[發(fā)明專利]應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的海底光電復(fù)合纜外力入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110037372.1
• 申請(qǐng)日: 2021-01-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112883521B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢煒光;邢錳;甘維明;李光炬;趙贊善;季桂花
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所南海研究站
• 主分類號(hào): G06F30/18
• 分類號(hào): G06F30/18;G06F30/27;G06N3/0442;G06N3/08;G01M11/00;G06F113/16
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 李彪;王蔚

1.一種應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的海底光電復(fù)合纜外力入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于和海底光電復(fù)合纜的光纖在光電復(fù)合纜接頭盒內(nèi)對(duì)接，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：窄線寬激光光源、分光器、同步時(shí)鐘模塊、背向瑞利散射模塊、光電平衡探測(cè)器、采集模塊和計(jì)算處理模塊；其中，

所述窄線寬激光光源，用于產(chǎn)生連續(xù)單色的激光；

所述分光器，用于對(duì)激光進(jìn)行分光處理，一部分激光作為本振信號(hào)輸入光電平衡探測(cè)器，另一部分激光輸入背向瑞利散射模塊；

所述同步時(shí)鐘模塊，用于產(chǎn)生周期性的脈沖調(diào)制信號(hào)輸入背向瑞利散射模塊，同時(shí)產(chǎn)生同源時(shí)鐘信號(hào)輸入采集模塊；

所述背向瑞利散射模塊，用于通過(guò)脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制處理，形成探測(cè)脈沖光進(jìn)入海底光電復(fù)合纜并激發(fā)背向瑞利散射光，經(jīng)處理后輸入光電平衡探測(cè)器；

所述光電平衡探測(cè)器，用于將本振信號(hào)和背向瑞利散射光進(jìn)行相干疊加并輸入采集模塊；

所述采集模塊，用于根據(jù)同源時(shí)鐘信號(hào)對(duì)背向瑞利散射光相干疊加的光信號(hào)進(jìn)行采集并將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采集信號(hào)發(fā)送至計(jì)算處理模塊；

所述計(jì)算處理模塊，用于根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采集信號(hào)，判定是否存在外力入侵事件，如果存在，計(jì)算外力入侵事件發(fā)生的位置，并基于預(yù)先訓(xùn)練好的外力入侵識(shí)別模型，識(shí)別該外力入侵事件的類型；

所述背向瑞利散射模塊包括：聲光調(diào)制器、脈沖EDFA、第一帶通濾波器、光環(huán)形器、EDFA放大器、第二帶通濾波器、WDM耦合器、光環(huán)形器、拉曼泵浦源輸出和光隔離器；其中，

所述聲光調(diào)制器依次連接脈沖EDFA、第一帶通濾波器和光環(huán)形器的第一端口，光環(huán)形器的第二端口連接WDM耦合器的一端，所述WDM耦合器的另一端與光電復(fù)合纜接頭盒相連，拉曼泵浦源的輸出端依次連接光隔離器和WDM耦合器，所述光環(huán)形器的第三端口依次連接EDFA放大器和第二帶通濾波器；

所述計(jì)算處理模塊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

步驟1)接收采集模塊輸入的一個(gè)時(shí)間窗口的探測(cè)信號(hào)光時(shí)間序列，利用正交解調(diào)算法解調(diào)得到探測(cè)信號(hào)光的相位信號(hào)時(shí)間序列，根據(jù)同步時(shí)鐘模塊輸出的脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)相位信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行等間隔分幀，得到前后時(shí)間連續(xù)的相位信號(hào)幀；

步驟2)對(duì)時(shí)間域相鄰的相位信號(hào)幀進(jìn)行移動(dòng)差分運(yùn)算，按一定時(shí)間窗口對(duì)差分幀進(jìn)行累加，設(shè)置經(jīng)驗(yàn)閾值判定是否存在外力入侵事件，如果不存在外力入侵事件則轉(zhuǎn)至步驟1)取下一個(gè)時(shí)間窗口的探測(cè)信號(hào)光時(shí)間序列；如果存在外力入侵事件則轉(zhuǎn)至步驟3)；

步驟3)結(jié)合采集模塊采樣率、差分疊加結(jié)果過(guò)閾值點(diǎn)、光在光纖中的光速、海底光電復(fù)合纜光纖冗長(zhǎng)系數(shù)和路由位置計(jì)算外力入侵事件發(fā)生的纜沿線位置和經(jīng)緯度；

步驟4)根據(jù)外力入侵事件發(fā)生的位置，計(jì)算得到該位置處探測(cè)信號(hào)光的相位信號(hào)的19個(gè)維度特征向量；

步驟5)將19個(gè)維度特征向量輸入到預(yù)先訓(xùn)練好的外力入侵識(shí)別模型，得到外力入侵事件的類型；

所述步驟4)具體包括：

根據(jù)發(fā)生外力入侵事件的位置，對(duì)該位置處探測(cè)信號(hào)光的相位信號(hào)進(jìn)行4層小波包分解得到16個(gè)小波包樹(shù)節(jié)點(diǎn)，對(duì)小波包樹(shù)節(jié)點(diǎn)系數(shù)進(jìn)行重排，計(jì)算重排后的16個(gè)小波包樹(shù)節(jié)點(diǎn)的重構(gòu)系數(shù)，基于重構(gòu)系數(shù)計(jì)算相位信號(hào)的16個(gè)頻帶能量占比，獲得16個(gè)維度的特征向量；

對(duì)所述相位信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)頻率計(jì)算，獲得1個(gè)維度的特征向量；

對(duì)所述相位信號(hào)進(jìn)行譜峭度計(jì)算，獲得1個(gè)維度的特征向量；

對(duì)所述相位信號(hào)進(jìn)行譜熵計(jì)算，獲得1個(gè)維度的特征向量；

將上述特征向量串聯(lián)得到該位置處探測(cè)信號(hào)光的相位信號(hào)的19個(gè)維度特征向量；

所述外力入侵識(shí)別模型為雙向長(zhǎng)短期記憶深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，包括全連接層和分類層，所述外力入侵識(shí)別模型的輸入為探測(cè)信號(hào)光的相位信號(hào)的19個(gè)維度特征向量，輸出為外力入侵事件的類型。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的海底光電復(fù)合纜外力入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述同步時(shí)鐘模塊包括串聯(lián)的聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器、任意函數(shù)發(fā)生器和10MHz同步時(shí)鐘源。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的海底光電復(fù)合纜外力入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述外力入侵事件的類型包括：漁網(wǎng)入侵、船錨入侵、海底地質(zhì)活動(dòng)入侵和無(wú)外力入侵。