CN116858295A - 一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统及方法。系统包括传感光缆、传感解调系统、数据处理模块和上位机；其中，传感光缆铺设于岛礁岸线，用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；传感解调系统用于向传感光缆提供入射光信号并接收传感光缆返回的散射光信号；数据处理模块用于对传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，并作为数据处理结果输出；上位机用于对数据处理结果进行可视化实时展示和储存。本发明引入分布式光缆传感技术，利用其所具有长距离、低成本、多参量连续监测、且不易受环境因素影响的特点，能够满足海洋岛礁的监测需求。
Description
技术领域
本发明涉及光缆传感领域，尤其是一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统及方法。
背景技术
近年，海洋资源不断开发、填岛工程持续进行，我国海洋岛礁的数量也随之增加，但海洋岛礁普遍距离大陆较远，生活条件恶劣，难以安排驻扎人员对海洋岛礁进行定点驻防。
随着国际形势的紧张多变，海外不法人员针对我国远海岛礁长期进行觊觎、破坏、非法占领等活动，对我国的海洋权益造成严重威胁。因海洋岛礁所处环境的特殊性，海洋岛礁监测往往面临着监测距离长、岛上能源有限、海水腐蚀、长时间实时监测的问题。常规的视觉、电子、人工巡检等传统监测手段也往往受限于环境因素，难以应用于海洋岛礁的防卫监测之中。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统及方法。
本发明的第一方面提供了一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，包括传感光缆、传感解调系统、数据处理模块和上位机；
所述传感光缆铺设于岛礁岸线；所述传感光缆用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；
所述传感解调系统连接所述传感光缆的一端；所述传感解调系统用于向所述传感光缆提供入射光信号并接收所述传感光缆返回的散射光信号；
所述数据处理模块连接所述传感解调系统；所述数据处理模块用于对所述传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，将所述岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化作为数据处理结果输出；
所述上位机连接所述数据处理模块；所述上位机用于对所述数据处理模块的数据处理结果进行可视化实时展示和储存。
进一步地，所述传感光缆具体铺设于岛礁岸线的大潮高潮线之上，所述传感光缆外部设有聚乙烯层和防水层以抵御海水对所述传感光缆的侵蚀。
根据权利要求1所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述传感解调系统具体包括激光器、第一光耦合器、波形发生器、声光调制模块、第一信号放大模块、带通滤波器、光环形器、第二光耦合器、光谱仪模块、第二信号放大模块、布里渊激光腔、偏振扰频器、光开关、第三光耦合器、光电探测器和数据采集卡；
所述激光器用于产生初始光信号；
所述第一光耦合器用于对激光器产生的初始光信号进行分光，将所述初始光信号分为探测光信号和参考光信号；
所述波形发生器用于生成驱动信号输入所述声光调制模块，生成开关控制信号输入所述光开关；
所述声光调制模块用于根据所述波形发生器生成的驱动信号对所述探测光进行调制，得到脉冲光信号；
所述第一信号放大模块和带通滤波器用于对所述脉冲光信号进行放大和滤波，得到入射光信号；
所述光环形器用于将所述入射光信号输入所述传感光缆并接收所述传感光缆返回的散射光信号；
所述第二光耦合器用于收集所述传感光缆返回的散射光信号并进行耦合，将散射光信号输出至第二信号放大模块和光谱仪模块；
所述光谱仪模块用于观测所述散射光信号的散射光谱并根据所述散射光谱的变化对所述入射光信号的功率进行调整；
所述第二信号放大模块用于对所述散射光信号进行放大；
所述布里渊激光腔用于对所述参考光信号进行定向放大，得到布里渊泵浦光信号；
所述偏振扰频器用于对所述布里渊泵浦光信号进行随机扰动以去除所述定向光信号中的偏振频率，得到扰偏光信号；
所述光开关用于根据所述波形发生器生成的开关控制信号控制光路的导通；在光路导通时将所述扰偏光信号输入至第三光耦合器；
所述第三光耦合器用于对所述散射光信号和扰偏光信号进行相干拍频，得到拍频信号；
所述光电探测器用于获取所述拍频信号并对所述拍频信号进行光电转换，得到电信号；
所述数据采集卡用于采集所述电信号并向所述数据处理模块输出。
进一步地，在所述传感解调系统中：
所述激光器的输出端连接所述第一光耦合器的输入端；所述第一光耦合器的输出端连接所述声光调制模块的光信号输入端和所述布里渊激光腔的输入端；所述波形发生器的输出端连接所述声光调制模块的驱动信号输入端和所述光开关的开关控制信号输入端；所述声光调制模块的输出端连接所述第一信号放大模块的输入端；所述第一信号放大模块的输出端连接所述带通滤波器的输入端；所述带通滤波器的输出端连接所述光环形器的第一端；所述光环形器的第二端连接所述传感光缆，所述光环形器的第三端连接所述第二光耦合器的输入端；所述第二光耦合器的输出端连接所述第二信号放大模块的输入端和光谱仪模块的输入端；所述第二信号放大模块的输出端连接所述第三光耦合器的散射光信号输入端；所述布里渊激光腔的输出端连接所述偏振扰频器的输入端；所述偏振扰频器的输出端连接所述光开关的光信号输入端；所述光开关的输出端连接所述第三光耦合器的扰偏光信号输入端；所述第三光耦合器的输出端连接所述光电探测器的输入端；所述光电探测器的输出端连接所述数据采集卡的输入端；所述数据采集卡的输出端连接所述数据处理模块。
进一步地，所述传感光缆返回的散射光信号包括背向瑞利散射光信号、背向拉曼散射光信号和背向布里渊散射光信号；所述数据处理模块对所述传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，具体包括以下步骤：
所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化，具体通过所述背向拉曼散射光信号的强度变化获取；
所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化，具体通过所述背向瑞利散射光信号的强度变化获取；
所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化，具体通过所述背向布里渊散射光信号的频移变化获取。
进一步地，所述数据处理模块通过背向拉曼散射光信号的强度变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化，具体包括以下步骤：
所述背向拉曼散射光信号中具体包括拉曼斯托克斯散射光信号和拉曼反斯托克斯散射光信号；所述拉曼斯托克斯散射光信号Ps通过如下公式表示：
所述拉曼反斯托克斯散射光信号Pas通过如下公式表示：
式中，Po表示所述入射光信号的功率，Ks表示拉曼斯托克斯散射光信号的散射系数，Kas表示拉曼反斯托克斯散射光信号的散射系数，α0表示入射光信号的损耗系数，αs表示拉曼斯托克斯散射光信号的损耗系数，αas表示拉曼反斯托克斯散射光信号的损耗系数，Rs(T)表示拉曼斯托克斯散射光信号的温度调制函数，Ras(T)表示拉曼反斯托克斯散射光信号的温度调制函数；
拉曼斯托克斯散射光信号的温度调制函数Rs(T)具体为如下公式：
拉曼反斯托克斯散射光信号的温度调制函数Ras(T)具体为如下公式：
式中，T表示温度，h表示普朗克常量，k是玻尔兹曼常数；
所述数据处理模块对所述拉曼斯托克斯散射光信号Ps和拉曼反斯托克斯散射光信号Pas进行解调，得到温度调制函数Rs(T)和Ras(T)；通过所述温度调制函数Rs(T)和Ras(T)的变化获取所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置发生的温度变化。
进一步地，所述数据处理模块通过背向瑞利散射光信号的强度变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化，具体包括以下步骤：
根据所述背向瑞利散射光信号的幅值绘制实时振动曲线；
根据上一时刻背向瑞利散射光信号的幅值绘制上一时刻振动曲线；
比较所述实时振动曲线和上一时刻振动曲线的幅值差异，绘制得到差分曲线；
对所述差分曲线进行差分计算得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化。
进一步地，所述数据处理模块通过背向布里渊散射光信号的频移变化获传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化，具体包括以下步骤：
通过以下公式计算所述背向布里渊散射光信号中的布里渊频移：
式中，n表示所述传感光缆的折射率，Va表示所述传感光缆中的声速，λp表示所述入射光信号中心波长；
其中声速Va可以表示为：
其中E表示所述传感光缆的杨氏模量，k表示所述传感光缆的泊松比，ρ表示所述传感光缆的密度；
当所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置发生应变变化时，所述传感光缆的折射率n、声速Va和入射光信号中心波长λp发生变化，导致所述背向布里渊散射光信号中的布里渊频移发生变化；数据处理模块通过对所述布里渊频移的变化进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化。
进一步地，所述上位机中还设置报警模块，当所述数据处理模块的数据处理结果大于预设报警阈值时，所述上位机模块触发入侵报警。
一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测方法，包括以下步骤：
在岛礁岸线上铺设传感光缆；所述传感光缆用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；
向所述传感光缆提供入射光信号并接收所述传感光缆返回的散射光信号；
对所述散射光信号进行解算，得到所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，将所述温度变化、振动变化和应变变化作为数据处理结果输出；
对所述数据处理结果进行展示和储存。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
本发明的实施例具有如下方面有益效果：本发明所提供一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统和方法，通过引入分布式光缆传感技术，利用其所具有长距离、低成本、多参量连续监测、且不易受环境因素影响的特点，能够满足海洋岛礁的监测需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统和方法的实施示意图；
图2是本发明一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统和方法的整体流程图；
图3是本发明一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统和方法中传感解调系统的结构图；
图4是本发明一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统和方法中振动变化解调示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
目前传统的监测手段有人工巡查、机器视觉、电磁传感器等，但由于海洋岛礁具有监测范围大、环境恶劣、岛上能源少等问题，上述监测方法在应对海洋岛礁监测时往往会具有局限性，时常会受到能源和环境的影响。在面对大范围的岛礁监测时，通常会表现出监测效率低、成本高、监测效果单一等弊端。
参见图1，为本发明实施例提供一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统的示意图，系统包括传感光缆、传感解调系统、数据处理模块和上位机；
传感光缆铺设于岛礁岸线；传感光缆用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；
传感解调系统连接传感光缆的一端；传感解调系统用于向传感光缆提供入射光信号并接收传感光缆返回的散射光信号；
数据处理模块连接传感解调系统；数据处理模块用于对传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，将岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化作为数据处理结果输出；
上位机连接数据处理模块；上位机用于对数据处理模块的数据处理结果进行可视化实时展示和储存。
本实施例整体实施流程参考图2，下面具体说明海洋岛礁近岸防卫监测系统的各个组成部分。
传感光缆：本实施例中传感光缆作为传感单元用于传输脉冲光并在光缆中产生背向散射光信号，通过对背向散射光信号的解调能够实现对传感光缆沿线振动、温度、应变事件的实时监测。容易理解的是，本实施例中分布式光缆传感系统对海洋岛礁进行防卫监测，相较于常规的监测环境传感光缆会长时间的处于海洋环境之中，岛礁附近的湿度、含盐量等指标均相较常规环境更高，因此传感光缆极易受到海水的腐蚀，进而增加传感光缆的传输损耗，影响最终的探测效果。
为了提高探测准确度，本实施例选择适用于海洋条件的特种光缆，传感光缆外部设有聚乙烯层和防水层以抵御海水对传感光缆的侵蚀。同时由于海浪潮汐问题会产生探测的背景噪声，影响传感光缆的探测效果，故本实施例中传感光缆具体铺设于岛礁岸线的大潮高潮线之上。另一方面，本实施例传感光缆的铺设环境为海洋岛礁，其可能涉及土质疏松、岩石层交替等复杂区域，此时应尽量避免在这些区域铺设传感光缆。因为土质疏松的区域会影响声波、外力信息的传播，降低信号的幅值不便于信号的精准定位；而岩石层交替区域的地质活动较强，容易挤压传感光缆导致使用寿命下降。将传感光缆环岛铺设并掩埋后即可通过传感光缆检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化。
传感解调系统：本实施例中传感解调系统结构如图3所示，具体包括激光器(Laser)、第一光耦合器(OC1)、波形发生器(AWG)、声光调制模块(AOM)、第一信号放大模块(EDFA1)、带通滤波器(BPF)、光环形器(cir)、第二光耦合器(OC2)、光谱仪模块(OSA)、第二信号放大模块(EDFA2)、布里渊激光腔(BL)、偏振扰频器(PS)、光开关(OS)、第三光耦合器(OC3)、光电探测器(PD)和数据采集卡(DAQ)。由于本实施例中传感解调系统通过采集光缆的背向散射光信号进行防卫监测，因此入射光信号和散射光信号可以在传感光缆的同一端实现光线的入射和返回。传感解调系统仅需要连接传感光缆的一端，而不需要将传感光缆闭环工作。在另一部分实施例中出于信号探测准确性的考虑，避免光缆因意外情况导致一端的信号无法完成传输，也可以将传感光缆的两端都连接上传感解调系统。
传感解调系统中，激光器用于产生初始光信号，提供连续窄线宽、低频漂的初始光信号；
第一光耦合器用于对激光器产生的初始光信号进行分光，将初始光信号分为探测光信号和参考光信号；
波形发生器用于生成驱动信号输入声光调制模块，生成开关控制信号输入光开关；
声光调制模块用于根据波形发生器生成的驱动信号对探测光进行调制，得到脉冲光信号；
第一信号放大模块和带通滤波器用于对脉冲光信号进行放大和滤波，得到入射光信号；
光环形器用于将入射光信号输入传感光缆并接收传感光缆返回的散射光信号；
第二光耦合器用于收集传感光缆返回的散射光信号并进行耦合，将散射光信号输出至第二信号放大模块和光谱仪模块；
光谱仪模块用于观测散射光信号的散射光谱；进一步根据散射光谱的变化调节第一信号放大模块和带通滤波器，以实现对入射光信号功率的调整；
第二信号放大模块用于对散射光信号进行放大；
布里渊激光腔用于对参考光信号进行定向放大，得到布里渊泵浦光信号；
偏振扰频器用于对布里渊泵浦光信号进行随机扰动以去除定向光信号中的偏振频率，得到扰偏光信号；
光开关用于根据波形发生器生成的开关控制信号控制光路的导通；在光路导通时将扰偏光信号输入至第三光耦合器；
第三光耦合器用于对散射光信号和扰偏光信号进行相干拍频，得到拍频信号；
光电探测器用于获取拍频信号并对拍频信号进行光电转换，得到电信号；
数据采集卡用于采集电信号并向数据处理模块输出。
对于本实施例传感解调系统的结构：激光器的输出端连接第一光耦合器的输入端；第一光耦合器的输出端连接声光调制模块的光信号输入端和布里渊激光腔的输入端；波形发生器的输出端连接声光调制模块的驱动信号输入端和光开关的开关控制信号输入端；声光调制模块的输出端连接第一信号放大模块的输入端；第一信号放大模块的输出端连接带通滤波器的输入端；带通滤波器的输出端连接光环形器的第一端；光环形器的第二端连接传感光缆，光环形器的第三端连接第二光耦合器的输入端；所述第二光耦合器的输出端连接所述第二信号放大模块的输入端和光谱仪模块的输入端；第二信号放大模块的输出端连接第三光耦合器的散射光信号输入端；布里渊激光腔的输出端连接偏振扰频器的输入端；偏振扰频器的输出端连接光开关的光信号输入端；光开关的输出端连接第三光耦合器的扰偏光信号输入端；第三光耦合器的输出端连接光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接数据采集卡的输入端；数据采集卡的输出端连接数据处理模块。
数据处理模块：本实施例中数据处理模块用于对由散射光信号转化得到的电信号应用解调算法进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化。
具体地，传感光缆返回的散射光信号包括背向瑞利散射光信号、背向拉曼散射光信号和背向布里渊散射光信号；数据处理模块对传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，具体包括以下步骤：
ST.传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化，具体通过背向拉曼散射光信号的强度变化获取；
SV.传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化，具体通过背向瑞利散射光信号的强度变化获取；
SO.传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化，具体通过背向布里渊散射光信号的频移变化获取。
在步骤ST中，数据处理模块通过背向拉曼散射光信号的强度变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化，具体包括以下步骤：
背向拉曼散射光信号中具体包括拉曼斯托克斯散射光信号和拉曼反斯托克斯散射光信号；拉曼斯托克斯散射光信号Ps通过如下公式表示：
拉曼反斯托克斯散射光信号Pas通过如下公式表示：
式中，Po表示入射光信号的功率，Ks表示拉曼斯托克斯散射光信号的散射系数，Kas表示拉曼反斯托克斯散射光信号的散射系数，α0表示入射光信号的损耗系数，αs表示拉曼斯托克斯散射光信号的损耗系数，αas表示拉曼反斯托克斯散射光信号的损耗系数，Rs(T)表示拉曼斯托克斯散射光信号的温度调制函数，Ras(T)表示拉曼反斯托克斯散射光信号的温度调制函数；
拉曼斯托克斯散射光信号的温度调制函数Rs(T)具体为如下公式：
拉曼反斯托克斯散射光信号的温度调制函数Ras(T)具体为如下公式：
式中，T表示温度，h表示普朗克常量，k是玻尔兹曼常数；
数据处理模块对拉曼斯托克斯散射光信号Ps和拉曼反斯托克斯散射光信号Pas进行解调，得到温度调制函数Rs(T)和Ras(T)；通过温度调制函数Rs(T)和Ras(T)的变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置发生的温度变化。当传感光缆沿线某处的环境温度发生变化时，上述的两组调制函数也会随之改变，使得最终计算的拉曼斯托克斯散射光信号和拉曼反斯托克斯散射光信号发生改变，因此通过对拉曼散射光的解调计算能够实现对传感光缆沿线温度变化的探测。
在步骤SV中，数据处理模块通过背向瑞利散射光信号的强度变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化，具体包括以下步骤：
根据背向瑞利散射光信号的幅值绘制实时振动曲线；
根据上一时刻背向瑞利散射光信号的幅值绘制上一时刻振动曲线；
比较实时振动曲线和上一时刻振动曲线的幅值差异，绘制得到差分曲线；
对差分曲线进行差分计算得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化。
如图4所示，本实施例中以时间为基准将振动曲线划分为多个时刻。当传感光缆沿线未发生振动变化时，入射光信号的背向瑞利散射光信号的强度曲线平稳；而当传感光缆沿线发生振动变化时，振动声波会使光缆局部发生微小形变，使得这一位置处的背向瑞利散射光的强度信息发生变化，进而产生尖锐峰值。本实施例中将此时的散射光信号实时振动曲线与上一时刻未发生振动变化的上一时刻振动曲线，使用这一时刻的振动曲线减去上一时刻的振动曲线即可得到差分曲线，因此进一步地通过差分计算就能够定位到发生振动变化的岛礁岸线位置。
在另一部分实施例中，也可以通过仿真的方式确定传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化。具体地，可以通过仿真软件仿真得到无振动的理想背向瑞利散射光信号，根据理想背向瑞利散射光信号的幅值绘制无振动曲线；与根据背向瑞利散射光信号的幅值所绘制的振动曲线比较，得到差分曲线；对差分曲线进行差分计算得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化。
在步骤SO中，数据处理模块通过背向布里渊散射光信号的频移变化获传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化，具体包括以下步骤：
通过以下公式计算背向布里渊散射光信号中的布里渊频移：
式中，n表示传感光缆的折射率，Va表示传感光缆中的声速，λp表示入射光信号中心波长。
其中声速Va可以表示为：
其中E表示传感光缆的杨氏模量，k表示传感光缆的泊松比，ρ表示传感光缆的密度；
当传感光缆所铺设岛礁岸线位置发生应变变化时，传感光缆的折射率n、声速Va和入射光信号中心波长λp发生变化，导致背向布里渊散射光信号中的布里渊频移发生变化；数据处理模块通过对布里渊频移的变化进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化。
在一部分实施例中，上位机中还设置报警模块，当数据处理模块的数据处理结果大于预设报警阈值时，上位机模块触发入侵报警。当数据处理结果小于预设报警阈值时，上位机模块不触发报警。通过报警信号的设置进一步提示入侵事件，使得防卫人员及时作出反应。
本发明实施例还公开一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测方法，包括以下步骤：
S1.在岛礁岸线上铺设传感光缆；传感光缆用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；
S2.向传感光缆提供入射光信号并接收传感光缆返回的散射光信号；
S3.对散射光信号进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，将温度变化、振动变化和应变变化作为数据处理结果输出；
S4.对数据处理结果进行展示和储存。
本发明实施例针对远海高价值岛礁的环岛防卫应用需求，结合海岛的地理环境状况设计适合于海礁环境的监测系统，对岛礁周围重点区域实现任务覆盖，有效的对不法人员的入侵、破坏、潜入等事件进行报警，保护国家海洋权益不受损失。具体地，基于现有技术方法的不足，本发明利用分布式光缆的测量优势实现长距离、分布式、低成本的无源实时测量，并且传感光缆不易受到海水的侵蚀影响监测效果，最终实现仅通过光缆的铺设即可实现对光缆沿线的振动、温度、应变信息的同时监测。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述方法。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，包括传感光缆、传感解调系统、数据处理模块和上位机；
所述传感光缆铺设于岛礁岸线；所述传感光缆用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；
所述传感解调系统连接所述传感光缆的一端；所述传感解调系统用于向所述传感光缆提供入射光信号并接收所述传感光缆返回的散射光信号；
所述数据处理模块连接所述传感解调系统；所述数据处理模块用于对所述传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，将所述岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化作为数据处理结果输出；
所述上位机连接所述数据处理模块；所述上位机用于对所述数据处理模块的数据处理结果进行可视化实时展示和储存。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述传感光缆具体铺设于岛礁岸线的大潮高潮线之上，所述传感光缆外部设有聚乙烯层和防水层以抵御海水对所述传感光缆的侵蚀。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述传感解调系统具体包括激光器、第一光耦合器、波形发生器、声光调制模块、第一信号放大模块、带通滤波器、光环形器、第二光耦合器、光谱仪模块、第二信号放大模块、布里渊激光腔、偏振扰频器、光开关、第三光耦合器、光电探测器和数据采集卡；
所述激光器用于产生初始光信号；
所述第一光耦合器用于对激光器产生的初始光信号进行分光，将所述初始光信号分为探测光信号和参考光信号；
所述波形发生器用于生成驱动信号输入所述声光调制模块，生成开关控制信号输入所述光开关；
所述声光调制模块用于根据所述波形发生器生成的驱动信号对所述探测光进行调制，得到脉冲光信号；
所述第一信号放大模块和带通滤波器用于对所述脉冲光信号进行放大和滤波，得到入射光信号；
所述光环形器用于将所述入射光信号输入所述传感光缆并接收所述传感光缆返回的散射光信号；
所述第二光耦合器用于收集所述传感光缆返回的散射光信号并进行耦合，将散射光信号输出至第二信号放大模块和光谱仪模块；
所述光谱仪模块用于观测所述散射光信号的散射光谱并根据所述散射光谱的变化对所述入射光信号的功率进行调整；
所述第二信号放大模块用于对所述散射光信号进行放大；
所述布里渊激光腔用于对所述参考光信号进行定向放大，得到布里渊泵浦光信号；
所述偏振扰频器用于对所述布里渊泵浦光信号进行随机扰动以去除所述定向光信号中的偏振频率，得到扰偏光信号；
所述光开关用于根据所述波形发生器生成的开关控制信号控制光路的导通；在光路导通时将所述扰偏光信号输入至第三光耦合器；
所述第三光耦合器用于对所述散射光信号和扰偏光信号进行相干拍频，得到拍频信号；
所述光电探测器用于获取所述拍频信号并对所述拍频信号进行光电转换，得到电信号；
所述数据采集卡用于采集所述电信号并向所述数据处理模块输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，在所述传感解调系统中：
所述激光器的输出端连接所述第一光耦合器的输入端；所述第一光耦合器的输出端连接所述声光调制模块的光信号输入端和所述布里渊激光腔的输入端；所述波形发生器的输出端连接所述声光调制模块的驱动信号输入端和所述光开关的开关控制信号输入端；所述声光调制模块的输出端连接所述第一信号放大模块的输入端；所述第一信号放大模块的输出端连接所述带通滤波器的输入端；所述带通滤波器的输出端连接所述光环形器的第一端；所述光环形器的第二端连接所述传感光缆，所述光环形器的第三端连接所述第二光耦合器的输入端；所述第二光耦合器的输出端连接所述第二信号放大模块的输入端和光谱仪模块的输入端；所述第二信号放大模块的输出端连接所述第三光耦合器的散射光信号输入端；所述布里渊激光腔的输出端连接所述偏振扰频器的输入端；所述偏振扰频器的输出端连接所述光开关的光信号输入端；所述光开关的输出端连接所述第三光耦合器的扰偏光信号输入端；所述第三光耦合器的输出端连接所述光电探测器的输入端；所述光电探测器的输出端连接所述数据采集卡的输入端；所述数据采集卡的输出端连接所述数据处理模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述传感光缆返回的散射光信号包括背向瑞利散射光信号、背向拉曼散射光信号和背向布里渊散射光信号；所述数据处理模块对所述传感解调系统接收的散射光信号进行解算，得到所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，具体包括以下步骤：
所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化，具体通过所述背向拉曼散射光信号的强度变化获取；
所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化，具体通过所述背向瑞利散射光信号的强度变化获取；
所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化，具体通过所述背向布里渊散射光信号的频移变化获取。
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述数据处理模块通过背向拉曼散射光信号的强度变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化，具体包括以下步骤：
所述背向拉曼散射光信号中具体包括拉曼斯托克斯散射光信号和拉曼反斯托克斯散射光信号；所述拉曼斯托克斯散射光信号Ps通过如下公式表示：
所述拉曼反斯托克斯散射光信号Pas通过如下公式表示：
式中，Po表示所述入射光信号的功率，Ks表示拉曼斯托克斯散射光信号的散射系数，Kas表示拉曼反斯托克斯散射光信号的散射系数，α0表示入射光信号的损耗系数，αs表示拉曼斯托克斯散射光信号的损耗系数，αas表示拉曼反斯托克斯散射光信号的损耗系数，Rs(T)表示拉曼斯托克斯散射光信号的温度调制函数，Ras(T)表示拉曼反斯托克斯散射光信号的温度调制函数；
拉曼斯托克斯散射光信号的温度调制函数Rs(T)具体为如下公式：
拉曼反斯托克斯散射光信号的温度调制函数Ras(T)具体为如下公式：
式中，T表示温度，h表示普朗克常量，k是玻尔兹曼常数；
所述数据处理模块对所述拉曼斯托克斯散射光信号Ps和拉曼反斯托克斯散射光信号Pas进行解调，得到温度调制函数Rs(T)和Ras(T)；通过所述温度调制函数Rs(T)和Ras(T)的变化获取所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置发生的温度变化。
7.根据权利要求5所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述数据处理模块通过背向瑞利散射光信号的强度变化获取传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化，具体包括以下步骤：
根据所述背向瑞利散射光信号的幅值绘制实时振动曲线；
根据上一时刻背向瑞利散射光信号的幅值绘制上一时刻振动曲线；
比较所述实时振动曲线和上一时刻振动曲线的幅值差异，绘制得到差分曲线；
对所述差分曲线进行差分计算得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的振动变化。
8.根据权利要求5所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述数据处理模块通过背向布里渊散射光信号的频移变化获传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化，具体包括以下步骤：
通过以下公式计算所述背向布里渊散射光信号中的布里渊频移：
式中，n表示所述传感光缆的折射率，Va表示所述传感光缆中的声速，λp表示所述入射光信号中心波长；
其中声速Va可以表示为：
其中E表示所述传感光缆的杨氏模量，k表示所述传感光缆的泊松比，ρ表示所述传感光缆的密度；
当所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置发生应变变化时，所述传感光缆的折射率n、声速Va和入射光信号中心波长λp发生变化，导致所述背向布里渊散射光信号中的布里渊频移发生变化；数据处理模块通过对所述布里渊频移的变化进行解算，得到传感光缆所铺设岛礁岸线位置的应变变化。
9.根据权利要求1所述的一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测系统，其特征在于，所述上位机中还设置报警模块，当所述数据处理模块的数据处理结果大于预设报警阈值时，所述上位机模块触发入侵报警。
10.一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在岛礁岸线上铺设传感光缆；所述传感光缆用于检测所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化；
向所述传感光缆提供入射光信号并接收所述传感光缆返回的散射光信号；
对所述散射光信号进行解算，得到所述传感光缆所铺设岛礁岸线位置的温度变化、振动变化和应变变化，将所述温度变化、振动变化和应变变化作为数据处理结果输出；
对所述数据处理结果进行展示和储存。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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