作者：南京大學 博士生陳曉紅 & 張旭蘋教授 & 張益昕副教授

01 導讀

隨著國內外電信網絡規模的擴展以及海島經濟的迅速發展，水下纜數量急劇增加。水下纜所處環境復雜且惡劣，常受到人為破壞、船只拋錨、生物啃噬等因素的影響，導致水下纜傳輸系統出現故障并通信中斷的現象頻發。因此實時監測水下纜的運行狀態并及時預警其周邊環境潛在威脅十分重要。南京大學智能光感知與調控技術教育部重點實驗室聯合南京郵電大學、南京大學深圳研究院、內蒙古電力勘測設計院有限責任公司近年來開展了一系列針對水下纜狀態監測的研究，并于近期提出了一種基于鎖相相位敏感型光時域反射儀（Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry，Φ-OTDR）的既有水下纜在線狀態監測及周邊環境感知方案。分別在天然淡水湖和東海進行了水流沖擊、船錨拖拽和潮汐監測實驗。并利用埋設在長江灘涂的水下纜開展了人員運動軌跡和船只流量監測實驗?，F場實驗證明，所提出的鎖相Φ-OTDR系統能夠對既有水下通信光纜進行實時狀態監測和周邊知環境感知，為纜的狀態監測和故障預警提供了有效的技術手段。

02 研究背景

隨著國內外電信網絡規模的擴展以及海島經濟的迅速發展，水下纜數量急劇增加。據TeleGeography最新版“全球海纜地圖2022”顯示，目前世界上投入運營的、在建的海纜總長度已超過140萬公里。然而，由于水下纜通常敷設在環境極其惡劣的海底或湖底等，其在運行過程中除了受到潮汐、洋流、地震、魚類撕咬，以及性能老化等自然因素的影響外，還會受到捕魚作業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出現故障并導致通信中斷的現象頻發。據統計，其中人為因素造成的水下纜故障約占95%。因水下纜所處環境惡劣，其維修過程相當復雜，需要花費大量的人力物力，一旦發生故障將會造成嚴重的經濟損失。因此實時監測水下纜的運行狀態并及時預警其周邊環境潛在威脅具有重要的研究意義。

水下纜的傳統監測方法有光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometry， OTDR）、相干光時域反射儀（Coherent OTDR， COTDR）、拉曼光時域反射儀（Raman OTDR， ROTDR）、布里淵光時域反射儀（Brillouin OTDR， BOTDR）等。然而對于水下纜的運行狀態，當水下纜外部環境變化引起水下纜產生損耗或纜線內部溫度/應力變化時，往往已經對纜造成了一定的損傷。因此屬于靜態監測的上述技術，只能在水下纜損傷或故障發生后才能起到監測和告警作用，無法對纜周邊潛在的威脅進行提前感知及預報。與上述技術相比，Φ-OTDR具有響應速度快和靈敏度高的優點，是現階段水下纜狀態動態監測及故障預警的研究熱點。但對于傳統的外差相干探測Φ-OTDR系統，因其載波信號、外部調制脈沖信號和數據采集卡（Data Acquistion， DAQ）觸發信號來自獨立的時鐘源，每個光脈沖具有隨機的初始相位偏置，因此在傳統的相干探測Φ-OTDR系統中獲得的每條瑞利背向散射曲線也具有不同的隨時間變化的初始相位偏置，從而導致調制過程中引入不確定的干擾噪聲項。這種非鎖相帶來的相位偏置在監測過程中將會引入殘余干擾頻率，從而影響鑒相精度。這種因非鎖相帶來的殘余頻率影響是不可忽略的，必須加以抑制。否則，水下纜監測的目標信號可能會與該殘余頻率落入同一頻段，使得后續對水下纜預警事件的模式識別變得非常困難。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于鎖相（Phase-Locked， PL）結構的新型外差探測Φ-OTDR系統。該系統能夠提供時鐘同步的載波信號、調制信號和DAQ觸發信號，從而為振動信號重構提供更高的精度。并利用新系統分別在天然淡水湖和東海進行了水流沖擊、船錨拖拽和潮汐監測實驗，研究了外部振動對既有水下纜的直接作用影響。并利用埋設在長江灘涂的水下纜開展了人員運動軌跡和船只流量監測實驗，研究了外部環境對纜線的間接作用影響。

圖1 課題組與合作單位在野外開展的實驗現場圖

03 創新研究

3.1 鎖相外差探測Φ-OTDR系統

在傳統相干探測Φ-OTDR系統中，由于載波信號、外部調制脈沖信號和DAQ觸發信號來自獨立的振蕩源，每個光脈沖具有隨機的初始相位偏置，因此每個中頻信號軌跡也具有隨時間變化的不同的初始相位偏置。初始相位偏置連續變化，使得由探測器獲得的幾個連續中頻曲線之間的相關性隨時間降低。這種由非鎖相引起的相位偏置在后續的數據處理I/Q解調中將會帶來額外的殘余頻率，這將降低Φ-OTDR的解調精度和（Noise Equivalent Power，NEP）水平。

圖2 基于新設計PL結構的外差探測Φ-OTDR系統圖

為了抑制非鎖相帶來的干擾噪聲，本文提出了一種基于鎖相結構的Φ-OTDR系統，如圖2所示。在該鎖相結構中，為了確保系統時鐘的同源性，由DAQ內部產生并同步輸出一個正弦基準時鐘信號和一個調制脈沖信號，以確保所設計的Φ-OTDR系統時鐘完全同步。然后將該基準載波信號的頻率通過倍頻器倍頻至所需移頻量的RF載波信號，再與調制脈沖信號通過混頻器實現斬波。斬波后獲得的幅度調制RF信號通過放大器進行功率放大后用以驅動AOM晶體。從而實現AOM載波信號、調制脈沖信號以及DAQ觸發信號的時鐘同源，確保所獲得的中頻信號初始相位不發生偏置，以抑制因非鎖相帶來的干擾噪聲。

圖3 傳統的和新設計的Φ-OTDR系統獲得的本底噪聲數據分析結果

為了便于驗證所設計系統的鎖相性能，以及考慮到后期進行外場實驗驗證的便捷性，我們與南京法艾博光電科技有限公司合作，對新設計的鎖相Φ-OTDR系統進行了儀器化。并與同配置傳統Φ-OTDR系統進行了本底噪聲性能測試，二者獲得的噪聲數據功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）結果如圖3所示?？梢钥吹剑瑐鹘y的Φ-OTDR采集的安靜環境下的噪聲數據帶來了4.7kHz的高頻殘余信號，而新設計的PL Φ-OTDR獲得的噪聲數據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，進一步驗證了本文新設計的鎖相Φ-OTDR系統具有卓越的抑制非鎖相噪聲性能。

為了驗證新儀器實現既有水下纜在線狀態監測和周圍環境感知的能力，本文對不同場景下新儀器直接和間接作用于纜的外部振動監測進行了研究。通過鋪設在湖底、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、東海和長江進行了現場實驗。

3.2 基于既有水下纜的在線狀態監測

圖4 淡水湖現場布設圖（水流沖擊和船錨拖拽實驗）

3.2.1 水流沖擊監測

實驗中，實驗人員駕駛實驗船使其停留在距離光纜起點約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，打開水泵進行水流沖擊實驗，監測結果如圖5所示。當水流沖擊產生的振動傳播到纜時，重構信號的時空功率分布瀑布圖呈現出明顯的亮條紋，如圖5（a）中的黃色矩形框中所示。振動中心位置為295m，覆蓋范圍約±40m。中心位置的時域波形如圖5（b）所示，可以觀察到60s內有11個連續的沖擊信號。在10m空間分辨率條件下，連續水流沖擊引起的光纜動態軸向應變達到±2.5με，超過了傳統BOTDR或BOTDA儀器所能測量的靜態應變下限。此外，與直接施加在裸纖上的振動事件相比，由于光纜內部對光纖的保護，因此測得的動態應變相對較小。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，阻尼振蕩持續約1.6s。圖5 （c）為圖5（b）的功率譜，紅框中為第6個沖擊信號的頻譜細節圖。結果表明，每個沖擊信號起初均是寬頻帶的，隨后頻譜范圍迅速縮小為若干低頻，與水流沖擊信號的頻率特征相一致。對該信號以0.027s為間隔進行頻譜能量統計，獲得各頻率能量隨時間的分布如圖6所示?？梢钥吹剑瑳_擊信號從30.85s開始，在0.23s內能量迅速衰減至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 水流沖擊監測結果。（a） 重構信號的時空功率分布瀑布圖；（b） 295m處的時域波形；（c） 295m處重構信號的PSD圖；（d） 應變量和頻譜隨時間變化的子圖

圖6 第6個振蕩信號的歸一化能量統計結果。（a） 所有頻率；（b） 高頻分量

3.2.2 船錨拖拽監測

實驗中，實驗人員將模擬船錨用100kg鉛魚放入距光纜起點約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，纜線在被錨拖拽時會產生機械振動。圖7（a）中可以看到在240m附近發生了拖拽，整個拖拽過程持續了約3分鐘。隨著拖拽力的增大，纜的受力范圍逐漸增大至±100m。在單次拖動過程中，從拖拽點到兩側的時空二維圖上呈現出對稱的V型，這與纜上某一點被拖動時受力區域逐漸擴大的過程一致。240m處的時域波形如圖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，錨拖拽產生的波形無阻尼振蕩特性，在相同空間分辨率10m時達到±29με，動態應變高出1個數量級。圖7（c）為對應的功率譜圖，與水流沖擊結果相比，錨拖拽信號的功率譜強度要大得多，并且每個拖動信號在開始時是寬頻帶的，不同之處是錨拖拽產生的寬頻持續了約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計結果如圖8所示。與沖擊信號不同，由于拖拽是一個“拉”到“松”的過程，因此單次拖拽產生的能量在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%保持一段時間后消散。可見，雖然湖床上自然下沉的水下纜處于自由狀態，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 錨害實驗監測結果。（a） 重構信號的時空功率分布瀑布圖；（b） 240m處的時域波形；（c）240m處重構信號的PSD圖；（d） 應變量和頻譜隨時間變化的子圖

圖8 單次拖拽的歸一化能量統計結果。（a） 所有頻率；（b） 高頻分量

3.2.3 潮汐監測

圖9 東海實驗現場布設圖（潮汐監測實驗）

受復雜水下環境和洋流運動的影響，原本埋在海底的部分纜段可能會暴露在海水中。纜線會被潮汐或洋流反復沖刷，然后面臨磨損或損壞的危險。如果能夠提前了解海水對纜的直接作用所造成的振動強度數據庫，并形成長期觀測的水文數據，可能為今后預防類地震災害提供參考價值。圖10為課題組在東海某港口觀測到的潮汐振動，共計44分鐘。右側局部放大圖更清晰地顯示了振動信號明暗變化的規律。在22分鐘后，隨著纜線被人為收緊，拖動區域逐漸擴大，這與纜線從松弛到拉緊的過程相對應。并且在1000~2000m區間內長期存在較大范圍的高強度振動，推測是由于漲潮時海流的沖擊造成的。在1450~1850m區域，可以看到漲潮引起的擾動范圍隨著時間逐漸擴大。從監測結果可以觀察到各位置的漲潮時刻，如圖10中的紅色方塊箭頭所示。

圖10 潮汐監測時空分布瀑布圖

為了掌握這些擾動的特征，文中選取了1610m位置的一個典型信號，在時域和頻域進行進一步分析，如圖11所示。圖11（a）為時域波形，紅色矩形為600~610s的波形。整個信號呈現呈現出由漲潮引起的纜的周期性振動。纜最大動態應變為±1.8με，與上文水流沖擊實驗產生的應變數量級相同。圖11（b）~（d）是不同頻率范圍內的功率譜。從圖11（c）的頻譜可以看出，潮汐產生的振動頻率由占主導地位的低頻及其高次諧波組成。推測諧波是由于實驗場被多個島嶼包圍的地形引起的。在圖11（d）中，主導頻率隨時間從2.3Hz變化到2.7Hz，文中猜測這種時變頻率特性與復雜的水下流體力學有關。

圖11 時域波形和1042m處的功率譜。（a）時域波形;（b） ~ （d）時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境感知

圖12 長江灘涂實驗現場頂視圖（人員運動軌跡監測和船只流量監測實驗）

3.3.1 人員運動軌跡監測

為了測試PL Φ-OTDR儀器將來應用于反兩棲登陸（如蛙人兩棲潛入事件）的監測能力，本文于2021年2月10日開展了人員運動軌跡監測實驗，圖13為監測結果。圖13（a）和（b）分別為實驗人員Tom和Jerry運動情況的細節展示，可以清楚地看到，二人分別在t1、t2、t3、t4和t5時刻相遇。大約在630s后，在t3時刻，Tom追上了Jerry，并且二人分別在1040s和1104s停止了跑動。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”動作，而在后半段則是加速跑動。圖13（b）展示了Jerry停止跑動后行走的步伐和“鏟土-壓實”的動作。另外，與圖13（a）中跑步時呈現的連續性亮條不同，行走時呈現的是間歇性的亮點。

圖13 人員移動軌跡監控結果。（a）~（b）細節顯示;（c）時空功率分布瀑布圖

圖14為2021年6月15日15時37分~15時44分多艘船只通過航道時的監測結果。在黃色矩形中可以看到，在纜的200~400m和600m處檢測到兩艘船通過航道，時差約為40秒。200~400m的纜段靠近航道，因此檢測到的信號更明顯。400~600m段雖然距離較遠，但由于在約600m處采用了濕泥塊加固，增加了纜與灘涂地質的耦合，因此響應較強。右側是被遠程監視設備捕捉到的經過航道的兩艘船照片。在160m左右，其對稱位置在640m，有兩個連續的紅色亮區，這是因為在這個位置的電纜水平懸浮在水中，受到水流的影響，不斷對電纜產生振動。

圖14 2021年6月20日下午1544多艘船只通過航道的監測結果。左圖：重構信號的時空功率分布瀑布圖；右圖：遠程監控設備捕捉到的兩艘船

在船只流量監測中，漏報率和誤報率均與圖14中的強度閾值相關聯。在總樣本數一定的情況下，漏報率越低，錯報率就越高。為了達到二者之間的平衡，本文記錄了兩周內不同強度閾值下的船只流量監測結果，共計7673個樣本，并使用遠程監控設備觀測了實際通過該航道的船只數量。根據統計數據，本文獲得了如圖15所示的不同閾值下漏報率和錯報率的變化情況。其中，黃色實心點為兩種報警率之和，實心線為采用5階多項式擬合方法獲得的擬合曲線。可以看出，隨著強度閾值的增大，錯報率減小，漏報率增大。當強度閾值為536rad時，二者達到平衡均為8.44%。在閾值為550rad時，總報警率達到最小值17.9%。因此，可以考慮將550rad作為最優閾值。

圖15 兩周內不同閾值下的漏報率和誤報率變化情況

04 應用與展望

本文針對Φ-OTDR傳感系統提出了一種新穎的PL結構，顯著提高了探測靈敏度。針對不同埋深的水下纜狀態對監測結果的不同影響，開展了不同場景下的現場實驗。通過對不同潛在威脅事件在時域、空間域、頻域上的深入分析，獲得了各事件的信號強度、時域波形、頻率及持續時長等特征，為后續的模式識別研究提供了技術參考。首次實現了各潛在威脅目標事件直接或間接作用于纜形成的動態應變定量測量。實現了基于既有水下通信光纜的抵近船只識別與流量監測，垂直監測距離達到300m。初步證明了所提出的鎖相Φ-OTDR系統能夠對現有水下通信纜進行實時狀態監測和周邊環境感知，為水下纜的狀態監測和故障預警提供了有效的技術手段。

值得注意的是，在船只流量監測實驗中，基于強度閾值的誤報和漏報率仍然很高，在其他潛在的應用中也應該存在類似的問題。這就要求本文中的技術與具體應用的結合必須緊密聯系，并利用行業背景知識，更早的在實際環境中開展測試活動。對于目標事件的識別，由于環境、背景噪聲、振動-纜線耦合條件的差異，在具體應用中很難建立清晰、通用的數學模型。因此，結合樣本積累、特征庫比較和人工智能算法的技術路線，可能是使這種應用成為現實的唯一途徑，這將是本課題組未來的工作之一。此外，本文提出的PL Φ-OTDR系統實現了對非鎖相引入的干擾噪聲的抑制，但是相關的研究理論推導和解調算法對非鎖相的容忍度的研究還未見報道，這將是本課題組未來研究工作的另一重點。

作者簡介

張旭蘋（通訊作者）教授/博士生導師

南京大學現代工程與應用科學學院教授。南京大學光通信研究中心主任，江蘇省光通信系統與網絡工程研究中心主任，國務院政府特殊津貼專家，江蘇省“333高層次人才培養工程”首批中青年科技領軍人才，中國光電技術專業委員會副主任委員，國家光纖傳感標準分技術委員會委員，IEEE Nanjing Section Photonics Society Chapter主席。近年來主持了973課題、國家自然科學基金、863項目等來自國家、總裝、鐵道部、交通部、國家電網等各項基金資助16項，華為科技等企業委托科研項目20多項。已發表高水平論文近200篇，出版專著2部，15項科研成果通過部/省級鑒定，申請/獲得國家發明專利、國際發明專利和國防專利98項。作為主持人，曾經榮獲2015年吳文俊人工智能科學技術獎進步獎一等獎、2012年教育部技術發明一等獎、2006年教育部科技進步一等獎等十多項獎勵。

張益昕（通訊作者）副教授

南京大學現代工程與應用科學學院副教授。中國儀器儀表協會光機電技術與系統集成分會常務理事，中國光學學會光機電專業委員會委員，中國光學學會光學教育專業委員會委員。2006年畢業于東南大學，獲學士學位。2011年畢業于南京大學，獲博士學位。同年加入新加坡南洋理工大學任博士后研究員。2012年加入南京大學任助理研究員，2015年升任副教授。主要研究方向為分布式光纖傳感系統的機理研究與儀器化設計。目前已發表125篇本領域高水平期刊或會議論文，申請/獲得了108項發明/實用新型專利，其中79項已獲授權，獲得省部級科技進步一等獎3項。近年來，作為項目負責人或主要參與人參加了來自國家、省部委以及企業的科研項目共30項的研究工作。在微弱信號檢測、高速數據采集、數字信號處理等方面均有較深的理論基礎和豐富的實踐經驗。 審核編輯：郭婷