉信号由3×3光纤耦合器第2端口和第3端口分别输出相位差120°的相干外差信号作为本段海底光缆的扰动监测信号。
或者，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)，即包括光纤分路器、光纤环形器和3×3光纤耦合器的光纤干涉仪，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光信号接入光纤环形器的第一端口，之后由光纤环形第二端口输出，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光信号作为本地光信号经消偏器接入3×3光纤耦合器的第一端口；探测光信号在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经另一消偏器接入所述3×3光纤耦合器的第二或第三端口，在3×3光纤耦合器本地光信号与后向瑞利散射信号相干，3×3光纤耦合器第四、第五和第六端口中的两个输出两路相位差120°的海底光缆扰动监测信号。
所述探测光源、解调设备及第一中继段的中继放大器、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。
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的分支设备连接1根或2根分支海光缆，探测光源为窄线宽调频连续光源，探测光信号在分支设备的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，另一路进入下行波分复用器，将各分支海光缆的探测光信号解波分，并波分复用至各分支海光缆，分别接入各分支缆光纤干涉仪，探测光信号经过各分支缆光纤干涉仪后沿各分支海光缆继续下行传输，在各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该分支海光缆此段的两路相位差120°的扰动监测信号，各分支海光缆的两路相位差120°的扰动监测信号分别接入2个上行波分复用器进行滤波和合波，分别进入主干海底光缆该中继段的2个光纤耦合器或者2个光分插复用器，与主干海底光缆两根上行光纤上的其它扰动监测信号复用。
主干海底光缆上串联有N个分支设备，N≥2，探测光源为M个波长调频脉冲光源，探测光信号对分支海光缆进行扰动监测。分支海光缆的扰动监测信号采用时分复用和波分复用上行传输，降低信道资源占用率。当主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离与每个分支设备所接的分支海光缆长度的比值大于或等于1小于2时，若每个分支设备接有1根分支海光缆，多波长调频脉冲光信号增加2个波长、即M＝m+2，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支缆往返延时2倍；若每个分支设备接有2根分支海光缆，多波长调频脉冲光信号增加4个波长、即M＝m+4，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支缆往返延时2倍；即可对N个分支设备所接分支海光缆的监测；
当主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离与每个分支设备所接的分支海光缆的长度的比值大于或等于2时，若每个分支设备接有1根分支海线光缆，多波长调频脉冲光信号仅需增加1个波长、即M＝m+1，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时的P倍，P等于或大于2、小于或等于分支设备之间的距离与分支海光缆的长度的比值。若每个分支设备接有2根分支海光缆，多波长调频脉冲光信号增加2个波长、即M＝m+2，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时的P倍，P等于或大于2、小于或等于分支设备之间的距离与分支海光缆的长度的比值。此探测光信号对N个分支设备所接分支海光缆的监测，能满足分支海光缆相干外差积分时间足够长，且两个相邻分支设备的扰动监测信号的脉冲不会重叠在一起的要求。
当某个或某几个分支设备所接的分支海光缆的长度大于主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离时，优先考虑时分复用和波分复用结合的方式，探测光信号为M个波长的调频脉冲光信号，分支海光缆探测光信号的调频脉冲宽度是最长分支缆往返延时的2倍，调频脉冲宽度与两个相邻分支设备间往返延时的比值为探测光信号用于监测分支海光缆扰动所增加的波长数m’，m’为上述比值小数部分进位取整，M＝m+m’。若用于监测分支海光缆扰动的所增加的波长数m’超过分支海光缆数量的1/2，监测分支海光缆的探测光信号改用窄线宽调频连续波光信号，每个分支海光缆各占一个波长，用两根上行光纤使用波分复用方式回传相位差120°的各个分支海光缆扰动监测信号。因为这种情况下用脉冲探测光信号监测分支海光缆已无法节省多少波长资源，且脉冲探测光信号比连续波光信号的探测灵敏度差，自然首选连续波探测。
当某根分支海光缆也采用多段中继放大的结构时，增加2个波长的调频脉冲信号为专用于监测该分支海光缆的探测光信号，所增该分支海光缆的探测光信号的脉冲宽度为该分支海光缆中继段长度往返延时的2倍，脉冲周期大于分支海光缆往返延时；2路相位差120°的分支海光缆上行扰动监测信号由分支海光缆某中继段光纤干涉仪输出、经该分支海光缆的该中继段滤波器选择波长并由该分支海光缆该中继段的2个光纤耦合器复用于分支海光缆的2根上行光纤，并由分支设备的光纤耦合器或光分插复用器(OADM)复用至主干海底光缆的2根上行光纤，回传至岸基解调设备。
与现有技术相比，本发明两路相位差回传信号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、下行调频脉冲信号仅占用一根下行光纤的m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2根上行光纤的各自m个信道，也可以与其他数字通信业务信号波分复用；4、由两路相位差120°的扰动监测信号解调扰动环境对海底光缆的相位调制信息的分布，得到更多的扰动信息，更精确地识别造成海底光缆扰动的原因，降低系统的虚警率；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为本两路相位差回传信号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为本两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1的迈克尔逊光纤干涉仪结构示意图；
图3为本两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例2的MZ光纤干涉仪结构示意图；
图4为本两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例3的结构示意图。
图5为本两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例4的结构示意图。
具体实施方式
两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1
本两路相位差回传信号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第Ⅰ中继段的中继放大器下行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，产生该中继段海底光缆的两路相位差120度的扰动监测信号，光纤干涉仪Ⅰ输出的两路扰动监测信号分别接入第Ⅰ中继段的滤波器Ⅰa和滤波器Ⅰb，滤波器Ⅰa和滤波器Ⅰb选择对应本中继段波长的扰动监测信号经第Ⅰ中继段的光纤耦合器Ⅰa和光纤耦合器Ⅰb进入两根上行传输光纤的上行中继放大器上行EDFAⅠa和上行EDFAⅠb，最终由两根上行传输光纤回传到采样设备，经数字采样输出到解调设备。
第Ⅱ中继段的结构与第Ⅰ中继段相同，根据海底光缆的总跨度配置n个中继段。本例各中继段的下行传输光纤长度为60～100km。
本例光纤干涉仪为包括3×3光纤耦合器和光纤反射镜的迈克尔逊干涉仪，如图2所示。探测光信号经消偏器接入3×3光纤耦合器的第1端口⑴，分为3束，其中一束由3×3光纤耦合器的第4端口⑷输出，接入下行传输光纤继续下行传输，所产生的后向瑞利散射信号由该第4端口⑷返回3×3光纤耦合器；3×3光纤耦合器分出的另两束探测光信号由3×3光纤耦合器的第5端口⑸输出，到达光纤反射镜后被反射回3×3光纤耦合器作为本地光信号，本地光信号与后向瑞利散射信号相干，干涉信号由3×3光纤耦合器第2端口⑵和第3端口⑶输出作为本段海底光缆的扰动监测信号。
本例探测光源为多波长窄线宽调频连续波光源，其波长数等于海底光缆中继段的数量n，其光纤内的相干长度大于2倍的海底光缆中继段长；本例同一中继段的2个滤波器透射相同波长，不同中继段滤波器透射波长不同，n种滤波器依次安装于n个中继段，每个中继段的滤波器选择透射一种波长的扰动监测信号，相同相位的各中继段不同波长的扰动监测信号被各中继段的光纤耦合器波分复用于同一上行传输光纤。解调设备根据波长分辨不同中继段的扰动监测信号。
本例探测光源、采样设备、解调设备及第Ⅰ中继段的下行EDFAⅠ、光纤干涉仪Ⅰ、滤波器Ⅰa、滤波器Ⅰb、光纤耦合器Ⅰa、光纤耦合器Ⅰb、上行EDFAⅠa、和上行EDFAⅠb为本端的岸基设备。
两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例2
本例与实施例1基本结构相似。
本例各中继段下行传输光纤的长度为100km。
本例光纤干涉仪为MZ光纤干涉仪(Mach-Zehnder干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪)，如图3所示，包括光纤分路器、光纤环形器和3×3光纤耦合器的光纤干涉仪，光纤分路器的分光比为1/9，探测光信号在光纤分路器分为2路，其中大分光比的一路光信号接入光纤环形器的第一端口①，之后由光纤环形第二端口②输出，接入下行传输光纤继续下行；光纤分路器输出的小分光比的光信号作为本地光信号经消偏器接入3×3光纤耦合器；探测光信号在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③经另一消偏器接入所述3×3光纤耦合器与本地光信号相干，3×3光纤耦合器输出的三路干涉信号中的两路作为本段下行传输光纤的相位差120°的海底光缆扰动监测信号。
本例探测光源为双波长(λ1，λ2)调频脉冲光源，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；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；2种滤波器依次循环配置于各中继段，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ等中继段的滤波器选择透射波长λ1的扰动监测信号，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ等中继段的滤波器选择透射波长λ2的扰动监测信号，两个光纤耦合器则将各中继段两路波长不同、时延不同的扰动监测信号合束，分别波分复用时分复用于两根上行传输光纤。解调设备根据波长和脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行传输光纤分辨不同相位差的扰动监测信号。
两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例3
本例的基本结构与实施例2相似，但增加分支海光缆的扰动监测支路。图4所示为主干海底光缆的某个中继段的结构示意图，该中继段接入的分支设备连接2根分支海光缆，探测光源的探测光信号对应增加2个波长以用于分支海光缆的扰动监测，探测光信号在分支设备的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，另一路由下行波分复用器下行DWDM将各分支海光缆的探测光信号波长解波分，并波分复用至2根分支海光缆的下行传输光纤，接入分支海光缆1和分支海光缆2的基于3×3光纤耦合器的光纤干涉仪，探测光信号经过分支海光缆光纤干涉仪后沿分支海光缆继续下行传输，在各分支海光缆上产生的后向瑞利散射信号与其本地光信号分别在2个分支海光缆的光纤干涉仪相干得到2个分支海光缆此段各自的两路相位差120°的扰动监测信号，2个分支海光缆各自的两路扰动监测信号分别由两个上行DWDM进行滤波和合波，各自经一根光纤进入主干海底光缆该中继段的光纤耦合器，分别与主干海底光缆上两根上行传输光纤的其它扰动监测信号复用。
两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统实施例4
本例的基本结构与实施例2相似，但增加分支海光缆的扰动监测支路。本例主干海底光缆上串联有4个分支设备，探测光源原设计为监测主干海底光缆的双波长调频脉冲光源，现增加了主干海底光缆上的分支设备的分支海光缆的扰动监测，需要M个波长调频脉冲光源。
当主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离与每个分支设备所接的分支海光缆长度的比值大于或等于1、小于2时，若每个分支设备接有1根分支海光缆，如图5所示为4个分支设备中的前两个及所接分支海光缆监测系统结构示意图。多波长调频脉冲光信号增加2个波长用于分支海光缆扰动监测，即M＝2+2＝4个波长的调频脉冲光信号用于主干缆和分支缆的扰动监测，增加的两个波长光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时的2倍。
如果每个分支设备接有2根分支海光缆，多波长调频脉冲光信号需增加4个波长，即M＝2+4＝6，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时2倍。本例4个分支设备，共有8根分支海光缆，每个分支设备取一根分支海光缆构成一组。本例共两组分支海光缆，每组的4根分支海光缆由2个波长的、脉冲宽度是分支海光缆往返延时2倍的调频脉冲光信号进行扰动监测。
如果本例主干海底光缆上串联的4个分支设备，相邻分支设备之间的距离与每个分支设备所接的分支海光缆长度的比值为4时，各分支设备接有1根分支海光缆，则调频脉冲光信号增加1个波长、合计为M＝3个波长、分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支缆往返延时4倍。如果各分支设备接有2根分支海线光缆，则调频脉冲光信号增加2个波长、合计为M＝4个波长、分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时的4倍。
如果本例主干海底光缆上串联的4个分支设备，其中一个或多个分支设备所接的分支海光缆的长度大于主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离时，分支海光缆探测光信号的调频脉冲宽度是最长分支缆往返延时的2倍，调频脉冲宽度与两个相邻分支设备间往返延时的比值为探测光信号用于监测分支海光缆扰动所增加的的波长数m’，该比值的小数部分进位取整。那么M＝m’+2。当m’大于分支海光缆数的1/2，分支海光缆扰动的监测就改用多波长窄线宽调频连续波光源。主干海底光缆上仍使用2个波长的调频脉冲探测光信号，另有8根分支海光缆用8个波长的连续波光信号。共有2+8种滤波器分别配置于各中继段和分支海光缆，主干海底光缆各中继段交替使用2种波长，各分支海光缆的扰动监测信号分别采用一种波长。
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。
Claims (9)
1.一种两路相位差回传信号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；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；其特征在于：
本系统的各中继段还包括滤波器和光纤耦合器；所述各中继段的上行传输光纤中含至少2根上行光纤；本系统所述光纤干涉仪为包含3×3光纤耦合器的光纤干涉仪；探测光源发出的探测光信号进入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本段光纤干涉仪与本地光信号相干产生扰动监测信号，光纤干涉仪输出两路相位差120°的该中继段海底光缆的扰动监测信号，分别接入此中继段的两个滤波器，滤波器选择透射的本段相应波长的扰动监测信号分别经此中继段的两个光纤耦合器进入上行传输光纤中的两根上行光纤，分别经两根上行光纤上的上行中继放大器回传，经采样设备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；解调设备区分各段的扰动监测信号，并对数据分析解调，预警各段海底光缆的安全状态；
所述探测光源为窄线宽调频连续波光源，波长数等于海底光缆中继段的数量n，其光纤内的相干长度大于2倍的海底光缆中继段长；所述各中继段的滤波器共为n种，透射n种不同波长；按照探测光信号下行传输的顺序安排第1～n个中继段的滤波器为透射第1～n种波长的滤波器，每个中继段的滤波器选择透射一种波长的扰动监测信号，即每个中继段的扰动监测信号都是某种波长的连续光信号；每个中继段相同波长的两路相位差120°的扰动监测信号被该段的两个光纤耦合器或者两个光分插复用器波分复用于上行传输光纤中的两根上行光纤；同一上行光纤上的光纤耦合器或者光分插复用器则将波长不同的扰动监测信号合束，即经波分复用将各中继段的扰动监测信号复用于同一上行光纤，两路相位差120°的扰动监测信号由各段的两个光纤耦合器或者两个光分插复用器分别复用于两根上行光纤；解调设备根据波长分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号；
或者，所述探测光源为单波长脉冲调频光源，探测光源的脉冲宽度为海底光缆中继段的往返延时；脉冲周期大于待监测的有中继海底光缆的全跨距的往返延时；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，各中继段的两路相位差120°的扰动监测信号分别由各段的两个光纤耦合器依次合束于两根上行光纤，拼接成为两个一连串的不重叠的脉冲信号，解调设备根据脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号；
或者，所述探测光源为m个波长调频脉冲光源，2≤m＜n，探测光源的脉冲宽度为m倍的海底光缆中继段的往返延时；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；m种滤波器依次循环配置于各中继段，各中继段的滤波器选择透射本段波长的扰动监测信号，同一中继段相同波长的两路相位差120°的扰动监测信号被本段的两个光纤耦合器复用于上行传输光纤中的两根上行光纤；同一上行光纤内相同波长的扰动监测信号因所处中继段的位置不同故脉冲时延不同；同一上行光纤上的光纤耦合器将各中继段波长不同、时延不同的扰动监测信号合束，即经波分复用和时分复用将各中继段的扰动监测信号复用于同一上行光纤，两路相位差120°的扰动监测信号由各段的两个光纤耦合器分别波分复用和时分复用于两根上行光纤；解调设备根据波长和脉冲前沿时间分辨不同中继段的扰动监测信号，根据两根不同的上行光纤分辨同一中继段不同相位差的扰动监测信号。
2.根据权利要求1所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
所述探测光源为双波长调频脉冲光源，探测光源的脉冲宽度为2倍的海底光缆中继段的往返延时。
3.根据权利要求1中所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
探测光源的脉冲宽度稍小于中继段往返延时，脉冲宽度与中继段往返延时的差为10纳秒至0.5微秒。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
所述光纤干涉仪为包括3×3光纤耦合器和光纤反射镜的迈克尔逊干涉仪；探测光信号经消偏器接入3×3光纤耦合器的第1端口，分为3束，其中一束由3×3光纤耦合器的第4端口输出，接入下行传输光纤继续下行传输，所产生的后向瑞利散射信号由该第4端口返回3×3光纤耦合器；3×3光纤耦合器分出的另两束探测光信号中的一束由3×3光纤耦合器的第5或第6端口输出到达光纤反射镜被反射回第5或第6端口作为作为本地光信号，在3×3光纤耦合器本地光信号与后向瑞利散射信号相干，所得干涉信号由3×3光纤耦合器第2端口和第3端口分别输出相位差120°的相干外差信号作为本段海底光缆的扰动监测信号。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
所述光纤干涉仪为MZ光纤干涉仪，即包括光纤分路器、光纤环形器和3×3光纤耦合器的光纤干涉仪，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光信号接入光纤环形器的第一端口，之后由光纤环形第二端口输出，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光信号作为本地光信号经消偏器接入3×3光纤耦合器的第一端口；探测光信号在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经另一消偏器接入所述3×3光纤耦合器的第二或第三端口，在3×3光纤耦合器本地光信号与后向瑞利散射信号相干，3×3光纤耦合器第四、第五和第六端口中的两个输出两路相位差120°的海底光缆扰动监测信号。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
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的分支设备连接1根或2根分支海光缆，探测光源为窄线宽调频连续光源，探测光信号在分支设备的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，另一路进入下行波分复用器，将各分支海光缆的探测光信号解波分，并波分复用至各分支海光缆，分别接入各分支缆光纤干涉仪，分支海光缆的探测光信号经过各分支缆光纤干涉仪后沿各分支海光缆继续下行传输，在各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该分支海光缆此段的两路相位差120°的扰动监测信号，各分支海光缆的两路相位差120°的扰动监测信号分别接入2个上行波分复用器进行滤波和合波，分别进入主干海底光缆该中继段的2个光纤耦合器或者2个光分插复用器，与主干海底光缆两根上行光纤上的其它扰动监测信号复用。
7.根据权利要求6所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
主干海底光缆上串联有N个分支设备，N≥2，探测光源为M个波长调频脉冲光源，当主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离与每个分支设备所接的分支海光缆长度的比值大于或等于1小于2时，若每个分支设备接有1根分支海光缆，多波长调频脉冲光信号增加2个波长、即M＝m+2，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支缆往返延时2倍；若每个分支设备接有2根分支海光缆，多波长调频脉冲光信号增加4个波长、即M＝m+4，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支缆往返延时2倍；
当主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离与每个分支设备所接的分支海光缆的长度的比值等于或大于2时，若每个分支设备接有1根分支海线光缆，多波长调频脉冲光信号仅需增加1个波长、即M＝m+1，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时的P倍，P等于或大于2、小于或等于分支设备之间的距离与分支海光缆的长度的比值；若每个分支设备接有2根分支海线光缆，多波长调频脉冲光信号增加2个波长、即M＝m+2，分支海光缆探测光信号的脉冲宽度是分支海光缆往返延时的P倍，P等于或大于2、小于或等于分支设备之间的距离与分支海光缆的长度的比值；
当某个或某几个分支设备所接的分支海光缆的长度大于主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离时，探测光信号为M个波长的调频脉冲信号，分支海光缆探测光信号的调频脉冲宽度是最长分支缆往返延时的2倍，分支海光缆探测光信号的调频脉冲宽度与两个相邻分支设备间往返延时的比值为探测光信号用于监测分支海光缆扰动所增加的的波长数m’，m’为上述比值的小数部分进位取整，M＝m+m’。
8.根据权利要求7所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
当某个或某几个分支设备所接的分支海光缆的长度大于主干海底光缆上两个相邻分支设备之间的距离时，用于监测分支海光缆扰动的波长数m’超过分支海光缆数量的1/2，监测分支海光缆的探测光信号为窄线宽调频连续波光信号，每个分支海光缆各占一个波长，用两根上行光纤使用波分复用方式回传相位差120°的各分支海光缆扰动监测信号。
9.根据权利要求7所述的两路相位差回传信号的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
当某根分支海光缆也采用多段中继放大的结构时，增加2个波长的调频脉冲信号为专用于监测该分支海光缆的探测光信号，所增该分支海光缆的探测光信号的脉冲宽度为分支缆中继段长度往返延时的2倍，脉冲周期大于分支海光缆往返延时；2路相位差120°的分支海光缆上行扰动监测信号由分支海光缆某中继段光纤干涉仪输出、经该分支海光缆的该中继段滤波器选择波长并由该分支海光缆该中继段的2个光纤耦合器复用于分支海光缆的2根上行光纤，并由其分支设备的光纤耦合器或光分插复用器复用至主干海底光缆的2根上行光纤，回传至岸基解调设备。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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