基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法技术

本发明专利技术公开基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，属于测量、测试的技术领域。该方法利用海水自然运动作为声源激励，通过水下光电复合缆感受到的振动信号特征变化，对水下光电复合缆埋深及其变化趋势进行在线测量，从而在水下光电复合缆到裸露磨损之前加以预警，避免水下光电复合缆受到侵蚀损害。害。害。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法


[0001]本专利技术公开基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，涉及光纤传感技术，属于测量、测试的


技术介绍

[0002]海缆通信因具有传输距离远、容量大、损耗低、可靠性高且抗干扰和保密性好的优点成为国际洲际之间、大陆与岛屿之间，岛屿与岛屿之间通信的主要技术手段。为了保护缆线不受自然环境和人为因素(如渔业拖网捕鱼等)影响，缆线通常被埋在海床之下。然而，由于水下复杂环境的作用，随着时间的推移，原先被埋设在海床下面的部分缆段会暴露于海床之上，当受到潮汐或者洋流的作用时，暴露的缆线或受到反复摩擦侵害，或由于洋流冲刷导致缆线悬空并受到周期性摆动或扭动，这种长期的摩擦将会使得缆线内部的光纤受损，以致使其发生损耗甚至断裂故障。因此，如何利用水下光电复合缆周围环境特别是埋深来测量缆线状态十分必要。目前，针对水下光电复合缆埋深的测量主要是通过缆线的埋深测量系统来实现，其利用缆线的测温数据，通过对大气温度、水、海泥、缆线这几者的热传导、热对流等热力学过程进行分析，间接计算得到缆线的埋深。虽然这种方法对空间分辨率、时间响应要求不高，但对精度要求很高，且不具备对水下光电复合缆状态的即时反馈能力。除此之外，如何实现水下光电复合缆埋深的全线测量，并利用该参数进行缆线磨损程度的研究还未见报道。
[0003]分布式振动传感系统采用窄线宽激光器作为系统光源，利用背向瑞利散射信号(Rayleigh Backscattering Signal,RBS)之间的相干衰落效应实现扰动信号的分布式测量。当外部扰动事件作用在光纤上时，扰动位置处的纤芯折射率和光纤长度会发生变化，从而引起该位置处RBS的幅度和相位变化。通过分析扰动事件发生前后的瑞利散射曲线，可以实现对动态扰动事件的检测。该技术灵敏度高、测量响应速度快，能够实现长距离全分布式的无盲区动态测量。本专利技术旨在利用分布式振动传感系统实现水下光电复合缆埋深的全线测量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的专利技术目的是现有的水下光电复合缆埋深测量技术存在的不足，提供基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，其利用海洋背景噪声作为声源激励，通过水下光电复合缆感受到的振动信号特征变化，对水下光电复合缆埋深及其变化趋势进行在线测量，从而在水下光电复合缆受到裸露磨损之前加以预警，避免水下光电复合缆受到侵蚀损害，实现全线测量水下光电复合缆埋深并监测线缆磨损程度的专利技术目的，解决现有水下光电复合缆埋深测量技术精度不高且不能全线测量的技术问题。
[0005]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0006]基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，通过包括分布式光纤声场传感系统、多路复选光开关组成的测量装置实现。多路复选光开关用于单机对多个水
下光电复合缆的轮询测量切换，实现多个水下光电复合缆埋深的覆盖测量，测量时多路复选光开关将待测量水下光电复合缆接入分布式光纤声场传感系统，以获取待测量水下光电复合缆沿线的振动信号，对待测量水下光电复合线缆的沿线振动信号进行处理，计算水下光电复合缆埋深，并对水下光电复合缆裸露区域提出预警。
[0007]本专利技术提出的基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，对待测量水下光电复合线缆的沿线振动信号进行处理，计算水下光电复合缆埋深的具体步骤如下：
[0008]步骤1：将总距离为L的水下光电复合缆通过多路复选光开关接入分布式光纤声场传感系统，获取水下光电复合缆沿线的振动信号，假设空间分辨率为R，单条振动信号测量时间为rt，单次记录总时长为T，得到水下光电复合缆沿线的振动信号强度时空分布矩阵A(m,n)，时空分布矩阵A(m,n)表示水下光电复合缆沿线的振动信号强度随时间m、距离n的分布，距离n指的是水下光电复合缆产生振动信号的位置与测量装置的距离；
[0009]步骤2：对步骤1获得的振动信号强度时空分布矩阵A(m,n)进行一次带通滤波，通带范围优选0.5Hz～80Hz，以滤除0.5Hz以下的低频信号以及80Hz以上的高频信号，滤除非潮汐或海流作用引起的噪声信号，随后平方得到振动能量时空分布矩阵E(m,n)，表示振动信号能量随时间m、距离n的分布；
[0010]步骤3：将步骤2获得的振动能量时空分布矩阵E(m,n)按时间进行分块，选取时间间隔为tw(tw为rt的整数倍，且tw≤m)的数据按时间轴求方差，得到个时间段的方差数组V
i
(1,n)(i＝1,2,3
…
,NT)；
[0011]步骤4：将步骤3获得NT个方差数组V
i
(1,n)按距离进行分块，选取距离间隔为lw(lw是R的整数倍，且lw≤n)，即每lw/R个点对应一个缆段，则方差数组V
i
(1,n)沿距离轴被分割为个区域，每个缆段区域的方差数组为V
i
(1,lw/R)，对每一个缆段区域的方差数组V
i
(1,lw/R)取平均，得到各缆段区域方差均值
[0012]步骤5：设定时间基数窗口TIME，该时间基数窗口的设定与水下光电复合缆埋深的更新测量时长的需求有关，建议覆盖当地两次潮汐的时间间隔；
[0013]步骤6：将TIME时间内获得的各缆段区域方差均值沿时间轴求中位数，得到TIME时间内该缆段区域的方差均值中位数进而得到TIME时间内水下光电复合缆沿线的方差均值中位数数组
[0014]步骤7：在水下光电复合缆不同位置标定实际埋深(建议选取多种标定点，如线路中央空旷海域完全埋深的部分、数据处理工作站附近裸露的部分等)，根据水下光电复合缆实际埋深，构造水下光电复合缆埋深基底数组H
base
(1,NL)，其值为水下光电复合缆沿线各缆段埋深均值；
[0015]步骤8：构建水下光电复合缆埋深基底系数数组k(1,NL)，建立水下光电复合缆标定埋深H
base
(1,NL)与步骤6第一个TIME时间内振动强度方差均值中位数数组的映射关系，使其满足如下条件：
[0016][0017]其中b(1,NL)为上述映射关系的厚度调整数组；从而确定埋深基底系数数组k(1,NL)以及厚度调整数组b(1,NL)，完成水下光电复合缆埋深与水下光电复合缆沿线振动强度映射关系的标定；
[0018]步骤9：根据步骤8得到水下光电复合缆在TIME时间段内各缆段区域实时埋深h
_TIME
(1,NL)与振动强度方差均值中位数的映射关系：
[0019][0020]将代入步骤8中的映射关系，即可获得各缆段实时厚度h
_TIME
(1,NL)；
[0021]步骤10：根据步骤9获得的水下光电复合缆实时埋深h
_TIME
(1,NL)，对其标定等级，设定阈值h1与h2，标定埋深大于h1的为附着物厚区，对应水下光电复合缆处于安全域；介于二者之间的为附着物薄区，表示水下光电复合缆即将处于裸露状态，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，其特征在于，获取时间基数窗口内待测量水下光电复合缆沿线各缆段区域振动强度方差均值的中位数数组位数数组为第i个时间段待测量水下光电复合缆第j个缆段区域的振动能量方差均值，lw为待测量水下光电复合缆相邻缆段区域的距离间隔，L为待测量水下光电复合缆的总长度，R为空间分辨率；构建时间基数窗口内待测量水下光电复合缆沿线各缆段区域的实时附着物标定厚度h
_TIME
(1,NL)与时间基数窗口内待测量水下光电复合缆沿线各缆段区域振动强度方差均值的中位数数组的映射关系：h
_TIME
(1,NL)＝k(1,NL)*k(1,NL)为埋深基底系数数组，b(1,NL)为埋深调整数组；将时间基数窗口内待测量水下光电复合沿线各缆段区域振动能量方差均值的中位数数组的实时取值代入所述映射关系，得到时间基数窗口内待测量水下光电复合缆沿线各缆段区域的实时厚度。2.根据权利要求1所述基于分布式光纤声场传感的水下光电复合缆埋深测量方法，其特征在于，所述获取时间基数窗口内待测量水下光电复合缆沿线各缆段区域振动强度方差均值的中位数数组的具体方法为：获取待测量水下光电复合缆沿线的振动信号，得到待测量水下光电复合缆沿线的振动信号强度时空分布矩阵A(m,n)，m为时间，n为距离，T为单次记录总时长，rt为单条振动信号测量时间；对所述待测量水下光电复合缆沿线的振动信号强度时空分布矩阵A(m,n)进行先带通滤波后平方运算的处理后，得到待测量水下光电复合缆沿线的振动能量时空分布矩阵E(m,n)；对所述待测量水下光电复合缆沿线的振动能量时空分布矩阵E(m,n)按时间间隔tw进行分块，对分块后的每个子块中的数据按时间轴求方差，得到NT个时间段的方差数组V
i
(1,n)，tw为rt的整数倍，且tw≤m；对所述NT个时间段的方差数组V
i
(1,n)按距离间隔为lw分为NL个区域，对每个区域的方差数组取平均值，得到待测量水下光电复合缆沿线各缆段区域振动强度方差均值对时间基数窗口内获得的待测量水下光电复合缆沿线各缆段...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，陈晓红，冯磊，陈勇，常恩江，张旭苹，李亚卓，张驰，王峰，
申请(专利权)人：中广核北京新能源科技有限公司扶摇电子东莞有限公司，
类型：发明
国别省市：