使用光纤检测地震扰动的制作方法

1.各种实例实施例涉及地震定测法，且更具体地但非排他地，涉及使用陆地和/或海底光纤检测地震扰动。


背景技术：

2.此部分介绍可有助于更好地理解本公开的方面。因此，此部分的陈述应就此而论加以解读，且不应理解为关于什么是现有技术以及什么不是现有技术的承认。
3.海洋中稀少的地震仪器限制了地震探测能力。举例来说，大部分地震站位于陆地上，其中仅少数地震仪在海底。因此，许多水下地震仍未被检测到，例如，因为陆上地震台通常距离地震的震中过远。同样，大多数海啸探测设备都在岸上，这在为受影响的沿海社区生成足够的海啸警报方面可能不是最优的。


技术实现要素：

4.本文公开了光通信系统的各种实施例，所述光通信系统使得任何部署的(例如，长途、陆地或海底)光纤线缆能够充当地震检测传感器。在实例实施例中，一个网络节点的波分复用(wdm)光发送器经配置以将光探测信号与原有数据携载光信号一起发送。在另一网络节点处，使用低复杂度、低时延的相干光接收器来获得光探测信号的斯托克斯参数(stokes parameter)的时间分辨测量值。所述光接收器的信号处理链采用数字滤波来选择测量值流中与连接所述节点的所述光纤线缆的地震扰动相对应的频率分量。然后使用选定频率分量计算地震指标的值，且将所述值报告给网络控制器。基于来自三个或更多个节点的此类报告，网络控制器可确定地震的震中和震级，且在必要时生成海啸预报。
5.实例实施例可有利地以相对小的额外成本实施，只需对网络的一些wdm收发器进行少量修改，而无需对现有光纤线缆设备进行任何修改。
6.根据实例实施例，提供一种设备，所述设备提供关于地震的信息，所述设备包括：电子分析器，其经连接以接收光束对的偏振状态的测量值，所述光束对中的每个光束对中的光束经由末端连接相应网络节点对的相应光纤线缆在所述相应网络节点对之间在相反方向上行进，所述光束对中的不同光束对在相应光纤线缆中的不同光纤线缆中行进；且其中所述电子分析器具有电路系统，所述电路系统经配置以基于多个所述光束对的偏振状态的测量值来表征所述地震中的一次地震。
7.根据另一实例实施例，提供一种机器实施的方法，其提供关于地震的信息，所述机器实施的方法包括以下步骤：(a)接收光束对的偏振状态的测量值，所述光束对中的每个光束对中的光束经由末端连接相应网络节点对的相应光纤线缆在所述相应网络节点对之间在相反方向上行进，所述光束对中的不同光束对在相应光纤线缆中的不同光纤线缆中行进；以及(b)在电子电路系统中处理多个所述光束对的偏振状态的测量值以表征所述地震中的一次地震。
8.根据又一实例实施例，提供一种设备，其包括：光波长解复用器，其具有用以解复
之间可能没有任何光中继器。
23.在展示的实施例中，光中继器150j包括光放大器(oa)160
ja
和160
jb
，其中j＝1、2、...、l。光放大器160
ja
经配置以放大朝向着陆站1022行进的光信号。光放大器160
jb
类似地经配置以放大朝向着陆站1021行进的光信号。在实例实施例中，光放大器160j可如相关技术中已知的那样例如使用掺铒光纤、增益平坦滤波器和一或多个激光二极管泵浦实施。激光二极管可由来自相应岸上馈电设备(pfe，图1中未明确展示)的dc电流供电，所述dc电流通过对应海底线缆的电导体馈送，所述海底线缆通常也含有光纤140
ia
和140
ib
。在一些实施例中，电导体(例如，电线)可位于海底线缆中心附近。在一些其它实施例中，电导体可具有大体上管状形状，例如，在与海底线缆纵向轴线正交的平面中具有环状横截面。
24.在替代实施例中，光中继器150可经设计以用于在其每一侧与其连接的两对、三对、四对或更多对光纤140i。举例来说，经设计以与四光纤对海底线缆兼容的光中继器150通常包含布置成四个放大器对的八个光放大器160，每一对类似于所述一对光放大器160
ja
和160
jb
。
25.光中继器150j还可包括监管光电路(图1中未明确展示)，所述监管光电路使得分别位于着陆站1021和1022处的监测设备(me)单元1201和1202能够监测光中继器的运行状态。例如，在以全文引用的方式并入本文中的第ep17305569.0号和第ep17305570.8号欧洲专利申请中公开了监管光电路的一些实施例。
26.在实例实施例中，me单元1201和1202中的每一者经配置以使用专用监管波长(标记为λ1和λ2)以用于相应监管信号，所述监管信号可通过对应的光纤140朝向远程着陆站102发送。每个光中继器150j的监管光电路经配置以在相反方向上回送监管光信号的至少一部分。因此，me单元1201可接收回送监管光信号，所述回送监管光信号包括由不同光中继器150
1-150n的不同监管光电路返回到所述me单元的原始监管光信号的部分。类似地，me单元1202可接收回送监管光信号，所述回送监管光信号包括由不同光中继器150
1-150n的不同监管光电路返回到所述me单元的对应监管光信号的部分。由me单元1201和1202接收的回送监管光信号可经处理和分析以确定水下线缆设备104中至少一些或全部光中继器150
1-150n的当前运行状态和/或某些运行特性。所确定的参数可包含但不限于：(i)输入和输出信号电平以及一些或全部个别光放大器(oa)160
ja
和160
jb
的增益；(ii)个别光纤140i中的非灾难性故障，例如其中任何逐渐增大的损耗；以及(iii)个别光中继器150j和/或光纤140i中的灾难性故障。
27.着陆站1021包括借助于光波长复用器(mux)1301和光波长解复用器(dmux)1361连接到水下线缆设备104的海底线端子设备(slte)单元1101和me单元1201，如图1中所指示。在实例实施例中，slte单元1101包含经配置以使用载波波长λ
3-λn来发送和接收携载有效负载的光数据信号的波分复用(wdm)收发器(图1中未明确展示；参看图2)，其中n通常表示系统100中的wdm信道的数目。数目n可在例如～10到～150之间的范围内。
28.在实例实施例中，可根据频率(波长)网格，例如符合以全文引用的方式并入本文中的itu-t g.694.1建议(itu-t g.694.1recommendation)的频率网格，选择载波波长λ1-λn。系统100中使用的频率网格可限定例如在约184thz到约201thz的频率范围内，且其中信道的间隔为100、50、25或12.5-ghz。虽然通常以频率单位定义，但网格的参数可同等地以波长单位表达。举例来说，在约1528nm到约1568nm的波长范围内，相邻wdm信道的中心之间的
100-ghz间隔等同于约0.8-nm间隔。在替代实施例中，也可使用其它固定或灵活的(弹性)频率网格。
29.在操作中，mux 1301将slte单元1101生成的波长为λ
3-λn的光信号与波长为λ1和λ2的一或多个监管光信号复用，且将所得复用光信号应用于光纤140
1a
。dmux 1361将从光纤140
1b
接收的复用光信号解复用为两个部分。第一部分具有波长为λ
3-λn的光信号，且被引导到slte单元1101。第二部分具有一或多个波长λ1和λ2的回送监管光信号，且被引导到me单元1201。
30.在实例实施例中，me单元1201包括光时域反射计(otdr，图1中未明确展示)，所述光时域反射计经配置以使用波长λ1和λ2对水下线缆设备104进行光学探测。举例来说，me单元1201可经设计以通过检测和处理从光中继器150
1-150n接收的回送监管光信号来执行otdr测量。通常，me单元1201可经配置以使用任何合适的otdr方法。
31.着陆站1022大体上类似于着陆站1021，且包括slte单元1102、me单元1202、mux 1302和dmux 1362。两个着陆站的类似元件/组件在图1中使用相同的数字标签进行标记，但具有不同的相应下标。上文给出的着陆站1021的slte单元1101、me单元1201、mux 1301和dmux 1361的描述大体上分别适用于着陆站1022的slte单元1102、me单元1202、mux 1302和dmux 1362，此处不再重复。
32.在各种实施例中，每个着陆站1021和1022还可包含以下一或多个常规元件/组件：(i)馈电设备；(ii)系统监管设备；(iii)网络管理设备；(iv)线缆终端盒；(v)网络保护设备；以及(vi)各种接口电路。
33.当地震相对靠近系统100发生时，机械扰动190(例如由此引起的冲击波和地震波)从震中穿过地壳，最终到达水下线缆设备104。假设在距离至少一些光纤140足够近的地方发生足够强的地震，机械扰动190可在其中引起着陆站1021和1022可检测到的光信号扰动，例如下文所描述。然后，可使用适当的信号处理，以例如准确估计从机械扰动190首先到达对应光纤140的发生点分别到着陆站1021和1022的距离d1和d2。
34.图2展示根据实施例的可在slte单元1101中使用的wdm光收发器200的框图。对应于收发器200的发送和接收光信道分别被说明性地称作“上行链路”(或u)信道和“下行链路”(或d)信道。对图2中光信道的索引与图1中使用的索引一致，其中slte单元1101使用波长λ
3-λn，且me单元1201使用波长λ
1-λ2。通过交换图2中的u和d符号，可获得表示可在slte单元1102中使用的wdm光收发器的实施例的框图。
35.光收发器200包括多个单独信道光数据发送器210
3-210n和光探测发送器220。光探测发送器220包括激光器222。在一些实施例中，激光器222可以是直接调制的激光器。在一些其它实施例中，激光器222可以是连续波(cw)激光器。光发送器210
3-210
n-1
直接连接到光mux 230的对应光输入端口(标记为3、...、n-1)。在说明的实例中，光发送器210n和220经由光合路器(例如，3-db光耦合器)214连接到光mux 230的共同对应光输入端口(标记为n)，但在其它实施例中，光发送器220可连接到对应光mux的单独光输入端口(未展示)。光mux 230以常规方式操作以对应用于其光输入端口3、...、n的光信号216
3-216n进行波长复用，以在其光输出端口0处生成光输出信号232。光输出信号232可被引导到光mux 1301且进一步到上行链路(同样参看图1)。在实例实施例中，所有光信号216
3-216n在光谱上处于光中继器150
1-150n的放大频带内。
36.图3以图形方式说明根据实施例的光mux 230和光输出信号232的光谱特性。更具体地说，虚线310
3-310n以图形方式展示光mux 230的光谱通带。光谱通带3103对应于光mux 230的光输入端口3与光输出端口0之间的光路径。光谱通带3104对应于光mux 230的光输入端口4与光输出端口0之间的光路径，以此类推。光谱通带310
n-1
对应于光mux 230的光输入端口n-1与光输出端口0之间的光路径。光谱通带310n对应于光mux 230的光输入端口n与光输出端口0之间的光路径。
37.如图3所指示，光信号216
3-216n在光谱上分别与光谱通带310
3-310n对齐。举例来说，对于光信号216
3-216
n-1
中的每一者，信号的中心频率在光谱上与光谱通带310
3-310
n-1
中的对应一者的中心频率大致对齐。在实例实施例中，光信号216
3-216
n-1
的中心频率f3、
…
、f
n-1
可对应于图1的波长λ3、...、λ
n-1
。在一些实施例中，波长λ3、...、λ
n-1
可以是载波波长。在一些其它实施例中，例如，采用载波抑制调制，波长λ3、...、λ
n-1
可大致为对应光谱包络的中心波长。
38.光信号216n包括两个分量，分别标记为212和224(同样参看图2)。光信号212由光发送器210n生成，且大体上类似于上述光信号216
3-216
n-1
中的任一者。光信号212的中心频率是频率fn，其在光谱上与光谱通带310n的中心频率大致对齐。在实例实施例中，光信号224是由激光器222生成的连续波(cw)信号，且具有比光信号212窄得多的光谱宽度。因此，在图3中，光信号224由频率fs处的光谱线表示。频率fs靠近光信号212的光谱包络的滚降边缘，但仍在光谱通带310n内。在其它实施例中，只要调制不会导致一或多个调制边带在光谱上与光信号212重叠，就可将经调制光信号用于实施光信号224。
39.在所说明的实例实施例中，频率fs被展示为处于对应wdm信道复用的最后一个光信道中。在各种替代实施例中，频率fs可以类似方式置于任何其它选定光信道内。在一些实施例中，频率fs可处于edfa增益区内的任何光谱位置，使得频率fs也在对应mux/dmux的光谱通带内。举例来说，如果未使用选定有效负载信道，则频率fs可置于对应mux/dmux的对应通带的中心频率附近。
40.返回参考图2，光收发器200还包括多个单独信道光数据接收器260
3-260n和光探测接收器270。光接收器260
3-260
n-1
直接连接到光dmux 280的对应光输出端口(标记为3、...、n-1)。光接收器260n和270经由光分路器264连接到光dmux 280的共同对应光输出端口(标记为n)，但在其它(未展示)实施例中，可连接到对应光dmux的单独光输出端口。光学dmux 280以常规方式操作以对在其光输入端口0处例如从光dmux 1361(同样参看图1)接收的光输入信号282进行波长解复用。所得解复用光信号266
3-266n从dmux 280的光输出端口3、...、n分别引导到光接收器260
3-260
n-1
和光分路器264。光分路器264操作以将光信号266n分成随后分别应用于光接收器260n和270的光信号262和274。
41.在实例实施例中，光dmux 280、光输入信号282和光信号266
3-266n可具有类似于图3所展示的光谱特性。在一些实施例中，光dmux 280可使用光mux 230的标称副本来实施，但经配置以在相反方向上发送信号，即从端口0到端口3、...、n。
42.图4展示根据实施例的光接收器270的框图。如图4中所展示，光接收器270包括光学本机振荡器(olo)源(例如激光器)406、偏振分束器(pbs)4101和4102、光耦合器4201和4202、光电二极管430
1-4304、跨阻放大器(tia)4401和4402、模/数转换器(adc)4501和4502以及数字信号处理器(dsp)460。每个光电二极管对4301/4302和4303/4304中的光电二极管以
差分(例如，经平衡)配置进行电连接，如图4中所指示。
43.在操作中，pbs 4101接收光信号274(同样参看图2)且将接收的光分成分别标记为274
x
和274y的两个相对正交偏振分量。pbs 4102接收由olo源406生成的olo信号408，且将接收的光分成分别标记为408
x
和408y的两个相对正交偏振分量。在实例实施例中，olo信号408是可具有固定线性偏振和光载波频率f
lo
的cw光信号。频率f
lo
和fs(图3)之间的频率差δf可表达为δf＝|f
lo-fs|。在一些实施例中，f
lo
可大于fs。在其它实施例中，f
lo
可小于fs。
44.光耦合器4201操作以混合光信号274
x
和408
x
以生成混合光信号4281和4282，所述混合光信号是光信号274
x
和408
x
之间具有不同(例如，相差约180度)相对相移的混合光。然后，光电二极管对4301/4302将光信号4281和4282转换为对应的电信号4321。电信号4321使用tia 4401放大以及任选地滤波，例如低频滤波，且对应的放大电信号使用adc 4501转换为数字电信号4521。
45.光耦合器4202类似地操作以混合光信号274y和408y以生成混合光信号4283和4284。光电二极管对4303/4304将光信号4283和4284转换为对应的电信号4322。电信号4322使用tia 4402放大以及任选地滤波，例如低频滤波，且对应的放大电信号使用adc 4502转换为数字电信号4522。
46.数字电信号4521和4522应用于dsp 460，其中这些信号可被处理，例如，如下文参考图6和等式(3)-(16)所述，以确定光信号274的偏振状态(sop)。响应于光信号274呈现的某些sop特性，dsp 460可进一步操作以生成指示机械扰动190(同样参看图1)的发生的控制消息、警报和/或告警462。
47.在替代实施例中，光接收器270可使用在上述第16/988,874号美国专利申请中公开的相干光接收器来实施。
48.在光学中，偏振光可用琼斯向量(jones vector)表示，且作用于偏振光和其混合光的线性光学元件可用琼斯矩阵表示。当光穿过此类光学元件时，输出光的琼斯向量可通过获取光学元件的琼斯矩阵和输入光的琼斯向量的乘积来得到，例如，根据等式(1)：
[0049][0050]
其中和分别是输入光的琼斯向量的x和y电场分量；和分别是输出光的琼斯向量的x和y电场分量；且j(θ,φ)是由等式(2)给出的光学元件的琼斯矩阵：
[0051][0052]
其中2θ和φ分别为仰角和方位角偏振旋转角，其值可用于限定sop。为清楚起见，琼斯矩阵的上述实例不包含光衰减和/或放大的影响。
[0053]
图5展示使用庞加莱球的sop的图形表示。这里，庞加莱球是以三维笛卡尔坐标系原点为中心的半径为p的球体，其相互正交轴s1、s2和s3表示光场的相应斯托克斯参数。半径p表示光功率，且用等式(3)表示：
[0054][0055]
对于给定的光功率p，可将不同的sop映射到庞加莱球表面上的不同相应点。举例
来说，图5中展示的向量s表示此类sop中的一者。然后，sop旋转可被视觉化为向量s的对应旋转。
[0056]
在一些情况下，可方便地使用单位半径的庞加莱球，其中p＝1。单位半径庞加莱球可通过相对于光功率p归一化斯托克斯参数而获得。对于单位半径庞加莱球，角度θ和φ与归一化斯托克斯参数s1′
、s2′
和s3′
相关，如下所示：
[0057][0058][0059][0060]
如本文所使用，术语“偏振跟踪”是指光信号的sop的时间分辨测量。在一些实施例中，此类偏振跟踪可包含作为时间函数的角度θ和φ的确定。在一些其它实施例中，此类偏振跟踪可包含作为时间函数的归一化斯托克斯向量s
′
＝(1s1′
s2′
s3′
)
t
的斯托克斯参数s1′
、s2′
和s3′
的确定，其中上标t表示转置。而在一些其它实施例中，此类偏振跟踪可包含作为时间函数的非归一化斯托克斯向量s＝(s
0 s
1 s
2 s3)
t
的斯托克斯参数s0＝p、s1、s2和s3的确定。
[0061]
在实例实施例中，dsp 460(图4)可基于与系统100(同样参看图2-3)中频率fs的探测光对应的光信道的以下简化模型进行编程。
[0062]
为了简化，假设由slte单元1102(图1)生成的下行链路光信号224具有固定的线性偏振，其可标示为x偏振。在此情况下，slte单元1102处的下行链路光信号224的琼斯向量可表达为其中由等式(5)给出：
[0063][0064]
其中a是恒定振幅；且是信号224的相位。在通过水下线缆设备104传播之后，下行链路光信号224由slte单元1101的光接收器270接收为下行链路光信号274(同样参看图2)。使用等式(1)-(2)，此下行链路光信号274的琼斯向量可如下表达为：
[0065][0066][0067]
olo信号408的琼斯向量可如下表达为：
[0068][0069]
其中b是恒定振幅；δ是信号408的相位；δf是如上已指示的频率f
lo
与fs之间的频率差；且t是时间。
[0070]
使用等式(6)-(7)，混合光信号428
1-4284的电场e
1-e4分别可如下表达为：
[0071][0072]
[0073][0074][0075]
然后，电信号4321和4322可如下表达为：
[0076]hx
＝|e1|
2-|e2|2ꢀꢀ
(9a)
[0077]hy
＝|e3|
2-|e4|2ꢀꢀ
(9b)
[0078]
其中h
x
表示电信号4321；hy表示电信号4322；且e
1-e4的表达式分别由等式(8a)-(8d)给出。为了简化，省略光电转换系数(即，设置为一)。利用等式(8a)-(8d)对等式(9a)和(9b)的扩展揭示：h
x
和hy中的每一者都具有分别位于频率 δf和-δf的两个光谱分量。h
x
和hy的负频率分量可例如使用合适的ssb滤波器(参看例如图6的610)否决，所述ssb滤波器将仅分别使信号h
x
和hy的正频率分量i
x
和iy通过以进行进一步处理。此处，ssb表示“单边带”。可使用等式(8)-(9)验证i
x
和iy可如下表达为：
[0079][0080][0081]
使用等式(4a)-(4c)和(10a)-(10b)，还可进一步验证光信号274的非归一化斯托克斯向量s＝(s
0 s
1 s
2 s3)
t
可如下计算：
[0082]
s0＝|i
x
|2 |iy|2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11a)
[0083]
s1＝|i
x
|
2-iy|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11b)
[0084]
s2＝2re(i
x
·
(iy)
*
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11c)
[0085]
s3＝-2im(i
x
·
(iy)
*
)
ꢀꢀꢀꢀ
(11d)
[0086]
其中上标中的“*”符号表示复共轭。然后，归一化斯托克斯向量s
′
＝(1s1′
s2′
s3′
)
t
可通过将所得非归一化斯托克斯向量s的分量除以使用等式(11a)计算的值s0来计算。
[0087]
在实例实施例中，adc 4501和4502可被计时而以相对高的取样速率(例如，109个样本/秒或更高)操作。因此，可由dsp 460以较快速率更新斯托克斯参数，以实现具有相对高的时间分辨率的偏振跟踪，由此提供足够量的sop跟踪数据，以便从中准确地提取sop动力学和/或动力学的相关特性。
[0088]
机械扰动190通常导致sop以大约0.1hz与大约2hz之间的范围内的特征频率进行调制。对应的频率分量的振幅可与机械扰动190的振幅相关。举例来说，在一种可能的近似方法中，可假设在距震中的固定距离内，此类频率分量的振幅与对应地震的震级呈线性相依性。例如，如相关技术中已知，随着到震中距离的增大，机械扰动190的衰减也可并入信号处理中。
[0089]
图6展示根据实施例的dsp 460的框图。图6中还展示数字信号4521和4522以及控制信号462，以更好地说明图4和6的电路之间的关系。
[0090]
如图6中展示，dsp 460包括经连接以分别接收数字信号4521和4522的ssb滤波器6101和6102。在实例实施例中，ssb滤波器6101和6102中的每一者操作以将接收的实值数字信号452i转换为相应的复值数字信号612i，其中i＝1、2。对于实值时间相依信号a(t)，ssb滤波器的传递函数l(
·
)可与希尔伯特(hilbert)变换相关，如下所示：
[0091][0092]
ssb滤波器610i的光谱传递函数约为在零频率下具有其0-1跃迁的赫维赛德(heaviside)阶跃函数。
[0093]
dsp 460还包括平方电路6201和6202、共轭电路624、sop电路630、带通滤波器640和信号分析器650。
[0094]
平方电路620i操作以计算由数字信号612i提供的每个复值的绝对值的平方，由此生成对应的实值数字信号622i。
[0095]
共轭电路624响应于数字信号6122提供的每个复值输出共轭值，由此生成对应的复值数字信号626。
[0096]
sop电路630使用接收的数字信号6121、6221、6222和624来计算三个数字值流，所述流在图6中分别标记为s1′
、s2′
和s3′
。这些数字值中的每一者与归一化斯托克斯向量s
′
＝(1s1′
s2′
s3′
)
t
的斯托克斯参数s1′
、s2′
和s3′
中的对应一者成比例。在一个实例实施例中，可根据等式(4)和(11)在sop电路630中执行此计算。在另一实例实施例中，可根据等式(11b)-(11d)在sop电路630中执行此计算。例如当激光器222是生成具有基本恒定输出功率的光信号224的相对稳定的cw激光器时，可使用后一实施例。
[0097]
带通滤波器640操作以对数字信号s1′
、s2′
和s3′
进行数字滤波，以仅使光谱上位于滤波器通带内的这些信号的频率分量642
1-6423通过。在实例实施例中，滤波器640的通带可在约0.1hz与约2hz之间。在一些实施例中，带通滤波器640可以是可调谐的，例如，能够可控地改变其通带的上边界和下边界中的一者或两者。
[0098]
信号分析器650操作以处理数字信号642
1-6423以生成控制信号462。在实例实施例中，在信号分析器650中实施的信号处理可包含以下步骤：(i)响应于数字信号642
1-6423而计算地震指标p(t)；(ii)将所述地震指标与阈值进行比较；(iii)记录其中地震指标p(t)超过阈值的时刻且加时间戳；(iv)确定一定时间间隔内的地震指标p(t)的最大值；以及(iv)经由控制信号462向适当的控制实体(例如，图7的710)报告观察结果和测量值。
[0099]
在实例实施例中，信号分析器650可经编程以如下计算地震指标p(t)：
[0100]
p(t)＝|f1(t)| |f2(t)| |f3(t)|
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0101]
其中f1(t)表示带通滤波数字信号s1′
；f2(t)表示带通滤波数字信号s2′
；f3(t)表示带通滤波数字信号s3′
；且t是时间。地震指标p(t)的最大值可例如用于估计对应地震的震级，例如，如下文参考图7-8所描述。
[0102]
假设在上行链路光接收器270(位于图1的着陆站1022)处在时间戳tu处(即，t＝tu时)计算的地震指标pu(t)达到或超过阈值p
0,u
(即，pu(t)≥p
0,u
)。然后，可如下估计机械扰动190冲击对应光纤跨段140时的时间t0：
[0103][0104]
其中nf是光纤的有效折射率；d2是着陆站1022与机械扰动190首次冲击光纤的位置之间的光纤长度(同样参看图1)；且c是光速。类似地，在下行链路光接收器270(位于图1的着陆站1021处)，时间t0可如下估计：
[0105][0106]
其中td是在下行链路光接收器270处计算的地震指标pd(t)达到或超过阈值p
0,d
(即，pd(t)≥p
0,d
)时的时间戳；且d1是着陆站1021与机械扰动190首次冲击光纤的位置之间的光纤长度(同样参看图1)。组合等式(14)和(15)，会获得下式：
[0107][0108]
其中z是处于同一光纤链路的不同或相对末端的着陆站1021与1022之间的光纤总长度。由于等式(16)右侧部分中的所有量都是可观测或已知的，因此等式(16)可用于确定t0。然后，等式(14)和(15)可用于确定长度d1和d2。
[0109]
图7展示其中可实践一些实施例的光纤网络的部分700的框图。网络700包括着陆站ls1、ls2和ls3。着陆站ls1和ls2经由光纤链路740a连接。着陆站ls2和ls3经由光纤链路740b连接。网络700还包括分别经由控制链路7201、7202和7203连接到着陆站ls1、ls2和ls3的电子(例如，数字)分析器710。在地震的情况下，网络700可用于例如使用方法800(图8)确定地震震中的地理位置e且估计地震的震级。举例来说，如所说明，所得压力波或位移波可从震中以球形辐射，但陆地表面特征可导致辐射波具有不同形状的波面，这可在方法800(图8)的实施例中予以考虑。在实例实施例中，着陆站ls1、ls2和ls3中的每一者可类似于上述着陆站102i(图1)。在一些实施例中，电子分析器710可位于对应的控制实体(例如，网络控制器)708处。在替代实施例中，电子分析器710的其它位置也是可能的，包含分布式配置，其中电子分析器的不同部分放置在两个或更多个不同的、相对距离较远的位置。
[0110]
在实例实施例中，电子分析器710具有适当的电路系统，例如，数字处理器712，其经配置以处理接收的sop测量值以表征地震。
[0111]
在一些实施例中，对应光纤网络可包括额外着陆站ls和/或额外光纤链路740(图7中未明确展示)。举例来说，用于感测地震的两个或更多个光纤链路可能不像图8中那样共享着陆站以使得可使用方法800使用四个或更多个着陆站的测量值来表征地震(图8)。取决于地震震中e的相对位置和网络拓扑，可选择着陆站ls和光纤链路740的合适子集来执行方法800或其它合适的方法。举例来说，当光纤链路740的选定子集具有三个或更多个链路时，可使用三角测量方法。
[0112]
图8展示根据实施例的可在网络700中使用的实例信号处理方法800的流程图。下文继续参考图7描述方法800。方法800的执行可例如由足够强的地震的震中e发出的机械扰动190(同样参看图1和7)触发。
[0113]
在方法800的步骤802，位于着陆站ls1、ls2和ls3处的光接收器270响应于机械扰动190到达光纤链路740a和740b而检测其中对应地震指标p(t)(参看例如等式(13))超过相关阈值的事件。
[0114]
在步骤804，着陆站ls1、ls2和ls3分别使用控制链路7201、7202和7203向电子分析器710提供所述事件的相关测量值。在实例实施例中，着陆站ls1、ls2和ls3可共同向电子分析器710提供以下测得参数：(i)与光纤链路740a相对应的时间戳tu和td；(ii)针对光纤链路740a的上行链路方向观测到的地震指标p(t)的最大值p
ua
；(iii)针对光纤链路740a的下行
链路方向观测到的地震指标p(t)的最大值p
da
；(iv)与光纤链路740b相对应的时间戳tu和td；(v)针对光纤链路740b的上行链路方向观测到的地震指标p(t)的最大值p
ub
；以及(vi)针对光纤链路740b的下行链路方向观测到的地震指标p(t)的最大值p
db
。
[0115]
在步骤806，电子分析器710使用在步骤804提供给所述电子分析器的时间戳来分别确定沿着光纤链路740a和740b的点a和b的位置(同样参看图7)。更具体地说，点a是沿光纤链路740a的首先受到机械扰动190冲击的位置。类似地，点b是沿光纤链路740b的首先受到机械扰动190冲击的位置。可例如使用等式(14)-(16)以及对应于光纤链路740a的接收到的时间戳tu和td来确定点a的位置。可类似地例如使用等式(14)-(16)以及对应于光纤链路740b的接收到的时间戳tu和td来确定点b的位置。
[0116]
在步骤808，电子分析器710使用从步骤806执行的处理推断出的点a和b的地理位置以及网络700的地图来确定震中e的地理位置。在展示的实例中，震中e的地理位置被确定为线702a和702b的交点，其中线702a在点a处局部正交于光纤链路740a，且线702b在点b处局部正交于光纤链路740b。
[0117]
在步骤808的替代实施例中，电子分析器710可使用点a、b以及对应于额外光纤链路740的一或多个类似点的地理位置来通过三角测量确定震中e的地理位置。
[0118]
在步骤810，电子分析器710使用地震指标p(t)的最大值p
da
、p
ua
、p
db
和p
ub
来估计地震的里氏(richter)标度震级。在实例实施例中，步骤810可包括以下子步骤：(i)通过相应缩放因子缩放最大值p
da
、p
ua
、p
db
和p
ub
，所述缩放因子表示沿着从步骤808确定的震中e到步骤806确定的发生点a和b的相应传播路径的地震波的估计衰减；(ii)对在子步骤(i)计算的经缩放最大值求平均值；以及(iii)将子步骤(ii)处计算的平均值转换成对应的里氏标度震级。在实例实施例中，可例如使用基于先前地震观测结果而编译的查找表来执行子步骤(iii)，对于所述地震观测结果，里氏标度震级也通过常规地震学方法测得。
[0119]
在步骤812，以常规方式使用步骤808确定的震中e的地理位置和步骤810确定的里氏标度震级来预报受影响沿海社区的预期海啸震级。如果预报重大海啸波，则可例如通过网络控制器708发布适当的海啸警报。
[0120]
根据上文例如在发明内容部分中和/或参考图1到8中的一些或全部的任何一者或任何组合而公开的实例实施例，提供一种设备，所述设备提供关于地震的信息，所述设备包括：电子分析器(例如，图7的710)，其经连接(例如，经由图7的720)以接收光束对的偏振状态的测量值，所述光束对中的每个光束对中的光束经由末端连接相应网络节点(例如，图7的ls1、ls2)对的相应光纤线缆(例如，图7的740)在所述相应网络节点对之间在相反方向上行进，所述光束对中的不同光束对在相应光纤线缆中的不同光纤线缆中行进；且其中所述电子分析器具有电路系统(例如，图7的712)，所述电路系统经配置以基于多个所述光束对的偏振状态的测量值来表征所述地震中的一次地震。
[0121]
在上述设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于在由光纤线缆中的一者末端连接的两个网络节点(例如，图7的ls1、ls2)处接收到的光束偏振状态的测量值来估计在一个光纤线缆(例如，图7的740a)处首次接收到地震的地震波(例如，图7的190)的区(例如，图7的a)。
[0122]
在任何上述设备的一些实施例中，通过具有在光谱上低于约1赫兹的高于阈值的频率分量的偏振状态(例如等式(13)的p(t))的度量来标识首次接收。
[0123]
在上述任何设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于在两个网络节点处接收的光束的偏振状态的测量值来估计在光纤线缆中的一者处首次接收到地震的地震波的时间(例如，等式(16)的t0)。
[0124]
在上述任何设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于在两个或更多个光纤线缆(例如，图7的740a、740b)中行进的光束偏振状态的测量值来估计在两个或更多个光纤线缆处首次接收到地震的地震波的区(例如，图7的a、b)来标识地震的震中(例如，图7的e)。
[0125]
在上述任何设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于在由所述光纤线缆中的一者末端连接的两个网络节点处接收的光束的偏振状态的测量值来估计在光纤线缆中的所述一者处首次接收到地震的地震波的时间。
[0126]
在上述任何设备的一些实施例中，接收的光束中的特定一者的测量值中的每一者测量所述光束中的特定一者与光学本机振荡器(例如，图4的408)的光的混合。
[0127]
在上述设备的一些实施例中，所述设备还包括一或多个滤波器(例如，图6的640)以从测量值中去除光谱上高于约1赫兹的频率分量。
[0128]
在上述任何设备的一些实施例中，每个特定对的网络节点经配置以在其间经由不同于在特定对的光学节点之间携载光束的波长信道的光波长信道进行光传送数据。
[0129]
在上述任何设备的一些实施例中，光束未经调制以携载数据流。
[0130]
根据上文例如在发明内容部分中和/或参考图1到8中的一些或全部的任何一者或任何组合而公开的另一实例实施例，提供一种机器实施的方法，所述机器实施的方法提供关于地震的信息，所述机器实施的方法包括：(a)接收(例如，在图8的804处)光束对的偏振状态的测量值，所述光束对中的每个光束对中的光束经由末端连接相应网络节点对(例如，图7的ls1、ls2)的相应光纤线缆(例如，图7的740)在所述相应网络节点对之间在相反方向上行进，所述光束对中的不同光束对在相应光纤线缆中的不同光纤线缆中行进；以及(b)在电子电路系统(例如，图7的712)中处理(例如，在图8的806-812处)多个所述光束对的偏振状态的测量值以表征所述地震中的一次地震。
[0131]
根据上文例如在发明内容部分中和/或参考图1到8中的一些或全部的任何一者或任何组合而公开的又一实例实施例，提供一种设备，其包括：光波长解复用器(例如，图2的280)，其具有用以解复用通过光纤(例如，图1的140、图7的740a)接收的光信号的多个通带(例如，图3的310)；第一光接收器(例如，图2的260n)，其连接到所述光波长解复用器以接收经数据调制光信号(例如，图2的262)；以及第二光接收器(例如，图2的270)，其连接到所述光波长解复用器以获得光探测信号(例如，图2的274)的斯托克斯参数的时间分辨测量值，所述经数据调制光信号和所述光探测信号均通过所述光波长解复用器的一个通带；且其中所述第二光接收器包括数字带通滤波器(例如，图6的640)以对所述时间分辨测量值的流进行滤波，从而选择所述流中与光纤的地震扰动相对应的频率分量。
[0132]
在上述设备的一些实施例中，所述设备还包括多个第三光接收器(例如，图2的260
3-260
n-1
)，所述多个第三光接收器经连接以接收通过所述光波长解复用器的通带中不同的相应通带的相应经数据调制光信号(例如，图2的266
3-266
n-1
)。
[0133]
在上述任何设备的一些实施例中，第一光接收器和第三光接收器中的每一者经配置以恢复经数据调制光信号中的对应一者中编码的数据。
[0134]
在上述任何设备的一些实施例中，光探测信号的载波频率(例如，图3的fs)不同于
经数据调制光信号的中心频率(例如，图3的fn)。
[0135]
在上述任何设备的一些实施例中，光探测信号的载波频率(例如，图3的fs)在光谱上位于经数据调制光信号的光谱边缘处(例如，如图3中展示)。
[0136]
在上述任何设备的一些实施例中，光探测信号的载波频率(例如，图3的fs)在光谱上位于经数据调制光信号的光谱包络(例如，图3的212)之外(例如，如图3中展示)。
[0137]
在上述任何设备的一些实施例中，第二光接收器包括用于相干地检测光探测信号的光学本机振荡器(例如，图4的406)。
[0138]
在上述任何设备的一些实施例中，第二光接收器经配置以：基于所述流的选定频率分量计算地震指标(例如，等式(13)的p(t))；以及如果地震指标的值超过固定阈值，则记录所述值且加时间戳。
[0139]
在上述任何设备的一些实施例中，所述设备还包括电子分析器(例如，图7的710)，所述电子分析器经连接(例如，经由图7的7201)以从第二光接收器接收地震指标的带时间戳值，且进一步经连接以接收(例如，经由图7的7202)来自网络节点(例如，图7的ls2)的地震指标的另一带时间戳值；且其中所述光波长解复用器和网络节点经末端连接到光纤的相对末端(例如，图7的740a)。
[0140]
在上述任何设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于地震指标的所述接收到的带时间戳值来确定(例如，图8的808)地震震中的地理位置(例如，图7的e)。
[0141]
在上述任何设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于地震指标的所述接收到的带时间戳值来估计(例如，图8的810)地震的里氏标度震级。
[0142]
在上述任何设备的一些实施例中，电子分析器经配置以基于地震指标的所述接收到的带时间戳值来生成(例如，图8的812)海啸波预报。
[0143]
在上述任何设备的一些实施例中，所述光探测信号是连续波光信号。
[0144]
在上述任何设备的一些实施例中，数字带通滤波器的通带在0.1hz与1hz之间。
[0145]
在上述任何设备的一些实施例中，数字带通滤波器是可调谐的。
[0146]
虽然本公开包含对说明性实施例的参考，但本说明书不意欲以限制性意义来理解。对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，本公开所涉及的所描述的实施例的各种修改以及在本公开的范围内的其它实施例被认为是在本公开的原理和范围内，例如随附权利要求书中所表达。
[0147]
除非另有明确陈述，否则每个数值和范围应解释为近似值，如同词语“约”或“大致”在所述值或范围之前一样。
[0148]
应进一步理解，可在不脱离本公开的范围的情况下由所属领域的技术人员对已按次序描述且说明以解释本公开的性质的部分的细节、材料和布置做出各种改变，例如随附权利要求书中所表达。
[0149]
在权利要求书中使用附图数字和/或附图参考标记意欲标识所要求的主题的一或多个可能实施例，以便促进对权利要求书的解释。此类使用不应解释为将那些权利要求书的范围必然限制于对应图中所展示的实施例。
[0150]
尽管在所附方法权利要求(如果存在)中的元件按对应标记以特定顺序叙述，但除非权利要求叙述另外暗示用于实施那些元件中的一些或全部的特定顺序，否则那些元件不一定意欲限于以所述特定顺序实施。
[0151]
本文中提及“一个实施例”或“实施例”意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性可包含于本公开的至少一个实施例中。在本说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指代同一实施例，也不是与其它实施例必定相互排斥的单独实施例或替代性实施例。同样的情况适用于术语“实施方案”。
[0152]
除非本文中另外规定，否则使用次序形容词“第一”、“第二”、“第三”等以指代多个相同对象中的对象仅指示此类相同对象的不同例子被提及，且并非旨在暗示如此提及的相同对象必须在时间上、在空间上、在排序上或以任何其它方式呈对应的次序或顺序。
[0153]
除非本文另有规定，否则除了其普通含义外，连词“如果”也可以或替代地理解为意指“当”或“在...时”或“响应于确定”或“响应于检测到”，其解释可取决于对应的具体上下文。举例来说，短语“如果确定”或“如果检测到[所述条件]”可理解为意指“在确定...时”或“响应于确定”或“在检测到[所述条件或事件]时”或“响应于检测到[所述条件或事件]”。
[0154]
还出于此描述的目的，术语“耦合(couple、coupling、coupled)”、“连接(connect、connecting、connected)”指代所属领域中已知的或后续开发的任何方式，其中允许能量在两个或更多个元件之间传递，且涵盖一或多个额外元件的插入，但不是必需的。相反地，术语“直接耦合”、“直接连接”等暗示不存在此类额外元件。
[0155]
如在本文中参考元件和标准所使用，术语兼容意指元件以所述标准全部或部分指定的方式与其它元件通信，且将被其它元件认为足以有能力以所述标准指定的方式与其它元件通信。兼容元件内部不需要以标准指定的方式操作。
[0156]
所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。具体地说，本公开的范围由所附权利要求书而不是本文的描述和附图指示。存在于权利要求的等同含义和范围内的所有变化都将包含在所述权利要求的范围内。
[0157]
本说明书和附图仅说明本公开的原理。因此应了解，所属领域的一般技术人员将能够设计出体现本公开的原理且包含于本公开的精神和范围内但本文中未明确地描述或展示的各种布置。此外，本文中所述的所有实例主要明确地旨在用于教学目的，以辅助读者理解由本发明人所提供的本公开的原理以及概念，从而深化所属领域，且所有实例应理解为不限于此类具体叙述的实例和条件。此外，本文中叙述本公开的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体实例旨在涵盖其等同物。
[0158]
图中所展示的包含标记为“处理器”和/或“控制器”的任何功能块的各种元件的功能可通过使用专用硬件以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件来提供。当由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器、由单个共享处理器，或由多个个别处理器提供，其中的一些可共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应解释为仅仅指能够执行软件的硬件，而是可隐含地包含不限于数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、用于存储软件的只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)以及非易失性存储装置。也可包含常规和/或自定义的其它硬件。类似地，图中所示的任何开关仅为概念性的。开关的功能可通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的相互作用或甚至手动地实行，特定技术可由实施者选择，如根据上下文更具体地理解。
[0159]
如本技术案中所使用，术语“电路”可指以下各项中的一或多者或全部：(a)仅硬件的电路实施方案(例如仅模拟和/或数字电路中的实施方案)；(b)硬件电路与软件的组合，
例如(在适当时)：(i)模拟和/或数字硬件电路与软件/固件的组合和(ii)硬件处理器和软件的任何部分(包含在一起起作用以使得例如移动电话或服务器的设备执行各种功能的数字信号处理器、软件和存储器)；以及(c)硬件电路和或处理器，例如微处理器或微处理器的一部分，其需要用于操作的软件(例如固件)，但软件在不需要用于操作时可不存在。电路系统的此定义适用于此术语在本技术中(包含在任何权利要求中)的所有使用。作为另一实例，如本技术中所使用，术语电路系统还涵盖仅仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或硬件电路或处理器的部分和其随附软件和/或固件的实施方案。术语电路系统还涵盖(例如且在适用于特定权利要求要素的情况下)用于移动装置的基带集成电路或处理器集成电路，或服务器、蜂窝网络装置或其它计算或网络装置中的类似集成电路。
[0160]
所属领域的一般技术人员应了解，本文中的任何框图表示体现本公开的原理的说明性电路系统的概念视图。类似地，应了解，任何流程图表、流程图、状态转换图、伪代码等表示可基本上在计算机可读媒体中表示且因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确示出此类计算机或处理器。
[0161]
本说明书中的“发明内容”旨在介绍一些实例实施例，且在“具体实施方式”和/或参考一或多个附图描述了额外实施例。“发明内容”并非旨在标识所要求的主题的基本元件或特征，也并非旨在用于限制所要求的主题的范围。