一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，进而实现对水下光缆布设状态和附近水域船只的监测。


背景技术：

2.随着全球互联网络的发展，各国对信息传输效率和速度的要求不断提高。为满足这一需求，水下光缆已经遍布全球的海洋和水系。尽管光缆具有带宽高、可靠性强和耐用性强等优势，但由于洋流运动、地质活动等问题，水下光缆位置改变是水下光缆状态监测方面最主要的问题。水下光缆位置改变有三个主要影响因素：如地质活动和洋流等自然因素、渔船拖拽等人为因素和海底鱼类活动等生物因素。虽然海底环境相对稳定，但这些因素仍经常发生且难以预测，水下光缆位置标定困难且复杂。
3.克服标定困难需要专业人员实地勘察，成本高、难度大。目前水下光缆位置标定的方法主要包括侧扫声纳和磁力测量两种技术。侧扫声纳通过发射侧向声波来探测海底的声学结构和介质性质，适用于探测敷设在海床表面的光缆或者管线，可以选择特定的频率来规避其他结构或者信号源的影响。但是，由于声波传播受限，不能用于探测埋在海底并且沟槽结构被冲蚀得难以识别的光缆。磁力测量是一种利用岩矿物质磁性差异进行探测的方法，通过检测海底光缆与周围海床环境的磁性差异，可以呈现为磁力异常条带，从而实现光缆位置标定。磁力测量技术不受沟槽结构影响，能够探测到埋在海底的光缆，但是受到锚链、渔具等金属物品干扰会产生错误的峰值，同时目前所使用的磁力测量仪成本较高，需要配合差分定位以及水下实时定位等特殊技术来确保测量的准确性。
4.综上，由于外界影响的随机性和水下环境的复杂性，现有水下光缆空间标定方法存在成本高、方法复杂、易受环境影响等问题，需要新的解决方案提高标定效率和准确度。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：本发明公开了一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，通过船只和分布式光纤传感设备的配合，实现对水下光缆的空间位置标定；解决了现有水下光缆空间标定方法存在成本高、方法复杂、易受环境影响等技术问题。
6.技术方案：
7.一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，所述水下光缆空间位置标定方法包括以下步骤：
8.s1，将分布式光纤传感设备接入待测水域的水下光缆；
9.s2，将标定船驶入待测水域进行活动，采用卫星定位系统记录船只行驶轨迹，同时采用分布式光纤传感设备获取水下光缆沿线各位置处声波信号；
10.s3，对分布式光纤传感设备采集到的原始信号进行相位解调，恢复水下光缆沿线各位置处的时域波形信息，得到包含时域信息的时空信息分布图；
11.s4，对时空信息分布图进行频谱特征分析，与水下背景噪声进行对比，提取出由船
只活动产生的特定频率声波信号，将该特定频率声波信号与船只行驶轨迹进行比对，确定该特定频率声波信号是否与船只活动有关；
12.s5，对水下光缆各位置处信号进行短时频谱分析，将提取出的由船只活动产生的特定频率声波信号在频域上进行噪声抑制，并对特定频率进行频域能量积分，得到包含频域信息的时空频谱能量积分图；
13.s6，将时空频谱能量积分图与船只行驶轨迹进行对应，以水下光缆各位置处的信号能量作权值，将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理；
14.s7，结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，实现水下光缆空间位置标定。
15.进一步地，步骤s2中，所述标定船在水下光缆布设水域以网格状路线进行标定。
16.进一步地，步骤s2中，对于已知水下光缆大致走向的水域，标定船反复过顶穿越，以在水下光缆各位置处形成弱强弱的变化。
17.进一步地，所述标定船上携带有换能器，在船只行进过程中，该换能器持续输出一个单一频率、声压幅值稳定的声波信号作为标准探测信号。
18.进一步地，所述换能器持续输出的声波信号的频率和强度与待测水域的生态环境、海洋低频背景噪声相关。
19.进一步地，对于长度大于预设长度阈值的水下光缆，检测换能器折叠后的特征频率，折叠后的特征频率大于预设背景噪声的频率阈值；换能器的特定高频频率与折叠后的特定频率关系为：
20.f
actual
＝f
observed
+mfk21.式中，f
actual
为换能器实际释放的特征信号频率，f
actual
为分布式光纤传感系统探测到的特征信号频率，m为不小于0的整数，fk为系统的采样率。
22.进一步地，步骤s4中，将所述特定频率声波信号与船只行驶轨迹进行比对，对比同一地点、不同时间的声波信号，判断所述特定频率声波信号是否属于海洋背景噪声。
23.进一步地，步骤s7中，结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，实现水下光缆空间位置标定的过程包括以下步骤：
24.将轨迹数据与时空频谱能量积分图进行对应，在距离轴和时间轴上对船只轨迹拐点进行映射；对能量最大值位置进行定位，当标定船只在水下光缆正上方经过时，能量值最大；
25.获取标定船只轨迹和时间信息，并结合水深和能量最大值位置信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射；
26.根据能量距离映射关系，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，计算出对应距离。
27.本发明还公开了一种基于分布式光纤传感的船只位置标定方法，所述船只位置标定方法包括以下步骤：
28.将已知水下光缆空间位置的分布式光纤传感设备接入待测水域的水下光缆；
29.将待测船只驶入待测水域进行活动，采用分布式光纤传感设备获取水下光缆沿线各位置处声波信号；
30.对分布式光纤传感设备采集到的原始信号进行相位解调，恢复水下光缆沿线各位置处的时域波形信息，得到包含时域信息的时空信息分布图；
31.对时空信息分布图进行频谱特征分析，与水下背景噪声进行对比，提取出由船只活动产生的特定频率声波信号；
32.对水下光缆各位置处信号进行短时频谱分析，将提取出的由船只活动产生的特定频率声波信号在频域上进行噪声抑制，并对特定频率进行频域能量积分，得到包含频域信息的时空频谱能量积分图；
33.将时空频谱能量积分图与水下光缆空间位置进行对应，以水下光缆各位置处的信号能量作权值，将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理；
34.结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，根据水下光缆空间位置进行船只轨迹对应，实现船只位置标定。
35.有益效果：
36.第一，本发明的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，分布式光纤传感设备作为监测装置，水下光缆作为传感主体，标定船作为激励源，便可实现对水下光缆的空间位置标定，具有效率高、定位精度高、成本低、可进行实时监测分析。
37.第二，本发明的基于分布式光纤传感的船只位置标定方法，对于已经完成位置标定的水下光缆，结合分布式光纤传感设备，可实现对水下光缆附近水文状况的监测，也能够实现对水上舰船的快速识别与定位。
附图说明
38.图1为本发明实施例的监测场景示意图；
39.图2为本发明实施例的标定船只行驶轨迹图；
40.图3为本发明实施例的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法流程图；
41.图4是本发明实施例的水下光缆获得的时空信息分布示意图；
42.图5是本发明实施例的水下光缆100m位置处短时频谱示意图；
43.图6是本发明实施例的水下光缆在特定频率下时空信息分布示意图；
44.图7是本发明实施例的水下光缆时空频谱能量积分图；
45.图8是本发明实施例的水下光缆空间位置标定结果示意图。
具体实施方式
46.下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
47.本实施例公开了一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，所述水下光缆空间位置标定方法包括以下步骤：
48.s1，将分布式光纤传感设备接入待测水域的水下光缆；
49.s2，将标定船驶入待测水域进行活动，采用卫星定位系统记录船只行驶轨迹，同时采用分布式光纤传感设备获取水下光缆沿线各位置处声波信号；
50.s3，对分布式光纤传感设备采集到的原始信号进行相位解调，恢复水下光缆沿线
各位置处的时域波形信息，得到包含时域信息的时空信息分布图；
51.s4，对时空信息分布图进行频谱特征分析，与水下背景噪声进行对比，提取出由船只活动产生的特定频率声波信号，将该特定频率声波信号与船只行驶轨迹进行比对，确定该特定频率声波信号是否与船只活动有关；
52.s5，对水下光缆各位置处信号进行短时频谱分析，将提取出的由船只活动产生的特定频率声波信号在频域上进行噪声抑制，并对特定频率进行频域能量积分，得到包含频域信息的时空频谱能量积分图；
53.s6，将时空频谱能量积分图与船只行驶轨迹进行对应，以水下光缆各位置处的信号能量作权值，将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理；
54.s7，结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，实现水下光缆空间位置标定。
55.下面通过一个实例对本实施例的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法的原理进行阐述。应当理解，本实例中的水下光缆或者船只声波信号等数据并不局限，只要符合本实施例所述方法的基本要求即可。
56.本实施例的监测场景和监测方案如图1所示，分布式传感设备选用das系统，将其安装于岸端机房，水下光缆长度为1km，标定船在水下光缆布设水域运动，标定运动轨迹如图2实线所示，水下光缆空间位置标定方法流程如图3所示，具体过程如下：
57.步骤一，将das系统接入待测水域得水下光缆，该系统脉冲重复频率设置为5km，监测距离1km，空间分辨率10m；获取水下光缆沿线各位置处声波信号。
58.步骤二，将一艘能够实时获取自身定位坐标的标定船驶入待测水域进行活动，主要在水下光缆附近水域进行移动，获取使用卫星定位系统记录船只行驶轨迹。标定船只可在水下光缆布设水域以网格状路线进行标定，对于已知水下光缆大致走向的水域，标定船只应尽量反复过顶穿越，在水下光缆各位置处形成弱强弱的变化为最佳。
59.标定船可优选能够携带换能器的船只，标定船通过自身携带的换能器持续输出一个单一频率、声压幅值稳定的信号作为标准探测信号，信号特征明显，容易与背景噪声区分。例如，该标定船只携带换能器，释放频率为1khz，强度恒定的单音信号。该换能器释放的特征频率尽量规避与海洋低频背景噪声部分重合，并应根据具体的情况和生态环境，选择适当的声波频率和强度，规避对水下生物的影响。
60.对于需要进行长距离监测的水下光缆，能够观测的频带有限，换能器的特征频率过高时可能出现高频折叠，可以选择特定高频，检测其折叠后的特征频率，折叠后的特征频率大于预设背景噪声的频率阈值，换能器的特定高频频率与折叠后的特定频率关系计算如下：
61.f
actual
＝f
observed
+mfk62.其中f
actual
为换能器实际释放的特征信号频率，f
actual
为分布式光纤传感系统探测到的特征信号频率，m为不小于0的整数，fk为系统的采样率。
63.系统进行长距离监测，系统所能观测的频率上限就会降低，如果进行短距离监测，系统所能观测的频率上限就会提高。如果施加振动频率超过可观测频率，那么就可以通过上述公式去监测它折叠后的频率值，从而实现对高频的监测。这里施加高频的目的，主要是为了避开低频海洋背景噪声，避免出现混淆，同时，折叠后的特定频率，也应该规避低频背
景噪声，防止出现混淆，不易区分。
64.步骤三，对das系统采集到的原始信号进行相位解调，恢复水下光缆沿线各位置处的时域波形信息，得到包含时域信息的时空信息分布图，如图4所示。
65.步骤四，对时空信息分布图进行频谱特征分析，与水下背景噪声进行对比，对100m位置处信号进行对比分析，得到图5，由图5可知，标定船只经过时产生的1khz信号被das系统探测到，因此选择只保留1khz附近频率，进行带通滤波，滤除非标定船只信号，得到如图6所示的水下光缆在特定频率下时空信息分布图。并进一步与船只行驶轨迹进行比对，确定该频率的声波信号与船只活动有关，但信号特征并不明显。示例性地，特征频率识别过程如下：由于标定船只实时位置和轨迹已知，当标定船只经过水下光缆前后，水下光缆附近捕获到的时域信号将发生变化。因此可以对采集到的声波信号进行频谱分析，找出特定频率的声波信号，进一步与标定船只行驶轨迹进行比对，确定该频率的声波信号与船只活动有关。同时，对比同一地点、不同时间的声波信号，判断其是否属于海洋背景噪声。以防止出现误判。
66.步骤六，对各位水下光缆各位置处信号进行短时频谱分析，设定观察时长1s，对1000hz特征频率附近的信号在频域上进行谱减，然后选择频率为1000hz，带宽为10hz的频带范围进行频域能量积分，得到包含频域信息的时空频谱能量积分图，如图7所示；可以认为颜色越深，标定船只离光缆越近，将船只运动时间与数据进行对应，得到船只移动到各关键位置处光缆沿线的响应特征。
67.步骤七，将轨迹数据与时空频谱能量积分图进行对应，发现船只在g点时能量值最大，即此时正好经过水下光缆上方。在距离轴和时间轴上对船只轨迹拐点进行映射，计算水下光缆沿线各位置点的能量值，并将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理。
68.步骤八，结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，根据能量距离映射关系，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，得到图8中水下光缆的实际走向，实现对水下光缆空间位置的标定。示例性地，水下光缆空间位置标定过程如下：
69.(1)将轨迹数据与时空频谱能量积分图进行对应，在距离轴和时间轴上对船只轨迹拐点进行映射：
70.(2)计算水下光缆沿线各位置点的能量值，并将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理。能量值越大表示标定船只距离水下光缆越近，能量值越小表示标定船只距离水下光缆越远；
71.(3)当标定船只在水下光缆正上方经过时，能量值最大，实现对能量最大值位置定位；
72.(4)获取标定船只轨迹和时间信息，并结合水深和能量最大值位置信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射；
73.(5)根据能量距离映射关系，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，计算出对应距离。
74.本实施例公开的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，将分布式光纤传感设备作为监测装置，水下光缆作为传感主体，标定船作为激励源，可实现对水下光缆
的空间位置标定，具有效率高、定位精度高、成本低、可进行实时监测分析。另外，该方法不仅适用于水下光缆位置的标定，对于已经完成位置标定的水下光缆，结合分布式光纤传感设备，可实现对水下光缆附近水文状况的监测，也能够实现对水上舰船的快速识别与定位，为水下光缆空间位置标定提供了更加快速、精确的判定方法。
75.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，所述水下光缆空间位置标定方法包括以下步骤：s1，将分布式光纤传感设备接入待测水域的水下光缆；s2，将标定船驶入待测水域进行活动，采用卫星定位系统记录船只行驶轨迹，同时采用分布式光纤传感设备获取水下光缆沿线各位置处声波信号；s3，对分布式光纤传感设备采集到的原始信号进行相位解调，恢复水下光缆沿线各位置处的时域波形信息，得到包含时域信息的时空信息分布图；s4，对时空信息分布图进行频谱特征分析，与水下背景噪声进行对比，提取出由船只活动产生的特定频率声波信号；s5，对水下光缆各位置处信号进行短时频谱分析，将提取出的由船只活动产生的特定频率声波信号在频域上进行噪声抑制，并对特定频率进行频域能量积分，得到包含频域信息的时空频谱能量积分图；s6，将时空频谱能量积分图与船只行驶轨迹进行对应，以水下光缆各位置处的信号能量作权值，将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理；能量值越大表示标定船只距离水下光缆越近，能量值越小表示标定船只距离水下光缆越远；s7，结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，实现水下光缆空间位置标定。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，步骤s2中，所述标定船在水下光缆布设水域以网格状路线进行标定。3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，步骤s2中，对于已知水下光缆大致走向的水域，标定船反复过顶穿越，以在水下光缆各位置处形成弱强弱的变化。4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，所述标定船上携带有换能器，在船只行进过程中，该换能器持续输出一个单一频率、声压幅值稳定的声波信号作为标准探测信号。5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，所述换能器持续输出的声波信号的频率和强度与待测水域的生态环境、海洋低频背景噪声相关。6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，对于长度大于预设长度阈值的水下光缆，检测换能器折叠后的特征频率，折叠后的特征频率大于预设背景噪声的频率阈值；换能器的特定高频频率与折叠后的特定频率关系为：f
actual
＝f
observed
+mf
k
式中，f
actual
为换能器实际释放的特征信号频率，f
actual
为分布式光纤传感系统探测到的特征信号频率，m为不小于0的整数，f
k
为系统的采样率。7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征在于，步骤s4中，将所述特定频率声波信号与船只行驶轨迹进行比对，对比同一地点、不同时间的声波信号，判断所述特定频率声波信号是否属于海洋背景噪声。8.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，其特征
在于，步骤s7中，结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，实现水下光缆空间位置标定的过程包括以下步骤：将轨迹数据与时空频谱能量积分图进行对应，在距离轴和时间轴上对船只轨迹拐点进行映射；对能量最大值位置进行定位，当标定船只在水下光缆正上方经过时，能量值最大；获取标定船只轨迹和时间信息，并结合水深和能量最大值位置信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射；根据能量距离映射关系，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，计算出对应距离。9.一种基于分布式光纤传感的船只位置标定方法，其特征在于，所述船只位置标定方法包括以下步骤：将已知水下光缆空间位置的分布式光纤传感设备接入待测水域的水下光缆；将待测船只驶入待测水域进行活动，采用分布式光纤传感设备获取水下光缆沿线各位置处声波信号；对分布式光纤传感设备采集到的原始信号进行相位解调，恢复水下光缆沿线各位置处的时域波形信息，得到包含时域信息的时空信息分布图；对时空信息分布图进行频谱特征分析，与水下背景噪声进行对比，提取出由船只活动产生的特定频率声波信号；对水下光缆各位置处信号进行短时频谱分析，将提取出的由船只活动产生的特定频率声波信号在频域上进行噪声抑制，并对特定频率进行频域能量积分，得到包含频域信息的时空频谱能量积分图；将时空频谱能量积分图与水下光缆空间位置进行对应，以水下光缆各位置处的信号能量作权值，将不同的能量值范围映射到相同的范围内，实现对能量值归一化处理；结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，根据水下光缆空间位置进行船只轨迹对应，实现船只位置标定。

技术总结
本发明公开了一种基于分布式光纤传感的水下光缆空间位置标定方法，包括：将标定船驶入待测水域进行活动，采用卫星定位系统记录船只行驶轨迹，同时采用分布式光纤传感设备获取水下光缆沿线各位置处声波信号；得到包含时域信息的时空信息分布图；提取出由船只活动产生的特定频率声波信号；得到包含频域信息的时空频谱能量积分图；结合水深和标定船只信息，实现能量值与船只距离水下光缆距离的关系映射，对水下光缆沿线各位置处进行船只轨迹对应，实现水下光缆空间位置标定，可实现对水下光缆的空间位置标定，具有效率高、定位精度高、成本低、可进行实时监测分析。可进行实时监测分析。可进行实时监测分析。


技术研发人员：张益昕 佟帅 张旭苹 汤闻达 张驰 周廣南 丁晨阳 王峰
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/9