CN210867701U - 一种基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统，线性调频的探测光信号经下行中继放大器、光纤干涉仪连接本中继段的下行传输光纤。探测光信号在各中继段下行传输光纤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，光纤干涉仪输出该中继段海底光缆光纤的扰动监测信号，接入此中继段的采样模块，所得此段扰动监测信号的数字光信号分别占用不同的DWDM波长，通过复用设备复用进入上行传输光纤和/或下行传输光纤，传输至岸基解调设备，解调扰动监测信号，预警各段海底光缆安全状态。本方案基于OFDR技术，实现1000km以上的长跨距有中继海底光缆跨中继的扰动监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种分布式光纤传感系统，具体涉及一种用于长跨距物理安全监测的有电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。此类有中继的海底光缆一般采用COTDR(Coherent Detection OTDR相干检测光时域反射计，OTDR Optical Time DomainReflectometer，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。无法满足海底光缆200km以上的超长跨距的扰动监测。
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。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统，基于OFDR技术，线性调频的探测光信号接入下行传输光纤，下行传输光纤每一段先接一个中继放大器，然后接入光纤干涉仪，然后连接本段的下行传输光纤。探测光信号在各中继段下行传输光纤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，光纤干涉仪输出该中继段海底光缆光纤的扰动监测信号，接入此中继段的采样模块，所得每个中继段海底光纤的扰动监测信号的数字光信号分别占用不同的DWDM(密集型光波复用Dense WavelengthDivision Multiplexing)波长，通过复用设备复用进入上行传输光纤和/或下行传输光纤，传输至岸基解调设备，解调扰动监测信号，预警各段海底光缆安全状态。本方案克服现有光缆扰动监测技术最大仅支持约 100km的监控范围的缺点，实现1000km以上的长跨距有中继海底光缆跨中继的扰动监测。
本实用新型设计的基于水下采样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、光纤干涉仪和解调设备，探测光源连接海底光缆探测光信号的下行传输光纤，所述下行传输光纤每一段先接一个下行中继放大器，探测光信号每传输一段光纤产生一定的传输损耗，中继放大器将探测光信号放大至原有功率水平，以实现长距离传输；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；每个中继段下行传输光纤的下行中继放大器之后接有光纤干涉仪，然后与作为本段光纤干涉仪的探测臂的下行传输光纤连接。本系统还包括采样模块和复用设备，探测光信号在某个中继段下行传输光纤产生的后向瑞利散射信号、与光纤干涉仪的本地光信号相干，产生该中继段海底光缆光纤的扰动监测信号，经本段滤波器接入此中继段的采样模块，采样模块对扰动监测信号采样后输出其数字光信号，接入上行和下行复用设备，与本系统海底光缆各中继段的扰动监测信号的数字光信号分别复用于上、下行传输光纤，即经上行中继放大器进入上行传输光纤，传输至本端的解调设备；或者经下行中继放大器进入下行传输光纤，传输至对端的解调设备。
所述光纤干涉仪为包括2×2的光纤耦合器和光纤反射镜的迈克尔逊光纤干涉仪。探测光信号接入2×2光纤耦合器的第1端口，分为2束，其中一束由2×2光纤耦合器的第3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3端口返回2×2光纤耦合器；2×2光纤耦合器分出的另一束的探测光信号由2×2光纤耦合器的第4端口输出到达光纤反射镜，被其反射回2×2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2×2光纤耦合器第2端口输出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)，包括光纤分路器、光纤环形器和3dB光纤耦合器，光纤分路器的分光比为5比95至50比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，接入沿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接入3dB光纤耦合器；下行传输光纤上产生的后向瑞利信号返回到光纤环形器第二端口，并由光纤环形器的第三端口端接入所述 3dB光纤耦合器与本地光信号相干，3dB光纤耦合器输出的干涉信号为本段海底光缆扰动监测信号。
所述探测光源为单波长窄线宽调频连续波光源，其产生的探测光信号在光纤内的相干长度大于2倍的海底光缆中继段长，其调频范围产生的最大拍频频率小于采样模块最大采样频率的1/2，以满足采样要求。
每个中继段的采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号分别占用不同 DWDM波长，各中继段的光纤干涉仪输出的该中继段海底光缆扰动监测信号经过滤波器接入该采样模块，输出本中继段海底光缆扰动监测信号的数字光信号。
所述探测光源、解调设备以及第一中继段的上行中继放大器、下行中继放大器、光纤干涉仪、采样模块和复用设备均为本端岸基设备。对端岸基设备包括对端的解调设备。
另一方案为，所述探测光源发出的探测光信号与岸基光端机发射的通信光信号均接入波分复用器，波分复用于海底光缆的同一根光纤下行传输，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入本中继段的下行光分插复用器，与本系统海底光缆内传输的通信信号复用至下行传输光纤，传输至对端的解调设备；同时，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入本中继段的上行光分插复用器与本系统海底光缆内传输的中继段的扰动监测信号的数字光信号以及本系统海底光缆内传输通信信号复用至上行传输光纤，回传至本端的解调设备。
再一方案为，所述探测光源发出的探测光信号与岸基光端机发射的通信光信号均接入波分复用器，复用于海底光缆的同一根光纤下行传输，某个中继段配有水下节点通信模块、与水下设备连接，即为水下节点，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入水下节点通信模块与该水下节点的水下设备的通信信号进行时分复用，水下节点通信模块连接本中继段的下行光分插复用器，其输出信号与通信光信号波分复用至下行传输光纤，传输至对端的光端机，对端的光端机将扰动监测信号解时分复用，再送入对端的解调设备；同时，水下节点通信模块连接本中继段的上行光分插复用器，其输出信号与通信光信号波分复用至上行传输光纤，回传至本端的光端机，本端的光端机将扰动监测信号解时分复用，再送入本端解调设备。
本系统增加分支海光缆的扰动监测支路。主干海底光缆在某个水下节点连接1×2光纤分路器，探测光信号分为2路，一路沿主干海底光缆的下行传输光纤继续下行传输，另一路连接分支缆光纤干涉仪，探测光信号经过分支缆光纤干涉仪后沿分支海光缆继续下行传输，在分支海光缆上产生的后向瑞利散射信号在分支缆光纤干涉仪与其本地光信号相干得到该分支海光缆此段的扰动监测信号，分支海光缆的扰动监测信号经分支缆滤波器接入分支缆采样模块。主干海光缆上的采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号和分支缆采样模块输出的分支海光缆扰动监测信号的数字光信号均接入水下节点通信模块汇聚数据并进行时分复用后，水下节点通信模块合成的数字光信号接入本中继段的下行光分插复用器和本中继段的上行光分插复用器。
与现有技术相比，本实用新型基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统及运行方法的有益效果是：1、基于OFDR技术，克服了海底光缆扰动监测系统不能透过海底中继器的问题，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、支持分支海底光缆的扰动监测。
附图说明
图1为本基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1结构示意图；
图2为本基于水下采样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为本基于水下采样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为本基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例2结构示意图；
图5为本基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例3结构示意图；
图6为本基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例4结构示意图。
具体实施方式
基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1
本基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例1，图1所示为本例某个中继段、本端岸基设备和对端的解调设备。探测光源先连接一个下行中继放大器，图中的下行EDFA，每个中继段下行传输光纤的下行中继放大器下行EDFA之后接光纤干涉仪，然后与作为本段光纤干涉仪的探测臂的下行传输光纤连接。本例两个相邻下行中继放大器之间的光纤长度为60～100km，称为中继段。
探测光信号在某个中继段下行传输光纤产生的后向瑞利散射信号、与光纤干涉仪的本地光信号相干，产生该中继段海底光缆光纤的扰动监测信号，经本段滤波器接入此中继段的采样模块，采样模块对扰动监测信号采样后输出其数字光信号，接入下行复用设备——下行光分插复用器下行OADM和上行复用设备——上行光分插复用器上行OADM，与其它中继段的扰动监测信号的数字光信号分别复用于上、下行传输光纤，即经上行中继放大器上行EDFA进入上行传输光纤，传输至本端的解调设备；或者经下行中继放大器下行EDFA进入下行传输光纤，传输至对端的解调设备。
本例光纤干涉仪为包括2×2的光纤耦合器和光纤反射镜的迈克尔逊光纤干涉仪，其结构如图2所示。探测光信号接入2×2光纤耦合器的第1端口，分为2束，其中一束由2×2光纤耦合器的第3端口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3端口返回2×2光纤耦合器；2 ×2光纤耦合器分出的另一束的探测光信号由2×2光纤耦合器的第4端口输出到达光纤反射镜，被其反射回2×2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2×2光纤耦合器第2端口输出，作为本段海底光缆的扰动监测信号。
本例探测光源为单波长窄线宽调频连续波光源，其产生的探测光信号在光纤内的相干长度大于2倍的海底光缆中继段长，其调频范围产生的最大拍频频率小于采样模块最大采样频率的1/2。
每个中继段的采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号分别占用不同波长，各中继段的光纤干涉仪输出的该中继段海底光缆扰动监测信号经过滤波器接入该采样模块，输出本中继段海底光缆扰动监测信号的数字光信号。
本例探测光源、解调设备以及第一中继段的上行中继放大器上行EDFA、下行中继放大器下行EDFA、光纤干涉仪、采样模块和下行复用设备下行光分插复用器下行OADM均为本端岸基设备。对端岸基设备包括对端的解调设备。基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例2
图4所示为本例的某个中继段、本端岸基设备和对端的解调设备。本例主要结构与实施例1相同，只是探测光源发出的探测光信号与其它通信光信号接入波分复用器，波分复用于海底光缆的同一根光纤下行传输，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入本中继段的下行光分插复用器下行 OADM与其它中继段的扰动监测信号的数字光信号以及岸基光端机发射的其它通信信号复用至下行传输光纤，传输至对端的解调设备；同时，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入本中继段的上行光分插复用器上行OADM 与其它中继段的扰动监测信号的数字光信号以及其它通信信号复用至上行传输光纤，回传至本端的解调设备。
本例光纤干涉仪为MZ光纤干涉仪，如图3所示，包括光纤分路器、光纤环形器和3dB光纤耦合器，光纤分路器的分光比为10/90，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接入3dB光纤耦合器；下行传输光纤上产生的后向瑞利信号返回到光纤环形器第二端口，并由光纤环形器的第三端口端接入所述3dB光纤耦合器与本地光信号相干，3dB光纤耦合器输出的干涉信号为本段海底光缆扰动监测信号。
基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例3
图5所示为本例的某个中继段和本端岸基设备。本例主要结构与实施例 2相同，本例探测光源发出的探测光信号与岸基光端机发射的其它通信光信号接入波分复用器，波分复用于海底光缆的同一根光纤下行传输，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入水下节点通信模块与水下设备的其它通信信号进行时分复用，水下节点通信模块连接本中继段的下行光分插复用器下行OADM，其输出信号与其它通信光信号波分复用至下行传输光纤，传输至对端的光端机，对端的光端机将扰动监测信号解时分复用，再送入对端的解调设备；同时，水下节点通信模块连接本中继段的上行光分插复用器上行 OADM，其输出信号与其它通信光信号波分复用至上行传输光纤，回传至本端的光端机，本端的光端机将扰动监测信号解时分复用，再送入本端解调设备。基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统实施例4
图6所示为本例的某个中继段和水下节点通信模块。本例是在实施例3 的基础上增加分支海光缆的扰动监测支路。主干海底光缆的某个水下节点连接1×2光纤分路器，探测光信号分为2路，一路沿主干海底光缆的下行传输光纤继续下行传输，另一路连接分支缆光纤干涉仪，探测光信号经过分支缆光纤干涉仪后沿分支海光缆继续下行传输，在分支海光缆上产生的后向瑞利散射信号在分支缆光纤干涉仪与其本地光信号相干得到该分支海光缆此段的扰动监测信号，分支海光缆的扰动监测信号经分支缆滤波器接入分支缆采样模块。连接分支海光缆的水下节点配有水下节点通信模块，主干海光缆上的采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号和分支缆采样模块输出的分支海光缆扰动监测信号的数字光信号均接入水下节点通信模块汇聚数据并进行时分复用后，水下节点通信模块合成的数字光信号接入本中继段的下行光分插复用器OADM和本中继段的上行光分插复用器上行OADM。
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于水下采样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、光纤干涉仪和解调设备，探测光源连接海底光缆探测光信号的下行传输光纤，所述下行传输光纤每一段先接一个中继放大器；两个中继放大器之间的光纤长度小于或等于100km，称为中继段；每个中继段下行传输光纤的中继放大器之后接有光纤干涉仪，然后与作为本段光纤干涉仪的探测臂的下行传输光纤连接；其特征在于：
所述系统还包括采样模块和复用设备，探测光信号在某个中继段下行传输光纤产生的后向瑞利散射信号、与光纤干涉仪的本地光信号相干，产生该中继段海底光缆光纤的扰动监测信号，经本段滤波器接入此中继段的采样模块，采样模块对扰动监测信号采样后输出其数字光信号，接入复用设备，与本系统海底光缆各中继段的扰动监测信号的数字光信号分别复用于上、下行传输光纤，即经上行中继放大器进入上行传输光纤，传输至本端的光端机，解复用后接入解调设备；或者经下行中继放大器进入下行传输光纤，传输至对端的光端机，解复用后接入对端的解调设备。
2.根据权利要求1所述的基于水下采样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2×2的光纤耦合器和光纤反射镜的迈克尔逊光纤干涉仪；探测光信号接入2×2光纤耦合器的第1端口，分为2束，其中一束由2×2光纤耦合器的第3端口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3端口返回2×2光纤耦合器；2×2光纤耦合器分出的另一束的探测光信号由2×2光纤耦合器的第4端口输出到达光纤反射镜，被其反射回2×2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2×2光纤耦合器第2端口输出，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，包括光纤分路器、光纤环形器和3dB光纤耦合器，光纤分路器的分光比为5比95至50比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接入3dB光纤耦合器；下行传输光纤上产生的后向瑞利信号返回到光纤环形器第二端口，并由光纤环形器的第三端口端接入所述3dB光纤耦合器与本地光信号相干，3dB光纤耦合器输出的干涉信号为本段海底光缆扰动监测信号。
3.根据权利要求1所述的基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
所述探测光源为单波长窄线宽调频连续波光源，其产生的探测光信号在光纤内的相干长度大于2倍的海底光缆中继段长，其调频范围产生的最大拍频频率小于采样模块最大采样频率的1/2；
每个中继段的采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号分别占用不同DWDM波长，各中继段的光纤干涉仪输出的该中继段海底光缆扰动监测信号经过滤波器接入该采样模块，输出本中继段海底光缆扰动监测信号的数字光信号。
4.根据权利要求1所述的基于水下采样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、解调设备以及第一中继段的上行中继放大器、下行中继放大器、光纤干涉仪、采样模块和复用设备均为本端岸基设备；对端岸基设备包括对端的解调设备。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
所述探测光源发出的探测光信号与岸基光端机发射的通信光信号均接入波分复用器，波分复用于海底光缆的同一根光纤下行传输，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入本中继段的下行光分插复用器与本系统海底光缆内传输的通信信号复用至下行传输光纤，传输至对端的解调设备；同时，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入本中继段的上行光分插复用器与本系统海底光缆内传输的通信信号复用至上行传输光纤，回传至本端的解调设备。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统，其特征在于：
所述探测光源发出的探测光信号与岸基光端机发射的通信光信号波分复用于海底光缆的同一根光纤下行传输，某个中继段配有水下节点通信模块、与水下设备连接，即为水下节点，采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号接入水下节点通信模块与该水下节点水下设备的通信信号进行时分复用，水下节点通信模块连接本中继段的下行光分插复用器，其输出信号与通信光信号波分复用至下行传输光纤，传输至对端的光端机，对端的光端机将扰动监测信号解时分复用，再送入对端的解调设备；同时，水下节点通信模块连接本中继段的上行光分插复用器，其输出信号与本系统海底光缆内传输的通信光信号波分复用至上行传输光纤，回传至本端的光端机，本端的光端机将扰动监测信号解时分复用，再送入本端解调设备。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于水下采样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；某个中继段配有水下节点通信模块、与水下设备连接，即为水下节点，主干海底光缆的某个水下节点连接1×2光纤分路器，探测光信号分为2路，一路沿主干海底光缆的下行传输光纤继续下行传输，另一路连接分支缆光纤干涉仪，探测光信号经过分支缆光纤干涉仪后沿分支海光缆继续下行传输，在分支海光缆上产生的后向瑞利散射信号在分支缆光纤干涉仪与其本地光信号相干得到该分支海光缆此段的扰动监测信号，分支海光缆的扰动监测信号经分支缆滤波器接入分支缆采样模块；主干海光缆上的采样模块输出的扰动监测信号的数字光信号和分支缆采样模块输出的分支海光缆扰动监测信号的数字光信号均接入水下节点通信模块汇聚数据并进行时分复用后，水下节点通信模块合成的数字光信号接入本水下节点的下行光分插复用器和本水下节点的上行光分插复用器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110518971A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-11-29 | 中国电子科技集团公司第三十四研究所 | 一种基于水下采样的有中继海底光缆扰动监测系统 |
| CN116781151A (zh) * | 2023-08-18 | 2023-09-19 | 华海通信技术有限公司 | 一种海缆系统的光谱检测方法及系统 |
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2019
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |