基于Φ-OTDR的水下纜在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及周邊環(huán)境感知

作者：南京大學(xué) 博士生陳曉紅 & 張旭蘋(píng)教授 & 張益昕副教授

01 導(dǎo)讀

隨著國(guó)內(nèi)外電信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展以及海島經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水下纜數(shù)量急劇增加。水下纜所處環(huán)境復(fù)雜且惡劣，常受到人為破壞、船只拋錨、生物啃噬等因素的影響，導(dǎo)致水下纜傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)故障并通信中斷的現(xiàn)象頻發(fā)。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下纜的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)預(yù)警其周邊環(huán)境潛在威脅十分重要。南京大學(xué)智能光感知與調(diào)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合南京郵電大學(xué)、南京大學(xué)深圳研究院、內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司近年來(lái)開(kāi)展了一系列針對(duì)水下纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究，并于近期提出了一種基于鎖相相位敏感型光時(shí)域反射儀（Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry，Φ-OTDR）的既有水下纜在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及周邊環(huán)境感知方案。分別在天然淡水湖和東海進(jìn)行了水流沖擊、船錨拖拽和潮汐監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。并利用埋設(shè)在長(zhǎng)江灘涂的水下纜開(kāi)展了人員運(yùn)動(dòng)軌跡和船只流量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，所提出的鎖相Φ-OTDR系統(tǒng)能夠?qū)扔兴峦ㄐ殴饫|進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和周邊知環(huán)境感知，為纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警提供了有效的技術(shù)手段。

02 研究背景

隨著國(guó)內(nèi)外電信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展以及海島經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水下纜數(shù)量急劇增加。據(jù)TeleGeography最新版“全球海纜地圖2022”顯示，目前世界上投入運(yùn)營(yíng)的、在建的海纜總長(zhǎng)度已超過(guò)140萬(wàn)公里。然而，由于水下纜通常敷設(shè)在環(huán)境極其惡劣的海底或湖底等，其在運(yùn)行過(guò)程中除了受到潮汐、洋流、地震、魚(yú)類(lèi)撕咬，以及性能老化等自然因素的影響外，還會(huì)受到捕魚(yú)作業(yè)和船只拋錨等人為因素的外力破壞，這使得水下纜傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)故障并導(dǎo)致通信中斷的現(xiàn)象頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中人為因素造成的水下纜故障約占95%。因水下纜所處環(huán)境惡劣，其維修過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，需要花費(fèi)大量的人力物力，一旦發(fā)生故障將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下纜的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)預(yù)警其周邊環(huán)境潛在威脅具有重要的研究意義。

水下纜的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法有光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometry， OTDR）、相干光時(shí)域反射儀（Coherent OTDR， COTDR）、拉曼光時(shí)域反射儀（Raman OTDR， ROTDR）、布里淵光時(shí)域反射儀（Brillouin OTDR， BOTDR）等。然而對(duì)于水下纜的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)水下纜外部環(huán)境變化引起水下纜產(chǎn)生損耗或纜線內(nèi)部溫度/應(yīng)力變化時(shí)，往往已經(jīng)對(duì)纜造成了一定的損傷。因此屬于靜態(tài)監(jiān)測(cè)的上述技術(shù)，只能在水下纜損傷或故障發(fā)生后才能起到監(jiān)測(cè)和告警作用，無(wú)法對(duì)纜周邊潛在的威脅進(jìn)行提前感知及預(yù)報(bào)。與上述技術(shù)相比，Φ-OTDR具有響應(yīng)速度快和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段水下纜狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警的研究熱點(diǎn)。但對(duì)于傳統(tǒng)的外差相干探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)，因其載波信號(hào)、外部調(diào)制脈沖信號(hào)和數(shù)據(jù)采集卡（Data Acquistion， DAQ）觸發(fā)信號(hào)來(lái)自獨(dú)立的時(shí)鐘源，每個(gè)光脈沖具有隨機(jī)的初始相位偏置，因此在傳統(tǒng)的相干探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)中獲得的每條瑞利背向散射曲線也具有不同的隨時(shí)間變化的初始相位偏置，從而導(dǎo)致調(diào)制過(guò)程中引入不確定的干擾噪聲項(xiàng)。這種非鎖相帶來(lái)的相位偏置在監(jiān)測(cè)過(guò)程中將會(huì)引入殘余干擾頻率，從而影響鑒相精度。這種因非鎖相帶來(lái)的殘余頻率影響是不可忽略的，必須加以抑制。否則，水下纜監(jiān)測(cè)的目標(biāo)信號(hào)可能會(huì)與該殘余頻率落入同一頻段，使得后續(xù)對(duì)水下纜預(yù)警事件的模式識(shí)別變得非常困難。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于鎖相（Phase-Locked， PL）結(jié)構(gòu)的新型外差探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提供時(shí)鐘同步的載波信號(hào)、調(diào)制信號(hào)和DAQ觸發(fā)信號(hào)，從而為振動(dòng)信號(hào)重構(gòu)提供更高的精度。并利用新系統(tǒng)分別在天然淡水湖和東海進(jìn)行了水流沖擊、船錨拖拽和潮汐監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究了外部振動(dòng)對(duì)既有水下纜的直接作用影響。并利用埋設(shè)在長(zhǎng)江灘涂的水下纜開(kāi)展了人員運(yùn)動(dòng)軌跡和船只流量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究了外部環(huán)境對(duì)纜線的間接作用影響。

圖1 課題組與合作單位在野外開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

03 創(chuàng)新研究

3.1 鎖相外差探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)

在傳統(tǒng)相干探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)中，由于載波信號(hào)、外部調(diào)制脈沖信號(hào)和DAQ觸發(fā)信號(hào)來(lái)自獨(dú)立的振蕩源，每個(gè)光脈沖具有隨機(jī)的初始相位偏置，因此每個(gè)中頻信號(hào)軌跡也具有隨時(shí)間變化的不同的初始相位偏置。初始相位偏置連續(xù)變化，使得由探測(cè)器獲得的幾個(gè)連續(xù)中頻曲線之間的相關(guān)性隨時(shí)間降低。這種由非鎖相引起的相位偏置在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理I/Q解調(diào)中將會(huì)帶來(lái)額外的殘余頻率，這將降低Φ-OTDR的解調(diào)精度和（Noise Equivalent Power，NEP）水平。

圖2 基于新設(shè)計(jì)PL結(jié)構(gòu)的外差探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)圖

為了抑制非鎖相帶來(lái)的干擾噪聲，本文提出了一種基于鎖相結(jié)構(gòu)的Φ-OTDR系統(tǒng)，如圖2所示。在該鎖相結(jié)構(gòu)中，為了確保系統(tǒng)時(shí)鐘的同源性，由DAQ內(nèi)部產(chǎn)生并同步輸出一個(gè)正弦基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和一個(gè)調(diào)制脈沖信號(hào)，以確保所設(shè)計(jì)的Φ-OTDR系統(tǒng)時(shí)鐘完全同步。然后將該基準(zhǔn)載波信號(hào)的頻率通過(guò)倍頻器倍頻至所需移頻量的RF載波信號(hào)，再與調(diào)制脈沖信號(hào)通過(guò)混頻器實(shí)現(xiàn)斬波。斬波后獲得的幅度調(diào)制RF信號(hào)通過(guò)放大器進(jìn)行功率放大后用以驅(qū)動(dòng)AOM晶體。從而實(shí)現(xiàn)AOM載波信號(hào)、調(diào)制脈沖信號(hào)以及DAQ觸發(fā)信號(hào)的時(shí)鐘同源，確保所獲得的中頻信號(hào)初始相位不發(fā)生偏置，以抑制因非鎖相帶來(lái)的干擾噪聲。

圖3 傳統(tǒng)的和新設(shè)計(jì)的Φ-OTDR系統(tǒng)獲得的本底噪聲數(shù)據(jù)分析結(jié)果

為了便于驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的鎖相性能，以及考慮到后期進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的便捷性，我們與南京法艾博光電科技有限公司合作，對(duì)新設(shè)計(jì)的鎖相Φ-OTDR系統(tǒng)進(jìn)行了儀器化。并與同配置傳統(tǒng)Φ-OTDR系統(tǒng)進(jìn)行了本底噪聲性能測(cè)試，二者獲得的噪聲數(shù)據(jù)功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）結(jié)果如圖3所示。可以看到，傳統(tǒng)的Φ-OTDR采集的安靜環(huán)境下的噪聲數(shù)據(jù)帶來(lái)了4.7kHz的高頻殘余信號(hào)，而新設(shè)計(jì)的PL Φ-OTDR獲得的噪聲數(shù)據(jù)PSD非常干凈，與前者相比，NEP降低了4.2dB。并且，在1kHz以下的低頻部分有更加明顯的改進(jìn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文新設(shè)計(jì)的鎖相Φ-OTDR系統(tǒng)具有卓越的抑制非鎖相噪聲性能。

為了驗(yàn)證新儀器實(shí)現(xiàn)既有水下纜在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和周?chē)h(huán)境感知的能力，本文對(duì)不同場(chǎng)景下新儀器直接和間接作用于纜的外部振動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。通過(guò)鋪設(shè)在湖底、海床和河床下的通用型GYXTS單模雙核鎧裝水下通信光纜，分別在淡水湖、東海和長(zhǎng)江進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

3.2 基于既有水下纜的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)

圖4 淡水湖現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)圖（水流沖擊和船錨拖拽實(shí)驗(yàn)）

3.2.1 水流沖擊監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員駕駛實(shí)驗(yàn)船使其停留在距離光纜起點(diǎn)約295米處纜的上方，然后將模擬水流沖擊用的水泵置于水中約7m深處，再固定在船上，打開(kāi)水泵進(jìn)行水流沖擊實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。當(dāng)水流沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)傳播到纜時(shí)，重構(gòu)信號(hào)的時(shí)空功率分布瀑布圖呈現(xiàn)出明顯的亮條紋，如圖5（a）中的黃色矩形框中所示。振動(dòng)中心位置為295m，覆蓋范圍約±40m。中心位置的時(shí)域波形如圖5（b）所示，可以觀察到60s內(nèi)有11個(gè)連續(xù)的沖擊信號(hào)。在10m空間分辨率條件下，連續(xù)水流沖擊引起的光纜動(dòng)態(tài)軸向應(yīng)變達(dá)到±2.5με，超過(guò)了傳統(tǒng)BOTDR或BOTDA儀器所能測(cè)量的靜態(tài)應(yīng)變下限。此外，與直接施加在裸纖上的振動(dòng)事件相比，由于光纜內(nèi)部對(duì)光纖的保護(hù)，因此測(cè)得的動(dòng)態(tài)應(yīng)變相對(duì)較小。第6次振蕩波形的局部放大如圖5（d）綠框中所示，單次撞擊后，阻尼振蕩持續(xù)約1.6s。圖5 （c）為圖5（b）的功率譜，紅框中為第6個(gè)沖擊信號(hào)的頻譜細(xì)節(jié)圖。結(jié)果表明，每個(gè)沖擊信號(hào)起初均是寬頻帶的，隨后頻譜范圍迅速縮小為若干低頻，與水流沖擊信號(hào)的頻率特征相一致。對(duì)該信號(hào)以0.027s為間隔進(jìn)行頻譜能量統(tǒng)計(jì)，獲得各頻率能量隨時(shí)間的分布如圖6所示?？梢钥吹?，沖擊信號(hào)從30.85s開(kāi)始，在0.23s內(nèi)能量迅速衰減至10%以下，然后形成多次振蕩直至消散。圖6（b）展示了≥1 kHz和≥2.5 kHz的高頻能量分布，高于2.5 kHz的頻率只維持了約0.07s，然后迅速衰減至10%以下。

圖5 水流沖擊監(jiān)測(cè)結(jié)果。（a） 重構(gòu)信號(hào)的時(shí)空功率分布瀑布圖；（b） 295m處的時(shí)域波形；（c） 295m處重構(gòu)信號(hào)的PSD圖；（d） 應(yīng)變量和頻譜隨時(shí)間變化的子圖

圖6 第6個(gè)振蕩信號(hào)的歸一化能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（a） 所有頻率；（b） 高頻分量

3.2.2 船錨拖拽監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員將模擬船錨用100kg鉛魚(yú)放入距光纜起點(diǎn)約240米處的水中，讓其沉到淡水湖湖底，然后在與纜垂直方向上拖拽錨。如圖7所示，纜線在被錨拖拽時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。圖7（a）中可以看到在240m附近發(fā)生了拖拽，整個(gè)拖拽過(guò)程持續(xù)了約3分鐘。隨著拖拽力的增大，纜的受力范圍逐漸增大至±100m。在單次拖動(dòng)過(guò)程中，從拖拽點(diǎn)到兩側(cè)的時(shí)空二維圖上呈現(xiàn)出對(duì)稱的V型，這與纜上某一點(diǎn)被拖動(dòng)時(shí)受力區(qū)域逐漸擴(kuò)大的過(guò)程一致。240m處的時(shí)域波形如圖7（b）所示，圖7（d）綠框中為68s~73s的單次拖拽波形。與水流沖擊相比，錨拖拽產(chǎn)生的波形無(wú)阻尼振蕩特性，在相同空間分辨率10m時(shí)達(dá)到±29με，動(dòng)態(tài)應(yīng)變高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。圖7（c）為對(duì)應(yīng)的功率譜圖，與水流沖擊結(jié)果相比，錨拖拽信號(hào)的功率譜強(qiáng)度要大得多，并且每個(gè)拖動(dòng)信號(hào)在開(kāi)始時(shí)是寬頻帶的，不同之處是錨拖拽產(chǎn)生的寬頻持續(xù)了約1.19s，然后頻譜范圍緩慢縮小為低頻分量。以0.027s為間隔的頻譜能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。與沖擊信號(hào)不同，由于拖拽是一個(gè)“拉”到“松”的過(guò)程，因此單次拖拽產(chǎn)生的能量在0.34s后迅速下降到10%以下，然后立即上升。0.46s后，再次衰減到10%以下，然后在10%保持一段時(shí)間后消散。可見(jiàn)，雖然湖床上自然下沉的水下纜處于自由狀態(tài)，并受到水流的影響，但使用本文最新的Φ-OTDR儀器仍然可以區(qū)分直接作用在纜上的水流沖擊和船錨破壞事件。

圖7 錨害實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果。（a） 重構(gòu)信號(hào)的時(shí)空功率分布瀑布圖；（b） 240m處的時(shí)域波形；（c）240m處重構(gòu)信號(hào)的PSD圖；（d） 應(yīng)變量和頻譜隨時(shí)間變化的子圖

圖8 單次拖拽的歸一化能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（a） 所有頻率；（b） 高頻分量

3.2.3 潮汐監(jiān)測(cè)

圖9 東海實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)圖（潮汐監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)）

受復(fù)雜水下環(huán)境和洋流運(yùn)動(dòng)的影響，原本埋在海底的部分纜段可能會(huì)暴露在海水中。纜線會(huì)被潮汐或洋流反復(fù)沖刷，然后面臨磨損或損壞的危險(xiǎn)。如果能夠提前了解海水對(duì)纜的直接作用所造成的振動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫(kù)，并形成長(zhǎng)期觀測(cè)的水文數(shù)據(jù)，可能為今后預(yù)防類(lèi)地震災(zāi)害提供參考價(jià)值。圖10為課題組在東海某港口觀測(cè)到的潮汐振動(dòng)，共計(jì)44分鐘。右側(cè)局部放大圖更清晰地顯示了振動(dòng)信號(hào)明暗變化的規(guī)律。在22分鐘后，隨著纜線被人為收緊，拖動(dòng)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，這與纜線從松弛到拉緊的過(guò)程相對(duì)應(yīng)。并且在1000~2000m區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)期存在較大范圍的高強(qiáng)度振動(dòng)，推測(cè)是由于漲潮時(shí)海流的沖擊造成的。在1450~1850m區(qū)域，可以看到漲潮引起的擾動(dòng)范圍隨著時(shí)間逐漸擴(kuò)大。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以觀察到各位置的漲潮時(shí)刻，如圖10中的紅色方塊箭頭所示。

圖10 潮汐監(jiān)測(cè)時(shí)空分布瀑布圖

為了掌握這些擾動(dòng)的特征，文中選取了1610m位置的一個(gè)典型信號(hào)，在時(shí)域和頻域進(jìn)行進(jìn)一步分析，如圖11所示。圖11（a）為時(shí)域波形，紅色矩形為600~610s的波形。整個(gè)信號(hào)呈現(xiàn)呈現(xiàn)出由漲潮引起的纜的周期性振動(dòng)。纜最大動(dòng)態(tài)應(yīng)變?yōu)椤?.8με，與上文水流沖擊實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)量級(jí)相同。圖11（b）~（d）是不同頻率范圍內(nèi)的功率譜。從圖11（c）的頻譜可以看出，潮汐產(chǎn)生的振動(dòng)頻率由占主導(dǎo)地位的低頻及其高次諧波組成。推測(cè)諧波是由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)被多個(gè)島嶼包圍的地形引起的。在圖11（d）中，主導(dǎo)頻率隨時(shí)間從2.3Hz變化到2.7Hz，文中猜測(cè)這種時(shí)變頻率特性與復(fù)雜的水下流體力學(xué)有關(guān)。

圖11 時(shí)域波形和1042m處的功率譜。（a）時(shí)域波形;（b） ~ （d）時(shí)域波形在不同頻率范圍的功率譜

3.3 基于既有水下纜的周邊環(huán)境感知

圖12 長(zhǎng)江灘涂實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)頂視圖（人員運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)和船只流量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)）

3.3.1 人員運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)

為了測(cè)試PL Φ-OTDR儀器將來(lái)應(yīng)用于反兩棲登陸（如蛙人兩棲潛入事件）的監(jiān)測(cè)能力，本文于2021年2月10日開(kāi)展了人員運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，圖13為監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖13（a）和（b）分別為實(shí)驗(yàn)人員Tom和Jerry運(yùn)動(dòng)情況的細(xì)節(jié)展示，可以清楚地看到，二人分別在t1、t2、t3、t4和t5時(shí)刻相遇。大約在630s后，在t3時(shí)刻，Tom追上了Jerry，并且二人分別在1040s和1104s停止了跑動(dòng)。從圖13（a）中可以看出，Tom在路線的前半段似乎存在間歇性的“停-跑”動(dòng)作，而在后半段則是加速跑動(dòng)。圖13（b）展示了Jerry停止跑動(dòng)后行走的步伐和“鏟土-壓實(shí)”的動(dòng)作。另外，與圖13（a）中跑步時(shí)呈現(xiàn)的連續(xù)性亮條不同，行走時(shí)呈現(xiàn)的是間歇性的亮點(diǎn)。

圖13 人員移動(dòng)軌跡監(jiān)控結(jié)果。（a）~（b）細(xì)節(jié)顯示;（c）時(shí)空功率分布瀑布圖

圖14為2021年6月15日15時(shí)37分~15時(shí)44分多艘船只通過(guò)航道時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。在黃色矩形中可以看到，在纜的200~400m和600m處檢測(cè)到兩艘船通過(guò)航道，時(shí)差約為40秒。200~400m的纜段靠近航道，因此檢測(cè)到的信號(hào)更明顯。400~600m段雖然距離較遠(yuǎn)，但由于在約600m處采用了濕泥塊加固，增加了纜與灘涂地質(zhì)的耦合，因此響應(yīng)較強(qiáng)。右側(cè)是被遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備捕捉到的經(jīng)過(guò)航道的兩艘船照片。在160m左右，其對(duì)稱位置在640m，有兩個(gè)連續(xù)的紅色亮區(qū)，這是因?yàn)樵谶@個(gè)位置的電纜水平懸浮在水中，受到水流的影響，不斷對(duì)電纜產(chǎn)生振動(dòng)。

圖14 2021年6月20日下午1544多艘船只通過(guò)航道的監(jiān)測(cè)結(jié)果。左圖：重構(gòu)信號(hào)的時(shí)空功率分布瀑布圖；右圖：遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備捕捉到的兩艘船

在船只流量監(jiān)測(cè)中，漏報(bào)率和誤報(bào)率均與圖14中的強(qiáng)度閾值相關(guān)聯(lián)。在總樣本數(shù)一定的情況下，漏報(bào)率越低，錯(cuò)報(bào)率就越高。為了達(dá)到二者之間的平衡，本文記錄了兩周內(nèi)不同強(qiáng)度閾值下的船只流量監(jiān)測(cè)結(jié)果，共計(jì)7673個(gè)樣本，并使用遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備觀測(cè)了實(shí)際通過(guò)該航道的船只數(shù)量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文獲得了如圖15所示的不同閾值下漏報(bào)率和錯(cuò)報(bào)率的變化情況。其中，黃色實(shí)心點(diǎn)為兩種報(bào)警率之和，實(shí)心線為采用5階多項(xiàng)式擬合方法獲得的擬合曲線?？梢钥闯觯S著強(qiáng)度閾值的增大，錯(cuò)報(bào)率減小，漏報(bào)率增大。當(dāng)強(qiáng)度閾值為536rad時(shí)，二者達(dá)到平衡均為8.44%。在閾值為550rad時(shí)，總報(bào)警率達(dá)到最小值17.9%。因此，可以考慮將550rad作為最優(yōu)閾值。

圖15 兩周內(nèi)不同閾值下的漏報(bào)率和誤報(bào)率變化情況

04 應(yīng)用與展望

本文針對(duì)Φ-OTDR傳感系統(tǒng)提出了一種新穎的PL結(jié)構(gòu)，顯著提高了探測(cè)靈敏度。針對(duì)不同埋深的水下纜狀態(tài)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的不同影響，開(kāi)展了不同場(chǎng)景下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)不同潛在威脅事件在時(shí)域、空間域、頻域上的深入分析，獲得了各事件的信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)域波形、頻率及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等特征，為后續(xù)的模式識(shí)別研究提供了技術(shù)參考。首次實(shí)現(xiàn)了各潛在威脅目標(biāo)事件直接或間接作用于纜形成的動(dòng)態(tài)應(yīng)變定量測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了基于既有水下通信光纜的抵近船只識(shí)別與流量監(jiān)測(cè)，垂直監(jiān)測(cè)距離達(dá)到300m。初步證明了所提出的鎖相Φ-OTDR系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)有水下通信纜進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和周邊環(huán)境感知，為水下纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警提供了有效的技術(shù)手段。

值得注意的是，在船只流量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，基于強(qiáng)度閾值的誤報(bào)和漏報(bào)率仍然很高，在其他潛在的應(yīng)用中也應(yīng)該存在類(lèi)似的問(wèn)題。這就要求本文中的技術(shù)與具體應(yīng)用的結(jié)合必須緊密聯(lián)系，并利用行業(yè)背景知識(shí)，更早的在實(shí)際環(huán)境中開(kāi)展測(cè)試活動(dòng)。對(duì)于目標(biāo)事件的識(shí)別，由于環(huán)境、背景噪聲、振動(dòng)-纜線耦合條件的差異，在具體應(yīng)用中很難建立清晰、通用的數(shù)學(xué)模型。因此，結(jié)合樣本積累、特征庫(kù)比較和人工智能算法的技術(shù)路線，可能是使這種應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)的唯一途徑，這將是本課題組未來(lái)的工作之一。此外，本文提出的PL Φ-OTDR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)非鎖相引入的干擾噪聲的抑制，但是相關(guān)的研究理論推導(dǎo)和解調(diào)算法對(duì)非鎖相的容忍度的研究還未見(jiàn)報(bào)道，這將是本課題組未來(lái)研究工作的另一重點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介

張旭蘋(píng)（通訊作者）教授/博士生導(dǎo)師

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授。南京大學(xué)光通信研究中心主任，江蘇省光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)工程研究中心主任，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”首批中青年科技領(lǐng)軍人才，中國(guó)光電技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員，國(guó)家光纖傳感標(biāo)準(zhǔn)分技術(shù)委員會(huì)委員，IEEE Nanjing Section Photonics Society Chapter主席。近年來(lái)主持了973課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、863項(xiàng)目等來(lái)自國(guó)家、總裝、鐵道部、交通部、國(guó)家電網(wǎng)等各項(xiàng)基金資助16項(xiàng)，華為科技等企業(yè)委托科研項(xiàng)目20多項(xiàng)。已發(fā)表高水平論文近200篇，出版專著2部，15項(xiàng)科研成果通過(guò)部/省級(jí)鑒定，申請(qǐng)/獲得國(guó)家發(fā)明專利、國(guó)際發(fā)明專利和國(guó)防專利98項(xiàng)。作為主持人，曾經(jīng)榮獲2015年吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2012年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、2006年教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等十多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

張益昕（通訊作者）副教授

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副教授。中國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)光機(jī)電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光機(jī)電專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)委員。2006年畢業(yè)于東南大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位。2011年畢業(yè)于南京大學(xué)，獲博士學(xué)位。同年加入新加坡南洋理工大學(xué)任博士后研究員。2012年加入南京大學(xué)任助理研究員，2015年升任副教授。主要研究方向?yàn)榉植际焦饫w傳感系統(tǒng)的機(jī)理研究與儀器化設(shè)計(jì)。目前已發(fā)表125篇本領(lǐng)域高水平期刊或會(huì)議論文，申請(qǐng)/獲得了108項(xiàng)發(fā)明/實(shí)用新型專利，其中79項(xiàng)已獲授權(quán)，獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。近年來(lái)，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或主要參與人參加了來(lái)自國(guó)家、省部委以及企業(yè)的科研項(xiàng)目共30項(xiàng)的研究工作。在微弱信號(hào)檢測(cè)、高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理等方面均有較深的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 審核編輯：郭婷