CN115483969A - 使用环回来扩展海底线缆中的动态声学感测范围和定位 - Google Patents

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乔治·海因里希·莫斯
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Abstract

公开了使用环回来扩展海底线缆中的动态声学感测范围和定位。提供了用于在多个跨距上扩展海底光缆中的分布式声学感测(DAS)范围以及提供特定跨距的DAS信息的装置、系统和技术。

Description

使用环回来扩展海底线缆中的动态声学感测范围和定位
相关申请
本申请要求于2021年6月23日提交的题为“使用环回扩展海底线缆中的动态声学感测范围和定位(EXTENDING DYNAMIC ACOUSTIC SENSING RANGE AND LOCALIZATION INUNDERSEA CABLES USING LOOPBACKS)”的美国临时专利申请序列号63/213,978的优先权，进一步要求于2021年6月15日提交的题为“使用环回扩展海底线缆中的动态声学感测范围和定位(EXTENDING DYNAMIC ACOUSTIC SENSING RANGE AND LOCALIZATION IN UNDERSEACABLES USING LOOPBACKS)”的美国临时专利申请序列号63/210,775的优先权，并还进一步要求于2020年5月20日提交的题为“使用环回扩展海底线缆中的动态声学感测范围和定位(EXTENDING DYNAMIC ACOUSTIC SENSING RANGE AND LOCALIZATION IN UNDERSEA CABLESUSING LOOPBACKS)”的美国临时专利申请序列号17/749,420的优先权，这些申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开的实施例涉及光学通信系统领域。更特别地，本公开至少涉及用于使用环回来扩展海底光缆中的分布式声学感测(distributed acoustic sensing，DAS)的范围的技术。
背景技术
在分布式声学感测(DAS)系统中，光缆可以用于提供实时或接近实时的分布式应变感测。换句话说，线缆本身可以用作用于在DAS环境中(例如，陆地环境、海底环境)检测或监控不同类型的中断、干扰、不规则性、活动、自然发生的事件、声学振动等的感测元件。为此，耦接到DAS系统的光缆的光电设备可以检测和处理DAS环境中特定距离上的反射光信号(例如，声频应变信号)。
一般而言，DAS询问器单元可以使用相干激光脉冲来探测光纤线缆，其中测量返回的光学反向散射信号的相位方面的变化。脉冲之间的光学相移可以与光纤中的应变成比例，从而导致发送振动等的能力，如所提及的那样。例如，DAS系统可以基于瑞利散射(也称为基于瑞利散射的DAS系统)。在这个系统中，相干激光脉冲可以沿着光纤发送，并且光纤内的散射位点可以使光纤充当分布式干涉仪，例如具有大约等于脉冲长度的标距长度。任何反射光的强度可以在激光脉冲的传输后作为时间的函数来测量，这被称为相干瑞利光学时域反射测量(Coherent Rayleigh Optical Time Domain Reflectometry，COTDR)。
当激光脉冲已经行进光纤的全长并返回时，下一激光脉冲可以沿着光纤发送。来自光纤的同一区域的连续激光脉冲的反射强度方面的变化可能是由光纤的该区段的光路长度方面的变化引起的。基于瑞利散射的DAS系统通常对光纤的应变和温度变化两者是敏感的，并且因此可以由光电设备在光纤的所有区段几乎同时地进行测量。
在基于瑞利散射的DAS系统中，激光脉冲在其沿光纤传播时被衰减，其中对于在1550纳米下操作的单模光纤，典型的衰减可能表现出每千米大约0.2dB的光学损耗。因为激光脉冲必须沿光纤进行双程，所以线缆长度方面的每千米可能导致大约0.4dB的光学损耗。因此，DAS系统的光电设备的“最大范围”对应于所反射的脉冲的幅值变得如此低以至于光电设备不可能从中获得或解译出清晰信号的时候。一般而言，最大范围大约在距所耦接的光电子设备40到50km之间，或者每当该范围达到大约10到12dB的总光学损耗时。在过去的几年里，DAS已经成功地应用于主动震源地震剖面测定的钻孔中，其中对于许多应用来说，几十公里的最大范围可能就足够了
在部署在用于海底通信的线缆中的光纤的情况下，越来越关注资产保护和干扰早期预警，包括阻止对海底线缆的外部侵害。如所陈述的那样，原则上，DAS对应变的敏感性意味着DAS技术可以检测由诸如船只的源生成的声学噪声，从而提供潜在危险的信息并提供足够提前的警告，以响应和防止对线缆的损坏。然而，对于长距离水下线缆，光纤跨距可能为大约50km到100km，而水下线缆可能延伸持续总共数百公里到数千公里。因此，已知DAS系统的DAS范围和感测能力显著受限，并且在大多数情况下，给定DAS系统的感测范围限于单个光纤跨距。为了解决这种限制，常规DAS解决方案可能将许多独立的光电设备串在一起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控其相应范围受限的光纤跨距。因此，光电设备中的每一个以及它们耦接的光纤有效地形成并充当分离的DAS系统。这种常规解决方案不仅非常昂贵(例如，因为扩展期望的范围需要越来越多的独立的光电设备和相关组件)，而且其设计在水底或水下环境或应用中也是禁止的和不可行的(甚至是不可能的)。
正是关于这些和其他考虑，提供了本公开。
附图说明
图1示出了示例光学通信系统；
图2示出了根据本公开的实施例的第一DAS系统的架构；
图3示出了根据本公开的实施例的第二DAS系统的架构；
图3A示出了根据本公开的实施例的第三DAS系统的架构；
图4示出了根据本公开的实施例的第四DAS系统的架构；
图5示出了根据本公开的实施例的第五DAS系统的架构；
图5A示出了根据本公开的实施例的第六DAS系统的架构；
图6示出了根据本公开的实施例的DAS检测的一种场景；
图7示出了第一示例流程图；
图8示出了第二示例流程图；以及
图9示出了第三示例流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本实施例，在附图中示出了示例性实施例。实施例的范围不应被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，这些实施例被提供为使得本公开将彻底和完整，并将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件。
在参照附图详细描述具体实施例之前，将回顾关于这些实施例的总体特征。提供了新型DAS装置、系统和架构，以扩展DAS感测能力的范围，特别地跨越包括地下光缆的水底系统的多个跨距。根据各种实施例，DAS感测的范围被扩展，同时通过提供特定跨距的返回信号检测组件来提高或保持定位能力，如下文所讨论的那样。
在一些实施例中，提供了用于扩展海底光缆中的分布式声学感测(DAS)范围的技术。例如，可以通过以下步骤来扩展DAS范围：沿着第一光纤的多个跨距传输和放大DAS信号；经由高损耗环回架构将DAS信号从第一光纤路由或旁路到不同于第一光纤的第二光纤；并且沿着相同的多个跨距将DAS信号返回并放大到DAS设备。然后，DAS设备可以接收并处理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。
根据一些实施例，DAS信号(例如，光信号)可以由DAS设备(例如，DAS询问器)从光缆的第一端传输。这个DAS信号可以被称为传输DAS信号。传输DAS信号可以沿着光缆的专用光纤对的第一光纤在第一方向上传播，并且可以被沿着光纤间隔开的一个或多个光学放大器周期性地放大。提供光学放大器是为了克服DAS装备的损耗预算限制，并且具有返回光纤路径的环回将DAS询问信号递送回DAS接收器。在沿着光缆的预定距离处(例如，在沿着线缆的“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专用光纤对的第二光纤，可以将传输DAS信号返回到DAS设备。在这点上，由于每个光学放大器具有光学隔离器，从而仅允许光在一个方向上传播的事实，因此需要环回来将反射的DAS信号从给定跨距通过返回路径路由回DAS接收器(DAS询问器)。
接下来的实施例的特征在于位于包括多个跨距的水下光缆的端部处的DAS询问器(DAS设备)。例如，跨距可以对应于水下通信系统中的中继器之间的距离，其中给定的中继器包括至少一个放大器以在至少一个方向上放大DAS信号。在各种实施例中，DAS信号通过DAS专用光纤对沿着光缆向出站传输。出站DAS信号被内联放大器周期性地放大，其中DAS信号也可以通过瑞利反向散射反射(罗利反向散射)在每个跨距中使用环回架构来反射。以这样的方式，根据一些非限制性实施例，来自每个跨距的所反射的DAS信号可以通过每个跨距处的环回被路由回到也配置有(多个)内联放大器的返回光纤中。
通过至少(i)沿着第一光纤的多个跨距传输并放大DAS信号，(ii)经由高损耗环回架构将DAS信号从第一光纤路由或旁路到不同于第一光纤的第二光纤，以及(iii)沿着相同的多个跨距将DAS信号返回并放大到DAS设备，DAS范围能够以相对于现有解决方案显著有利和改进的方式被扩展。在常规解决方案中，DAS范围通常限于单个光纤跨距(例如，范围不能扩展超过第一放大器)，但是本文描述的DAS范围扩展技术至少将DAS范围延伸超过单个光纤跨距。有利的是，范围扩展长度是灵活和可变的，例如DAS范围扩展长度可以根据各种用例进行设计和调节。而且，至少环回架构允许在海底应用中使用具有扩展范围的DAS系统，因为与包括许多DAS设备的常规DAS系统不同，仅需要单个DAS设备。
由此，本实施例提供了DAS系统中的高询问率，与距DAS装备的距离无关，从而允许在较大范围的频率内进行检测。注意，在现有的DAS方案中，询问率F被距离L限制为F＝c/2nL，其中c是光速，n是折射率。在本公开的当前实施例中，询问频率可以由放大器跨距长度La限制为F＝c/2nLa，但不受距询问器的距离L限制。因此，仅通过在由La限定的固定跨距间隔处提供放大器，就可以将询问率保持在由仅在一个端部具有一个DAS询问器的任意长的光缆上的放大器跨距的长度限定的值。
如下面将进一步详细描述的那样，根据各种实施例，基于光纤对提供DAS系统，其中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，在该环回架构中，环回光纤的第一端耦接到第一光纤的放大器的输出，并且环回光纤的第二相对端耦接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，在该环回架构中，环回光纤的第一端耦接到第一光纤的放大器的输出，并且环回光纤的第二相对端耦接到第二光纤的放大器的输入。
因此，由扩展DAS范围提供的更广的覆盖范围允许DAS系统更好地监控水下相关活动。例如，扩展DAS系统的光缆可以用于听或监测地震、海床运动、船舶特征、船舶通过、抛锚、渔网拖曳等。至少为此，光缆有效地充当麦克风，以监测可能在海底发生的潜在事项或问题，诸如对水底光学通信系统的光缆的侵害或潜在侵害。
在本公开的各种实施例中，在DAS系统中提供组件，以提供到DAS询问器的返回信号的特定跨距的检测。如下详细描述那样，在一些实施例中，为了提供跨度特定的检测，除了光纤对之间的环回之外，新型DAS系统设置有包括位于水底光学通信系统的多个跨距处的选择性光学滤波器的光学滤波器阵列。这种配置允许DAS询问器接收处于特定波长的DAS信号，该特定波长是位于特定跨距处的特定滤波器的特性。在不同的实施例中，光学滤波器可以是可调谐的或固定的。
如下面进一步详细描述的那样，在具有光学滤波器阵列的DAS系统的不同变型中，由DAS询问器发射的DAS信号可以在单个波长上发送或者沿着多个波长发送，其中给定波长特定于水下光学系统的给定跨距。在特定实施例中，在DAS系统以单个波长操作的情况下，可以将DAS频率调谐到适合于特定跨距/光学滤波器的频率，或者替代性地，可以沿着水下线缆在不同的环回处提供多个可调谐滤波器，使得给定跨距处的给定可调谐滤波器可以被适当地调谐入或调谐出，以便传输或阻断将由DAS询问器接收的返回信号。
在另外的实施例中，如下文详细描述那样，DAS系统被设置有这样的配置，在该配置中多个环回被布置在光纤对之间，其中光学开关被布置在环回路径内，以便从水下光学系统的特定跨距接收DAS信号。以这样的方式，通过断开或闭合不同环回中设置的不同开关，可以分离地询问任何跨距。
作为参考，根据本公开的不同实施例的DAS系统的各种配置将在下面的图2至5中示出。根据本公开的各种实施例，DAS系统可以集成到基于光缆的水下光学通信系统中，其中通信在多个信道上传输。DAS系统可以与设置有双向通信能力的光学通信系统集成在一起，如下面参考图1所详细描述的那样。此外，图6描绘了根据本实施例的用于使用范围扩展的DAS系统来检测和定位扰动的一般场景。
参考附图，图1示出了示例性双向光学通信系统101，该系统可以使用高带宽光纤来在长距离上传输大量数据。因此，双向光学通信系统101可以被认为是长程光学通信系统。双向数据传输可以通过在光缆内构建光纤对，并且每个光纤对传输一个或多个信道(例如波分复用信道)来实施。
如所示出的那样，光学通信系统101可以包括由两个单向光路111、121连接的端子103和105，这些一起形成双向光纤对。光路111可以在从端子103处的发射器113到端子105处的接收器115的一个方向(例如，向右)上传输(多个)信号、数据、信息等。光路121可以在从端子105处的发射器125到端子103处的接收器123的另一方向(例如，向左)上传输(多个)信号、数据、信息等。
关于端子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。光纤117-1至117-n和127-1至127-2可以分别是单个光纤117和单个光纤127的各个段，其中这些段通过将放大器耦接到光纤117和127来形成，如所示出的那样。
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，发射器113和接收器123可以作为应答器或收发器一起被容纳在端子103处，并且类似地，发射器115和接收器125也可以作为应答器或收发器一起容纳在端子105处。
光路对(例如，光路111、121)可以被配置为通过光纤对117(例如，经由117-1至117-n)和127(例如，经由127-1至127-n)(这些光纤对可以与支持附加路径对的其他光纤或光纤对一起被包括在光纤线缆中)连接或耦接到其上的中继器131-1至131-n内的一组放大器对119-1至119-n和129-1至129-n。每个中继器131可以至少包括用于每个路径对的放大器119、129对，并且可以包括用于附加路径对的附加放大器。
光学放大器119、129可以利用EDFA或其他稀土掺杂光纤放大器，例如拉曼放大器或半导体光学放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)。耦接路径133-1至133-n可以耦接在例如中继器131-1至131-n中的一个或多个中的光路111、121之间。可以理解，如本文所用的术语“耦接(couple或coupled)”广泛地指任何连接(connection或connecting)、耦接、链路或链接，直接的或间接的或有线的或无线的连接，并且不一定意味着耦接的组件或元件彼此直接连接。
在一些实施例中，DAS系统可以与由DAS询问器102代表的光学通信系统101集成。
图2示出了根据本公开的实施例的被示为DAS系统150的第一DAS系统的架构。如所示出的那样，DAS系统150可以包括耦接到DAS传输系统151的DAS询问器152，该DAS传输系统在高损耗环回架构中，其中仅描绘了一个环回，即环回153。DAS询问器152可以包括激光源(未示出)，以生成沿DAS传输系统151传输的出站DAS信号。在这个图以及随后的其他图中，出站DAS信号以及返回DAS信号可以沿着光纤传输，如关于双向通信系统101的一般描述的那样。注意，根据各种实施例，这些光纤可以专用于DAS信号传输，并且可以与光缆的通信有效载荷光纤分离。然而，根据一些实施例，DAS传输系统151可以至少部分地与双向光学通信系统(诸如双向通信系统101)集成。例如，DAS传输系统151的组件可以与双向通信系统的组件并置。作为示例，DAS传输系统151的光纤可以并置在双向通信系统101的公共光缆中。此外，DAS传输系统151的其他组件(诸如EDFA)可以或可以不与双向传输系统的组件并置，诸如在双向通信系统101的中继器处。
DAS询问器152可以被配置成传输出站DAS信号，基于出站DAS信号接收返回DAS信号，并对所接收的返回DAS信号执行处理以至少部分基于该处理来提取海底环境的声学特性或特征。至少在这方面，DAS询问器152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、传输、接收和分析所返回的DAS信号。在这个实施例和随后的其他实施例中，出站DAS信号可以作为一系列脉冲传输，其中返回DAS信号也表征为一系列脉冲。DAS询问器152可以被包括和容纳在终端中，或者替代性地可以是独立的设备。
DAS询问器152可以耦接到第一光纤，该光纤为出站DAS信号提供传输路径。当由DAS询问器152传输出站DAS信号时，出站DAS信号沿着传输路径(通常在图中向右)传播，并被EDFA 154、156、158周期性地放大，如图2所示。如进一步所示，可以提供由环回153指示的环回光纤。例如，环回153处的环回光纤的第一端可以在耦接点处耦接到传输出站DAS信号的第一光纤；并且环回153处的环回光纤的第二端可以在耦接点处耦接到传输返回DAS信号的第二光纤，其中第二光纤(在图2的下部路径上示出)为返回DAS信号提供返回路径。在示例中，返回环回光纤被配置为和/或提供高损耗环回路径。因此，经由环回153处的环回光纤，传输路径上的出站DAS信号被路由或旁路到第二光纤——返回路径——使得出站DAS信号作为返回DAS信号沿着返回路径传播，其中返回DAS信号也可以被放大，诸如至少被EDFA160放大，并返回到DAS询问器152，如所示出的那样。
可以理解的是，分别提供传输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者形成双向光纤对。在不同的实施例中，这个光纤对可以是独立的DAS专用光纤对，或者替代性地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之外的波长，使得DAS信号不干扰有效载荷信号。还可以理解的是，每“第N”个相对的一组放大器(例如，耦接到第一光纤的第N个放大器和耦接到第二光纤的第N个放大器)可以配对并容纳在同一中继器中(例如，类似于图1中示出的中继器)。
注意，在图2的返回路径上示出的EDFA 162和EDFA 164可以被配置成放大从出站DAS信号导出的附加返回DAS信号，并通过光学传输系统151的附加环回(未示出)进行路由。
注意，在图2的布置中，与常规水下光学传输系统一样，由EDFA之间的距离表示的中继器之间的跨距的长度可以为大约50km到100km。因此，通过提供多个EDFA的布置，DAS系统150可以仅使用DAS询问器152来提供扰动的扩展范围的DAS检测，其中DAS检测被扩展超过单个跨距的长度，诸如光学通信系统的多个跨距的扩展范围。
为了进一步突出显示本实施例所提供的这个优点，图6示出了根据本实施例提供的用于扩展DAS范围的布置500。在图6的示例中，光学传输系统101被描绘为一系列中继器506、508、510、512、514和516，其中这些中继器可以包括以双向方式传输水下光学通信的常规装备。附加地，DAS系统(诸如DAS系统150)的前述组件可以集成到布置500中，其中，在一些实施例中，DAS系统150的组件可以与光学传输系统101的组件并置。
通过这样做，可以从DAS询问器152(位于海岸处)传输出站DAS信号，该信号沿着第一光纤传播并由DAS传输系统151的EDFA(参见图2)周期性地放大(这些EDFA可以位于中继器506、508和510中)，并且经由位于中继器中的一个或多个的环回光纤(图6中未示出)被路由或旁路到第二光纤，使得出站DAS信号可以在相反方向被放大并返回到DAS询问器152。因此，与中继器510相关联的位置处的环回光纤的配置允许到接近该中继器510的扩展DAS范围；与中继器512相关联的位置处的环回光纤的配置允许到接近该中继器512的扩展DAS范围；与中继器514相关联的位置处的环回光纤的配置允许到接近该中继器514的扩展DAS范围；与中继器516相关联的位置处的环回光纤的配置允许到接近该中继器516的扩展DAS范围等。
在一些示例中，DAS传输系统151可以与双向光学通信系统101同延。因此，双向光学通信系统101可以是例如跨越6000km并包括80个中继器的跨洋系统。同样地，DAS传输系统151可以跨越相同的80个中继器，因此允许沿着双向光学通信系统101的水下光缆的任何地方发生的活动被DAS询问器152监控。例如，如果船舶520在海洋的远处进行捕鱼活动，诸如在中继器514和516之间，则这些活动可以通过至少进一步扩展的DAS范围被有效地监控和分析，如所示出的那样。因此，船舶520(例如，船舶声学特征)、活动(例如，拖曳锚、拖曳渔网)以及船舶可能对光学通信系统101的光缆造成的潜在侵害可以通过至少扩展的DAS范围来监控，这种监控相对于先前讨论的常规的有限DAS范围是有利的。
回到图2，如所示的，在环回153处提供了环回组件166，其中环回组件166可以调节环回153处的返回DAS信号的传输。如下详细描述的那样，用于调整返回DAS信号的传输的环回组件166的示例包括光学滤波器或光学开关。然而，用于调整返回DAS信号的其他组件也是可能的。如关于随后的附图所详细描述的那样，诸如环回组件166的环回组件可以以提供关于返回DAS信号的环回特定或特定跨距信息的方式，修改通过环回被引导到DAS询问器的(多个)返回DAS信号(包括阻断返回DAS信号)，并且因此有助于更好地标识和定位DAS传输系统151附近的扰动。
现在转到图3，示出了根据本公开的实施例的被示为DAS系统170的第二DAS系统的架构。DAS系统170可以与前面描述的DAS系统150共享共同的组件，其中这些组件的功能可类似于先前描述的功能。DAS系统170包括DAS询问器152和DAS传输系统171，该DAS传输系统如所示出的那样包括沿出站方向(顶部)和返回方向(底部)两者的多个EDFA。在这个图示中，描绘了多个环回，包括环回173和环回175。在一些配置中，出站EDFA和返回EDFA可以在放大器对中相关联，如放大器对n(EDFA 156和EDFA 162)和放大器对n+1(EDFA 158和EDFA164)所示。
在放大器对n之后的操作中，通过使用高损耗环回架构(示为环回173)将出站DAS信号从双向光纤对的第一光纤路由到第二光纤，可以将出站DAS信号返回到DAS询问器152。然后，返回DAS信号在DAS询问器152处被接收回之前被路由通过EDFA 162和EDFA 160。
此外，在放大器对n+1之后，以类似于通过环回173进行路由的方式，通过环回175路由出站DAS信号，可以将出站DAS信号中的一部分返回到DAS询问器152。然后，返回DAS信号在DAS询问器152处被接收回之前被路由通过EDFA 164、EDFA 162和EDFA 160。注意，DAS传输系统171可以包括另外的放大器对，其中放大器对可以根据双向光学通信系统的跨距隔开，如所讨论的那样。因此，在一些示例中，放大器对可以彼此隔开50km、70km、90km或类似值的距离。在一些示例中，DAS传输系统的放大器对可以与双向光学通信系统的中继器并置。因此，在跨洋线缆中，DAS传输系统171可以包括多达几十个放大器对和相关联的环回。
DAS传输系统171还包括光学滤波器阵列，其中光学滤波器阵列包括与给定环回相关联的给定光学滤波器。在一些实施例中，可以为DAS传输系统171的每个环回提供光学滤波器。图3描绘了这些光学滤波器中的两个，被示为光学滤波器172(也由Fn指示)，其沿着第一DAS返回信号的路径设置、与放大器对n和环回173相关联；以及光学滤波器174(也由Fn+1指示)，其沿着第二DAS返回信号的路径设置、与放大器对n+1和环回175相关联。在各种实施例中，光学滤波器阵列中的每个光学滤波器设置有用于过滤和传输具有跨距(环回)特定的中心频率的返回DAS信号的组件。以这样的方式，DAS传输系统171的每个环回将以与该环回相关联的特定频率将返回DAS信号引导至DAS询问器152。而且，由于给定环回与沿着DAS传输系统171的给定跨距相关联，DAS询问器151可以通过以与感兴趣的跨距相关联的环回滤波器的频率询问给定的DAS返回信号来执行特定跨距的DAS感测。换句话说，不仅可以采用DAS传输系统171在远至所提供的多个放大器对的距离处询问DAS信息，而且可以询问返回DAS信号，以提供定位到给定跨距或环回的DAS信息。
如上所陈述那样，根据各种实施例，DAS询问器152可以在单一波长或光学频率下操作。在根据一个变型的DAS系统170的操作中，DAS频率可以被调谐到适合于DAS传输系统171的特定跨距/光学滤波器的频率，以便传输或阻断将由DAS询问器152接收的返回DAS信号。
在根据另一变型的操作中，前述光学滤波器(172，174等)可以被提供为多个可调谐滤波器，使得给定跨距处的给定可调谐滤波器可以被适当地调谐入或调谐出，以便传输或阻断由DAS询问器152接收的返回DAS信号。
图3A示出了根据本公开的实施例的第三DAS系统的架构。DAS系统170-A可以共享与DAS系统170相同的大部分组件，其中DAS系统170-A可以被认为是DAS系统170的变型。两个DAS系统之间的主要区别在于，在DAS系统中，环回173-A包括EDFA 176，并且环回175-A包括EDFA 178。注意，DAS系统的其他环回(未示出)可以类似地配备有相应带通滤波器和EDFA。注意，环回173-A和环回175-A中示出的两个光学带通滤波器(示出为带通滤波器172-A和带通滤波器174-A)可以与光学滤波器172和光学滤波器174相似或相同。在这个实施例中，由于在DAS系统190-A的各个环回中设置了带通滤波器和EDFA，所以可以改善噪声性能和询问距离。在图3A的示例中，带通滤波器172-A和174-A放置在EDFA 176和EDFA 178之前。在其他实施例中，当返回路径信号对于DAS询问器处的可接受处理来说太低时，这些滤波器可以被放置在相对应的EDFA之后。换句话说，可以进行滤波器的这种替代性放置，以改善返回路径EDFA 176和EDFA 178的噪声性能。
现在转到图4，示出了根据本公开的实施例的被示为DAS系统180的第四DAS系统的架构。DAS系统180可以与前面描述的DAS系统150和DAS系统170共享共同的组件，其中这些组件的功能可类似于先前描述的功能。DAS系统180与DAS系统170的不同之处在于提供了DAS询问器182，该询问器包括激光梳或类似结构。
在操作中，DAS询问器182可以生成由激光梳调制的出站DAS信号，使得出站DAS信号在对应于与DAS传输系统171的不同环回的相应光学滤波器相关联的相应多个滤波器频率的多个光学频率上传输。以这样的方式，当出站DAS信号通过DAS传输系统171的给定环回被路由时，对应于该环回的光学滤波器的传输频率的出站DAS信号的给定部分将被返回到DAS询问器182。因此，可以由DAS询问器182同时接收和询问多个DAS返回信号，每个信号与不同的环回相关联。而且，根据给定DAS返回信号的频率，DAS询问器可以有利地将多个同时接收的返回DAS信号中的每一个与DAS传输系统171的特定跨距或环回位置相关联。
图5示出了根据本公开的实施例的被示为DAS系统190的第五DAS系统的架构。DAS系统190可以与前面描述的DAS系统150、DAS系统170和DAS系统180共享共同的组件，其中这些组件的功能可类似于先前描述的功能。DAS系统180包括DAS询问器152和DAS传输系统191，该DAS传输系统如所示出的那样包括沿出站方向(顶部)和返回方向(底部)两者的多个EDFA。在这个图示中，描绘了多个环回，包括环回173和环回175。在一些配置中，出站EDFA和返回EDFA可以在放大器对中相关联，如放大器对n(EDFA 156和EDFA162)和放大器对n+1(EDFA 158和EDFA 164)所示。
DAS传输系统191配备有光学开关阵列，其中光学开关阵列包括与给定环回相关联的给定光学开关。在一些实施例中，可以为DAS传输系统191的每个环回提供光学开关。根据各种实施例，光学开关可以通过机械装置、电气装置、机电装置、电光装置或其他方式进行开关控制。
图5描绘了这些光学开关中的两个，被示出为光学开关192，其沿着第一DAS返回信号的路径设置、与放大器对n和环回173相关联；以及光学开关194，其沿着第二DAS返回信号的路径设置、与放大器对n+1和环回175相关联。在各种实施例中，光学开关阵列中的每个光学开关可操作以根据由DAS询问器192供应的控制信号断开或闭合。以这样的方式，根据期望，通过DAS传输系统191的每个环回路由的DAS返回信号可以被传输到DAS询问器192或者被阻断传输到DAS询问器192。
在操作中，根据一些实施例，DAS询问器192可以向DAS传输系统191传输出站DAS信号，使得多个DAS返回信号通过相应的多个环回被重新路由。为了询问特定于DAS传输系统191的给定跨距或环回的DAS返回信号，DAS询问器可以发送一组开关控制信号，以设置环回的每个光学开关的状态。例如，该组开关控制信号可以包括发送到目标环回处的目标光学开关的单个开关闭合信号，并且可以包括发送到DAS传输系统191的所有其他环回处的所有其他光学开关的多个开关断开信号。以这样的方式，在发送出站DAS信号时，可以仅将目标环回处的一个光学开关放置处于闭合状态，以便从目标环回向DAS询问器192传输返回DAS信号，而不从DAS传输系统的其他环回接收返回DAS信号。然后这种情况便于DAS传输系统191的每个特定跨距的单独DAS询问。当然，在一些场景下，所有的光学开关可以被设置为默认断开位置，使得DAS询问器192可以向所选择的光学开关发送单个开关闭合信号，以便单独地询问与所选择的光学开关相关联的目标环回。
在图5的场景中，光学开关192闭合，而光学开关194断开。可以假设DAS传输系统191的其他光学开关(未示出)也是断开的。因此，除了被路由通过环回173的返回DAS信号195之外，所有返回DAS信号(例如，参见返回DAS信号197)在相应环回的断开光学开关处被阻断。
图5A示出了根据本公开的实施例的第六DAS系统的架构。DAS系统190-A可以共享与DAS系统190相同的大部分组件，其中DAS系统190-A可以被认为是DAS系统190的变型。这两个DAS系统之间的主要区别在于，DAS系统190-A在DAS系统190-A的各个环回中包括内联带通滤波器。在图5A的示例中，示出了两个带通滤波器，即，环回173-B中的滤波器193和环回175-B中的滤波器196。这些带通滤波器与相应光学开关内联布置，如前面参照图5所讨论。注意，环回173-B和环回175-B中示出的两个光学带通滤波器(被示出为带通滤波器193和带通滤波器176)可以与光学滤波器172和光学滤波器174相似或相同。此外，环回173-B包括EDFA 198，并且环回175-B包括EDFA 199。注意，DAS系统的其他环回(未示出)可以类似地配备有相应带通滤波器和EDFA。在这个实施例中，由于在DAS系统190-A的各个环回中设置了带通滤波器和EDFA，所以可以改善噪声性能和询问距离。在图5A的示例中，两个带通滤波器放置在EDFA198和EDFA 199之前。在其他实施例中，当返回路径信号对于DAS询问器处的可接受处理来说太低时，这些滤波器可以被放置在相对应的EDFA之后。换句话说，可以进行滤波器的这种替代性放置，以改善返回路径EDFA 198和EDFA 199的噪声性能。
图7示出了根据本公开实施例的示例流程图700。例如，流程图700中示出的分布式声学感测可以由DAS询问器来执行，该DAS询问器可以耦接到双向光纤对(例如，专用DAS光纤对，已经存在的光学系统有效载荷承载光纤对)。在框702，第一出站DAS信号通过光纤对的第一光纤沿着DAS传输系统被引导。根据一些实施例，光纤对可以包括在DAS传输系统中，该DAS传输系统至少部分地布置在双向光学通信系统中。
在框704，基于第一出站DAS信号的第一返回DAS信号通过DAS传输系统的给定环回在光纤对的第二光纤上被引导或路由。
在框706，第一返回DAS信号通过与给定环回相关联的第一光学滤波器进行滤波，其中经滤波的第一返回DAS信号以目标光学频率传输。
在框708，DAS询问器被设置为以目标光学频率接收经滤波的第一返回DAS信号，以便适当地处理和分析第一返回DAS信号。在一些示例中，从第一出站信号导出的附加返回DAS信号可以通过其他环回、通过以除了目标光学频率的光学频率进行传输的附加光学滤波器被路由回到DAS询问器。以这样的方式，这种附加DAS返回信号可以不干扰由DAS询问器分析的第一经过滤的返回DAS信号的处理。
图8示出了根据本公开的另外的实施例的示例流程图800。在框802，在光缆的多个光纤上沿着DAS传输系统引导出站DAS信号。在一些示例中，DAS传输系统包括多个放大器对，该多个放大器对可以以大约50km到100km的间隔分布在DAS传输系统上。在一些示例中，放大器对可以并置在可以在DAS传输系统的同一光缆上采用通信信道的双向光学通信系统的中继器处。
在框804，基于出站DAS信号的第一返回DAS信号被引导或路由通过与DAS传输系统的所选择的跨距相关联的所选择的环回。
在框806，基于出站DAS信号的第二返回DAS信号被引导或路由通过与DAS传输系统的附加跨距相关联的附加环回。
在框808，通过在所选择的环回处将第一光学开关设置到闭合位置并且在附加环回处将第二光学开关设置为断开位置，在DAS询问器处询问第一返回DAS信号。在一些示例中，可以通过将除了所选择的环回之外的所有环回处的DAS传输系统的所有光学开关设置到断开位置来单独询问第一返回DAS信号，从而阻断除了第一返回DAS信号之外的所有返回DAS信号传播到DAS传输系统的将DAS信号传导到DAS询问器的返回光纤。
图9示出了根据本公开的其他实施例的示例流程图800。在框902，沿DAS传输系统的光缆在多个选择的光学频率下引导出站DAS信号。在框904，基于出站DAS信号的第一返回DAS信号以一组选择光学频率中的第一频率被引导或路由通过DAS传输系统的给定环回。
在框906，基于出站DAS信号的第二返回DAS信号以该组选择光学频率中的第二频率被引导或路由通过DAS传输系统的附加环回。
在框908，DAS询问器被设置为同时接收和处理第一频率下的第一返回DAS信号和第二频率下的第二返回DAS信号。
在一些示例中，框902至908的操作可以通过从激光梳状结构生成出站DAS信号使得DAS信号在多个光学频率上传输来完成，该多个光学频率对应于与位于给定环回和附加环回处的相应光学滤波器相关联的相应多个光学滤波器频率。以这样的方式，当出站DAS信号被路由通过给定环回和附加环回时，对应于给定环回光学滤波器和附加环回光学滤波器的发射频率的出站DAS信号的部分将被返回到DAS询问器，以便同时接收和/或处理。
本文中，公开了用于使用环回技术扩展在光缆中的多个跨距上的DAS范围的新型和创造性的装置、系统和技术，包括提供特定跨距的DAS信息。本公开在范围方面不受本文描述的具体实施例限制。实际上，除了本文描述的那些之外，本公开的其他各种实施例和改进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，这样的其他实施例和改进旨在落入本公开的范围内。进一步，尽管本文中已经在特定环境中为特定目的在特定实施范式的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可以有益地在任何数量的环境中为任何数量的目的实施。因此，下面阐述的权利要求应该根据本文描述的本公开的全部宽度和精神来解释。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
DAS询问器，所述DAS询问器用于发射出站DAS信号；
出站信号路径，所述出站信号路径用于在至少一个出站光纤上传输所述出站DAS信号；
多个出站放大器，所述多个出站放大器沿着所述出站信号路径耦接、并且彼此分开限定了跨距的距离；
返回信号路径，所述返回信号路径用于在多个返回光纤上传导基于所述出站DAS信号的多个返回DAS信号；
多个返回放大器，所述多个返回放大器沿着所述返回信号路径耦接、并且彼此分开限定了跨距的距离；
多个环回，所述多个环回用于在所述出站信号路径和所述返回信号路径之间重新路由所述出站DAS信号，以形成所述多个返回DAS信号；以及
环回组件，所述环回组件布置在所述多个环回中的至少一个环回中，以调整从所述环回到所述DAS询问器的返回DAS信号的传输。
2.根据权利要求1所述的系统，所述环回组件包括光学滤波器。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括设置在所述环回中的环回放大器。
4.根据权利要求1所述的系统，所述环回组件包括光学开关，其中所述光学开关能够通过机械装置、电气装置、机电装置或电光装置进行开关控制。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括设置在所述环回中的环回放大器和带通滤波器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述带通滤波器放置在所述环回放大器和所述返回信号路径之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述出站放大器、返回放大器或其组合中的至少一些放大器是掺铒光纤放大器、其他掺稀土光纤放大器、拉曼放大器、半导体光学放大器或其组合。
8.一种方法，包括：
在出站DAS信号路径上从DAS询问器发射DAS信号，所述出站DAS信号路径包括至少一个光纤；
在沿着所述出站DAS信号路径的多个放大器处放大所述出站DAS信号，所述多个放大器分布在多个跨距上；
将所述出站DAS信号路由到被布置在所述出站DAS信号路径和返回DAS信号路径之间的多个环回中；以及
沿着所述返回信号路径将来自所述多个环回中的至少一个环回的至少一个返回DAS信号传输到所述DAS询问器；以及
放大所述至少一个返回DAS信号，
其中所述至少一个返回DAS信号由位于所述至少一个环回处的组件来处理，以向所述DAS询问器提供特定跨距的DAS信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其中光学滤波器、环回放大器、光学开关或其任意组合设置在所述多个环回中的至少一个环回中。
10.一种系统，包括：
DAS询问器，所述DAS询问器用于发射出站DAS信号；
出站信号路径，所述出站信号路径用于在至少一个出站光纤上传输所述出站DAS信号；
多个出站放大器，所述多个出站放大器沿着所述出站信号路径耦接、并且彼此分开限定了跨距的距离；
返回信号路径，所述返回信号路径用于在多个返回光纤上传导基于所述出站DAS信号的多个返回DAS信号；
多个返回放大器，所述多个返回放大器沿着所述返回信号路径耦接、并且彼此分开限定了跨距的距离；
多个环回，所述多个环回用于在所述出站信号路径和所述返回信号路径之间重新路由所述出站DAS信号，以形成所述多个返回DAS信号；
环回组件，所述环回组件布置在所述多个环回中的至少一个环回中，以调整从所述环回到所述DAS询问器的返回DAS信号的传输；以及
光学放大器，所述光学放大器设置在所述至少一个环回中。
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