使用多信道信息进行的线缆扰动的空间分辨监控的制作方法

1.本公开总体上涉及海底通信领域，并且更特别地，涉及用于使用线路监控装备来测量扰动的技术。


背景技术：

2.光纤线缆沿着洋底连接遥远的大陆，并且互联网的许多国际流量在这些线缆上行进。一般而言，在光纤线缆上的通信使用光脉冲进行，这些光脉冲在跨越海洋的数千公里上的传输期间可能遇到失真。已经提出的是，光纤外部的扰动(诸如地震)可以通过监控光学信号(诸如光纤内的偏振态(state of polarization，sop))的变化来检测。最近，据报道，响应于远离线缆多于1000公里的地震检测到水下光缆中的sop的变化。然而，缺少可以检测其位置被精确空间分辨的扰动的系统和技术。
3.关于这些和其他考虑，提供了本公开。


技术实现要素：

4.提供本概述是为了以简化的形式介绍将在下面的详细描述中进一步描述的概念的选择。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
5.一种监控系统可以包括被配置成接收光学信号的光学接收器，该接收器包括多个均衡器以在对应于多个光学波长的多个光学信道上分配光学信号。该监控系统可以包括耦接到接收器的分析组件，该分析组件包括逻辑，其中该逻辑被配置成在接收器处接收光学信号之后，基于光学信号来构建对应于多个光学信道的多个传感器矩阵；使用多个传感器矩阵确定对应于多个光学信道中的至少一对光学信道的至少一对传感器矩阵之间的关联性；并且基于关联性确定传输系统外部的扰动的位置。
6.监控系统可以包括：发送器，该发送器用于生成光学信号；光学传输系统，该光学传输系统包括光缆、用于传输光学信号；以及接收器，该接收器用于接收光学信号。该接收器可以包括多个均衡器，以在对应于多个光学波长的多个光学信道上分配光学信号。监控系统还可以包括耦接到接收器的分析组件。监控系统可以包括逻辑以：在接收器处接收光学信号之后，基于光学信号，构建对应于多个光学信道的多个传感器矩阵。该逻辑可以使用多个传感器矩阵来确定对应于多个光学信道中的至少一对光学信道的至少一对传感器矩阵之间的关联性；并且基于该关联性确定传输系统外部的扰动的位置。
7.一种用于监控扰动的方法可以包括：生成光学信号；在包括光缆的传输系统上通过多个光学信道传导光学信号，其中多个信道对应于多个波长。该方法可以包括在穿过传输系统之后，在相干接收器的均衡器处检测光学信号；并且基于多个光学信道中的至少一些光学信道中的每个光学信道的光学信号生成均衡器矩阵。该方法还可以包括基于均衡器矩阵构建对应于多个光学信道的多个传感器矩阵；并且从多个传感器矩阵中分别提取多个时间相关矩阵。该方法还可以包括根据多个时间相关矩阵生成标准化传感器系数函数，该
标准化传感器系数函数具有波长作为自变量。该方法还可以包括基于标准化传感器系数函数的特性来确定传输系统外部的扰动的位置。
附图说明
8.图1是示出根据本公开的用于定位扰动的监控系统的示例性实施例的示意图；
9.图1a示出了与本公开的实施例一致的示例性相干接收器；
10.图1b示出了与本公开的实施例一致的接收器的示例性蝶形架构；
11.图2描绘了根据本公开的实施例的用于创建传感器矩阵的一般组件；
12.图3a至图3c示出了对于对应于不同干扰位置的三种不同场景，作为探测波束的波长的函数的标准化传感器系数行为；
13.图4a示出了作为波长的函数的三种不同的随机传感器系数行为；
14.图4b示出了基于图4a的示例函数的示例平均化传感器系数函数；
15.图5示出了用于检测不同位置处的多个扰动的示例性传感器系数函数；以及
16.图6呈现了示例过程流。
具体实施方式
17.本实施例可以用于促进传输系统(例如水下光缆)外部的检测或干扰(或扰动)。根据下面讨论的本公开的实施例，可以使用监控系统来执行扰动的定位，该监控系统配备有发送器系统、相干接收器和海底系统，该海底系统包括沿着多个光学信道在发送器和接收器之间承载信号的光缆。一般而言，本实施例的监控系统可以集成到双向光学通信系统中。在各种实施例中，应当理解的是，在双向光学通信系统中，发送器系统可以表示多个发送器，并且接收器可以表示多个接收器。而且，每个发送器可以与专用接收器耦接以作为发送器-接收器对以进行双向通信，该发送器-接收器对通过专用通信信道来链接发送器和接收器。监控系统还可以包括分析组件，以生成和分析多个传感器矩阵，该多个传感器矩阵根据光缆中相对应的多个光学信道(本文也简称为“信道”)来构建。本实施例利用了多信道光缆中的不同信道之间接收到的信号的差。通过检查根据通过不同信道接收到的信号所构建的不同传感器矩阵之间的关联性，可以确定扰动的接近度。
18.根据本公开的各种实施例，通过考虑几个因素来执行传感器矩阵的关联性：1)给定的一组光学信道彼此(在频率或波长)越远，它们的传感器矩阵变得越不关联；2)扰动越靠近接收器端，给定传感器矩阵之间的关联性越大；3)关联性取决于光纤pmd(偏振模色散)，该参数对于给定光纤是已知参数。所累积的光纤pmd是破坏关联性的实体，因此编码关于距扰动点的距离的信息。换句话说，接收器和扰动点之间的传播距离越长，pmd积累得越多，关联性被破坏得越多。
19.图1是示出根据本公开的用于检测和定位扰动120的监控系统100的示例性实施例的示意图。监控系统100包括发送器系统102，诸如发送器的组件，每个发送器具有激光源，以生成光学信号，该信号可以是多个同时发射的信号(其被认为是探测波束110)。根据各种非限制性实施例，探测波束110可以被加宽到25mhz的范围内的目标带宽，诸如10mhz、25mhz、50mhz、100mhz或类似值。在各种实施例中，在发送器系统102表示多个发送器的情况下，并且在每个发送器可以具有单独的激光源的情况下，给定的激光源可以耦接到给定的
通信信道。因此，探测波束110可以表示从相应的多个发送器中的多个激光源发射的多个信号。同样地，多个信号可以在多个通信信道，特别地至少两个通信信道上同时传输。根据本公开的实施例，通信信道的示例性波长可以跨越已知的c波段或l波段(band)，接近1550nm波长。
20.探测波束110可以通过海底系统104(包括光缆(未单独地示出))传输，该海底系统被配置为在多个信道上传输探测波束110，其中多个信道对应于发送器系统102的不同信道，这些不同信道对应于探测波束110的不同波长。因此，可以在光缆的光纤上承载多个信道。注意，在各种实施例中，海底系统104可以包括光缆，其光纤既用作用于(有效载荷)信息的双向通信的多个通信信道，又用于在相同的多个通信信道上传导探测波束110。
21.如下所述，监控系统100还可以包括接收器106，诸如相干接收器。如下面详细描述的那样，接收器106可以表示操作来在对应于不同波长的一系列信道上接收探测波束的多个均衡器。特别地，接收器106可以被耦接以在监控系统100的多个信道(诸如也用于传导探测波束110的普通信息承载信道)上接收信息。
22.监控系统100还可以包括耦接到接收器106的分析组件108，该分析组件用于生成和分析根据海底系统104中的相对应的多个信道构建的多个传感器矩阵。分析组件108可以包括硬件和软件的组合，包括执行如以下实施例中详细描述的操作的逻辑。注意，分析组件108可以与接收器106通信，以提取由接收器106接收的信息。例如，分析组件可以实现在计算机、处理器、软件的任意组合中，并且可以位于监控系统100的任何方便的位置处，而不一定邻近发送器系统102、接收器106或海底系统104。
23.图1a示出了与本公开的实施例一致的接收器106的总体性架构。图1b示出了与本公开的实施例一致的接收器106的示例性蝶形架构。接收器106可以如在已知的相干接收器中那样配置，带有具有蝶形结构(eq)作为相干接收器dsp的一部分的均衡器，如图1b中整体所示。
24.如所示出的那样，接收输入信号，并且提供本地振荡器(lo)来干扰输入信号，其中lo可以具有与90度光学混合设备中的发送器激光相同的频率。输入信号可以表示图1的探测波束110。为了检测同相和正交分量，输入信号可以沿一条路径与lo的同相部分混频，并通过信号和由90度混合器引入的lo之间的90度相位延迟在另一条路径中与正交分量混频。可以使用模数转换器(adc)将电信号数字化。
25.因此，除了添加分析组件108之外，监控系统100的总体架构和硬件可以实现在已知水下双向通信系统的已知组件中，该水下双向通信系统包括各自在专用光学信道上进行通信的多个发送器/接收器对。
26.在各种实施例中，分析组件108可以提取经由跨海底系统104的探测波束110传输并由接收器106接收的信息，以便确定以影响跨海底系统104的不同信道传输的信号的关联性的方式修改探测波束110的扰动的位置。换句话说，本实施例可以根据扰动影响了跨与探测波束的不同信道相对应的不同波长的信号的去关联的方式来确定扰动的位置。
27.接着图1b的总体性示例，从输入信号导出的系数h可以用于形成均衡器矩阵h，该矩阵可以被认为是对系统引起的信号失真的补偿。通常，均衡器矩阵h的每个元素具有多个抽头(tap)(每个抽头与不同的时间延迟相关联)。这种配置相当于将光学信道频带(optical channel band)分成子频带，其中每个子频带具有其自己的“单抽头”蝶形结构均
衡器。因此，可以从多抽头均衡器系数的值中提取每个子频带的均衡器矩阵h的值。因此，每个子频带具有其自己的矩阵h，并且每个子频带可以被视为信道。
28.根据本公开的实施例，均衡器矩阵h可以用于构建传感器矩阵，如下文所述。如图2所示，对于每个信道，系统jones矩阵m(λ,t)被重构为均衡器矩阵的逆矩阵h-1
(λ,t)。让我们限定平均(随时间)逆矩阵a：根据本公开的实施例，一旦对于海底系统的每个信道，矩阵m-1
(或等价地，h)是已知的，随后是传感器矩阵s的构建。传感器矩阵s通常被构建为矩阵m的估计(其是具有时间相关扰动的传输系统(水下光学系统)的估计)和逆未扰动系统矩阵a的乘积。换句话说，传感器矩阵s可以被计算为：计)和逆未扰动系统矩阵a的乘积。换句话说，传感器矩阵s可以被计算为：其中符号“·
"表示矩阵乘法。
29.注意，对于水下系统的给定传输系统，每个信道具有其自己的传感器矩阵s。在这种方法中，假设可以通过随时间进行时间平均化来实现来自传输矩阵的扰动的消除。这种构建消除了在不同信道被组合成单个光纤之前可能累积的信道之间的差，以及在检测之前不同信道划分成不同路径之后出现的差(其中假设信道在组合之前和/或划分之后不随时间受到干扰)。如此构建的传感器矩阵s是时间和波长(或者替代性地信道索引)两者的函数。
30.根据本公开的各种实施例，根据传感器矩阵s来构建用于确定扰动的位置的实体。这个实体被称为标准化传感器系数，该系数可以被构建如下：
31.传感器矩阵s的时变分量被提取为矩阵如下面关于等式(7)所详细描述的。设r
i,j
(λ,t)是矩阵的元素。设s
i,j
(λ,f)是r
i,j
(λ,t)的傅立叶变换。扰动幅值与s成比例，并且可以在这个点处进行提取。根据一些实施例，这个实体可以在波长上被平均化。
32.为了简化的目的，根据本公开的一些实施例，可以在感兴趣的给定频率f(例如，地震频率)下监控扰动，并且因此f将在下面的公式中被省略。对一个给定的索引i和j如下引入标准化传感器系数c：
[0033][0034]
在这个示例中，传感器系数c是两个波长(或信道索引)的函数。如所陈述的那样，这个标准化传感器系数是针对感兴趣的特定扰动频率。替代性地，每个扰动频率可以由不同的传感器系数c来表征。
[0035]
根据本公开的实施例，通过监控传感器矩阵，可以检测和定位可能影响传输系统的扰动。因为传感器矩阵是波长的函数，所以作为波长的函数的传感器矩阵的行为可以提供扰动的性质和位置的指示。在没有扰动的情况下，以下条件将适用：
[0036][0037][0038]
对于系统的接收器端处的小周期扰动(其中对于任何信道，p(t)相同)，以下条件将适用：
[0039][0040][0041][0042]
在这种场景下，如等式(5)所示，传感器矩阵行为没有记录任何波长依赖性。
[0043]
对于系统开始时的扰动以下条件适用：
[0044][0045][0046]
请注意，在等式7中，矩阵表示传感器矩阵s的时间相关部分。以以上方式，传感器矩阵中的波长(或信道索引)行为对扰动位于的位置进行编码。
[0047]
图3a至图3c示出了对于对应于不同干扰位置的三种不同场景，作为探测波束的信道的波长的函数的标准化传感器系数行为。
[0048]
特别地，图3a至图3c中示出的三个曲线图示出了对于相对于传输系统(相当于光缆)的三个不同扰动位置，标准化传感器系数c作为其自变量中的一个的函数的行为。通常，传感器系数随波长的变化在不同的情况之间非常不同。图3a至图3c中示出的函数基本上示出了对于不同信道的传感器矩阵的关联性(表示为波长的函数)。在扰动位于传输系统端的情况下(图3a)，对于传感器系数没有波长依赖性。对于图3b和图3c，竖直虚线示出了标准化传感器系数函数的特性，在这种情况下是所谓的“偏离1位置”，其中标准化传感器系数c变得基本上小于1，并且波长(或信道索引)的增量λ
2-λ1与扰动的位置和光纤pmd有关。可以以不同的方式来执行传感器系数变得基本上小于1的点的确定。图4b中提供了一个示例。在扰动位于传输系统的中间的情况下(图3b)，存在在λ1和λ2之间的c的逐渐衰减，朝向λ2具有更大的波动。在扰动位于传输系统的开始的情况下(图3b)，存在在λ1和λ2之间的c的更快的初始衰减，同样朝向λ2具有更大的波动。
[0049]
注意，对于由图3b和图3c表示的后两种情况(其中标准化传感器系数c随波长变化)，当仅考虑单个c系数时，这种“偏离1位置”多少是随机的。根据本公开的各种实施例，作为其参数中的一个的函数的标准化传感器系数c的随机性可以通过在其他信道上执行平均化来显著降低。为了解释这个后一方法，图4a示出了作为波长的函数的三种不同的随机传感器系数行为，而图4b示出了基于图4a的示例性函数的示例性平均化传感器系数函数。如图4a中特别示出的那样，示出了对于其中作为波长的函数的c值的变化在每种情况之间显著不同的三种不同情况下的传感器系数c(λ1,λ2)。在每种情况下，c的值通常降低，但是在不
同的曲线之间，c的值的波动在性质上是不同的。
[0050]
现在转到图4b，示出了表示平均化函数的曲线，该平均化函数是δλ(或δ频率或δ信道索引)的函数。在这个函数中，的值是单调衰减函数。这个函数更适合寻找“偏离1”位置，诸如函数值等于e-1
的位置。关于δλ的这个位置与沿着传输系统的扰动的物理位置有关。特别地，距离l可以根据以下等式来确定
[0051][0052]
其中pmd是系统偏振模色散，并且ω是信道之间的径向频率差，
[0053][0054]
其中c是光速。注意，根据已知的方法，在存在沿着链路的长度l的pmd和分离ω的情况下，两个信道中的极化之间的关联性将去关联1/e的值。因此，在等式(8)中使用减小到1/e的δλ值来确定l的值。
[0055]
在一个实施例中，为了生成图4b的曲线，可以通过仅调节一个参数γ来实现拟合，如下所述解释那样。
[0056]
如图4a的曲线所示，我们具有标准化传感器系数函数c(λi，λ2)，其中i是对应于不同光学信道的信道索引(如图4a示出i＝1，11，...21)。首先，函数c可以变换成δλ的函数：
[0057]ci
(δλ)≡c(λi，λi δλ)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0058]
第二，执行找平均值：
[0059][0060]
其中n是我们具有的函数ci(δλ)的数量。在此，假设当δλ＝0时ci(δλ)被标准化为1，那么平均函数c
ave
(δλ)也被自动标准化为1，也就是说，平均化的过程不应该改变该标准化。因此，通过调节仅单个参数γ，c
ave
(δλ)就可以通过函数exp(-γ(δλ)2)实现最佳拟合，因为对于δλ＝0，函数exp(-γ(δλ)2)等于1。从数学上讲，可以通过调节γ的值最小化以下积分(其在数值评估中可以被近似为总和)：
[0061][0062]
一旦找到γ的值，来自图4b的δλ
pmd
的值可以计算如下：
[0063]
δλ
pmd
＝1/γ
ꢀꢀ
(13)，
[0064]
从而导致由将δλ
pmd
代入等式9以确定ω而产生的l或扰动距离的值。
[0065]
在其他实施例中，标准化传感器系数可以通过对时间和对f进行平均化来确定。在再另外的实施例中，为了构建平均化传感器系数函数(根据该函数确定扰动位置)，平均化可以对s
i，j
(λ，f)的4个系数进行。
[0066]
虽然前面提及的实施例总体上说明了使用传感器矩阵来检测单个扰动，但是当沿着传输系统不止一个位置经历扰动时，函数可以具有比迄今为止所示出的形状更复杂的形状。根据本公开的另外的实施例，可以分析传感器系数函数以生成多个扰动位置。为
了示出这种方法，图5示出了用于检测不同位置处的多个扰动的示例性传感器系数函数。
[0067]
注意，图5中示出的曲线呈现了可能在存在不止一个扰动的情况下出现的传感器系数函数的简化。如图4所示，传感器系数函数函数可以是平均化函数，其中值通常作为δλ的函数而减小。在图5的图示中，假设沿着传输系统的不同位置处存在两个扰动。图5的传感器系数函数展现出了值的两个不同快速下降区域。第一扰动位置l1可以根据第一竖直虚线的位置确定，表示为而第二扰动位置l2可以根据第二竖直虚线的位置确定，表示为在每种情况下，给定δλ值可以表示传感器系数函数(该函数可以是平均标准化传感器系数函数，如上所详述)降低到相应阈值以下的点。因此，对于第一扰动位置，而对于第二扰动位置，
[0068]
每个扰动的幅值与传感器系数函数中的“步长大小”成比例。在一个实施例中，传感器系数函数的形状可以被拟合为具有不同σ(宽度)和幅值系数的两个高斯函数的组合。每个函数的宽度信息携载关于扰动的位置的信息，并且幅值系数携载关于扰动强度的信息。因此，可以从图5的函数中提取扰动位置和强度两者。
[0069]
图6呈现了根据本公开的一些实施例的示例性过程流600。在框602，从包括多个发送器的发送器系统发射探测波束。在各种实施例中，发送器系统可以从各自包括激光源并且各自耦接到分离的通信信道的多个发送器传输探测波束。由此，探测波束可以构成在对应于现有双向光学通信系统中的现有信息承载信道的多个波长上发射的常规的一组信号。
[0070]
在一些实施例中，探测波束可以在与普通的信息承载信道分离的多个信道上发射。特别地，可调波长信号可以在专用光纤上以不对应于信息承载信道的波长发射。
[0071]
在框604，探测波束被引导通过传输系统的对应于多个不同的波长的多个信道。例如，多个信道可以沿着水下传输系统延伸持续数百公里。多个信道可以组合成单根光纤，并且可以沿着传输系统分成不同的路径。在各种实施例中，传导探测信号的信道的数量的范围可以在2至300之间。
[0072]
在框606，在传感器处在多个信道上检测探测波束。根据一些实施例，传感器可以被布置为具有带有蝶形结构的均衡器的相干接收器。
[0073]
在框608，基于在多个信道上检测到的探测波束，为每个信道构建传感器矩阵s。传感器矩阵s可以被构建为矩阵m的估计(其是具有时间相关扰动的系统的估计)和逆未扰动系统矩阵a的乘积。
[0074]
例如，由m-1
表示的均衡器矩阵可以根据基于每个信道的传输信道tc生成的系统矩阵m(λ,t)来构建。更特别地，均衡器矩阵被构建为jones矩阵平均逆矩阵(随时间)：特别地，传感器矩阵s可以被计算为：传感器矩阵：其中“·
"表示矩阵乘法。
[0075]
在一些变型中，当在接收器侧将信道在数学上分离成虚拟子信道(或子频带)时，可以提取矩阵h(m-1
)，其中可以为每个虚拟子信道分离地计算矩阵。注意，在这些变型中，可以在分析组件中采用附加软件来执行虚拟子信道计算，同时不影响通过双向光学通信系统的给定信息承载通信信道传输的信息。在这种情况下，图4中的δλ上的步长将由虚拟子信
道(子频带)的带宽来限定。
[0076]
在框610，根据传感器矩阵s构建时间相关矩阵r。在一个实施方式中，矩阵r从传感器矩阵s中提取如下：
[0077][0078]
在框612，执行矩阵r的傅立叶变换以确定传感器傅立叶系数s
i，j
(λ，f)。
[0079]
在框614，根据传感器傅立叶系数，将标准化传感器系数函数构建为波长的函数。在一些实施例中，标准化传感器系数函数可以省略传感器傅立叶系数的频率依赖性。例如，当在存在可能的扰动的情况下监控多个波长上的所接收的功率时，可以在感兴趣的给定频率f(例如，地震频率)下监控干扰，使得在恒定频率下监控波长上的标准化传感器系数。因此，对于索引i和j，标准化传感器系数可以构建如下：
[0080][0081]
在框616，基于标准化传感器系数函数的特性特征来确定扰动的位置。在一个示例中，可以基于其中传感器系数c变得基本上小于1的“偏离1位置”来确定扰动的位置，并且波长(或信道索引)的增量λ
2-λ1与扰动的位置和光纤pmd相关。
[0082]
特别地，限定扰动的位置的距离l可以根据下面的等式来确定：
[0083][0084]
其中ω表示且ω是信道之间的径向频率差ω＝2π(f
1-f2)，并且pmd是系统常数。
[0085]
如本文所用，以单数形式叙述并以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除多个元素或步骤，除非明确叙述了这种排除。另外，对本公开的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合所述特征的附加实施例的存在。
[0086]
虽然本公开参考了某些实施例，但是在不脱离如所附(多个)权利要求中定义的本公开的范畴和范围的情况下对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可能的。因此，本公开旨在不限于所描述的实施例，而是其具有由以下权利要求及其等同物的语言所定义的全部范围。